SUMMARY Cell culture is generally considered to be hyperoxic. However, the importance of cellular oxygen consumption is often underappreciated, with rates of oxygen consumption often sufficient to cause hypoxia at cell monolayers. We initially focused on cultured adipocytes as a terminally differentiated cell-type with substantial oxygen consumption rates to support diverse cellular functions. Under standard conditions, cultured adipocytes are hypoxic and highly glycolytic. Increasing oxygen diverted glucose flux toward mitochondria and resulted in thousands of gene expression changes that pointed toward alleviated physiological transcriptional responses to hypoxia. Phenotypically, providing more oxygen increased adipokine secretion and rendered adipocytes more sensitive to insulin and lipolytic stimuli. The functional benefits of increasing pericellular oxygen were transferable to other cellular systems including hPSC-derived hepatocytes and cardiac organoids. Our findings suggest that oxygen is limiting in many terminally-differentiated cell culture systems, and that controlling oxygen availability can improve the quality and translatability of cell models.

ABSTRACT Mutations of the mitochondrial genome (mtDNA) cause a range of profoundly debilitating clinical conditions for which treatment options are very limited. Most mtDNA diseases show heteroplasmy – tissues express both wild-type and mutant mtDNA. While the level of heteroplasmy broadly correlates with disease severity, the relationships between specific mtDNA mutations, heteroplasmy, disease phenotype and severity are poorly understood. We have carried out extensive bioenergetic, metabolomic and RNAseq studies on heteroplasmic patient derived cells carrying the most prevalent disease related mtDNA mutation, m.3243A>G. These studies reveal that the mutation promotes changes in metabolites which is associated with the upregulation of the PI3K-Akt-mTORC1 axis in patient-derived cells and tissues. Remarkably, pharmacological inhibition of PI3K, Akt, or mTORC1 activated mitophagy, reduced mtDNA mutant load and rescued cellular bioenergetic function. The rescue was prevented by inhibition of mitophagy. The PI3K-Akt-mTORC1 axis thus represents a potential therapeutic target that may benefit people suffering from the consequences of the m.3243A>G mutation.