Heme is an ancient and ubiquitous molecule present in organisms of all kingdoms, composed of an atom of iron linked to four ligand groups of porphyrin. A high amount of free heme, a potential amplifier of the inflammatory response, is a characteristic feature of diseases with increased hemolysis or extensive cell damage. Here we demonstrate that heme, but not its analogs/precursors, induced tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha) secretion by macrophages dependently on MyD88, TLR4, and CD14. The activation of TLR4 by heme is exquisitely strict, requiring its coordinated iron and the vinyl groups of the porphyrin ring. Signaling of heme through TLR4 depended on an interaction distinct from the one established between TLR4 and lipopolysaccharide (LPS) since anti-TLR4/MD2 antibody or a lipid A antagonist inhibited LPS-induced TNF-alpha secretion but not heme activity. Conversely, protoporphyrin IX antagonized heme without affecting LPS-induced activation. Moreover, heme induced TNF-alpha and keratinocyte chemokine but was ineffective to induce interleukin-6, interleukin-12, and interferon-inducible protein-10 secretion or co-stimulatory molecule expression. These findings support the concept that the broad ligand specificity of TLR4 and the different activation profiles might in part reside in its ability to recognize different ligands in different binding sites. Finally, heme induced oxidative burst, neutrophil recruitment, and heme oxygenase-1 expression independently of TLR4. Thus, our results presented here reveal a previous unrecognized role of heme as an extracellular signaling molecule that affects the innate immune response through a receptor-mediated mechanism.

Highlights•Peridroplet mitochondria (PDM) have enhanced bioenergetic capacity•Peridroplet mitochondria have low fatty acid oxidation capacity•PDM support lipid droplet expansion by providing ATP for triacylglyceride synthesis•Distinct fusion-fission dynamics separate PDM from cytoplasmic mitochondriaSummaryMitochondria associate with lipid droplets (LDs) in fat-oxidizing tissues, but the functional role of these peridroplet mitochondria (PDM) is unknown. Microscopic observation of interscapular brown adipose tissue reveals that PDM have unique protein composition and cristae structure and remain adherent to the LD in the tissue homogenate. We developed an approach to isolate PDM based on their adherence to LDs. Comparison of purified PDM to cytoplasmic mitochondria reveals that (1) PDM have increased pyruvate oxidation, electron transport, and ATP synthesis capacities; (2) PDM have reduced β-oxidation capacity and depart from LDs upon activation of brown adipose tissue thermogenesis and β-oxidation; (3) PDM support LD expansion as Perilipin5-induced recruitment of mitochondria to LDs increases ATP synthase-dependent triacylglyceride synthesis; and (4) PDM maintain a distinct protein composition due to uniquely low fusion-fission dynamics. We conclude that PDM represent a segregated mitochondrial population with unique structure and function that supports triacylglyceride synthesis.Graphical abstract

Violence and aggression represent severe social problems, with profound impacts on public health. Despite the development of experimental models to study aggressive behavior is highly appreciated, the underlying mechanisms remain poorly understood. Given the key contribution of mitochondria to central nervous system bioenergetics, we hypothesized that mitochondrial function in brain would be altered by social stress. Using a model of spontaneous aggression, we investigated here the effects of social stress on brain mitochondrial function in prefrontal cortex of Swiss mice. Animals were categorized as highly aggressive, subordinate and non-aggressive (harmonic) after stress induced by regrouping and compared them with non-regrouped animals. Despite social stress did not affect brain cortex oxygen consumption rates and NADH:cytochrome c oxidoreductase activity, cytochrome c oxidase expression and activity were significantly lower in highly aggressive animals compared to non-regrouped ones. These changes were not observed in ATP synthase and adenine nucleotide translocator content suggesting a selective effect of social stress on cytochrome c oxidase. Therefore, aggressive behavior generated upon social stress associates to selective reduction in cytochrome c oxidase activity, with potential detrimental effects on brain bioenergetics and function.

Abstract The huge energy demand posed by insect flight activity is met by an efficient oxidative phosphorylation process that takes place within flight muscle mitochondria. In the major arbovirus vector Aedes aegypti , mitochondrial oxidation of pyruvate, proline and glycerol 3 phosphate (G3P) represent the major energy sources of ATP to sustain flight muscle energy demand. Although adenylates exert critical regulatory effects on several mitochondrial enzyme activities, the potential consequences of altered adenylate levels to G3P oxidation remains to be determined. Here, we report that mitochondrial G3P oxidation is controlled by adenylates through allosteric regulation of cytochrome c oxidase (COX) activity in A. aegypti flight muscle. We observed that ADP significantly activated respiratory rates linked to G3P oxidation, in a protonmotive force-independent manner. Kinetic analyses revealed that ADP activates respiration through a slightly cooperative mechanism. Despite adenylates caused no effects on G3P-cytochrome c oxidoreductase activity, COX activity was allosterically activated by ADP. Conversely, ATP exerted powerful inhibitory effects on respiratory rates linked to G3P oxidation and on COX activity. We also observed that high energy phosphate recycling mechanisms did not contribute to the regulatory effects of adenylates on COX activity or G3P oxidation. We conclude that mitochondrial G3P oxidation by A. aegypti flight muscle is regulated by adenylates essentially through the allosteric modulation of COX activity, underscoring the bioenergetic relevance of this novel mechanism and the potential consequences for mosquito dispersal.

Abstract Heme is a prosthetic group of proteins involved in vital physiological processes in aerobic organisms. It participates in redox reactions crucial for cell metabolism due to the variable oxidation state of its central iron atom. However, excessive heme can be cytotoxic due to its prooxidant properties. Therefore, the control of intracellular heme levels ensures the survival of organisms, especially those that deal with high concentrations of heme during their lives, such as hematophagous insects. The feline leukemia virus C receptor (FLVCR) is a membrane protein responsible for heme transport in mammalian cells. In our study, we found that RpFLVCR serves as a heme exporter in the midgut of the hematophagous insect Rhodnius prolixus , a vector for Chagas disease. Silencing RpFLVCR decreased hemolymphatic heme levels and increased the levels of intracellular dicysteinyl-biliverdin, a product of R. prolixus heme degradation, indicating heme retention inside midgut cells. FLVCR silencing led to increased expression of heme oxygenase (HO), ferritin, and mitoferrin mRNAs while downregulating the iron importers Malvolio 1 and 2. In contrast, HO gene silencing increased FLVCR and Malvolio expression and downregulated ferritin, revealing crosstalk between heme degradation/export and iron transport/storage pathways. Furthermore, RpFLVCR silencing strongly increased oxidant production and lipid peroxidation, reduced cytochrome c oxidase activity and activated mitochondrial biogenesis, effects not observed in RpHO-silenced insects. These data support FLVCR function as a heme exporter, playing a pivotal role in heme/iron metabolism and maintenance of redox balance, especially in an organism adapted to face extremely high concentrations of heme.

White adipose tissue (WAT) is classically associated with energy storage in the form of triacylglycerol and is directly associated with metabolic disorders, including obesity. Mitochondria regulates cellular expenditure and are active in WAT. Although isolated mitochondria have been classically used to assess their functions, several artifacts can be introduced by this approach. Although methods to assess mitochondrial physiology in permeabilized WAT were proposed, important limitations that affect organelle function exist. Here, we established and validated a method for functional evaluation of mice mesenteric WAT (mWAT) mitochondria by using mechanical permeabilization in combination with lipid depletion and high-resolution respirometry. We observed that mild stirring of mWAT for 20 minutes at room temperature with 4% fatty acid-free albumin selectively permeabilized white adipocytes plasma membrane. In these conditions, mWAT mitochondria were intact and coupled, exhibiting succinate-induced respiratory rates that were sensitive to classical modulators of oxidative phosphorylation. Finally, the respiratory capacity of mWAT in females was significantly higher than in males, an observation that agrees with reported data using isolated mitochondria. The functional assessment of mWAT mitochondria through mild mechanical permeabilization, lipid depletion and high resolution respirometry proposed here will contribute to a better understanding of WAT biology in several pathophysiological contexts.

Aedes aegypti adult females are key vectors of several arboviruses and flight activity plays a central role in mosquito biology and disease transmission. Available methods to quantify mosquito flight usually require special devices and mostly assess spontaneous locomotor activity at individual level. Here, we developed a new method to determine longitudinal untethered adult A. aegypti induced flight activity: the INduced FLight Activity TEst (INFLATE). This method was an adaptation of the "rapid iterative negative geotaxis" assay to assess locomotor activity in Drosophila and explore the spontaneous behavior of mosquito to fly upon a physical stress. Insects were placed on a plastic cage previously divided in four vertical quadrants and flight performance was carried out by tapping cages towards the laboratory bench. After one minute, the number of insects per quadrant was registered by visual inspection and categorized in five different scores. By using INFLATE, we observed that flight performance was not influenced by repeated testing, sex or 5 % ethanol intake. However, induced flight activity was strongly affected by aging, blood meal and inhibition of mitochondrial complex I. This simple and rapid method allows the longitudinal assessment of induced flight activity of multiple untethered mosquitoes and may contribute to a better understanding of A. aegypti dispersal biology.

Futile lipid cycling is an ATP-wasting process proposed to participate in energy expenditure of mature fat-storing white adipocytes, given their inability to oxidize fat. The hallmark of activated brown adipocytes is to increase fat oxidation by uncoupling respiration from ATP synthesis. Whether ATP-consuming lipid cycling can contribute to BAT energy expenditure has been largely unexplored. Here we find that pharmacological inhibition of the mitochondrial pyruvate carrier (MPC) in brown adipocytes is sufficient to increase ATP-synthesis fueled by fatty acid oxidation, even in the absence of adrenergic stimulation. We find that elevated ATP-demand induced by MPC inhibition results from activation of futile lipid cycling. Furthermore, we identify that glutamine consumption and the Malate-Aspartate Shuttle are required for the increase in Energy Expenditure induced by MPC inhibition in Brown Adipocytes (MAShEEBA). These data demonstrate that futile energy expenditure through lipid cycling can be activated in BAT by altering fuel availability to mitochondria. Therefore, we identify a new mechanism to increase fat oxidation and energy expenditure in BAT that bypasses the need for adrenergic stimulation of mitochondrial uncoupling.

Aedes aegypti females are natural vectors of important arboviruses such as Dengue, Zika, and yellow fever. Mosquitoes activate innate immune response signaling pathways upon infection, as a resistance mechanism to fight pathogens and limit their propagation. Despite the beneficial effects of immune activation for insect vectors, phenotypic costs ultimately affect their fitness. However, the underlying mechanisms that mediate these fitness costs remain poorly understood. Given the high energy required to mount a proper immune response, we hypothesized that systemic activation of innate immunity would impair flight muscle mitochondrial function, compromising tissue energy demand and flight activity. Here, we investigated the dynamic effects of activation of innate immunity by intra-thoracic zymosan injection on A. aegypti flight muscle mitochondrial metabolism. Zymosan injection significantly increased defensin expression in fat bodies in a time-dependent manner that compromised flight activity. Although oxidant levels in flight muscle were hardly altered, ATP-linked respiratory rates driven by mitochondrial pyruvate+proline oxidation were significantly reduced at 24h upon zymosan injection. Oxidative phosphorylation coupling was preserved regardless of innate immune response activation along 24h. Importantly, rotenone-sensitive respiration and complex I-III activity were specifically reduced 24h upon zymosan injection. Also, loss of complex I activity compromised ATP-linked and maximal respiratory rates mediated by mitochondrial proline oxidation. Finally, the magnitude of innate immune response activation negatively correlated with respiratory rates, regardless of the metabolic states. Collectively, we demonstrate that activation of innate immunity is strongly associated with reduced flight muscle complex I activity with direct consequences to mitochondrial proline oxidation and flight activity. Remarkably, our results indicate a trade-off between dispersal and immunity exists in an insect vector, underscoring the potential consequences of disrupted flight muscle mitochondrial energy metabolism to arbovirus transmission.

A sharp increase in mitochondrial Ca2+ marks the activation of the brown adipose tissue (BAT) thermogenesis, yet the mechanisms preventing Ca2+ deleterious effects are poorly understood. Here, we show that adrenergic stimulation of BAT activates a PKA-dependent mitochondrial Ca2+ extrusion via the mitochondrial Na+/Ca2+ exchanger, NCLX. Adrenergic stimulation of NCLX-ablated brown adipocytes (BA) induces a profound mitochondrial Ca2+ overload and impaired uncoupled respiration. Core body temperature, PET imaging and VO2 measurements confirm a BAT specific thermogenic defect in NCLX-null mice. We show that mitochondrial Ca2+ overload induced by adrenergic stimulation of NCLX-null BAT, triggers the opening of the mitochondrial permeability transition pore (mPTP), leading to remarkable mitochondrial swelling, Cytochrome c release and cell death in BAT. However, treatment with mPTP inhibitors rescue mitochondrial respiratory function and thermogenesis in NCLX-null BA, in vitro and in vivo. Our findings identify a novel pathway enabling non-lethal mitochondrial Ca2+ elevation during adrenergic stimulation of uncoupled respiration. Deletion of NCLX transforms the adrenergic pathway responsible for the stimulation of thermogenesis into a death pathway.