The mitochondrial theory of aging proposes that reactive oxygen species (ROS) generated inside the cell will lead, with time, to increasing amounts of oxidative damage to various cell components. The main site for ROS production is the respiratory chain inside the mitochondria and accumulation of mtDNA mutations, and impaired respiratory chain function have been associated with degenerative diseases and aging. The theory predicts that impaired respiratory chain function will augment ROS production and thereby increase the rate of mtDNA mutation accumulation, which, in turn, will further compromise respiratory chain function. Previously, we reported that mice expressing an error-prone version of the catalytic subunit of mtDNA polymerase accumulate a substantial burden of somatic mtDNA mutations, associated with premature aging phenotypes and reduced lifespan. Here we show that these mtDNA mutator mice accumulate mtDNA mutations in an approximately linear manner. The amount of ROS produced was normal, and no increased sensitivity to oxidative stress-induced cell death was observed in mouse embryonic fibroblasts from mtDNA mutator mice, despite the presence of a severe respiratory chain dysfunction. Expression levels of antioxidant defense enzymes, protein carbonylation levels, and aconitase enzyme activity measurements indicated no or only minor oxidative stress in tissues from mtDNA mutator mice. The premature aging phenotypes in mtDNA mutator mice are thus not generated by a vicious cycle of massively increased oxidative stress accompanied by exponential accumulation of mtDNA mutations. We propose instead that respiratory chain dysfunction per se is the primary inducer of premature aging in mtDNA mutator mice.

Analysis of mammalian mtDNA by two-dimensional agarose gel electrophoresis revealed two classes of replication intermediate. One was resistant to single-strand nuclease digestion and displayed the mobility properties of coupled leading- and lagging- strand replication products. Intermediates of coupled, unidirectional mtDNA replication were found in mouse liver and human placenta and were the predominant species in cultured cells recovering from transient mtDNA replication. Replication intermediates sensitive to single-strand nuclease were most abundant in untreated cultured cells. These are presumed to derive from the orthodox, strand-asynchronous mode of mtDNA replication. These findings indicate that two modes of mtDNA replication operate in mammalian cells and that changes in mtDNA copy number involve an alteration in the mode of mtDNA replication.

In endothermic species, heat released as a product of metabolism ensures stable internal temperature throughout the organism, despite varying environmental conditions. Mitochondria are major actors in this thermogenic process. Part of the energy released by the oxidation of respiratory substrates drives ATP synthesis and metabolite transport, but a substantial proportion is released as heat. Using a temperature-sensitive fluorescent probe targeted to mitochondria, we measured mitochondrial temperature in situ under different physiological conditions. At a constant external temperature of 38 °C, mitochondria were more than 10 °C warmer when the respiratory chain (RC) was fully functional, both in human embryonic kidney (HEK) 293 cells and primary skin fibroblasts. This differential was abolished in cells depleted of mitochondrial DNA or treated with respiratory inhibitors but preserved or enhanced by expressing thermogenic enzymes, such as the alternative oxidase or the uncoupling protein 1. The activity of various RC enzymes was maximal at or slightly above 50 °C. In view of their potential consequences, these observations need to be further validated and explored by independent methods. Our study prompts a critical re-examination of the literature on mitochondria.

The 15,650 base-pair mitochondrial genome of the sea urchin Strongylocentrotus purpuratus has been cloned and sequenced. It exhibits a novel organization that suggests the primacy of post-transcriptional gene regulation. The same 13 polypeptides, two rRNAs and 22 tRNAs are encoded as in other animal mitochondrial DNAs, but are organized with extreme economy; non-coding information between genes is almost completely absent, some stop codons are generated post-transcriptionally and tRNA sequences are interspersed between only a minority of other structural genes. The genome uses a variant genetic code, in which AAA specifies asparagine, ATA isoleucine, TGA tryptophan and AGN serine, and has an unusual pattern of codon bias. The order of genes shows several differences from that of vertebrates. The genes for the large (16 S) ribosomal RNA and for NADH dehydrogenase subunit 4L (ND4L) are in different positions, located respectively between those encoding ND2 and cytochrome oxidase subunit I (COI) and between COI and COII. This organization is conserved amongst at least four regular echinoids diverging by some 225 million years. Most tRNA genes are also in different positions. The only long unassigned sequence in the genome (121 base-pairs) is located within a cluster of 15 tRNA genes. It contains elements resembling some of those found in the displacement (D) loop of vertebrate mtDNAs, notably polypurine/polypyrimidine tracts that may play a role in regulating transcription and the initiation of replication. The separation of the ribosomal RNA genes from each other and from the putative control region imposes special demands on the transcription of the genome.

ABSTRACT The robustness and sensitivity of gene networks to environmental changes is critical for cell survival. How gene networks produce specific, chronologically ordered responses to genome-wide perturbations, while robustly maintaining homeostasis, remains an open question. We analysed if short- and mid-term genome-wide responses to shifts in RNA polymerase (RNAP) concentration are influenced by the known topology and logic of the transcription factor network (TFN) of Escherichia coli . We found that, at the gene cohort level, the magnitude of the single-gene, mid-term transcriptional responses to changes in RNAP concentration can be explained by the absolute difference between the gene’s numbers of activating and repressing input transcription factors (TFs). Interestingly, this difference is strongly positively correlated with the number of input TFs of the gene. Meanwhile, short-term responses showed only weak influence from the TFN. Our results suggest that the global topological traits of the TFN of E. coli shape which gene cohorts respond to genome-wide stresses.

Abstract Despite the beneficial effects of xenotopically expressing the mitochondrial alternative oxidase AOX from Ciona intestinalis in mammalian and insect models, important detrimental outcomes have also been reported, raising concerns regarding its potential deployment as a therapeutic enzyme for human mitochondrial diseases. Because of its non-protonmotive terminal oxidase activity, AOX can bypass the cytochrome segment of the respiratory chain whilst not contributing to mitochondrial ATP synthesis. We have previously shown that pupal lethality occurs when AOX-expressing Drosophila larvae are cultured on a low-nutrient diet, indicating that AOX can perturb normal metabolism during development. Here, combined omics analyses revealed multiple correlates of this diet-dependent lethality, including a general alteration of larval amino acid and lipid metabolism, functional and morphological changes to the larval digestive tract, and a drastic decrease in larval biomass accumulation. Pupae at the pre-lethality stage presented a general downregulation of mitochondrial metabolism and a signature of starvation and deregulated signaling. AOX-induced lethality was partially rescued when the low-nutrient diet was supplemented with tryptophan and/or methionine, but not with proline and/or glutamate, strongly suggesting perturbation of one-carbon metabolism. The developmental dependence on tryptophan and/or methionine, associated with elevated levels of lactate dehydrogenase, 2-hydroxyglutarate, choline-containing metabolites and breakdown products of membrane phospholipids, indicates that AOX expression promotes tissue proliferation and larval growth, but this is ultimately limited by energy dissipation due to partial mitochondrial uncoupling. We speculate that the combination of dietary interventions and AOX expression might, nevertheless, be useful for the metabolic regulation of proliferative tissues, such as tumors.

ABSTRACT Based on studies with a fluorescent reporter dye, Mito Thermo Yellow, and the genetically encoded gTEMP ratiometric fluorescent temperature indicator targeted to mitochondria, the temperature of active mitochondria in four mammalian and one insect cell-line was estimated to be up to 15 °C above that of the external environment to which the cells were exposed. High mitochondrial temperature was maintained in the face of a variety of metabolic stresses, including substrate starvation or modification, decreased ATP demand due to inhibition of cytosolic protein synthesis, inhibition of the mitochondrial adenine nucleotide transporter and, if an auxiliary pathway for electron transfer was available via the alternative oxidase, even respiratory poisons acting downstream of OXPHOS complex I. We propose that the high temperature of active mitochondria is an inescapable consequence of the biochemistry of oxidative phosphorylation and is homeostatically maintained as a primary feature of mitochondrial metabolism. IMPACT STATEMENT Mitochondria are up to 15 °C hotter than their external environment in living cells. In response to diverse metabolic stresses, mitochondrial temperature re-adjusts to this value whenever possible.