Abstract White fat stores excess energy, while brown and beige fat dissipate energy as heat 1 . These thermogenic adipose tissues markedly improve glucose and lipid homeostasis in mouse models, though the extent to which brown adipose tissue (BAT) influences metabolic and cardiovascular disease in humans is unclear 2, 3, 4 . Here, we categorized 139,224 18 F-FDG PET/CT scans from 53,475 patients by presence or absence of BAT and used propensity score matching to assemble a study cohort. Individuals with BAT showed lower prevalences of cardiometabolic diseases. Additionally, BAT independently correlated with lower odds of type II diabetes, coronary artery disease and congestive heart failure. These findings were supported by improved glucose, triglyceride and high-density lipoprotein values. The effects of BAT were more pronounced in overweight and obesity, indicating that BAT can offset the deleterious effects of obesity. Strikingly, we also found lower rates of hypertension among patients with BAT. Studies in a mouse model with genetic ablation of beige fat demonstrated elevated blood pressure due to increased sensitivity to angiotensin II in peripheral resistance arteries. In addition to highlighting a role for BAT in promoting overall cardiometabolic health, this study reveals a new link between thermogenic adipose tissue and blood pressure regulation.

Abstract Sphingolipids (SL) are both membrane building blocks and potent signaling molecules regulating a variety of cellular functions in both physiological and pathological conditions. Under normal physiology, sphingolipid levels are tightly regulated, whereas disruption of sphingolipid homeostasis and signaling has been implicated in diabetes, cancer, cardiovascular and autoimmune diseases. Yet, mechanisms governing cellular sensing of SL, and according regulation of their biosynthesis remain largely unknown. In yeast, serine palmitoyltransferase (SPT), catalyzing the first and rate limiting step of sphingolipid de novo biosynthesis, is negatively regulated by Orosomucoid 1 and 2 (Orm) proteins. Lowering sphingolipid levels triggers Orms phosphorylation, resulting in the removal of the inhibitory brake on SPT to enhance sphingolipid de novo biosynthesis. However, mammalian orthologs ORMDLs lack the N-terminus hosting the phosphosites. Thus, which sphingolipid(s) are sensed by the cells, and mechanisms of homeostasis remain largely unknown. This study is aimed at filling this knowledge gap. Here, we identify sphingosine-1-phosphate (S1P) as the key sphingolipid sensed by endothelial cells via S1PRs. The increase of S1P-S1PR signaling stabilizes ORMDLs, which downregulates SPT activity to maintain SL homeostasis. These findings reveal the S1PR/ORMDLs axis as the sensor-effector unit regulating SPT activity accordingly. Mechanistically, the hydroxylation of ORMDLs at Pro137 allows a constitutive degradation of ORMDLs via ubiquitin-proteasome pathway, therefore preserving SPT activity at steady state. The disruption of the S1PR/ORMDL axis results in ceramide accrual, mitochondrial dysfunction, and impaired signal transduction, all leading to endothelial dysfunction, which is an early event in the onset of cardio- and cerebrovascular diseases. The disruption of S1P-ORMDL-SPT signaling may be implicated in the pathogenesis of conditions such as diabetes, cancer, cardiometabolic disorders, and neurodegeneration, all characterized by deranged sphingolipid metabolism. Our discovery may provide the molecular basis for a therapeutic intervention to restore sphingolipid homeostasis.

Mutations in CHCHD10, a mitochondrial protein with still undefined function, are associated with dominant multi-system mitochondrial diseases. CHCHD10 knock-in mice harboring a heterozygous S55L mutation (equivalent to the human pathogenic S59L mutation) develop a fatal mitochondrial cardiomyopathy. The heart of S55L knock-in mice shows extensive metabolic rewiring triggered by proteotoxic mitochondrial integrated stress response (mtISR). In the mutant heart, mtISR initiates well before the onset of mild bioenergetic impairments and is associated with a shift from fatty acid oxidation to glycolytic metabolism and widespread metabolic imbalance. We tested therapeutic interventions to counteract the metabolic rewiring and ameliorate the metabolic imbalance. Heterozygous S55L mice were subjected to chronic high fat diet (HFD) to decrease insulin sensitivity and glucose uptake and enhance fatty acid utilization in the heart. Metabolomics and gene expression profiles demonstrated that HFD achieved an increase of fatty acid utilization in the heart accompanied by a decrease in cardiomyopathy markers. Surprisingly, HFD also decreased the accumulation of aggregated CHCHD10 in the S55L heart. Importantly, HFD increased the survival of mutant female mice exposed to acceleration of the mitochondrial cardiomyopathy associated with pregnancy. Our findings indicate that metabolic alterations can be effectively targeted for therapeutic intervention in mitochondrial cardiomyopathies associated with proteotoxic stress.

The plasma membranes of eukaryotic cells are organized in an asymmetric manner for normal cellular function. At rest, polar and charged lipids are sequestered to the inner leaflet by the activity of ATP-driven pumps. Activation of a specialized class of membrane proteins, phospholipid scramblases, causes rapid collapse of this asymmetry and externalization of negatively charged phosphatidylserine molecules. As a result, extracellular signaling networks, controlling processes such as apoptosis, blood coagulation, membrane fusion and repair, are activated 1,2. The TMEM16 family of membrane proteins includes phospholipid scramblases and Cl- channels 3, all of which are Ca2+-dependent. Prior structural and functional analyses of the fungal TMEM16 scramblase from Nectria haematococca identified a membrane-exposed hydrophilic groove that serves as the lipid translocation pathway 4-8. In the TMEM16A channel, this pathway is sealed from the membrane, thus preventing lipid access and enabling ion permeation 9,10. However, the mechanisms underlying Ca2+-dependent gating of TMEM16 scramblases, and their effects on the surrounding lipid bilayer, remain poorly understood. Here we describe three high-resolution cryo-electron microscopy structures of a fungal scramblase from Aspergillus fumigatus, afTMEM16, reconstituted in lipid nanodiscs. Differences between the Ca2+-free and Ca2+-bound states reveal that Ca2+ binding induces a global rearrangement of the transmembrane and cytosolic regions, which causes the lipid pathway to open. Further, comparison of these structures and a third in the presence of a long-chain inhibitory lipid, together with functional experiments, reveal that scramblases cause profound remodeling of the surrounding membrane. Specifically, scramblase activation causes the bilayer to thin at the open lipid pathway and the outer leaflet to bend towards the center of the bilayer at the dimer interface. We propose a model in which trans-bilayer lipid movement is enabled by these membrane and protein rearrangements and provide a general mechanistic framework for phospholipid scrambling.

Abstract Purpose Treatment of pediatric cancers with doxorubicin is a common and predictable cause of cardiomyopathy. Early diagnosis of treatment-induced cardiotoxicity and intervention are major determinants for the prevention of advanced disease. The onset of cardiomyopathies is often accompanied by profound changes in lipid metabolism, including an enhanced uptake of short-chain fatty acids (SCFA). Therefore, we explored the utility of 2-[ 18 F]fluoropropionic acid ([ 18 F]FPA), an SCFA analog, as an imaging biomarker of cardiac injury in mice exposed to doxorubicin. Procedures Cardiotoxicity and cardiac dysfunction were induced in mice by an 8-dose regimen of doxorubicin (cumulative dose 24 mg/kg) administered over 14 days. The effects of doxorubicin exposure were assessed by measurement of heart weights, left ventricular ejection fractions, and blood cardiac troponin levels. Whole body and cardiac [ 18 F]FPA uptakes were determined by PET and tissue gamma counting in the presence or absence of AZD3965, a pharmacological inhibitor of monocarboxylate transporter 1 (MCT1). Radiation absorbed doses were estimated using tissue time-activity concentrations. Results Significantly higher cardiac [ 18 F]FPA uptake was observed in doxorubicin-treated animals. This uptake remained constant from 30 to 120 min post-injection. Pharmacological inhibition of MCT1-mediated transport by AZD3965 selectively decreased the uptake of [ 18 F]FPA in tissues other than the heart. Co-administration of [ 18 F]FPA and AZD3965 enhanced the imaging contrast of the diseased heart while reducing overall exposure to radioactivity. Conclusions [ 18 F]FPA, especially when co-administered with AZD3965, is a new tool for imaging changes in fatty acid metabolism occurring in response to doxorubicin-induced cardiomyopathy by PET.

ABSTRACT Background Anthracycline chemotherapy is associated with a risk of cardiotoxicity leading to heart disease, particularly in pediatric cancer patients. Gold standard methods of detecting cardiotoxicity are insufficiently sensitive to early damage and specific pathophysiologies driving disease. Positron emission tomography (PET) couples anatomical resolution with biochemical mechanistic selectivity and potentially addresses the current diagnostic limitations in cardio-oncology. We aimed to validate PET imaging biomarkers targeting fibroblast activation protein alpha (FAP), Translocator protein (TSPO), and norepinephrine receptor (NET) for detection of incipient anthracycline-induced cardiotoxicity. Methods Cardiotoxicity was established in male C57BL/6J mice by a cumulative dose of 24 mg/kg doxorubicin (DOX) over 2 weeks. DOX mice and their age-matched controls were imaged with echocardiography and PET, using [ 68 Ga]Ga-FAPI-04, [ 18 F]DPA-714, and [ 18 F]MFBG, over 12 weeks. Fractional shortening (FS) was determined from the echocardiograms, and cardiac uptake of the radioligands was quantified from the PET images. Heart sections were collected and used for the analysis of bulk RNA-seq, RT-qPCR, Western blot, in situ hybridization (ISH), and histopathological analysis. Results DOX mice exhibited cardiotoxicity and cardiac atrophy. Cardiac [ 68 Ga]Ga-FAPI-04 PET signal was significantly higher in DOX mice from 2 weeks through the study endpoint. By contrast, no cardiac dysfunction was evident by echocardiography until 10 weeks, at which point FS was significantly reduced in DOX mice. There were no differences in [ 18 F]DPA-714 and [ 18 F]MFBG signals. Transcription and translation of FAP, but not TSPO or NET, was detected in cardiomyocytes and were elevated in the DOX hearts, in agreement with the PET data. Genes related to cell adhesion and extracellular remodeling were significantly upregulated in the DOX mice relative to controls. Conclusions FAP is a sensitive and selective imaging biomarker for incipient cardiotoxicity and FAPI PET is a promising non-invasive imaging tool for identifying patients at risk of cardiotoxicity during or after anthracycline chemotherapy. GRAPHICAL ABSTRACT NOVELTY AND SIGNIFICANCE What is Known? Anthracycline chemotherapy results in cardiotoxicity for a sizeable population of treated patients. Cardiotoxocity manifests as cardiac dysfunction, and may result in long-term cardiac disease and heart failure, particularly in survivors of pediatric cancer. Cardiotoxicity is typically defined in terms of left ventricular ejection fraction (LVEF) deficits, as measured by echocardiography. However, this metric is often poorly sensitive to early disease and agnostic to underlying pathophysiology. Early treatment of cardiotoxicity improves recovery and long-term survival, emphasizing the need for accurate diagnostics in incipient disease. What New Information Does This Article Contain? [ 68 Ga]Ga-FAPI-04 accumulates in the hearts of mice experiencing doxorubicin-induced cardiotoxicity as a function of fibroblast activation protein alpha (FAP) expression and activity. By contrast, cardiac uptake of radioligands targeting the translocator protein 18-kDa (TSPO) and the norepinephrine transporter (NET) do not differ between DOX animals and controls. Positron emission tomography (PET) imaging following administration of [ 68 Ga]Ga-FAPI-04 detects abnormal cardiac remodeling significantly earlier than LVEF decrease is observed, indicating that it may be more sensitive to incipient disease. Our study identifies fibroblast activation protein alpha (FAP) as a promising diagnostic imaging biomarker in anthracycline-induced cardiotoxicity. We show that cardiac PET signal increases immediately after doxorubicin treatment, and the signal increase is sustained for at least 10 weeks. In addition, we demonstrate that FAP inhibitor (FAPI) PET correlates with expression of FAP protein and gene. Thus, we provide mechanistic insight into potentially-treatable pathophysiologies driving cardiac atrophy and toxicity, and have identified a translational PET tracer that can image the activation of these processes at an early stage.

Hypercholesterolemia and hypertension are two major risk factors for coronary artery diseases, which remain the major cause of mortality in the industrialized world. Current animal models of atherosclerosis do not recapitulate coronary plaque disruption, thrombosis and myocardial infarction occurring in human. Recently, we demonstrated that exposure of the heart to high pressure, by transverse aortic constriction (TAC), induced coronary lesions in ApoE-/- mice on chow diet. The aim of this study was to characterize the magnitude and location of coronary lesions in ApoE-/- mice post-TAC, and to assess the susceptibility of coronary plaque to disruption, leading to myocardial events. Here we describe a reliable pathological condition in mice characterized by the development of coronary lesions and its progression leading to myocardial infarction, which better recapitulate human disease. Following TAC surgery, about 90% of ApoE-/- mice develop coronary lesions, especially in the left anterior descending artery, with 59% of the mice manifesting different magnitude of LAD stenosis. Myocardial events, identified in 74% of the mice, were mainly due to coronary plaque thrombosis and occlusion. That TAC induces the development and progression of coronary lesions in ApoE-/- mice leading to myocardial events represents a novel and important tool to investigate the development of coronary lesions and its sequelae in a setting that better resemble human conditions.