Compartmentation of the eukaryotic cell requires a complex set of subcellular messages, including multiple retrograde signals from the chloroplast and mitochondria to the nucleus, to regulate gene expression. Here, we propose that one such signal is a phosphonucleotide (3'-phosphoadenosine 5'-phosphate [PAP]), which accumulates in Arabidopsis thaliana in response to drought and high light (HL) stress and that the enzyme SAL1 regulates its levels by dephosphorylating PAP to AMP. SAL1 accumulates in chloroplasts and mitochondria but not in the cytosol. sal1 mutants accumulate 20-fold more PAP without a marked change in inositol phosphate levels, demonstrating that PAP is a primary in vivo substrate. Significantly, transgenic targeting of SAL1 to either the nucleus or chloroplast of sal1 mutants lowers the total PAP levels and expression of the HL-inducible ASCORBATE PEROXIDASE2 gene. This indicates that PAP must be able to move between cellular compartments. The mode of action for PAP could be inhibition of 5' to 3' exoribonucleases (XRNs), as SAL1 and the nuclear XRNs modulate the expression of a similar subset of HL and drought-inducible genes, sal1 mutants accumulate XRN substrates, and PAP can inhibit yeast (Saccharomyces cerevisiae) XRNs. We propose a SAL1-PAP retrograde pathway that can alter nuclear gene expression during HL and drought stress.

Summary The cellular glutathione redox buffer is assumed to be part of signal transduction pathways transmitting environmental signals during biotic and abiotic stress, and thus is essential for regulation of metabolism and development. Ratiometric redox‐sensitive GFP (roGFP) expressed in Arabidopsis thaliana reversibly responds to redox changes induced by incubation with H 2 O 2 or DTT. Kinetic analysis of these redox changes, combined with detailed characterization of roGFP2 in vitro , shows that roGFP2 expressed in the cytosol senses the redox potential of the cellular glutathione buffer via glutaredoxin (GRX) as a mediator of reversible electron flow between glutathione and roGFP2. The sensitivity of roGFP2 toward the glutathione redox potential was tested in vivo through manipulating the glutathione (GSH) content of wild‐type plants, through expression of roGFP2 in the cytosol of low‐GSH mutants and the endoplasmic reticulum (ER) of wild‐type plants, as well as through wounding as an example for stress‐induced redox changes. Provided the GSH concentration is known, roGFP2 facilitates the determination of the degree of oxidation of the GSH solution. Assuming sufficient glutathione reductase activity and non‐limiting NADPH supply, the observed almost full reduction of roGFP2 in vivo suggests that a 2.5 m m cytosolic glutathione buffer would contain only 25 n m oxidized glutathione disulfide (GSSG). The high sensitivity of roGFP2 toward GSSG via GRX enables the use of roGFP2 for monitoring stress‐induced redox changes in vivo in real time. The results with roGFP2 as an artificial GRX target further suggest that redox‐triggered changes of biologic processes might be linked directly to the glutathione redox potential via GRX as the mediator.

Abstract Metabolomic and proteomic analyses of human plasma and serum samples harbour the power to advance our understanding of disease biology. Pre-analytical factors may contribute to variability and bias in the detection of analytes, especially when multiple labs are involved, caused by sample handling, processing time, and differing operating procedures. To better understand the impact of pre-analytical factors that are relevant to implement a unified proteomic and metabolomic approach in a clinical setting, we assessed the influence of temperature, sitting times, and centrifugation speed on the plasma and serum metabolomes and proteomes from six healthy volunteers. We used targeted metabolic profiling (497 metabolites) and data-independent acquisition (DIA) proteomics (572 proteins) on the same samples generated with well-defined pre-analytical conditions to evaluate criteria for pre-analytical SOPs for plasma and serum samples. Time and temperature showed the strongest influence on the integrity of plasma and serum proteome and metabolome. While rapid handling and low temperatures (4°C) are imperative for metabolic profiling, the analysed proteome showed variability when exposed to temperatures of 4°C for more than 2 hours, highlighting the need for compromises in a combined analysis. We formalised a quality control scoring system to objectively rate sample stability and tested this score using external data sets from other pre-analytical studies. Stringent and harmonised standard operating procedures (SOPs) are required for pre-analytical sample handling when combining proteomics and metabolomics of clinical samples to yield robust and interpretable data on a longitudinal scale and across different clinics. To ensure an adequate level of practicability in a clinical routine for metabolomics and proteomics studies we suggest to keep blood samples up to 2 hours on ice (4°C) prior to snap-freezing as a compromise between stability and operability. Finally, we provide the methodology as an open source R package allowing the systematic scoring of proteomics and metabolomics datasets to assess the stability of plasma and serum samples.

Staphylococcus aureus is a major human pathogen and has to cope with reactive oxygen and chlorine species (ROS, RCS) during infections. The low molecular weight thiol bacillithiol (BSH) is an important defense mechanism of S. aureus for detoxification of ROS and HOCl stress to maintain the reduced state of the cytoplasm. Under HOCl stress, BSH forms mixed disulfides with proteins, termed as S-bacillithiolations, which are reduced by bacilliredoxins (BrxA and BrxB). The NADPH-dependent flavin disulfide reductase YpdA is phylogenetically associated with the BSH synthesis and BrxA/B enzymes and was proposed to function as BSSB reductase. Here, we investigated the role of the bacilliredoxin BrxAB/BSH/YpdA pathway in S. aureus COL under oxidative stress and macrophage infection conditions in vivo and in biochemical assays in vitro. Using HPLC thiol metabolomics, a strongly enhanced BSSB level and a decreased BSH/BSSB ratio were measured in the S. aureus COL ypdA deletion mutant under control and NaOCl stress. Monitoring the BSH redox potential (EBSH) using the Brx-roGFP2 biosensor revealed that YpdA is required for regeneration of the reduced EBSH upon recovery from oxidative stress. In addition, the ypdA mutant was impaired in H2O2 detoxification as measured with the novel H2O2-specific Tpx-roGFP2 biosensor. Phenotype analyses further showed that BrxA and YpdA are required for survival under NaOCl and H2O2 stress in vitro and inside murine J-774A.1 macrophages in infection assays in vivo. Finally, NADPH-coupled electron transfer assays provide evidence for the function of YpdA in BSSB reduction, which depends on the conserved Cys14 residue. YpdA acts together with BrxA and BSH in de-bacillithiolation of S-bacilithiolated GapDH. In conclusion, our results point to a major role of the BrxA/BSH/YpdA pathway in BSH redox homeostasis in S. aureus during recovery from oxidative stress and under infections.

Iron-sulfur (Fe-S) clusters are ubiquitous cofactors in all life and are used in a wide array of diverse biological processes, including electron transfer chains and several metabolic pathways. Biosynthesis machineries for Fe-S clusters exist in plastids, the cytosol and mitochondria. A single monothiol glutaredoxin (GRX) has been shown to be involved in Fe-S cluster assembly in mitochondria of yeast and mammals. In plants, the role of the mitochondrial homologue GRXS15 has only partially been characterized. Arabidopsis grxs15 null mutants are not viable, but mutants complemented with the variant GRXS15 K83A develop with a dwarf phenotype. In an in-depth metabolic analysis, we show that most Fe-S cluster-dependent processes are not affected, including biotin biosynthesis, molybdenum cofactor biosynthesis and the electron transport chain. Instead, we observed an increase in most TCA cycle intermediates and amino acids, especially pyruvate, 2-oxoglutarate, glycine and branched-chain amino acids (BCAAs). The most pronounced accumulation occurred in branched-chain α-keto acids (BCKAs), the first degradation products resulting from deamination of BCAAs. In wild-type plants, pyruvate, 2-oxoglutarate, glycine and BCKAs are all metabolized through decarboxylation by four mitochondrial lipoyl cofactor-dependent dehydrogenase complexes. Because these enzyme complexes are very abundant and the biosynthesis of the lipoyl cofactor depends on continuous Fe-S cluster supply to lipoyl synthase, this could explain why lipoyl cofactor-dependent processes are most sensitive to restricted Fe-S supply in GRXS15 K83A mutants.

Abstract Iron–sulfur (Fe–S) cluster are vital cofactors in all domains of life. Mitochondrial Fe–S cluster assembly occurs in two major steps to first build [2Fe–2S] clusters and subsequently assemble these into [4Fe–4S] clusters. The two assembly machineries are interconnected by glutaredoxin S15 (GRXS15) that transfers [2Fe–2S] clusters to the second machinery. Diminished cluster transfer activity of GRXS15 in Arabidopsis mitochondria causes specific defects associated with lipoyl synthase (LIP1) activity. Conversely, overexpression of LIP1 in wild-type plants causes the release of toxic amounts of sulfide that can be detoxified by increasing the capacity for sulfide fixation through overexpression of O -acetylserine-(thiol)-lyase. The release of sulfide by lipoyl synthase causes a disturbance of mitochondrial sulfide homeostasis resulting in distinct and readily observable macroscopic phenotypes. These phenotypes enable a direct readout of consequences resulting from defects in Fe–S cluster assembly or targeted modulation of Fe–S cluster flux in mitochondria.

(1) A highly negative glutathione redox potential (EGSH) is maintained in the cytosol, plastids and mitochondria of plant cells to support fundamental processes, including antioxidant defence, redox regulation and iron-sulfur cluster biogenesis. Out of two glutathione reductase (GR) proteins in Arabidopsis, GR2 is predicted to be dual-targeted to plastids and mitochondria, but its differential roles in these organelles remain unclear. (2) We dissected the role of GR2 in organelle glutathione redox homeostasis and plant development using a combination of genetic complementation and stacked mutants, biochemical activity studies, immunogold labelling and in vivo biosensing.(3) Our data demonstrate that GR2 is dual-targeted to plastids and mitochondria, but embryo lethality of gr2 null mutants is caused specifically in plastids. Whereas lack of mitochondrial GR2 leads to a partially oxidised glutathione pool in the matrix, the ABC transporter ATM3 and the mitochondrial thioredoxin system provide functional backup and maintain plant viability. (4) We identify GR2 as essential in the plastid stroma, where it counters GSSG accumulation and developmental arrest. By contrast a functional triad of GR2, ATM3 and the thioredoxin system in the mitochondria provides resilience to excessive glutathione oxidation.

Abstract Metabolic profiling harbors the potential to better understand various disease entities such as cancer, diabetes, Alzheimer’s, Parkinson’s disease or COVID-19. Deciphering these intricate pathways in human studies requires large sample sizes as a means of reducing variability. While such broad human studies have discovered new associations between a given disease and certain affected metabolites, i.e. biomarkers, they often provide limited functional insights. To design more standardized experiments, reduce variability in the measurements and better resolve the functional component of such dynamic metabolic profiles, model organisms are frequently used. Standardized rearing conditions and uniform sampling strategies are prerequisites towards a successful metabolomic study. However, further aspects such as the choice of extraction protocol and analytical technique can influence the outcome drastically. Here, we employed a highly standardized metabolic profiling assay analyzing 630 metabolites across three commonly used model organisms (Drosophila, mouse and Zebrafish) to find the optimal extraction protocols for various matrices. Focusing on parameters such as metabolite coverage, metabolite yield and variance between replicates we compared seven extraction protocols. We found that the application of a combination of 75% ethanol and methyl tertiary-butyl ether (MTBE), while not producing the broadest coverage and highest yields, was the most reproducible extraction protocol. We were able to determine up to 530 metabolites in mouse kidney samples, 509 in mouse liver, 422 in Zebrafish and 388 in Drosophila and discovered a core overlap of 261 metabolites in these four matrices. To enable other scientists to search for the most suitable extraction protocol in their experimental context and interact with this comprehensive data, we have integrated our data set in the open-source shiny app “MetaboExtract”. This will enable scientists to search for their metabolite or metabolite class of interest, compare it across the different tested extraction protocols and sample types as well as find reference concentrations.

Pyrophosphate (PPi), a byproduct of macromolecule biosynthesis is maintained at low levels by soluble inorganic pyrophosphatases (sPPase) found in all eukaryotes. In plants, H+-pumping pyrophosphatases (H+-PPase) convert the substantial energy present in PPi into an electrochemical gradient. We show here, that both cold- and heat stress sensitivity of fugu5 mutants lacking the major H+-PPase isoform AVP1 is caused by reduced SUMOylation. In addition, we show that increased PPi concentrations interfere with SUMOylation in yeast and we provide evidence that SUMO activating E1-enzymes are inhibited by micromolar concentrations of PPi in a non-competitive manner. Taken together, our results do not only provide a mechanistic explanation for the beneficial effects of AVP1 overexpression in plants but they also highlight PPi as an important integrator of metabolism and stress tolerance in eukaryotes.

Understanding the interplay of the proteome and the metabolome aids in understanding cellular phenotypes. To enable more robust inferences from such multi-omics analyses, combining proteomic and metabolomic datasets from the same sample provides major benefits by reducing technical variation between extracts during the pre-analytical phase, decreasing sample variation due to varying cellular content between aliquots, and limiting the required sample amount. We evaluated the advantages, practicality and feasibility of a single-sample workflow for combined proteome and metabolome analysis. In the workflow, termed MTBE-SP3, we combined a fully automated protein lysis and extraction protocol (autoSP3) with a semi-automated biphasic 75% EtOH/MTBE extraction for quantification of polar/non-polar metabolites. Additionally, we compared the resulting proteome of various biological matrices (FFPE tissue, fresh-frozen tissue, plasma, serum and cells) between autoSP3 and MTBE-SP3. Our analysis revealed that the single-sample workflow provided similar results to those obtained from autoSP3 alone, with an 85-98% overlap of proteins detected across the different biological matrices. Additionally, it provides distinct advantages by decreasing (tissue) heterogeneity by retrieving metabolomics and proteomic data from the identical biological material, and limiting the total amount of required material. Lastly, we applied MTBE-SP3 to a lung adenocarcinoma cohort of 10 patients. Integrating the metabolic and proteomic alterations between tumour and non-tumour adjacent tissue yielded consistent data independent of the method used. This revealed mitochondrial dysfunction in tumor tissue through deregulation of OGDH, SDH family enzymes and PKM. In summary, MTBE-SP3 enables the facile and confident parallel measurement of proteins and metabolites obtained from the same sample. This workflow is particularly applicable for studies with limited sample availability and offers the potential to enhance the integration of metabolomic and proteomic datasets.