Metabolic syndrome is a growing concern in developed societies, and due to its polygenic nature, the genetic component is only slowly being elucidated. Common mitochondrial DNA sequence variants have been associated with symptoms of metabolic syndrome and may be relevant players in the genetics of metabolic syndrome. We investigate the effect of mitochondrial sequence variation on the metabolic phenotype in conplastic rat strains with identical nuclear but unique mitochondrial genomes, challenged by high-fat diet. We find that the variation in mitochondrial rRNA sequence represents a risk factor in insulin resistance development, which is caused by diacylglycerols accumulation induced by tissue-specific reduction of the oxidative capacity. These metabolic perturbations stem from the 12S rRNA sequence variation affecting mitochondrial ribosome assembly and translation. Our work demonstrates that physiological variation in mitochondrial rRNA might represent a relevant underlying factor in the progression of metabolic syndrome.

Oxidative phosphorylation (OXPHOS) system localized in the inner mitochondrial membrane secures production of the majority of ATP in mammalian organisms. Individual OXPHOS complexes were shown to form supramolecular assemblies termed supercomplexes. It has been repeatedly shown that complexes are not linked only by their function but also by interdependence of individual complex biogenesis or maintenance. For instance, cytochrome c oxidase (cIV, COX) or cytochrome bc1 complex (cIII) deficiencies affect the level of fully assembled NADH dehydrogenase (cI) in monomer as well as within supercomplexes. It was hypothesized that cI is affected at the level of enzyme assembly as well as at the level of cI stability and maintenance. However, the true nature of interdependency between cI and cIV is not fully understood yet. We used HEK293 cellular model with complete knockout of COX4 subunit, which serves as an ideal system to study interdependency of cI and cIV, as early phases of cIV assembly process are disrupted. Total absence of cIV was accompanied by profound deficiency of cI, documented by selective decrease in cI subunits amount and significantly reduced amount of assembled cI. Supercomplexes assembled from cI, cIII and cIV were missing in COX4dKO due to loss of cIV and decrease in cI amount. Pulse-chase metabolic labelling of mtDNA-encoded proteins uncovered decrease of cIV and cI subunits translation. Moreover, partial impairment of mitochondrial proteosynthesis correlated with decreased level of mitochondrial ribosomal proteins. In addition, complexome profiling approach uncovered accumulation of cI assembly intermediates indicating that cI biogenesis was affected rather than stability. We propose that impairment of mitochondrial proteosynthesis caused by cIV deficiency represents one of the mechanisms which may couple biogenesis of cI and cIV.

<p>Individual complexes of the mitochondrial oxidative phosphorylation system (OXPHOS) are not linked solely by their function; they also share dependencies at the maintenance/assembly level, where one complex depends on the presence of a different individual complex. Despite the relevance of this ‘interdependence’ behavior for mitochondrial diseases, its true nature remains elusive. To understand the mechanism that can explain this phenomenon, we examined the consequences of the aberration of different OXPHOS complexes in human cells. We demonstrate here that complete disruption of each of the OXPHOS complexes resulted in a perturbation in energy deficiency sensing pathways, including the integrated stress response (ISR) pathway. The secondary decrease of complex I (cI) level was triggered by both complex IV and complex V deficiency, and it was independent of ISR signaling. On the other hand, we identified the unifying mechanism behind cI downregulation in the downregulation of mitochondrial ribosomal proteins and, thus, mitochondrial translation. We conclude that the secondary cI defect is due to mitochondrial protein synthesis attenuation, while the responsible signaling pathways could differ based on the origin of the OXPHOS defect.<i></i><i></i></p>

<p>Succinate dehydrogenase (SDH) connects the tricarboxylic acid (TCA) cycle and the respiratory chain. Mutations in SDH subunits have been associated with tumorigenesis and mitochondrial disease. In this project, we focused on subunit A of SDH (SDHA), primarily associated with inherited mitochondrial disease, and investigated the consequences of its loss or re-expression of mutant variants in HEK cells (SDHA KO). Lack of SDHA led to a downregulation of all SDH subunits and a secondary downregulation of the majority of mitochondrial complex I and IV subunits. Cellular respiratory capacity was severely decreased in the model, SDH-dependent respiration completely abolished and complex I-dependent respiration attenuated, reflecting the downregulation of respiratory chain complexes in general. Finally, the NAD<sup>+</sup>/NADH ratio was increased in SDHA KO, indicating complex rearrangement of the TCA. It resulted in higher glycolytic activity and lipid accumulation.</p> <p><i>Supported by Czech Science Foundation (</i><i>21-18993S), Grant Agency of Charles University (283423) and Czech Health Research Council (NU22-01-00499).</i></p>

Human cytochrome c oxidase (COX) is composed of fourteen subunits, only two of which are catalytic. The functions of a myriad of accessory factors are needed to put together the structural subunits, as well as for the formation of the active centers. The molecular roles of most of these factors are still unknown, even if they are essential for COX function since their defects cause severe mitochondrial disease. COA8 is exclusively found in metazoa and loss-of-function genetic variants cause mitochondrial encephalopathy and COX deficiency in humans. In this work, we have resolved the function of COA8, as a factor that specifically binds to COX10, the heme O synthase. This interaction is necessary not only for the stabilization of human COX10, but also to guarantee its catalytic activity as the first step for the synthesis of the heme A cofactor, which is a crucial component of the COX catalytic center.