Age-related accumulation of cellular damage and death has been linked to oxidative stress. Calorie restriction (CR) is the most robust, nongenetic intervention that increases lifespan and reduces the rate of aging in a variety of species. Mechanisms responsible for the antiaging effects of CR remain uncertain, but reduction of oxidative stress within mitochondria remains a major focus of research. CR is hypothesized to decrease mitochondrial electron flow and proton leaks to attenuate damage caused by reactive oxygen species. We have focused our research on a related, but different, antiaging mechanism of CR. Specifically, using both in vivo and in vitro analyses, we report that CR reduces oxidative stress at the same time that it stimulates the proliferation of mitochondria through a peroxisome proliferation-activated receptor coactivator 1α signaling pathway. Moreover, mitochondria under CR conditions show less oxygen consumption, reduce membrane potential, and generate less reactive oxygen species than controls, but remarkably they are able to maintain their critical ATP production. In effect, CR can induce a peroxisome proliferation-activated receptor coactivator 1α-dependent increase in mitochondria capable of efficient and balanced bioenergetics to reduce oxidative stress and attenuate age-dependent endogenous oxidative damage.

The mitochondrial intramembrane rhomboid protease Parl has been implicated in diverse functions in vitro, but its physiological role in vivo remains unclear. Here we show that Parl ablation in mouse causes a striking necrotizing encephalomyelopathy similar to Leigh syndrome, a mitochondrial disease characterized by disrupted energy production. Mice with conditional Parl deficiency in the nervous system, but not in muscle, develop a similar phenotype as germline Parl knockouts demonstrating the vital role of Parl in neurological homeostasis. Genetic modification of two major Parl substrates, Pink1 and Pgam5, do not modify this severe neurological phenotype. Parl-/- brain mitochondria are affected by defects in Complex III activity and in coenzyme Q biosynthesis. Parl is necessary for the stable expression of Ttc19, required for Complex III activity, and of Coq4, essential in coenzyme Q biosynthesis. Thus, Parl plays a previously overseen constitutive role in the maintenance of the respiratory chain in the nervous system, and its deficiency causes progressive mitochondrial dysfunction and Leigh-like syndrome.

ABSTRACT Impaired spermatogenesis and male infertility are common manifestations of mitochondrial diseases, but the underlying mechanisms are unclear. Here we show that mice deficient for PARL, the mitochondrial rhomboid protease, a recently reported model of Leigh syndrome, develop postpubertal testicular atrophy caused by arrested spermatogenesis and germ cell death independently of neurodegeneration. Genetic modifications of PINK1, PGAM5, and TTC19, three major substrates of PARL with important roles in mitochondrial homeostasis, do not reproduce or modify this phenotype. PARL deficiency in testis mitochondria leads to severe mitochondrial electron transfer chain defects, alterations in Coenzyme Q biosynthesis and redox status, and abrogates GPX4 expression specifically in spermatocytes leading to massive ferroptosis, an iron-dependent regulated cell death modality characterized by uncontrolled lipid peroxidation. Thus, mitochondrial defects can initiate ferroptosis in vivo in specific cell types by simultaneous effects on GPX4 and Coenzyme Q. These results highlight the importance of ferroptosis and cell-type specific downstream responses to mitochondrial deficits with respect to specific manifestations of mitochondrial diseases.