Thermogenesis by uncoupling protein 1 (UCP1) is one of the primary mechanisms by which brown adipose tissue (BAT) increases energy expenditure. UCP1 resides in the inner mitochondrial membrane (IMM), where it dissipates membrane potential independent of adenosine triphosphate (ATP) synthase. Here, we provide evidence that phosphatidylethanolamine (PE) modulates UCP1-dependent proton conductance across the IMM to modulate thermogenesis. Mitochondrial lipidomic analyses revealed PE as a signature molecule whose abundance bidirectionally responds to changes in thermogenic burden. Reduction in mitochondrial PE by deletion of phosphatidylserine decarboxylase (PSD) made mice cold intolerant and insensitive to β3 adrenergic receptor agonist–induced increase in whole-body oxygen consumption. High-resolution respirometry and fluorometry of BAT mitochondria showed that loss of mitochondrial PE specifically lowers UCP1-dependent respiration without compromising electron transfer efficiency or ATP synthesis. These findings were confirmed by a reduction in UCP1 proton current in PE-deficient mitoplasts. Thus, PE performs a previously unknown role as a temperature-responsive rheostat that regulates UCP1-dependent thermogenesis.

Carbohydrates and lipids provide the majority of substrates to fuel mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS). Metabolic inflexibility, defined as an impaired ability to switch between these fuels, is implicated in a number of metabolic diseases. Here we explore the mechanism by which physical inactivity promotes metabolic inflexibility in skeletal muscle. We developed a mouse model of sedentariness, small mouse cage (SMC) that, unlike other classic models of disuse in mice, faithfully recapitulated metabolic responses that occur in humans. Bioenergetic phenotyping of skeletal muscle mitochondria displayed metabolic inflexibility induced by physical inactivity, demonstrated by a reduction in pyruvate-stimulated respiration (JO2) in absence of a change in palmitate-stimulated JO2. Pyruvate resistance in these mitochondria was likely driven by a decrease in phosphatidylethanolamine (PE) abundance in the mitochondrial membrane. Reduction in mitochondrial PE by heterozygous deletion of phosphatidylserine decarboxylase (PSD) was sufficient to induce metabolic inflexibility measured at the whole-body level, as well as at the level of skeletal muscle mitochondria. Low mitochondrial PE in C2C12 myotubes was sufficient to increase glucose flux towards lactate. We further implicate that resistance to pyruvate metabolism is due to attenuated mitochondrial entry via mitochondrial pyruvate carrier (MPC). These findings suggest a mechanism by which mitochondrial PE directly regulates MPC activity to modulate metabolic flexibility in mice.

Abstract Carbohydrates and lipids provide the majority of substrates to fuel mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS). Metabolic inflexibility, defined as an impaired ability to switch between these fuels, is implicated in a number of metabolic diseases. Here we explore the mechanism by which physical inactivity promotes metabolic inflexibility in skeletal muscle. We developed a mouse model of sedentariness by small mouse cage (SMC) that, unlike other classic models of disuse in mice, faithfully recapitulates metabolic responses that occur in humans. Bioenergetic phenotyping of mitochondria displayed metabolic inflexibility induced by physical inactivity, demonstrated by a reduction in pyruvate-stimulated respiration ( J O 2 ) in absence of a change in palmitate-stimulated J O 2 . Pyruvate resistance in these mitochondria was likely driven by a decrease in phosphatidylethanolamine (PE) abundance in the mitochondrial membrane. Reduction in mitochondrial PE by deletion of phosphatidylserine decarboxylase (PSD) was sufficient to induce metabolic inflexibility measured at the whole-body level, as well as at the level of skeletal muscle mitochondria. Low mitochondrial PE was sufficient to increase glucose flux towards lactate. We further implicate that resistance to pyruvate metabolism is due to attenuated mitochondrial entry via mitochondrial pyruvate carrier (MPC). These findings suggest a novel mechanism by which mitochondrial PE directly regulates MPC activity to modulate metabolic flexibility.

Abstract Weight loss is associated with a disproportionate decrease in whole-body energy expenditure that may contribute to the heightened risk for weight-regain. Evidence suggests that this energetic mismatch originates from lean tissue. Although this phenomenon is well documented, the mechanisms have remained elusive. We hypothesized that increased mitochondrial energy efficiency in skeletal muscle is associated with reduced expenditure under weight loss. Wildtype male C57BL6/N mice were fed with high-fat diet for 10 wks, followed by a subset of mice that were maintained on the obesogenic diet (OB) or switched to standard chow to promote weight loss (WL) for additional 6 wks. Mitochondrial energy efficiency was evaluated using high-resolution respirometry and fluorometry. Mass spectrometric analyses were employed to describe the mitochondrial proteome and lipidome. Weight loss promoted ~50% increase in the efficiency of oxidative phosphorylation (ATP produced per O 2 consumed, or P/O) in skeletal muscle. However, weight loss did not appear to induce significant changes in mitochondrial proteome, nor any changes in respiratory supercomplex formation. Instead, it accelerated the remodeling of mitochondrial cardiolipin (CL) acyl-chains to increase tetralinoleoyl CL (TLCL) content, a species of lipids thought to be functionally critical for the respiratory enzymes. We further show that lowering TLCL by deleting the CL transacylase tafazzin was sufficient to reduce skeletal muscle P/O and protect mice from diet-induced weight gain. These findings implicate skeletal muscle mitochondrial efficiency as a novel mechanism by which weight loss reduces energy expenditure in obesity.

ABSTRACT Altered levels of intracellular calcium (Ca 2+ ) is a highly prevalent feature in different forms of cardiac injury, producing changes in contractility, arrhythmias, and mitochondrial dysfunction. In cardiac ischemia-reperfusion injury, mitochondrial Ca 2+ overload leads to pathological production of reactive oxygen species (ROS), activates the permeability transition, and cardiomyocyte death. Here we investigated the cardiac phenotype caused by deletion of EF-hand domain-containing protein D 1 ( Efhd1 -/- ), a Ca 2+ -binding mitochondrial protein whose function is poorly understood. Efhd1 -/- mice are viable and have no adverse cardiac phenotypes. They feature reductions in basal ROS levels and mitoflash events, both important precursors for mitochondrial injury, though cardiac mitochondria have normal susceptibility to Ca 2+ overload. Notably, we also find that Efhd1 -/- mice and their cardiomyocytes are resistant to hypoxic injury.

SUMMARY Thermogenesis by uncoupling protein 1 (UCP1) is one of the primary mechanisms by which brown adipose tissue (BAT) increases energy expenditure. UCP1 resides in the inner mitochondrial membrane (IMM), where it dissipates membrane potential independent of ATP synthase. Here we provide evidence that mitochondrial phosphatidylethanolamine (PE) directly regulates UCP1-dependent proton conductance across IMM to modulate thermogenesis. Mitochondrial lipidomic analyses revealed PE as a signature molecule whose abundance bidirectionally responds to changes in thermogenic burden. Reduction in mitochondrial PE by deletion of phosphatidylserine decarboxylase (PSD) made mice cold intolerant and insensitive to β3 adrenergic receptor agonist-induced increase in whole-body oxygen consumption. High-resolution respirometry and fluorometry of BAT mitochondria showed that loss of mitochondrial PE specifically lowers UCP1-dependent respiration without compromising electron transfer efficiency or ATP synthesis. These findings were confirmed by a reduction in UCP1 proton current in PSD-deficient mitoplasts. Thus, PE performs a previously unknown role as a temperature-responsive rheostat that regulates UCP1-dependent thermogenesis.