The thioredoxin system plays a key role in regulating the overall intracellular redox balance. It basically comprises the small redox protein thioredoxin (Trx), nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, in its reduced form (NADPH), and thioredoxin reductase (TrxR), a large homodimeric selenzoenzyme controlling the redox state of thioredoxin. Details of the thioredoxin system are provided herein, particular emphasis being given to the protein chemistry of thioredoxin reductases. Several lines of evidence point out today that the thioredoxin system represents an effective "druggable" target for the development of new anticancer agents. Accordingly, a number of established anticancer agents were retrospectively found to be potent inhibitors of thioredoxin reductases and to induce severe oxidative stress. During the last decade a variety of gold compounds, either gold(I) or gold(III), were reported to manifest outstanding antitumor properties, forming a promising class of experimental anticancer agents. In turn, recent studies have revealed that several cytotoxic gold compounds, either gold(I) or gold(III), are potent TrxR inhibitors. Details of their mechanism of selenoenzyme inhibition are currently under investigation, in our laboratory, and some new results will be anticipated here; notably, preferential gold targeting of active site selenolate could be experimentally supported. Based on the numerous experimental evidences now available, both at the molecular and cellular level, we propose that the relevant cytotoxic actions produced by gold compounds are mainly the result of potent inhibition of thioredoxin reductase; the alterations of mitochondrial functions, elicited by profound TrxR inhibition, would eventually lead to cell apoptosis. A general and unitary framework is thus offered to interpret the mode of action of cytotoxic gold compounds, according to which they should be primarily considered as antimitochondrial drugs. The peculiar properties of gold compounds highlighted in this review might be further exploited for the obtainment of newer and selective anticancer agents.

Cells adapt to environmental changes, including fluctuations in oxygen levels, through the induction of specific gene expression programs. To identify genes regulated by hypoxia at the transcriptional level, we pulse-labeled HUVEC cells with 4-thiouridine and sequenced nascent transcripts. Then, we searched genome-wide binding profiles from the ENCODE project for factors that correlated with changes in transcription and identified binding of several components of the Sin3A co-repressor complex, including SIN3A, SAP30 and HDAC1/2, proximal to genes repressed by hypoxia. SIN3A interference revealed that it participates in the downregulation of 75% of the hypoxia-repressed genes in endothelial cells. Unexpectedly, it also blunted the induction of 47% of the upregulated genes, suggesting a role for this corepressor in gene induction. In agreement, ChIP-seq experiments showed that SIN3A preferentially localizes to the promoter region of actively transcribed genes and that SIN3A signal was enriched in hypoxia-repressed genes, prior exposure to the stimulus. Importantly, SINA3 occupancy was not altered by hypoxia in spite of changes in H3K27ac signal. In summary, our results reveal a prominent role for SIN3A in the transcriptional response to hypoxia and suggest a model where modulation of the associated histone deacetylase activity, rather than its recruitment, determines the transcriptional output.

The mitochondrial electron transport chain (mETC) converts the energy of substrate oxidation into a H + electrochemical gradient (Δp), which is composed by an inner mitochondrial membrane (IMM) potential (ΔΨmt) and a pH gradient (ΔpH). So far, ΔΨmt has been assumed to be composed exclusively by H + . Mitochondrial Ca 2+ and Na + homeostasis, which are essential for cellular function, are controlled by exchangers and antiporters in the inner mitochondrial membrane (IMM). In the last few years, some of them have been identified, except for the Na + -specific mitochondrial Na + /H + exchanger (mNHE). Here, using a rainbow of mitochondrial and nuclear genetic models, we have identified the P-module of complex I (CI) as the major mNHE. In turn, its activity creates a Na + gradient across the IMM, parallel to ΔpH, which accounts for half of the ΔΨmt in coupled respiring mitochondria. We have also found that a deregulation of this mNHE function in CI, without affecting its enzymatic activity, occurs in Leber hereditary optic neuropathy (LHON), which has profound consequences in ΔΨmt and mitochondrial Ca 2+ homeostasis and explains the previously unknown molecular pathogenesis of this neurodegenerative disease.

Mitochondrial respiratory complexes assemble into different forms of supercomplexes (SC). In particular, SC III2+IV require the SCAF1 protein. However, the structural role of this factor in the formation of the respirasome (I+III2+IV) and the physiological role of SCs are controversial. Here, we study C57BL/6J mice harbouring either non-functional SCAF1, the full knock-out for SCAF1 or the wild-type version of the protein, and found a growth and exercise phenotype due to the lack of functional SCAF1. By combining quantitative data-independent proteomics, high resolution 2D Blue Native Gel Electrophoresis and functional analysis of enriched respirasome fractions, we show that SCAF1 confers structural attachment between III2 and IV within the respirasome, increases NADH-dependent respiration and reduces ROS production. Furthermore, through the expression of AOX in cells and mice we confirm that CI-CIII superassembly segments the CoQ in two pools and modulates CI-NADH oxidative capacity. These data demonstrate that SC assembly, regulated by SCAF1, modulates the functionality of the electron transport chain.

The oxidative phosphorylation (OXPHOS) system is a dynamic system in which the respiratory complexes coexist with super-assembled quaternary structures called supercomplexes (SCs). The physiological role of SCs is still disputed. Here we used zebrafish to study the relevance of respiratory SCs. We combined immunodetection analysis and deep data-independent proteomics to characterize these structures and found similar SCs to those described in mice, as well as novel SCs including III2+IV2, I+IV and I+III2+IV2. To study the physiological role of SCs, we generated two null allele zebrafish lines for supercomplex assembly factor 1 (SCAF1). SCAF1-/- fish displayed altered OXPHOS activity due to the disrupted interaction of complex III and IV. SCAF1-/- fish were smaller in size, and showed abnormal fat deposition and decreased female fertility. These physiological phenotypes were rescued by doubling the food supply, which correlated with improved bioenergetics and alterations in the metabolic gene expression program. These results reveal that SC assembly by SCAF1 modulates OXPHOS efficiency and allows for the optimization of metabolic resources.

All metazoans depend on O2 delivery and consumption by the mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) system to produce energy. A decrease in O2 availability (hypoxia) leads to profound metabolic rewiring. In addition, OXPHOS uses O2 to produce reactive oxygen species (ROS) that can drive cell adaptations through redox signalling, but also trigger cell damage[1][1]–[4][2], and both phenomena occur in hypoxia[4][2]–[8][3]. However, the precise mechanism by which acute hypoxia triggers mitochondrial ROS production is still unknown. Ca2+ is one of the best known examples of an ion acting as a second messenger[9][4], yet the role ascribed to Na+ is to serve as a mere mediator of membrane potential and collaborating in ion transport[10][5]. Here we show that Na+ acts as a second messenger regulating OXPHOS function and ROS production by modulating fluidity of the inner mitochondrial membrane (IMM). We found that a conformational shift in mitochondrial complex I during acute hypoxia[11][6] drives the acidification of the matrix and solubilization of calcium phosphate precipitates. The concomitant increase in matrix free-Ca2+ activates the mitochondrial Na+/Ca2+ exchanger (NCLX), which imports Na+ into the matrix. Na+ interacts with phospholipids reducing IMM fluidity and mobility of free ubiquinone between complex II and complex III, but not inside supercomplexes. As a consequence, superoxide is produced at complex III, generating a redox signal. Inhibition of mitochondrial Na+ import through NCLX is sufficient to block this pathway, preventing adaptation to hypoxia. These results reveal that Na+ import into the mitochondrial matrix controls OXPHOS function and redox signalling through an unexpected interaction with phospholipids, with profound consequences in cellular metabolism. [1]: #ref-1 [2]: #ref-4 [3]: #ref-8 [4]: #ref-9 [5]: #ref-10 [6]: #ref-11