Acute exercise is shown to induce autophagy in skeletal muscle of fed mice, indicating a possible mechanism for the beneficial metabolic effects of exercise. Exercise has beneficial effects on human health, including protection against metabolic disorders such as diabetes. The cellular mechanisms underlying these effects are unclear. One possibility is a stimulatory effect on autophagy, which acts to release nutrients into the cell through the destruction of unwanted proteins, and, in animal models, protects against various diseases. This paper demonstrates that acute exercise induces autophagy in the skeletal and cardiac muscle of fed mice. Mice that are incapable of exercise-induced autophagy have decreased endurance and altered glucose metabolism during acute exercise, as well as impaired chronic exercise-mediated protection against high-fat diet-induced glucose intolerance. Exercise has beneficial effects on human health, including protection against metabolic disorders such as diabetes1. However, the cellular mechanisms underlying these effects are incompletely understood. The lysosomal degradation pathway, autophagy, is an intracellular recycling system that functions during basal conditions in organelle and protein quality control2. During stress, increased levels of autophagy permit cells to adapt to changing nutritional and energy demands through protein catabolism3. Moreover, in animal models, autophagy protects against diseases such as cancer, neurodegenerative disorders, infections, inflammatory diseases, ageing and insulin resistance4,5,6. Here we show that acute exercise induces autophagy in skeletal and cardiac muscle of fed mice. To investigate the role of exercise-mediated autophagy in vivo, we generated mutant mice that show normal levels of basal autophagy but are deficient in stimulus (exercise- or starvation)-induced autophagy. These mice (termed BCL2 AAA mice) contain knock-in mutations in BCL2 phosphorylation sites (Thr69Ala, Ser70Ala and Ser84Ala) that prevent stimulus-induced disruption of the BCL2–beclin-1 complex and autophagy activation. BCL2 AAA mice show decreased endurance and altered glucose metabolism during acute exercise, as well as impaired chronic exercise-mediated protection against high-fat-diet-induced glucose intolerance. Thus, exercise induces autophagy, BCL2 is a crucial regulator of exercise- (and starvation)-induced autophagy in vivo, and autophagy induction may contribute to the beneficial metabolic effects of exercise.

Mitochondrial permeability transition (PT) is a phenomenon induced by high levels of matrix calcium and is characterized by the opening of the PT pore (PTP). Activation of the PTP results in loss of mitochondrial membrane potential, expansion of the matrix, and rupture of the mitochondrial outer membrane. Consequently, PT has been implicated in both apoptotic and necrotic cell death. Cyclophilin D (CypD) appears to be a critical component of the PTP. To investigate the role of CypD in cell death, we created a CypD-deficient mouse. In vitro, CypD-deficient mitochondria showed an increased capacity to retain calcium and were no longer susceptible to PT induced by the addition of calcium. CypD-deficient primary mouse embryonic fibroblasts (MEFs) were as susceptible to classical apoptotic stimuli as the WT, suggesting that CypD is not a central component of cell death in response to these specific death stimuli. However, CypD-deficient MEFs were significantly less susceptible than their WT counterparts to cell death induced by hydrogen peroxide, implicating CypD in oxidative stress-induced cell death. Importantly, CypD-deficient mice displayed a dramatic reduction in brain infarct size after acute middle cerebral artery occlusion and reperfusion, strongly supporting an essential role for CypD in an ischemic injury model in which calcium overload and oxidative stress have been implicated.

The multidomain proapoptotic molecules BAK or BAX are required to initiate the mitochondrial pathway of apoptosis. How cells maintain the potentially lethal proapoptotic effector BAK in a monomeric inactive conformation at mitochondria is unknown. In viable cells, we found BAK complexed with mitochondrial outer-membrane protein VDAC2, a VDAC isoform present in low abundance that interacts specifically with the inactive conformer of BAK. Cells deficient in VDAC2, but not cells lacking the more abundant VDAC1, exhibited enhanced BAK oligomerization and were more susceptible to apoptotic death. Conversely, overexpression of VDAC2 selectively prevented BAK activation and inhibited the mitochondrial apoptotic pathway. Death signals activate “BH3-only” molecules such as tBID, BIM, or BAD, which displace VDAC2 from BAK, enabling homo-oligomerization of BAK and apoptosis. Thus, VDAC2, an isoform restricted to mammals, regulates the activity of BAK and provides a connection between mitochondrial physiology and the core apoptotic pathway.

Accumulation of misfolded protein in the endoplasmic reticulum (ER) triggers an adaptive stress response—termed the unfolded protein response (UPR)—mediated by the ER transmembrane protein kinase and endoribonuclease inositol-requiring enzyme–1α (IRE1α). We investigated UPR signaling events in mice in the absence of the proapoptotic BCL-2 family members BAX and BAK [double knockout (DKO)]. DKO mice responded abnormally to tunicamycin-induced ER stress in the liver, with extensive tissue damage and decreased expression of the IRE1 substrate X-box–binding protein 1 and its target genes. ER-stressed DKO cells showed deficient IRE1α signaling. BAX and BAK formed a protein complex with the cytosolic domain of IRE1α that was essential for IRE1α activation. Thus, BAX and BAK function at the ER membrane to activate IRE1α signaling and to provide a physical link between members of the core apoptotic pathway and the UPR.

BAX is a multidomain proapoptotic BCL-2 family protein that resides in the cytosol until activated by an incompletely understood trigger mechanism, which facilitates BAX translocation to mitochondria and downstream death events. Whether BAX is activated by direct contact with select BH3-only members of the BCL-2 family is highly debated. Here we detect and quantify a direct binding interaction between BAX and a hydrocarbon-stapled BID BH3 domain, which triggers the functional activation of BAX at nanomolar doses in vitro. Chemical reinforcement of BID BH3 α helicity was required to reveal the direct BID BH3-BAX association. We confirm the specificity of this BH3 interaction by characterizing a stapled BAD BH3 peptide that interacts with antiapoptotic BCL-XL but does not bind or activate BAX. We further demonstrate that membrane targeting of stapled BID BH3 optimizes its ability to activate BAX, supporting a model in which BID directly engages BAX to trigger mitochondrial apoptosis.