Several lines of evidence indicate that mitochondrial reactive oxygen species (ROS) generation is the major source of oxidative stress in the cell. It has been shown that ROS production accompanies cytochrome c release in different apoptotic paradigms, but the site(s) of ROS production remain obscure. In the current study, we demonstrate that loss of cytochrome c by mitochondria oxidizing NAD(+)-linked substrates results in a dramatic increase of ROS production and respiratory inhibition. This increased ROS production can be mimicked by rotenone, a complex I inhibitor, as well as other chemical inhibitors of electron flow that act further downstream in the electron transport chain. The effects of cytochrome c depletion from mitoplasts on ROS production and respiration are reversible upon addition of exogenous cytochrome c. Thus in these models of mitochondrial injury, a primary site of ROS generation in both brain and heart mitochondria is proximal to the rotenone inhibitory site, rather than in complex III. ROS production at complex I is critically dependent upon a highly reduced state of the mitochondrial NAD(P)(+) pool and is achieved upon nearly complete inhibition of the respiratory chain. Redox clamp experiments using the acetoacetate/L-beta-hydroxybutyrate couple in the presence of a maximally inhibitory rotenone concentration suggest that the site is approx. 50 mV more electronegative than the NADH/NAD(+) couple. In the absence of inhibitors, this highly reduced state of mitochondria can be induced by reverse electron flow from succinate to NAD(+), accounting for profound ROS production in the presence of succinate. These results lead us to propose a model of thermodynamic control of mitochondrial ROS production which suggests that the ROS-generating site of complex I is the Fe-S centre N-1a.

Mitochondria are present as tubular organelles in neuronal projections. Here, we report that mitochondria undergo profound fission in response to nitric oxide (NO) in cortical neurons of primary cultures. Mitochondrial fission by NO occurs long before neurite injury and neuronal cell death. Furthermore, fission is accompanied by ultrastructural damage of mitochondria, autophagy, ATP decline and generation of free radicals. Fission is occasionally asymmetric and can be reversible. Strikingly, mitochondrial fission is also an early event in ischemic stroke in vivo. Mitofusin 1 (Mfn1) or dominant-negative Dynamin related protein 1 (Drp1(K38A)) inhibits mitochondrial fission induced by NO, rotenone and Amyloid-beta peptide. Conversely, overexpression of Drp1 or Fis1 elicits fission and increases neuronal loss. Importantly, NO-induced neuronal cell death was mitigated by Mfn1 and Drp1(K38A). Thus, persistent mitochondrial fission may play a causal role in NO-mediated neurotoxicity.

ABSTRACT In cells undergoing cell-intrinsic apoptosis, mitochondrial outer membrane permeabilization (MOMP) typically marks an irreversible step in the cell death process. However, in some cases a subpopulation of the treated cells can exhibit a sublethal response, termed “minority MOMP”. In this phenomenon, the affected cells survive, despite a low level of caspase activation and a subsequent limited activation of the endonuclease CAD (DFFB). Consequently, these cells can experience DNA damage, increasing the probability of oncogenesis. To discover genes affecting MOMP response in individual cells, we conducted an imaging-based phenotypic siRNA screen. We identified multiple candidate genes whose downregulation increased the heterogeneity of MOMP within single cells. Among these were genes related to mitochondrial dynamics and mitophagy, which participate in the mitochondrial quality control (MQC) system. To test the hypothesis that functional MQC is important for reducing the frequency of minority MOMP, we developed an assay to measure the clonogenic survival of caspase-engaged cells. We found that cells deficient in various MQC genes were indeed prone to aberrant post-MOMP survival. Our data highlight the important role of proteins involved in mitochondrial dynamics and mitophagy in preventing apoptotic dysregulation and oncogenesis.