Significance The energy-producing organelle mitochondrion contains its own compact genome, which is separate from the nuclear genome. In nearly all mammals, this mitochondrial genome is inherited exclusively from the mother, and transmission of paternal mitochondria or mitochondrial DNA (mtDNA) has not been convincingly demonstrated in humans. In this paper, we have uncovered multiple instances of biparental inheritance of mtDNA spanning three unrelated multiple generation families, a result confirmed by independent sequencing across multiple unrelated laboratories with different methodologies. Surprisingly, this pattern of inheritance appears to be determined in an autosomal dominantlike manner. This paper profoundly alters a widespread belief about mitochondrial inheritance and potentially opens a novel field in mitochondrial medicine.

Mutations in mitochondrial DNA (mtDNA) are maternally inherited and can cause fatal or debilitating mitochondrial disorders. The severity of clinical symptoms is often associated with the level of mtDNA mutation load or degree of heteroplasmy. Current clinical options to prevent transmission of mtDNA mutations to offspring are limited. Experimental spindle transfer in metaphase II oocytes, also called mitochondrial replacement therapy, is a novel technology for preventing mtDNA transmission from oocytes to pre-implantation embryos. Here, we report a female carrier of Leigh syndrome (mtDNA mutation 8993T > G), with a long history of multiple undiagnosed pregnancy losses and deaths of offspring as a result of this disease, who underwent IVF after reconstitution of her oocytes by spindle transfer into the cytoplasm of enucleated donor oocytes. A male euploid blastocyst wasobtained from the reconstituted oocytes, which had only a 5.7% mtDNA mutation load. Transfer of the embryo resulted in a pregnancy with delivery of a boy with neonatal mtDNA mutation load of 2.36-9.23% in his tested tissues. The boy is currently healthy at 7 months of age, although long-term follow-up of the child's longitudinal development remains crucial.

Analysis of mitochondrial replacement therapy shows, even with efficient mutant mitochondrial DNA replacement and maintenance in embryonic stem cells, a gradual loss of donor mitochondrial DNA in some lines owing to a polymorphism in the D-loop, potentially causing preferential replication of specific mitochondrial DNA haplotypes. Mitochondrial replacement techniques (MRT) could potentially be used to avoid mother-to-child transmission of mitochondria carrying disease-causing mutations. Shoukhrat Mitalipov and colleagues have investigated the outcome of MRT using oocytes from women from families with common mtDNA-associated syndromes and by transferring meiotic spindle from patient oocytes to healthy donor oocytes. Although donor mtDNA replaced the patient mtDNA efficiently and was stably maintained in embryonic stem cells (ES cells) derived from most embryos, some ES cell lines lost donor mtDNA. The authors' analysis suggests that polymorphisms in mtDNA could be associated with preferential replication and could be cause the amplification of specific maternal haplotype. Maternally inherited mitochondrial (mt)DNA mutations can cause fatal or severely debilitating syndromes in children1,2,3, with disease severity dependent on the specific gene mutation and the ratio of mutant to wild-type mtDNA (heteroplasmy) in each cell and tissue4. Pathogenic mtDNA mutations are relatively common, with an estimated 778 affected children born each year in the United States5. Mitochondrial replacement therapies or techniques (MRT) circumventing mother–to–child mtDNA disease transmission involve replacement of oocyte maternal mtDNA6,7,8. Here we report MRT outcomes in several families with common mtDNA syndromes. The mother’s oocytes were of normal quality and mutation levels correlated with those in existing children. Efficient replacement of oocyte mutant mtDNA was performed by spindle transfer8, resulting in embryos containing >99% donor mtDNA. Donor mtDNA was stably maintained in embryonic stem cells (ES cells) derived from most embryos. However, some ES cell lines demonstrated gradual loss of donor mtDNA and reversal to the maternal haplotype. In evaluating donor–to–maternal mtDNA interactions, it seems that compatibility relates to mtDNA replication efficiency rather than to mismatch or oxidative phosphorylation dysfunction. We identify a polymorphism within the conserved sequence box II region of the D-loop as a plausible cause of preferential replication of specific mtDNA haplotypes. In addition, some haplotypes confer proliferative and growth advantages to cells. Hence, we propose a matching paradigm for selecting compatible donor mtDNA for MRT.

Abstract Lysosomes are multifunctional organelles involved in macromolecule degradation, nutrient sensing and autophagy. Live imaging has revealed lysosome subpopulations with dynamics and characteristic cellular localization. An as-yet unanswered question is whether lysosomes are spatially organized to coordinate and integrate their functions. Combined with super-resolution microscopy, we designed a small organic fluorescent probe, TPAE, that targeted lysosomes with a large Stokes shift. When we analyzed the spatial organization of lysosomes against mitochondria in different cell lines with this probe, we discovered different distance distribution patterns between lysosomes and mitochondria during increased autophagy flux. By using SLC25A46 mutation fibroblasts derived from patients containing highly fused mitochondria with low oxidative phosphorylation, we concluded that unhealthy mitochondria redistributed the subcellular localization of lysosomes, which implies a strong connection between mitochondria and lysosomes.

With very few exceptions, mitochondrial DNA (mtDNA) in humans is transmitted exclusively from mothers to their offspring, suggesting the presence of a strong evolutionary pressure favoring the exclusion of paternal mtDNA. We have recently shown strong evidence of paternal mtDNA transmission. In these rare situations, males exhibiting biparental mtDNA appear to be limited to transmitting just one of the mtDNA species to their offspring, while females possessing biparental mtDNA populations consistently transmit both populations to their offspring at a very similar heteroplasmy level. The precise biological and genetic factors underlying this unusual transmission event remain unclear. Here, we have examined heteroplasmy levels in various tissues among individuals with biparental inheritance. Our results indicate that individuals with biparental mtDNA have remarkable inter-tissue variability in heteroplasmy level. At the single-cell level, paternal mtDNA heteroplasmy in sperm varies dramatically, and many sperm possess only one of the two mtDNA populations originally in question. These results show a fundamental, parent-of-origin difference in how mtDNA molecules transmit and propagate. This helps explain how a single population of mtDNAs are transmitted from a father possessing two populations of mtDNA molecules, suggesting that some mtDNA populations may be favored over others when transmitted from the father.

Abstract Known as the powerhouses of cells, mitochondria and its dynamics are important for their functions in cells. Herein, an optogenetic method that controlling mitochondria to form the clusters was developed. The plasmid named CRY2PHR-mCherry-Miro1TM was designed for the optogenetic system. The photoactivable protein CRY2PHR was anchored to mitochondria, via the specific organelle-targeting transmembrane domain Miro1TM. Under blue light illumination, CRY2PHR can form the oligomerization, called puncta. With the illuminated time extended, the puncta can interact, and the mitochondria were found to form clustering with reversibility and spatiotemporal controllability. The mitochondrial functions were found to enhance after the formation of optogenetic mitochondrial clusters. This method presented here provides a way to control mitochondrial clustering and raise mitochondrial functions up.

Concurrent chemoradiotherapy (CRT) is the standard treatment for new diagnosis locally advanced cervical cancer (LACC). However, local recurrence and distant metastasis are the main modes of CRT failure in LACC, especially for the patient with high risk such as stage IIIA ∼IVA, tumour with large masses (>4cm) or regional lymph node metastasis. Here is a prospective, single-arm, phase II study aims to evaluate the efficacy and safety of tislelizumab (anti-pd-1 antibodies) combined with concurrent chemoradiotherapy for high risk LACC. Eligible patients were age 18-75 years with ECOG PS 0-1, histologically confirmed cervical cancer with 2018 FIGO stage IIIA, IIIB, IVA or cervical tumors > 4cm with regional lymph node metastasis, or paracervical invasion with regional lymph node metastasis, and without received prior systemic therapy, surgery or radiation. All patients received CRT combined with tislelizumab 200mg Q3W for 1 year or until disease progression or intolerable toxicity. The CRT includes at least 4 cycles of cisplatin 40mg/m2/W + EBRT 45∼50Gy/25f then BT 28∼30Gy/4∼5f. The primary endpoint was tumor regression ratio after EBRT. Secondary endpoints were 3-month and 6-month ORR after CRT, 1-year and 3-year OS and PFS, safety. Until Feb,28, 2024, 30 patients were enrolled. 25 patients completed CRT and were available for evaluation. The median age was 59 years (range 40-75). The tumor regression ratio after EBRT was 90.6%. The 3 and 6-months ORR after CRT were 100% and 100%. The 1-year PFS rate was 100%. The main adverse effect was neutropenia including 36% for grades 3-4 and 20% for grades 1-2. Radiation enteritis incidence was 64% and were grade 1-2. Other adverse effect such as nausea, vomiting, and dizziness occurred during CRT and could be alleviated after symptomatic treatment. No immune-related adverse events were observed. Our results suggest that Tislelizumab combined with concurrent chemoradiotherapy showed valuable antitumor activity and controllable safety in high risk LACC. The combination regimens can be one of the treatment options for these patients.

ABSTRACT Aging is often perceived as a degenerative process resulting from random accrual of cellular damage over time. Despite this, age can be accurately estimated by epigenetic clocks based on DNA methylation profiles from almost any tissue of the body. Since such pan-tissue epigenetic clocks have been successfully developed for several different species, we hypothesized that one can build pan-mammalian clocks that measure age in all mammalian species. To address this, we generated data using 11,754 methylation arrays, each profiling up to 36 thousand cytosines in highly-conserved stretches of DNA, from 59 tissue-types derived from 185 mammalian species. From these methylation profiles, we constructed three age predictors, each with a single mathematical formula, termed universal pan-mammalian clocks that are accurate in estimating the age (r>0.96) of any mammalian tissue. Deviations between epigenetic age and chronological age relate to mortality risk in humans, mutations that affect the somatotropic axis in mice, and caloric restriction. We characterized specific cytosines, whose methylation levels change with age across most mammalian species. These cytosines are greatly enriched in polycomb repressive complex 2-binding sites, are located in regions that gradually lose chromatin accessibility with age and are proximal to genes that play a role in mammalian development, cancer, human obesity, and human longevity. Collectively, these results support the notion that aging is indeed evolutionarily conserved and coupled to developmental processes across all mammalian species - a notion that was long-debated without the benefit of this new compelling evidence. SUMMARY This study identifies and characterizes evolutionarily conserved cytosines implicated in the aging process across mammals and establishes pan mammalian epigenetic clocks.

Genetic defects affecting steroid biosynthesis cause cortisol deficiency and differences of sex development; among them recessive mutations in the steroidogenic enzymes CYP11A1 and CYP11B, whose function is supported by reducing equivalents donated by ferredoxin reductase (FDXR) and ferredoxin. So far, mutations in the mitochondrial flavoprotein FDXR have been associated with a progressive neuropathic mitochondriopathy named FDXR-Related Mitochondriopathy (FRM), but cortisol insufficiency has not been documented. However, FRM patients often experience worsening or demise following stress associated with infections. We investigated two female FRM patients carrying the novel homozygous FDXR mutation p.G437R with ambiguous genitalia at birth and sudden death in the first year of life; they presented with cortisol deficiency and androgen excess compatible with 11-hydroxylase deficiency. In addition, steroidogenic FDXR-variant cell lines reprogrammed from three FRM patients' fibroblasts displayed deficient mineralocorticoid and glucocorticoid production. Finally, Fdxr-mutant mice allelic to the severe p.R386W human variant, showed reduced progesterone and corticosterone production. Therefore, our comprehensive studies show that human FDXR variants may cause compensated, but possibly life-threatening adrenocortical insufficiency in stress by affecting adrenal glucocorticoid and mineralocorticoid synthesis through direct enzyme inhibition, most likely in combination with disturbed mitochondrial redox balance.

Strictly maternal inheritance and lack of inter-molecular recombination of the human mitochondrial genome (mtDNA) are the assumed preconditions for molecular evolution studies, phylogenetic reconstruction and population genetic analyses. This hypothesis, however, has been challenged by investigations providing evidence for genetic recombination of mtDNA, thus sparking controversy. Using single-molecule real-time (SMRT) sequencing technology, we sequenced the entire mtDNA from blood and fibroblast cells from five individuals with biparental mtDNA transmission in three separate, multiple-generation families. After phasing the single nucleotide polymorphism (SNP) genotypes of mtDNA, no inter-molecular recombination between paternal and maternal mtDNA was found when the mtDNA was transmitted in either biparental or maternal mode. Our study provides support for the argument that inter-molecular mtDNA recombination is absent or extremely rare in humans. As a consequence, these results support the feasibility of mtDNA-based molecular evolution studies and phylogenetic and population genetic analyses for humans, while also avoiding inaccurate phylogenetic inferences and incorrect rejection of the molecular clock.