EMBRYONIC STEM CELLS/INDUCED PLURIPOTENT STEM CELLS        

Regulation of Mitochondrial Function and Cel‐ Department  of  Pathology  &  La‐ 2 boratory  Medicine,  Institute  of  lular Energy Metabolism by Protein Kinase C‐ Reproductive  Health  and  Regener‐ λ/τ: A Novel Mode of Balancing Pluripotency  ative  Medicine,  3Department  of  Molecular  and  Integrative  Physiol‐   ogy,  University  of  Kansas  Medical  BIRAJ MAHATO1, PRATIK HOME1, GANESHKUMAR RAJENDRAN1, ARINDAM  Center, Kansas City, Kansas, USA.   PAUL1,2, BISWARUP SAHA1, AVISHEK GANGULY1, SOMA RAY1,    NAIRITA ROY3, RUSSELL H. SWERDLOW3, AND SOUMEN PAUL1,2,*   Address  correspondence  to:    Soumen  Paul,  Institute  for  Repro‐ Key words. Embryonic Stem cells • Mitochondria • PGC1α • Protein Kinase C  ductive  Health  and  Regenerative  λ/τ • Energy Metabolism,   Medicine,  Department  of  Patholo‐   gy  &  Laboratory  Medicine,  Univer‐ sity of Kansas Medical Center, Kan‐ ABSTRACT  sas  City,  Kansas  66160.  Tel:  913‐   588‐7236;  Fax:  913‐588‐7180;  Pluripotent  stem  cells  (PSCs)  contain  functionally  immature  mitochondria  Email: [email protected]  and rely upon high rates of glycolysis for their energy requirements. Thus,    altered  mitochondrial  function  and  promotion  of  aerobic  glycolysis  is  key  Received  May  06,  2014;  accepted  to maintain and induce pluripotency.  However, signaling mechanisms that  for publication July 23, 2014  regulate  mitochondrial  function  and  reprogram  metabolic  preferences  in    self‐renewing  vs.  differentiated  PSC  populations  are  poorly  understood.  ©AlphaMed Press  Here,  using  murine  embryonic  stem  cells  (ESCs)  as  a  model  system,  we   1066‐5099/2014/$30.00/0  demonstrate  that  atypical  protein  kinase  C  isoform,  PKC  lambda/iota    (PKCλ/τ), is a key regulator of mitochondrial function in ESCs. Depletion of  This  article  has  been  accepted  for  PKCλ/τ in ESCs maintains their pluripotent state as evident from germline  publication  and  undergone  full  offsprings. Interestingly, loss of PKCλ/τ in ESCs leads to impairment in mi‐ peer  review  but  has  not  been  tochondrial maturation, organization and a metabolic shift toward glycoly‐ through  the  copyediting,  typeset‐ sis under differentiating condition. Our mechanistic analyses indicate that  ting,  pagination  and  proofreading  a  PKCλ/τ‐HIF1α‐PGC1α  axis  regulates  mitochondrial  respiration  and  bal‐ process  which  may  lead  to  differ‐ ances pluripotency in ESCs. We propose that PKCλ/τ could be a crucial reg‐ ences between this version and the  ulator of mitochondrial function and energy metabolism in stem cells and  Version  of  Record.  Please  cite  this  other cellular contexts. STEM CELLS 2014; 00:000–000  article as doi: 10.1002/stem.1817      ing  PSCs.  Recent  studies  have  implicated  multiple  fac‐ INTRODUCTION  tors,  including  uncoupling  protein  2  (UCP2)  and  glyco‐   lytic  enzymes  Hexokinase  II  and  Pyruvate  Dehydrogen‐ Cellular metabolic state plays an important role in regu‐ ase  in  glycolytic  shift  in  PSCs  [3,  6].  In  addition,  tran‐ lation of pluripotency and an association between mito‐ scription  factors,  like  Hypoxia  inducible  factor  (HIF)1α  chondrial  function  and  pluripotency  has  strongly  been  and  CITED2  have  been  implicated  in  promoting  glyco‐ established  [1‐4].  PSCs  contain  functionally  immature  lytic metabolism in ESCs and iPSCs [7, 16, 17].  However,  mitochondria leading to enhanced glycolytic mechanism  signaling  pathways,  which  are  important  for  transition  [5‐9].  Also,  inhibition  of  glycolysis  in  PSCs  promotes  of  mitochondrial  function  and  a  metabolic  shift  from  their  differentiation  [8,  10‐12].  Furthermore,  repro‐ glycolysis  to  oxidative  phosphorylation  during  PSC  dif‐ gramming of somatic cells to induced pluripotent stem  ferentiation is largely undefined.   cells  (iPSCs)  is  associated  with  a  transition  from  oxida‐ Recently PKC isoforms have been implicated in regu‐ tive  to  glycolytic  metabolism  and  disruption  of  this  lating PSC differentiation. We demonstrated that loss of  metabolic  switch  strongly  inhibits  reprogramming  effi‐ atypical  PKC  isoform,  PKCζ,  promotes  self‐renewal  in  ciency [6, 9, 13‐15] The strong connection between mi‐ both mouse [18] and rat ESCs [19]. Another study impli‐ tochondrial function with pluripotency raises the ques‐ cated PKCζ along with PKCδ and PKCε in balancing self‐ tion, what mechanisms regulate mitochondrial function  renewal vs. differentiation in human PSCs [20]. Howev‐ and energy metabolism in self‐renewing vs. differentiat‐ 1

STEM CELLS 2014;00:00‐00 www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 



PKCλ/ι regulates mitochondria in ESCs 

er, functional importance of other atypical PKC isoform,  PKCλ/τ in  PSCs  is  poorly  understood.  Gene‐knockout  studies in mice showed that ablation of PKCλ/τ results  in abnormalities early in gestation leading to embryonic  lethality [21, 22], indicating that PKCλ/τ is important for  early development in post implantation mouse embryo.  This  observation  is  complemented  by  another  recent  study  that  showed  loss  of  PKCλ/τ in  ESCs  impairs  embryoid  body  (EB)  maturation  [22].  We  show  here  that  PKCλ/τ‐depletion  in  ESCs  inhibits  mitochondrial  biogenesis  and  maturation,  promotes  glycolytic  energy  metabolism  and  maintains  ESCs  in  a  naive  pluripotent  state.  In  contrast,  both  differentiation  potential  and  metabolic shift can be restored upon rescue of PKCλ/τ expression.  Our  results  uncovered  a  novel  function  of  PKCλ/τ in which it balances self‐renewal vs. differentia‐ tion  of  ESCs  by  modulating  mitochondrial  biogenesis  and function, thereby regulating cellular energy metab‐ olism.    

MATERIALS AND METHODS   

ESC culture and reagents  For  maintaining  ESCs  in  undifferentiated  state,  cells  were  cultured  in  serum  free  N2B27  (Invitrogen,  Grand  Island, NY) medium on 0.1% gelatin coated plates with  leukemia  inhibitory  factor  (LIF,  Millipore,  Billerica,  MA,  #ESG 1106) and 2i [PD 0325901 (Milipore #444966, MEK  inhibitor)  and  CHIR99021  (Stemgent,  Cambridge,  MA,  #04004, GSK3 inhibitor)]. For all experiments, cells were  maintained at 5% CO2 and at atmospheric O2 concentra‐ tion.  For  differentiation,  cells  were  cultured  in  the  ab‐ sence of LIF/2i.    

Alkaline phosphatase assay  Pluripotent cells  were  stained for  alkaline phosphatase  using  kit  from  Millipore  (#SCR  004)  and  following  pro‐ cedures according to the manufacturer’s instructions.    

RNAi 

shRNAs  targeting  mouse  PKCλ/τ  (Prkcτ)  mRNA  were  cloned  into  pLKO.1puro  (Plasmid  No.  8453,    Addgene,  Cambridge MA) and E14 ESCs were transduced and se‐ lected  with  puromycin  by  following  procedures  men‐ tioned previously [23, 24]. shRNA construct with target  sequence GTCGCTCTCGGTATCCTGTC (ShRNA1A), corre‐ sponding  to  the  3’untranslated  region  (UTR)  region  of  Prkcτ mRNA, was used to generate PKCλ/τKD ESCs. E14  ESCs, transduced with empty vectors were used as con‐ trol.  Other  shRNAs,  targeting  the  amino  acid  coding  region of Prkcτ mRNA, are mentioned below. For deple‐ tion  of  HIF1α  in  PKCλ/τKD  ESCs,  the  pLKO.1hygro  (Plasmid  #24150,  Addgene)  was  used  to  express  a  hygromycin  resistance  gene  and  an  shRNA  construct  with  target  sequence  TATGCACTTTGTCGCTATTAA  against the HIF1α mRNA. Transduced cells were select‐ ed  in  presence  of  both  puromycin  (1μg/ml)  and  hygromycin (200µg/ml).   www.StemCells.com 

Generation of induciblePKCλ/τ (iPKCλ/τ)  ESCs  Ainv15 ESCs and Cre‐mediated recombination was used  to  generate  iPKCλ/τ ESCs  following  procedures  de‐ scribed  earlier  [25].  In  brief,  Prkcτ  cDNA  (Open  Biosystems,  Clone  ID  40142595,  GenBank:  BC130257.1)  was  cloned  into  the  engineered  PALP  targeting  vector,  described earlier [25], and was co‐electroporated with a  Cre  recombinase‐expressing  plasmid  in  Ainv15  ESCs.  Clones were selected via G418‐selection and appropriate  recombination  was  confirmed  via  PCR  genotyping,  and  doxicyclin  (DOX)‐inducible  expression  of  PKCλ/τ.  The  endogenous Prkcτ mRNA in iPKCλ/τ ESCs was depleted  by  expressing  shRNA  from  lentiviral  vectors  as  de‐ scribed  above  and  selected  in  presence  of  both  G418  and puromycin. For rescue of PKCλ/τ, cells were treated  with DOX (1μg/ml).    

Chimera Generation and Germ Line Transmis‐ sion  Chimera  generation  and  germ  line  transmission  was  tested  following  published  procedures  [18].  In  brief,  PKCλ/τ  knocked‐down  (PKCλ/τKD)  ESCs  were  injected  into  the  blastocoel  cavity  of  blastocysts,  isolated  from  C57BL/6  pregnant  (E3.5)  females.  After  injection,  blas‐ tocysts  were  surgically  transferred  into  recipient  pseudopregnant  females.  High‐percentage  chimeras,  generated  from  PKCλ/τKD  ESCs,  were  selected  from  coat  color  and  mated  with  C57BL/6  adult  mice  to  test  for germline transmission.    

Quantitative Real Time PCR and PCR array  For  mRNA  expression  analyses,  total  RNA  was  isolated  using  RNA  isolation  kit  (Qiagen  Inc.,  Valencia,  CA,  Cat  no. 74104) and processed as described earlier [26]. Oli‐ gonucleotides, used for qRT‐PCR analyses are described  below  in  Supplemental  Table  S2.  For  expression  anal‐ yses  of  mitochondrial  ETC  complex  members,  isolated  mRNAs  from  experimental  cells  were  tested  using  Mouse Mitochondrial Energy Metabolism RT² Profiler™  PCR  Array  (Cat  No.  PAMM‐008ZA‐2,  SA  Biosciences,  Qiagen Inc.). We followed procedures described by the  manufacturer.  Expression  patterns  were  further  vali‐ dated using qRT‐PCR. mRNA expression of ETC complex  assembly  factors  were  tested  using  qRT‐PCR.  Oligonu‐ cleotides for several complex I members and Complex I  assembly  factors  are  mentioned  in  the  supplemental  table S2. Oligonucleotides that are used for qRT‐PCR of  other  ETC  complex  members  and  assembly  factors  are  available on request.    

Western blot analysis  Western  blot  analysis  was  performed  as  mentioned  earlier [26]. Antibodies are described below in the sup‐ plemental table S2.    

©AlphaMed Press 2014 



Quantitative chromatin immunoprecipitation  (ChIP) Assay  Real time PCR‐based quantitative ChIP analysis was per‐ formed  according  to  a  previously  described  protocol  [25].  Subconfluent  cells  were  trypsinized  and  protein‐ DNA cross‐linking was  conducted  by  treating  cells  with  formaldehyde at a final concentration of 1% for 10 min  at room temperature with gentle agitation. Glycine was  added  to  quench  the  reaction.  Antibodies  against  HIF‐ 1α  (Abcam,  Cambridge,  MA,  #  ab463),  PGC1α  (Biovision,  Milpitas,  CA  #3934100)  were  used  to  immunoprecipitate  protein‐DNA  cross‐linked  frag‐ ments. Primers were designed to amplify 60‐ to 100‐bp  amplicons  and  were  based  on  sequences  in  Ensembl  Genome Browser for mouse locus. Samples from three  or more immunoprecipitations were analyzed. Products  were  measured  using  Power  SYBR  Green  reagent  (#4367659, Applied Biosystems, Grand Island, NY) in 25‐ μl  reactions.  The  amount  of  product  was  determined  relative to a standard curve of input chromatin. Dissoci‐ ation curves showed that PCRs yielded single products.  Sequences  of  the  primers  are  described  in  the  supple‐ mental table 2.    

Immunofluorescence and live cell imaging  Cells  were  cultured  on  Lab‐Tek  chambered  Slides  (#154453, Thermo Fisher Scientific, Hudson,NH) washed  with phosphate buffered saline (PBS) and fixed with 4%  paraformaldehyde  followed  by  permeabilization  with  0.25%  Triton  X‐100.  Blocking  was  done  with  PBS  con‐ taining  10%  FBS  and  0.1%  TX‐100.  Primary  antibody  incubations  were  performed  in  blocking  solution  at  1:100 dilution  over night at 4°C followed by wash with  0.1%  TX‐100in  PBS.  Cells  were  incubated  with  Alexafluor‐conjugated  secondary  antibodies  (Molecular  probes,  Grand  Island,  NY)  at  1:400  dilutions  at  room  temperature  for  1  h.  Washed  cells  were  mounted  on  slides with Slowfade anti‐fade (Invitrogen, Grand Island,  NY, #S36938) reagent containing DAPI as nuclear stain.  For live cell microscopy cells  were  cultured  on Lab‐Tek  chambered  coverglass  (Thermo  Fisher  Scientific,  #155383) and stained with 5 µM MitoSox red from Mo‐ lecular probes (# M36008).  Finally cells were observed  on a laser scanning confocal microscope (Carl Zeiss).    

Oxygen consumption rate (OCR) and extracel‐ lular acidification rate (ECAR) measurements  OCR  was  determined  by  XF  cell  mito‐stress  test  kit  (#101706‐100,  Seahorse  Biosciences,  Chicopee,  MA)  as  described  previously  (7).  In  brief  cells  were  cultured  in  XF24 well to ensure about 90% surface coverage at the  time of experiment. Culture media were exchanged for  unbuffered  DMEM  medium  supplemented  with  2mM  glutamine.  Selective inhibitors were injected during the  measurements  to  achieve  the  final  concentration  of  Oligomycin  (2.5  mM),  FCCP  (300nM),  antimycin  (2mM)  and  rotenone  (2mM).  One  group  served  as  a  control  with running media added.   www.StemCells.com 

PKCλ/ι regulates mitochondria in ESCs  XF Glycolysis stress test kit (#102194‐100, Seahorse  Biosciences)  was  used  to  measure  ECAR.  Cells  were  seeded in an XF24 plate and ECAR was measured after  adding  Glucose  (7.5mM),  Oligomycin  (2.5µM)  and  2‐ deoxyglucose  (2DG)  (50mM)  following  manufacturer’s  instruction.    

Quantification of mitochondrial DNA  (mtDNA) copy numbers  Quantitative RT‐PCR based strategy was used to meas‐ ure  mtDNA  copy  numbers  following  procedures  de‐ scribed  earlier  [27].  Number  of  mtDNA  copies  per  cell  was normalized by measuring number of Gapdh copies  using the following formula mtDNA copies/cell = (num‐ ber  of  the  tRNA‐Tyr/mt‐Co1  gene)  /  (number  of  the  Gapdh gene/2).    

Complex I activity assay  Mitochondrial complex I activity was measured by using  Complex  I  Enzyme  Activity  Microplate  Assay  Kit  from  Abcam  (#  ab109721)  according  to  the  manufacturer’s  instructions.  Briefly,  Cells  were  lysed  in  passive  lysis  buffer  (#  E194A,  Promega,  Madison,  WI)  and  protein  concentration  was  measured  and  adjusted  with  phos‐ phate buffered saline (PBS). Supernatant was collected  after  detergent  extraction  with  1/10  volume  of  deter‐ gent for 30 min on ice and used for the measurement of  OD at 450nm in the presence of prepared assay buffer.    

Electron microscopy  Cells  were  cultured  in  gelatin‐coated  coverglass  and  fixed with 2.5% glutaraldehyde in PBS, PH7.4 for 1 hr at  room temperature. Samples were washed 3 times with  PBS at room temperature and post‐fixed for 1hr at 4 C  in  1%  osmium  tetroxide  with  1%  potassium  ferricyanide.  Afterwards  samples  were  dehydrated  us‐ ing graded ethanol series. After this Thompson molds™  slots were filled with complete medium formula of em‐ bed 812 resin. Place the mold in 60 degree C overnight.  Sections (80nM) were made using a diamond knife and  Leica  UC‐7.  Samples  were  then  imaged  in  a  JEOL  JEM‐ 1400 TEM at 80KV transmission electron microscope.    

Measurement of lactate production  Lactate levels were determined using lactate assay kit (#  K607100,  Biovision,)  following  manufacturer’s  instruc‐ tions. In the assay, lactate is enzymatically oxidized and  the  product  of  this  reaction  reacts  with  lactate  probe  and  emits  fluorescence  at  Ex/Em=535/587nm.  Cells  were cultured for 5 days with change in media in each  couple of days. After day 4, fresh media was added and  24  h  later  medium  was  collected  and  cell  number  was  determined.  Lactate  production  was  measured  and  normalized to the cell number.    

Luciferase assay  For  luciferase  assay,  PGC1α  promoter  region  [from  (+)78  to  (‐)2533bp  ]  was  cloned  in  PGL3  basic  vector  ©AlphaMed Press 2014 



PKCλ/ι regulates mitochondria in ESCs 

(Promega,  #  E1751).  Wild  type  and  hypoxia  response  element (HRE) mutated 1st intron of PGC1α was cloned  upstream to the promoter. Plasmid were transfected in  ESCs  using  a  Nucleofector  (Lonza,  Allendale,  NJ).  Cell  lysates were collected and luciferase activity was meas‐ ured  in  a  Veritas  Microplate  Luminometer  using  the  luciferase assay buffer (Promega). The luciferase activity  for each sample was normalized to the protein concen‐ tration of the lysate. At least three independent prepa‐ rations  of  each  plasmid  were  analyzed  and  the  results  were averaged.    

RESULTS   

Depletion of PKCλ/τ promotes naive  pluripotency in ESCs  PKCλ/τ  is  highly  expressed  in  ESCs  (Fig.  1A)  and  also  present  in  an  active  phosphorylated  [28]  form    (Fig.  S1A). So, we tested whether depletion of PKCλ/τ affects  ESC proliferation and differentiation. We stably deplet‐ ed  PKCλ/τ  in  ESCs  by  RNA  interference  (RNAi)  using  short  hairpin  RNAs  (shRNAs)  (Fig.  1B  and  Fig. S1B). For  our  experiments,  we  selected  an  shRNA  molecule  that  targets  the  3’  untranslated  region  (UTR)  of  PKCλ/τ  (Prkcι)  mRNA  and  specifically  knocks  down  PKCλ/τ  ex‐ pression  without  affecting  expressions  of  other  PKC  isoforms (Fig. 1A, B and Fig. S1C, D). We tested prolifer‐ ation and differentiation potentials of PKCλ/τ‐depleted  E14  ESCs  (PKCλ/τKD  ESCs).  We  found  that  loss  of  PKCλ/τ does not alter ESC colony morphology, prolifer‐ ation  or  chromosomal  stability  (Fig.  S2A,  B,  C)  when  cells were cultured with LIF and PD0325901/CHIR99021  (2i),  which  support  pluripotent  state.    However,  inter‐ estingly, loss of PKCλ/τ impairs differentiation potential  of ESCs. Unlike wild‐type E14 ESCs or E14 ESCs that ex‐ press  an  empty  vector  (control  ESCs),  PKCλ/τKD  ESCs  maintained  undifferentiated  ESC  colony  morphology  (Fig.  1C)  and  high‐level  expressions  of  pluripotency  markers OCT4 and NANOG (Fig. 1D, and Fig. S2D) when  cultured  in  differentiating  culture  condition  in  the  ab‐ sence of LIF and 2i.   To  test  whether  impaired  ESC  differentiation  upon  RNAi is indeed due to loss of PKCλ/τ function, we gen‐ erated  a  PKCλ/τ‐inducible  ESC  line  (iPKCλ/τ  ESCs)  using  Ainv15  ESC  model    (Fig.  S3A).  Ainv15  ESCs  were  engi‐ neered  to  ectopically  express  transgenes  in  a  tetracy‐ cline‐inducible  fashion  [29]  and  successfully  used  by  us  [25]. Upon DOX treatment, the iPKCλ/τ ESCs express an  RNAi‐immune (without the 3’UTR) PKCλ/τ mRNA, there‐ by  rescuing  PKCλ/τ  protein  expression  (Fig.  1E)  in  the  presence of the shRNAs that target the 3’UTR of PKCλ/τ  mRNA. We found that, similar to E14 ESCs, depletion of  endogenous PKCλ/τ in iPKCλ/τ ESCs impaired differentia‐ tion in the absence of LIF/2i and they maintained undif‐ ferentiated  colony  morphology  and  expression  of  pluripotency markers (Fig. 1F, G and Fig. S3B). However,  rescue  of  PKCλ/τ  expression  from  RNAi  immune  www.StemCells.com 

transgene with DOX restored their differentiation poten‐ tial,  confirming  importance  of  PKCλ/τ  function  in  pro‐ moting ESC differentiation.   To test whether the PKCλ/τKD ESCs are maintained  at  a  naive  ESC  state  [30]  or  at  a  primed  epiblast  stem  cells  (EpiSC)‐like  state,  we  tested  (i)  alkaline  phospha‐ tase  (AP)  expression,  (ii)  their  dependence  on  activin/Nodal  signaling  by  culturing  them  in  the  pres‐ ence  of  ALK  inhibitor  SB431542,  and  (iii)  by  assessing  their efficiency for germ‐line transmission in vivo. When  cultured  in  the  absence  of  LIF  and  2i,  PKCλ/τKD  ESCs  expressed high levels of AP (Fig. 2A). Similarly,  iPKCλ/τ  ESCs  in  the  absence  of  DOX  expressed high levels  of  AP  and  differentiation  of  iPKCλ/τ  ESCs  upon  rescue  of  PKCλ/τ  expression  with  DOX  repressed  AP  expression  (Fig.  2A).  Also,  PKCλ/τKD  ESCs  were  not  dependent  on  Activin/nodal  signaling  for  maintaining  ESC  colony  for‐ mation  (Fig.  2B).  Furthermore,  PKCλ/τ D  ESCs  that  were maintained for several passages in differentiating  culture  condition  readily  yielded  chimeric  mice  upon  blastocyst  injection  (Fig.  2C).  Crossing  of  chimeric  offsprings  with  wild‐type  C57BL/6  mice  confirmed  germline  transmission  (Fig.  2D).  Taken  together,  our  studies  indicate  that  PKCλ/τ  function  is  important  to  induce  ESC  differentiation  and  depletion  of  PKCλ/τ  promotes a naive pluripotent state in ESCs.    

PKCλ/τ‐depletion alters metabolic prefer‐ ences and mitochondrial function in ESCs  PSC  differentiation  is  associated  with  maturation  of  mitochondrial  structure  and  metabolic  reprogramming  from glycolysis to oxidative phosphorylation  2. Thus, we  tested  whether  maintenance  of  pluripotency  in  PKCλ/τ D  ESCs  is  associated  with  a  metabolic  shift  to‐ wards glycolysis. To characterize the metabolic profiles  of PKCλ/τ D ESCs, we measured the oxygen consump‐ tion  rate  (OCR)  and  the  extracellular  acidification  rate  (ECAR) [31]. The OCR indicates cellular aerobic respira‐ tion, whereas ECAR is an indicative parameter for glyco‐ lytic energy metabolism [31‐33].   We  found  that,  under  differentiating  culture  condi‐ tion  in  the  absence  of  LIF/2i,  basal  OCR  is  induced  in  wild  type  control  ESCs.  However,  PKCλ/τKD  ESCs  showed significantly reduced basal OCR (Fig. 3A and Fig.  S4A left panel) compared to control ESCs when cultured  in  the  absence  of  LIF/2i.  To  further  confirm  whether  PKCλ/τ‐depletion  is  associated  with  altered  mitochon‐ drial  function  in  ESCs,  OCR  was  monitored  after  cells  were  metabolically  stressed  by  adding  oligomycin,  carbonilcyanide  p‐triflouromethoxyphenylhydrazone  (FCCP)  and  antimycin  A/rotenone  in  succession.  In  the  absence of LIF/2i, treatment of oligomycin, an ATP syn‐ thase  inhibitor  34,  induced  greater  loss  of  OCR  (Fig.  3A  and  Fig. S4A, middle panel) in control ESCs compared to  that  in  PKCλ/τKD  ESCs.  The  greater  loss  of  OCR  upon  inhibition of mitochondrial ATP synthesis indicated that  higher  levels  of  mitochondrial  respiration  are  coupled  with  ATP  production  in  control  ESCs.  To  measure  re‐ ©AlphaMed Press 2014 

5  serve  respiratory  capacity,  an  indicative  parameter  of  maximal respiratory efficiency of mitochondria, we next  added  FCCP,  an  ionophore  that  induces  high  proton  conductance  into  the  mitochondrial  membrane  with  rapid acceleration of the electron transport chain (ETC)  [35]. FCCP treatment in the absence of LIF/2i resulted in  significantly  higher  OCR  increase  in  control  ESCs  than  that in PKCλ/τKD ESCs (Fig. 3A and Fig. S4A right panel),  indicating  higher  maximal  respiratory  capacity  of  mito‐ chondria  in  those  cells.  Finally,  treatment  of  antimycin  A/Rotenone, inhibitors of ETC complexs III and I, respec‐ tively,  revealed  that  the  rate  of  oxygen  consumption  due  to  non‐mitochondrial  sources  was  similar  in  both  control  and  PKCλ/τKD ESCs.  Interestingly,  OCR analysis  in iPKCλ/τ ESCs showed that, rescue of PKCλ/τ expres‐ sion rescued altered mitochondrial respiration (Fig. S4B  and  C).  Collectively,  these  results  indicated  that  induc‐ tion of mitochondrial respiration during ESCs differenti‐ ation is dependent upon PKCλ/τ signaling.   Next  we  tested  whether  PKCλ/τ  loss  promotes  gly‐ colysis  in  ESCs  by  monitoring  ECAR.  ECAR  was  moni‐ tored after addition of glucose, oligomycin and 2‐deoxy‐ D‐glucose  (2DG)  in  succession  (Fig.  3B).  Glucose  and  Oligomycin  were  added  to  monitor  glycolysis  rate  and  maximal  glycoltic  capacity,  respectively,  and  2DG,  an  inhibitor of glycolysis, confirmed the presence of glyco‐ lytic  flux.  We  found  that,  in  the  absence  of  LIF/2i,  PKCλ/τ‐depletion  strongly  increased  both  rate  of  gly‐ colysis  (Fig.  3B,  and  Fig.  S5A,  left  panel)  and  glycolytic  capacity (Fig. 3B, and Fig. S5A, right panel) in ESCs, lead‐ ing  to  increase  in  lactate  production  (Fig.  S5B).  Fur‐ thermore,  ECAR  analysis  in  iPKCλ/τ  ESCs  showed  that,  rescue of PKCλ/τ expression strongly reduced glycolysis  rate and glycolytic capacity (Fig. S5C and D). These ob‐ servations indicate that loss of PKCλ/τ in ESCs promotes  a preference for glycolytic metabolism.   Lower  mitochondrial  respiration  in  PKCλ/τKD  ESCs  could  be  due  to  multiple  reasons;  including  reduced  numbers of mitochondria or developmentally immature  mitochondria. We found that, under differentiating cul‐ ture condition, depletion of PKCλ/τ results in significant  inhibition of mitochondrial DNA (mtDNA) synthesis (Fig.  3C).  Furthermore,  transmission  electron  microscopy  revealed that mitochondria in PKCλ/τKD ESCs are globu‐ lar in shape and lack proper cristae formation (Fig. 3D),  indicating a developmentally immature state. Also, con‐ focal  microscopy  showed  that  mitochondrial  rear‐ rangement  within  PKCλ/τKD  ESCs  was  mostly  peri‐ nuclear,  whereas  in  control  ESCs  mitochondria  were  distributed throughout the cytoplasm (Fig. S6). Interest‐ ingly,  mtDNA  synthesis  and  immature  mitochondria  were  also  observed  in  iPKCλ/τ  cells  upon  depletion  of  endogenous  PKCλ/τ  and  rescue  of  RNAi  immune  PKCλ/τ with DOX significantly increased mtDNA synthe‐ sis  and  induced  mitochondrial  maturation  (Fig.  3E,F).  Taken together, these data revealed that loss of PKCλ/τ  in ESCs inhibits mitochondrial biogenesis, their matura‐ tion and cellular rearrangement.   www.StemCells.com 

PKCλ/ι regulates mitochondria in ESCs 

Loss of PKCλ/τ inhibits mitochondrial com‐ plex I function  To  better  understand  the  reason  behind  altered  mito‐ chondrial function, we tested gene expression patterns  of (i) mitochondrial electron transport chain (ETC) com‐ plex  members,  and  (ii)  assembly  factors  for  ETC  com‐ plexes.  We  found  that  NADH  dehydrogenase  (ubiqui‐ none)  1  alpha  subcomplex  1  (NDUFA1),  a  member  of  the ETC complex I as well as complex I assembly factors,  NADH dehydrogenase (ubiquinone) complex I, assembly  factor  4  (NDUFAF4)  and  NDUFAF6,  were  significantly  down  regulated  in  PKCλ/τKD  ESCs  (Fig.  4A,  and  Table  S1). Previous research showed that complex I biogene‐ sis  and  assembly  factors  are  important  to  carry  out  normal  mitochondrial  function  and  malfunction  of  complex  I  may  promote  the  cell  to  choose  glycolytic  metabolism  instead  of  oxidative  phosphorylation  [36].  So,  we  tested  mitochondrial  complex  I  function  and  found  that  complex  I  activity  is  inhibited  in  PKCλ/τKD  ESCs (Fig. 4B).  As mitochondrial complex I dysfunction  is  often  associated  with  generation  of  reactive  oxygen  species  (ROS)  36,  we  checked  the  production  of  mito‐ chondrial ROS (mtROS) in PKCλ/τKD ESCs. Live cell con‐ focal  microscopy  showed  that  PKCλ/τKD  ESCs  have  more mtROS compare to the control ESCs (Fig. 4C). Fur‐ thermore, rescue of PKCλ/τ expression in iPKCλ/τ ESCs  rescued  complex  I  activity  (Fig.  4B)  and  prevented  mtROS  production  (Fig.  4C).    These  results  indicated  that  along  with  efficient  mitochondrial  biogenesis,  PKCλ/τ signaling is also important for proper function of  mitochondrial complex I during ESC differentiation.    

PKCλ/τ is critical to promote PGC1α expres‐ sion in differentiating ESCs  mtDNA  synthesis  as  well  as  transcription  of  mitochon‐ dria  associated  proteins  are  often  regulated  by  peroxi‐ some  proliferator‐activated  receptor‐γ  co‐activator  (PGC)‐1α [37] and PGC1 βPGC1α and PGC1β modulate  function  of  nuclear  respiratory  factor  1  (NRF1),  NRF2,  and mitochondrial transcription factor A (TFAM), there‐ by altering gene expression  to modulate mitochondrial  biogenesis  and  function  [37].  Interestingly,  identifica‐ tion of genome‐wide PGC1α target genes [38] revealed  that Ndufa1 is a PGC1α target. PGC1α is also implicated  as  a  key  regulator  of  cellular  ROS  production  [37].  So,  we  tested  expressions  of  PGC1α  and  PGC1β  in  control  vs.  PKCλ/τKD  ESCs.  We  found  that  that  PGC1α  (Ppargc1α)  mRNA  and  protein  expressions  were  in‐ duced  in differentiating  ESCs  (Fig.  4D,  E)  and  depletion  of  PKCλ/τ  impaired  PGC1α  induction  (Fig.  4D,  E)  with‐ out affecting expression of PGC1β (Fig. 4D).   Earlier  studies  indicated  that  PGC1α  is  a  positive  regulator  of  NRF1,  NRF2  and  TFAM  expression  39.  Fur‐ thermore,  genome  wide  binding  site  analyses  revealed  that, along with Ndufa1, Tfam, Nrf1, Nrf2, and polymer‐ ase  gamma  (Polg),  a  DNA  polymerase  that  replicates  mtDNA, are also PGC1α targets [38]. So, we tested their  ©AlphaMed Press 2014 

6  expression  in  PKCλ/τKD  ESCs.  We  found  that  PKCλ/τ‐ depletion  does  not  affect  Nrf2  expression  in  ESCs  (Fig.  4F).  However,  PGC1α  expression  is  associated  with  downregulation  of  Tfam,  Nrf1  and  PolG  mRNA  expres‐ sion  in  PKCλ/τKD  ESCs  (Fig.  4F).  Collectively,  these  re‐ sults  indicated  that  ESC  differentiation  is  associated  with  induction  of  master  mitochondrial  regulator  PGC1α,  and  this  induction  is  critically  dependent  on  PKCλ/τ function. This conclusion was further supported  by the fact that rescue of PKCλ/τ expression in iPKCλ/τ  cells restored PGC1α (Fig. 4G) and Tfam, Nrf1 and PolG  expressions (Fig. 4H).    

Identification of a PKCλ/τ‐HIF1α‐PGC1α regu‐ latory axis  Our  studies  showed  that  depletion  of  PKCλ/τ  in  ESCs  maintains  pluripotency,  which  is  associated  with  tran‐ scriptional  induction  of  pluriopotency  genes,  like  Oct4  and Nanog.  In contrast, PKCλ/τ depletion also leads to  suppression  of  Pgc1α  transcription.  So,  we  hypothe‐ sized that downstream to PKCλ/τ, transcription factor/s  are involved in upregulation of pluripotency genes and  downregulation  of  Pgc1α  transcription.  Interestingly,  earlier studies revealed that hypoxia inducible factor 1‐ alpha  (HIF1α)  could  mediate  both  of  these  functions.  HIF1α could upregulate expressions of Nanog and Oct4  [40] and is implicated in regulating mitochondrial func‐ tions and to promote a metabolic shift towards glycoly‐ sis in ESCs and iPSCs [7, 16, 41]. Furthermore, HIF1α is  also  implicated  in  suppression  of  PGC1α  expression  in  different cellular contexts [42, 43]. Therefore, we tested  HIF1α protein expression in PKCλ/τKD ESCs. Intriguing‐ ly,  we  found  that  loss  of  PKCλ/τ  strongly  stabilizes  HIF1α  protein  in  ESCs  (Fig.  5A).  This  observation  was  further  confirmed  in  iPKCλ/τ  ESCs,  in  which  rescue  of  PKCλ/τ expression with DOX prevented HIF1α stabiliza‐ tion  (Fig.  5A).  Furthermore,  chromatin  immunoprecipitation  (ChIP) analyses  in  PKCλ/τKD  ESCs  indicated that stabilization of HIF1α leads to binding of  HIF1α at the Nanog loci (Fig.S7A). These results indicat‐ ed that, downstream to PKCλ/τ depletion, stabilization  and function of HIF1α might be important to modulate  expression  of  pluripotency  genes  and  PGC1α.  There‐ fore, in the next set of experiments we asked functional  importance  of  HIF1α  induction  in  regulating  pluripotency genes and altering PGC1α  expression and  mitochondrial function in PKCλ/τKD ESCs.   To  test  importance  of  HIF1α  stabilization  in  PKCλ/τKD  ESCs,  we  depleted  HIF1α  in  PKCλ/τKD  ESCs  (Fig. 5B, and Fig. S7B) and assessed their differentiation  potential.  We  employed  an  shRNA‐mediated  RNAi  ap‐ proach to deplete HIF1α in PKCλ/τKD ESCs.  We found  that depletion of HIF1α in PKCλ/τKD ESCs is associated  with (i) rescue of differentiation potential (Fig. 5C) along  with  suppression  of  pluripotency  genes  (Fig.  S7C),  (ii)  induction of PGC1α and other mitochondrial regulators  (Fig. 5D and Fig. S7D), (iii) induction of mtDNA synthesis  www.StemCells.com 

PKCλ/ι regulates mitochondria in ESCs  and complex I activity (Fig. 5E, F), and (iv) strong reduc‐ tion of glycolysis (Fig. 5G).  These results confirmed that  downstream to PKCλ/τ‐depletion, HIF1α function alters  mitochondrial  function  in  ESCs,  promoting  glycolysis  and inhibiting their differentiation.   As  PGC1α  expression  is  rescued upon HIF1α  deple‐ tion,  we  tested  whether  HIF1α  directly  modulates  ex‐ pression  of  PGC1α  in  PKCλ/τKD  ESCs.  We  performed  bioinformatics  and  identified  a  conserved  [B(C/G/T)R(A/G)CGTGS(C/G)]  [44]  hypoxia  responsive  element (HRE) within the first intron of the PGC1α locus  (Fig.  6A).  Our  ChIP  analysis  in  PKCλ/τKD  ESCs  showed  that  HIF1α  specifically  occupies  the  intronic  HRE  (Fig.  6B). Furthermore, transient transfection analysis with a  luciferase reporter gene confirmed that deletion of the  conserved HRE activates PGC1α promoter in PKCλ/τKD  ESCs (Fig. 6C). These data strongly support the concept  that, in PKCλ/τKD ESCs, HIF1α directly represses PGC1α  transcription and implicates a PKCλ/τ‐HIF1α‐PGC1α axis  (Fig. 7) in regulating mitochondrial function during ESC  differentiation.     DISCUSSION    PSCs harbor enormous potential for regenerative medi‐ cine.  Therefore,  a  significant  amount  of  present  day  research is directed towards understanding PSC biology.  Although evidences are emerging regarding the interre‐ lationship  between  mitochondrial  function  and  pluripotency,  molecular  mechanisms  of  mitochondrial  regulation  in  PSCs  are  poorly  understood.  The  results  described  in  this  study  establish  a  PKCλ/τ‐PGC1α  mo‐ lecular  axis  that  regulates  mitochondrial  biogenesis,  reorganization  and  respiratory  function,  thereby  pro‐ moting  ESC  differentiation.  Consequently,  loss  of  PKCλ/τ in murine ESCs impairs their differentiation po‐ tential  and  promotes  pluripotency.    Not  surprisingly,  PKCλ/τ‐null  mouse  embryos  succumb  during  gastrula‐ tion.   One of the most intriguing observations in this study  is stabilization of HIF1α in the PKCλ/τ‐depleted ESCs in  the  presence  of  high  oxygen  tension  (cells  were  cul‐ tured  at  an  atmospheric  oxygen  (21%)  level).  So  the  question  arises,  how  does  HIF1α  stabilization  occur  in  PKCλ/τ‐depleted  ESCs?  As  an  increase  in  cellular  ROS  level  could  stabilize  HIF1α  [45],  it  is  possible  that  ROS  production  due  to  defective  complex  1  activity  in  PKCλ/τKD ESCs is promoting HIF1α stabilization (Fig. 7).  However,  rescue  of  PGC1α  expression,  mtDNA  synthe‐ sis  and  mitochondrial  respiration  upon  depletion  of  HIF1α (Fig. 5D‐F) indicates that, rather, HIF1α stabiliza‐ tion  accounts  for  altered  mitochondrial  function  in  PKCλ/τKD  ESCs.  Thus,  at  present  it  is  unknown  to  us  how  depletion  of  PKCλ/τ  stabilizes  HIF1α  in  murine  ESCs.  However,  we  predict  that  an  anchoring  protein,  receptor  for  activated  protein  kinase  C1  (RACK1)  [46,  47],  might  be  involved  in this process.  RACK1 interacts  with  multiple  PKC  isoforms  [46].  Furthermore,  phos‐ ©AlphaMed Press 2014 



PKCλ/ι regulates mitochondria in ESCs 

phorylation  of  RACK1  at  Ser146  is  important  for  the  degradation of HIF1α in atmospheric oxygen level [48].  Phosphorylated  RACK1  can  form  a  dimer  and  target  HIF1α to the proteasome complex for degradation [48].  Thus,  it  is  possible  that,  during  ESC  differentiation,  the  PKCλ/τ‐RACK1  pathway  is  involved  in  HIF1α  degrada‐ tion  (Fig.  7)  and  loss  of  PKCλ/τ  disrupts  this  pathway  leading to stabilization of HIF1α. Given the importance  of  HIF1α  in  physiological  processes  and  pathological  conditions [49], it is important to further study mecha‐ nistic  details  of interrelationships between  PKCλ/τ  and  HIF1α as well as cellular contexts of this event.   The  other  interesting  aspect  of  this  study  is  direct  transcriptional  regulation  of  PGC1α  by  HIF1α.  Several  previous studies have shown that, depending on a cellu‐ lar  context;  hypoxia could modulate PGC1α expression  both  in  a  positive [50]  and  a  negative  [42, 43]  fashion.  However, PGC1α induction by hypoxia does not require  HIF1α activity [50]. Rather, we have shown that, under  our experimental conditions, HIF1α negatively regulates  PGC1α  and  leads  to  impairment  of  mitochondrial  bio‐ genesis and function. To our knowledge this is the first  report  showing  direct  repression  of  PGC1α  expression  by  HIF1α.   It  will  be  interesting  to  check  whether  this  mechanism  is  functional  in  other  cellular  contexts,  es‐ pecially in cancer cells, which are characterized by acti‐ vated glycolysis and HIF1α stabilization [51].   Lastly,  a  fine  balance  of  cellular  metabolism  is  cru‐ cial  during  developmental  processes.  However,  much  remains  unknown  regarding  the  metabolic  controllers  that  mediate  mammalian  tissue  development.  This  knowledge  gap  is  a  critical  barrier  for  the  successful  bridging  of  stem  cell  research  with  regenerative  thera‐ py.  Whereas,  global  gene  expression,  epigenetic  and  protein  expression  profiling  are  important  to  identify  the  key  regulators  and  signaling  networks  in  cultured  PSCs,  it  is  equally  important  to  understand  metabolic  regulators  in  PSC‐derived  progenitors,  which  could  mimic developmental stages similar to adult stem cells.  Interestingly,  recent  studies  indicated  that  adult  stem  cells could also rely primarily on glycolysis for their en‐ ergy  metabolism  [52,  53].  We  showed  that  PKCλ/τ‐ PGC1α  axis  is  important  regulator  for  mitochondrial  function and cellular metabolism in ESC‐derived progen‐ itors. Therefore, it stands to reason that a similar mech‐ anism may also be shared in adult stem cells. Assuming  that the proliferation, aging, and differentiation of adult  stem cells are affected by altered cellular metabolism, it  will be intriguing to target PKCλ/τ signaling pathway to  chemically  define  culture  conditions  to  study  PSCs  as     

REFERENCES    1  Rafalski  VA,  Mancini  E,  Brunet  A.  Energy  metabolism  and  energy‐sensing  pathways  in  mammalian  embryonic  and  adult  stem  cell  fate. J Cell Sci. 2012;125:5597‐5608.  

www.StemCells.com 

well  as  adult  stem  cells  for  long‐term  culture  and  di‐ rected differentiation. These studies might also unearth  novel insights into our knowledge of mitochondrial dis‐ eases and aging.     CONCLUSION    Pluripotent stem cells (PSCs) hold excellent promise for  regenerative medicine due to their multi‐differentiation  potency.  Interestingly,  PSCs  contain functionally  imma‐ ture mitochondria with a preference for glycolytic ener‐ gy  metabolism.  In  contrast,  PSC  differentiation  is  asso‐ ciated  with  mitochondrial  maturation  and  a  metabolic  shift  towards  oxidative  phosphorylation.  However,  sig‐ naling pathways  that  control  mitochondrial maturation  and  function  during  PSC  differentiation  is  largely  un‐ known. Here, using mouse embryonic stem cells (ESCs)  as  model  system,  we  discovered  that  atypical  protein  kinase  C  isoform,  PKCλ/τ,  is  crucial  for  mitochondrial  biogenesis,  maturation  and  function  during  ESC  differ‐ entiation.  Our  study  has  unearthed  a  yet  unidentified  signaling  pathway,  which  is  crucial  to  regulate  cellular  energy metabolism to balance self‐renewal vs. differen‐ tiation of PSCs.     ACKNOWLEDGMENTS    This  research  was  supported  by  NIH  grants  HD062546,  HD075233, and HL094892 to SP, American Heart Associa‐ tion  postdoctoral  Fellowship  to  PH  and  a  gift  from  the  Ronald.  D.  Deffenbaugh  Foundation. We  thank  Drs.  Jay  L. Vivian and Sumedha Gunewardena for providing DNA  constructs and helping with Bioinformatics, respectively.  The electron microscopy research laboratory of the Kan‐ sas University  Medical Center was used for electron mi‐ croscopy analyses.     CONFLICT OF INTEREST    Authors have no conflict‐of‐interest to disclose.    

AUTHOR CONTRIBUTIONS    B  Mahato,  P  Home,  G  Rajendran,  A  Paul,  B  Saha,  A  Ganguly,  S  Ray  and  N  Ray  performed  experiments.  RH  Swerdlow designed experiments. S Paul designed exper‐ iments and wrote the manuscript.  

2  Xu  X,  Duan  S,  Yi  F,  et  al.  Mitochondrial  regulation  in  pluripotent  stem  cells.  Cell  Metab. 2013;18:325‐332.   3 Varum S, Rodrigues AS, Moura MB, et al.  Energy  metabolism  in  human  pluripotent  stem  cells  and  their  differentiated  counterparts. PLoS One. 2011;6:e20914.  

4  Zhang  J,  Nuebel  E,  Daley  GQ,  et  al.  Metabolic regulation in pluripotent stem cells  during  reprogramming  and  self‐renewal.  Cell  Stem Cell. 2012;11:589‐595.   5  Mandal  S,  Lindgren  AG,  Srivastava  AS,  et  al.  Mitochondrial  function  controls  proliferation  and  early  differentiation 

©AlphaMed Press 2014 

8  potential of embryonic stem cells. Stem Cells.  2011;29:486‐495.   6 Zhang J, Khvorostov I, Hong JS, et al. UCP2  regulates  energy  metabolism  and  differentiation  potential  of  human  pluripotent  stem  cells.  EMBO  J.  2011;30:4860‐4873.   7  Zhou  W,  Choi  M,  Margineantu  D,  et  al.  HIF1alpha  induced  switch  from  bivalent  to  exclusively  glycolytic  metabolism  during  ESC‐ to‐EpiSC/hESC  transition.  EMBO  J.  2012;31:2103‐2116.   8  Prowse  AB,  Chong  F,  Elliott  DA,  et  al.  Analysis  of  mitochondrial  function  and  localisation  during  human  embryonic  stem  cell  differentiation  in  vitro.  PLoS  One.  2012;7:e52214.   9  Folmes  CD,  Nelson  TJ,  Martinez‐ Fernandez  A,  et  al.  Somatic  oxidative  bioenergetics  transitions  into  pluripotency‐ dependent  glycolysis  to  facilitate  nuclear  reprogramming.  Cell  Metab.  2011;14:264‐ 271.   10  Ezashi  T,  Das  P,  Roberts  RM.  Low  O2  tensions and the prevention of differentiation  of  hES  cells.  Proc  Natl  Acad  Sci  U  S  A.  2005;102:4783‐4788.   11 Kondoh H, Lleonart ME, Nakashima Y, et  al.  A  high  glycolytic  flux  supports  the  proliferative  potential  of  murine  embryonic  stem cells. Antioxid Redox Signal. 2007;9:293‐ 299.   12  Varum  S,  Momcilovic  O,  Castro  C,  et  al.  Enhancement  of  human  embryonic  stem  cell  pluripotency  through  inhibition  of  the  mitochondrial  respiratory  chain.  Stem  Cell  Res. 2009;3:142‐156.   13  Prigione  A,  Lichtner  B,  Kuhl  H,  et  al.  Human induced pluripotent stem cells harbor  homoplasmic  and  heteroplasmic  mitochondrial  DNA  mutations  while  maintaining  human  embryonic  stem  cell‐like  metabolic  reprogramming.  Stem  Cells.  2011;29:1338‐1348.   14  Panopoulos  AD,  Yanes  O,  Ruiz  S,  et  al.  The metabolome of induced pluripotent stem  cells  reveals  metabolic  changes  occurring  in  somatic  cell  reprogramming.  Cell  Res.  2012;22:168‐177.   15  Suhr  ST,  Chang  EA,  Tjong  J,  et  al.  Mitochondrial  rejuvenation  after  induced  pluripotency. PLoS One. 2010;5:e14095.   16 Prigione A, Rohwer N, Hoffmann S, et al.  HIF1alpha  Modulates  Cell  Fate  Reprogramming Through Early Glycolytic Shift  and Upregulation of PDK1‐3 and PKM2. Stem  Cells. 2014;32:364‐376.   17  Li  Q,  Hakimi  P,  Liu  X,  et  al.  Cited2,  a  transcriptional  modulator  protein,  regulates  metabolism in murine embryonic stem cells. J  Biol Chem. 2014;289:251‐263.   18  Dutta  D,  Ray  S,  Home  P,  et  al.  Self‐ renewal  versus  lineage  commitment  of  embryonic  stem  cells:  protein  kinase  C  signaling  shifts  the  balance.  Stem  Cells.  2011;29:618‐628.   19  Rajendran  G,  Dutta  D,  Hong  J,  et  al.  Inhibition  of  protein  kinase  C  signaling  maintains  rat  embryonic  stem  cell  pluripotency.  J  Biol  Chem.  2013;288:24351‐ 24362.  

PKCλ/ι regulates mitochondria in ESCs  20  Kinehara  M,  Kawamura  S,  Tateyama  D,  et  al.  Protein  kinase  C  regulates  human  pluripotent  stem cell  self‐renewal.  PLoS  One.  2013;8:e54122.   21  Soloff  RS,  Katayama  C,  Lin  MY,  et  al.  Targeted deletion of protein kinase C lambda  reveals  a  distribution  of  functions  between  the  two  atypical  protein  kinase  C  isoforms.  J  Immunol. 2004;173:3250‐3260.   22  Seidl  S,  Braun  U,  Roos  N,  et  al.  Phenotypical  analysis  of  atypical PKCs  in  vivo  function  display  a  compensatory  system  at  mouse  embryonic  day  7.5.  PLoS  One.  2013;8:e62756.   23 Dutta D, Ray S, Vivian JL, et al. Activation  of  the  VEGFR1  chromatin  domain:  an  angiogenic  signal‐ETS1/HIF‐2alpha  regulatory  axis. J Biol Chem. 2008;283:25404‐25413.   24 Home P, Ray S, Dutta D, et al. GATA3 is  selectively expressed in the trophectoderm of  peri‐implantation  embryo  and  directly  regulates Cdx2 gene  expression.  J  Biol Chem.  2009;284:28729‐28737.   25  Home  P,  Saha  B,  Ray  S,  et  al.  Altered  subcellular localization of transcription  factor  TEAD4 regulates first mammalian cell lineage  commitment.  Proc  Natl  Acad  Sci  U  S  A.  2012;109:7362‐7367.   26 Home P, Ray S, Dutta D, et al. GATA3 is  selectively expressed in the trophectoderm of  peri‐implantation  embryo  and  directly  regulates Cdx2 gene  expression.  J  Biol Chem.  2009;284:28729‐28737.   27 Facucho‐Oliveira JM, Alderson J, Spikings  EC,  et  al.  Mitochondrial  DNA  replication  during  differentiation  of  murine  embryonic  stem cells. J Cell Sci. 2007;120:4025‐4034.   28  He  L,  Sabet  A,  Djedjos  S,  et  al.  Metformin  and  insulin  suppress  hepatic  gluconeogenesis  through  phosphorylation  of  CREB binding protein. Cell. 2009;137:635‐646.   29  Kyba  M,  Perlingeiro  RC,  Daley  GQ.  HoxB4  confers  definitive  lymphoid‐myeloid  engraftment potential on embryonic stem cell  and yolk sac  hematopoietic progenitors. Cell.  2002;109:29‐37.   30  Nichols  J,  Smith  A.  Pluripotency  in  the  embryo  and  in  culture.  Cold  Spring  Harb  Perspect Biol. 2012;4:a008128.   31  Swerdlow  RH,  E  L,  Aires  D,  et  al.  Glycolysis‐respiration  relationships  in  a  neuroblastoma  cell  line.  Biochim  Biophys  Acta. 2013;1830:2891‐2898.   32  Silva  DF,  Selfridge  JE,  Lu  J,  et  al.  Bioenergetic  flux,  mitochondrial  mass  and  mitochondrial  morphology  dynamics  in  AD  and  MCI  cybrid  cell  lines.  Hum  Mol  Genet.  2013;22:3931‐3946.   33  Hill  BG,  Benavides  GA,  Lancaster  JR,  Jr.,  et  al.  Integration  of  cellular  bioenergetics  with  mitochondrial  quality  control  and  autophagy. Biol Chem. 2012;393:1485‐1512.   34  Chappell  JB,  Greville  GD.  Effects  of  oligomycin  on  respiration  and  swelling  of  isolated  liver  mitochondria.  Nature.  1961;190:502‐504.   35  To  MS,  Aromataris  EC,  Castro  J,  et  al.  Mitochondrial  uncoupler  FCCP  activates  proton conductance but does not block store‐ operated  Ca(2+)  current  in  liver  cells.  Arch  Biochem Biophys. 2010;495:152‐158.  

36  Stefanatos  R,  Sanz  A.  Mitochondrial  complex  I:  a  central  regulator  of  the  aging  process. Cell Cycle. 2011;10:1528‐1532.   37  Austin  S,  St‐Pierre  J.  PGC1alpha  and  mitochondrial  metabolism‐‐emerging  concepts  and  relevance  in  ageing  and  neurodegenerative  disorders.  J  Cell  Sci.  2012;125:4963‐4971.   38  Charos  AE,  Reed  BD,  Raha  D,  et  al.  A  highly  integrated  and  complex  PPARGC1A  transcription factor binding network in HepG2  cells. Genome Res. 2012;22:1668‐1679.   39  Wu  Z,  Puigserver  P,  Andersson  U,  et  al.  Mechanisms  controlling  mitochondrial  biogenesis  and  respiration  through  the  thermogenic  coactivator  PGC‐1.  Cell.  1999;98:115‐124.   40  Mathieu  J,  Zhang  Z,  Zhou  W,  et  al.  HIF  induces  human  embryonic  stem  cell  markers  in  cancer  cells.  Cancer  Res.  2011;71:4640‐ 4652.   41 Pereira SL, Graos M, Rodrigues AS, et al.  Inhibition of Mitochondrial Complex III Blocks  Neuronal  Differentiation  and  Maintains  Embryonic  Stem  Cell Pluripotency. PLoS  One.  2013;8:e82095.   42 Liu Y, Ma Z, Zhao C, et al. HIF‐1alpha and  HIF‐2alpha  are  critically  involved  in  hypoxia‐ induced  lipid  accumulation  in  hepatocytes  through  reducing  PGC‐1alpha‐mediated  fatty  acid beta‐oxidation. Toxicol Lett. 2014.   43  Tsukada  K,  Tajima  T,  Hori  S,  et  al.  Hypoxia‐inducible factor‐1 is a determinant of  lobular  structure and  oxygen  consumption  in  the liver. Microcirculation. 2013;20:385‐393.   44 Dutta D, Ray S, Vivian JL, et al. Activation  of  the  VEGFR1  chromatin  domain:  an  angiogenic  signal‐ETS1/HIF‐2alpha  regulatory  axis. J Biol Chem. 2008;283:25404‐25413.   45 Sena LA, Chandel NS. Physiological roles  of mitochondrial reactive oxygen species. Mol  Cell. 2012;48:158‐167.   46  Adams  DR,  Ron  D,  Kiely  PA.  RACK1,  A  multifaceted  scaffolding  protein:  Structure  and function. Cell Commun Signal. 2011;9:22.   47  Liu  YV,  Semenza  GL.  RACK1  vs.  HSP90:  competition  for  HIF‐1  alpha  degradation  vs.  stabilization. Cell Cycle. 2007;6:656‐659.   48  Liu  YV,  Hubbi  ME,  Pan  F,  et  al.  Calcineurin  promotes  hypoxia‐inducible  factor  1alpha  expression  by  dephosphorylating  RACK1  and  blocking  RACK1  dimerization.  J  Biol  Chem.  2007;282:37064‐37073.   49  Semenza  GL.  Hypoxia‐inducible  factors  in  physiology  and  medicine.  Cell.  2012;148:399‐408.   50 Shoag J, Arany Z. Regulation of hypoxia‐ inducible  genes  by  PGC‐1  alpha.  Arterioscler  Thromb Vasc Biol. 2010;30:662‐666.   51  Semenza  GL.  HIF‐1:  upstream  and  downstream of cancer metabolism. Curr Opin  Genet Dev. 2010;20:51‐56.   52  Miharada  K,  Karlsson  G,  Rehn  M,  et  al.  Cripto regulates hematopoietic stem cells as a  hypoxic‐niche‐related  factor  through  cell  surface  receptor  GRP78.  Cell  Stem  Cell.  2011;9:330‐344.   53  Simsek  T, Kocabas  F, Zheng J, et al. The  distinct  metabolic  profile  of  hematopoietic  stem  cells  reflects  their  location  in  a  hypoxic  niche. Cell Stem Cell. 2010;7:380‐390.  

 

www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 



PKCλ/ι regulates mitochondria in ESCs 

See www.StemCells.com for supporting information available online. STEM  CELLS ; 00:000–000   

www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 

10

PKCλ/ι regulates mitochondria in ESCs 

Figure 1. Depletion of PKCλ/τ promotes ESC self‐renewal.   A, Micrographs of an undifferentiated ESC colony showing expression of PKCλ/τ.  B, Western blots showing knock‐ down of PKCλ/τ in ESCs with shRNA constructs. The shRNA1, which showed strong RNAi, targets the 3’ UTR region of  PKCλ/τ  mRNA.  C,  Micrographs  show  that  PKCλ/τKD  ESCs  maintain  undifferentiated  colony  morphology  when  cul‐ tured  in  differentiating  culture  condition  (without  LIF/2i),  whereas  the  control  ESCs,  in  which  PKCλ/τ  expression  is  maintained,  undergo  differentiation.    D,  Immunofluorescence  analysis  showing  expression  of  pluripotency  factors,  OCT4 and NANOG in PKCλ/τKD cells in the absence of LIF/2i. E, iPKCλ/τ ESCs, expressing PKCλ/τ shRNA1, were treat‐ ed with DOX for different time intervals and  western blot analyses were performed to compare PKCλ/τ expression  with respect to Ainv15 ESCs, from which iPKCλ/τ ESCs were derived.  Western blots show rescue of PKCλ/τ protein  expression in iPKCλ/τ ESCs upon DOX treatment.  F, Micrographs show that rescue of PKCλ/τ expression in iPKCλ/τ  cells induces their differentiation. G, Western blots showing expressions of OCT4 and NANOG in iPKCλ/τ cells in the  absence and presence of LIF/2i, PKCλ/τ shRNA and DOX. (All scale bars, 100μm).    

 

www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 

11

PKCλ/ι regulates mitochondria in ESCs 

Figure 2. Depletion of PKCλ/τ maintains ESCs in a naive pluripotent state:   A, Micrographs show alkaline phosphatase activity in PKCλ/τKD ESCs and iPKCλ/τ ESCs, when cultured without LIF/2i.  Rescue  of  PKCλ/τ  with  DOX  in  iPKCλ/τ  ESCs  induced  differentiation  with  loss  of  alkaline  phosphatase  activity.  B,  PKCλ/τKD  ESCs  were  cultured  in  the  absence  of  LIF/2i  and  with  or  without  SB431542,  which  inhibits  activin/nodal  signaling. Microgrpahs show that undifferentiated ESC colony morphology is maintained with or without SB431542. C,  Chimeric  mice  generated  with  PKCλ/τKD  ESCs  that  were  cultured  without  LIF/2i  for  4  consecutive  passages.  E,  Germline offsprings (agouti coat color) generated from PKCλ/τKD ESC‐derived chimera. (All scale bars, 100μm).    

 

www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 

12

PKCλ/ι regulates mitochondria in ESCs 

Figure 3. Depletion of PKCλ/τ inhibits mtDNA synthesis and mitochondrial maturation and promotes glycolysis in  ESCs:   A,  Control  ESCs  and  PKCλ/τKD  ESCs  were  subjected  for  mitochondrial  stress  test  by  adding  oligomycin,  FCCP,  and  AntimycinA/Rotenone at different time intervals and changes in OCRs were measured. Basal respiration, mitochon‐ drial  coupled respiration (light pink  shade),  reserved  respiratory  capacity (deep  pink  shade) and  non‐mitochondrial  respirations (blue shade) of control ESCs without LIF/2i are indicated. B, Control ESCs and PKCλ/τKD ESCs were sub‐ jected  for  glycolysis  stress  test  by  adding  glucose,  oligomycin,  and  2DG  at  different  time  intervals  and  changes  in  ECARs were measured. Glycolysis rate (light pink shade), maximal glycolytic capacity (deep pink shade), and glycolytic  reserve of PKCλ/τKD ESCs without LIF/2i are indicated. C, Plot shows significant (p≤0.01) reduction of mtDNA synthe‐ sis  in  PKCλ/τKD  ESCs  compared  to  the  control  ESCs,  when  cultured  in  differentiating  culture  condition.  D,  Electron  micrographs showing mitochondria in control ESCs and PKCλ/τKD ESCs. In the absence of LIF/2i, mitochondrial matu‐ ration  was  impaired  in  PKCλ/τKD ESCs. (E)  iPKCλ/τ  ESCs, expressing  PKCλ/τ shRNA1,  were  treated  with  or  without  DOX. Plot shows significant (p≤0.05) induction of mtDNA synthesis in iPKCλ/τ cells upon rescue of PKCλ/τ expression  with DOX. (E) Electron micrographs showing mitochondria in iPKCλ/τ ESCs that were treated with or without DOX. (All  scale bars, 500nm).    

 

www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 

13

PKCλ/ι regulates mitochondria in ESCs 

Figure 4. PKCλ/τ promotes mitochondrial complex I activity and PGC1α expression in differentiating ESCs.   A, qRT‐PCR  analyses  (mean  ±  standard  error;  three  independent  experiments)  showing  mRNA expressions of  mito‐ chondrial  complex  I  members  that  are  encoded  by  nuclear  DNA  and  complex  I  assembly  factors  in  PKCλ/τKD  ESCs  relative to control ESCs. B, Control, PKCλ/τKD ESCs and iPKCλ/τ ESCs were cultured without LIF/2i and mitochondrial  complex I activities were measured. The plot shows significant inhibition (p≤0.01) of complex I activity with PKCλ/τ‐ depletion and significant induction of activity (p≤0.05) upon rescue of PKCλ/τ expression in iPKCλ/τ cells. C, Confocal  images showing mitochondrial ROS production (monitored with Mitosox) in control ESCs, PKCλ/τKD ESCs and iPKCλ/τ  ESCs, when those were cultured without LIF/2i. iPKCλ/τ ESCs were cultured with DOX to rescue PKCλ/τ expression. D,  qRT‐PCR analyses showing mRNA expressions of PGC1α and PGC1β in control and PKCλ/τKD ESCs, cultured with or  without  LIF/2i.  PGC1α  mRNA  expressions  was  significantly  (p

ι: a novel mode of balancing pluripotency.

Pluripotent stem cells (PSCs) contain functionally immature mitochondria and rely upon high rates of glycolysis for their energy requirements. Thus, a...
2MB Sizes 2 Downloads 6 Views