background image

Journal Pre-proof

IL-13 promotes accumulation of esophageal epithelial mitochondria with

translational implications for eosinophilic esophagitis

Jazmyne L. Jackson, B.S., Reshu Saxena, PhD, Mary Grace Murray, B.A., Abigail

J. Staub, B.A., Courtney Worrell, Jasmine Cruz, B.S., No’ad Shanas, B.S., Alena

Klochkova, MD, PhD, Travis H. Bordner, B.S., John M. Crespo, B.S., Annie D.

Fuller, B.S., B.S. William-Nazario-Lugo, Grace Davis, Hailey Golden, Andres J.

Klein-Szanto, MD, PhD, Tatiana A. Karakasheva, Adam Karami, M.S., John W.

Elrod, Gary W. Falk, MD, Zachary Wilmer Reichenbach, MD, PhD, Melanie Ruffner,

MD, PhD, Amanda B. Muir, MD, Kelly A. Whelan, PhD

PII:

S2352-345X(26)00060-3

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.jcmgh.2026.101782

Reference:

JCMGH 101782

To appear in:

Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology

Accepted Date: 31 March 2026

Please cite this article as: Jackson JL, Saxena R, Murray MG, Staub AJ, Worrell C, Cruz J, Shanas

N’a, Klochkova A, Bordner TH, Crespo JM, Fuller AD, William-Nazario-Lugo BS, Davis G, Golden H,

Klein-Szanto AJ, Karakasheva TA, Karami A, Elrod JW, Falk GW, Reichenbach ZW, Ruffner M, Muir

AB, Whelan KA, IL-13 promotes accumulation of esophageal epithelial mitochondria with translational

implications for eosinophilic esophagitis, 

Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology

(2026), doi: 

https://doi.org/10.1016/j.jcmgh.2026.101782

.

This is a PDF of an article that has undergone enhancements after acceptance, such as the addition

of a cover page and metadata, and formatting for readability. This version will undergo additional

copyediting, typesetting and review before it is published in its final form. As such, this version is no

longer the Accepted Manuscript, but it is not yet the definitive Version of Record; we are providing

this early version to give early visibility of the article. Please note that Elsevier’s sharing policy for the

Published Journal Article applies to this version, see: 

https://www.elsevier.com/about/policies-and-

standards/sharing#4-published-journal-article

. Please also note that, during the production process,

errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the

journal pertain.

© 2026 The Author(s). Published by Elsevier Inc. on behalf of American Gastroenterological Association

Institute.

k-html.html
background image

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Title:  IL-13  promotes  accumulation  of  esophageal  epithelial  mitochondria  with 

translational implications for eosinophilic esophagitis 

 

Short Title:  Mitochondria and eosinophilic esophagitis  

 

Jazmyne L. Jackson, B.S.

1

, Reshu Saxena, PhD

1,2

,

 

Mary Grace Murray, B.A.

1

, Abigail J. 

Staub,  B.A.

1

,  Courtney  Worrell

1

,  Jasmine  Cruz,  B.S.

1

,  No’ad  Shanas,  B.S.

1

,

 

Alena 

Klochkova, MD, PhD

1

, Travis H. Bordner, B.S.

1

,  John M. Crespo, B.S.

1

, Annie D. Fuller, 

B.S.

1

,

 

William-Nazario-Lugo,  B.S.

1

,  Grace  Davis

3

,  Hailey  Golden

3

,  Andres  J.  Klein-

Szanto, MD, PhD

4

,  Tatiana A. Karakasheva

3

, Adam Karami, M.S.

1

, John W. Elrod

5

, Gary 

10 

W. Falk, MD

6

,

 

Zachary Wilmer Reichenbach, MD, PhD

7,8,9

, Melanie Ruffner, MD, PhD

10, 

11 

11

, Amanda B. Muir, MD

3,10 

, Kelly A. Whelan, PhD

1,12 

12 

 

13 

1

Fels Cancer Institute for Personalized Medicine, Lewis Katz School of Medicine, Temple 

14 

University, Philadelphia, PA 19140, USA 

15 

2

Amity School of Biological Sciences, Amity University Punjab, Mohali-140306, India 

16 

3

Division  of  Gastroenterology,  Hepatology,  and  Nutrition,  The  Children’s  Hospital  of 

17 

Philadelphia, Philadelphia, PA 19104, USA  

18 

4

Histopathology Facility, Fox Chase Cancer Center, Philadelphia, PA 19111, USA  

19 

5

Aging  +  Cardiovascular  Discovery  Center,  Department  of  Cardiovascular  Sciences, 

20 

Lewis Katz School of Medicine at Temple University, Philadelphia, PA

 

19140, USA  

21 

6

Division  of  Gastroenterology  and  Hepatology,  University  of  Pennsylvania  Perelman 

22 

School of Medicine, Philadelphia, PA 19104, USA. 

23 

7

Department  of  Medicine,  Section  of  Gastroenterology,  Temple  University  Hospital, 

24 

Philadelphia, Pennsylvania, USA, Philadelphia, PA 19140, USA 

25 

8

Center for Substance Abuse Research (CSAR), Temple University Lewis Katz School of 

26 

Medicine, Philadelphia, Pennsylvania, USA, Philadelphia, PA 19140, USA 

27 

9

Center  for  Microbiology  and  Immunology,  Temple  University  Lewis  Katz  School  of 

28 

Medicine, Philadelphia, Pennsylvania, USA. 

29 

10

Department  of  Pediatrics,  The  Children’s  Hospital  of  Philadelphia,  Philadelphia,  PA 

30 

19104, USA  

31 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

11

Division  of  Allergy  and  Immunology,  The  Children’s  Hospital  of  Philadelphia, 

32 

Philadelphia, PA 19104, USA  

33 

12

Department of Cancer and Cellular Biology, Lewis Katz School of Medicine at Temple 

34 

University, Philadelphia, PA 19140, USA  

35 

 

36 

Abbreviations  used  in  this  paper: 

ATP,  Adenosine  Triphosphate;

 

BCH,  Basal  Cell 

37 

Hyperplasia; DAMP,  Damage-Associated Molecular Patterns; DHTKD1, Dehydrogenase 

38 

Transketolase  Domain-Containing  1;  DRP1,  Dynamin-Related  Protein  1;  ECAR, 

39 

Extracellular  Acidification  Rate;  EGD,  Esophagogastroduodenoscopy;  EGID, 

40 

Eosinophilic  Gastrointestinal  Disease;  EoE,  Eosinophilic  Esophagitis;  Eos/HPF, 

41 

Eosinophils  Per  High  Power  Field;  ETC,  Electron  Transport  Chain;  FCCP, 

42 

Carbonyl cyanide-4-(trifluoromethoxy)phenylhydrazone; H&E ,  Hematoxylin  &  Eosin; 

43 

HSS,  Histology Scoring System; IF, Immunofluorescence; IHC, Immunohistochemistry; 

44 

IL,  Interleukin;  IL-4Rα,  IL-4  Receptor  alpha;  I-SEE,  Index  Of  Severity  For  Eosinophilic 

45 

Esophagitis;  JAK,  Janus  Kinase;  MFN,  Mitofusin;  MMP,  Mitochondrial  Membrane 

46 

Potential;  MTCO1,  Mitochondrially  Encoded  Cytochrome  C  Oxidase  1;  mtDNA, 

47 

Mitochondrial  DNA;  OCR,  Oxygen  Consumption  Rate;  OGDHL,  Oxoglutarate 

48 

Dehydrogenase-Like;  OXPHOS,  Oxidative  Phosphorylation;  OVA,  Ovalbumin;  STAT, 

49 

Signal  Transducer  And  Activator  Of  Transcription;  Th2,  T  Helper  2;  TLR,  Toll-Like 

50 

Receptor; TSLP, Thymic Stromal Lymphopoietin

 

51 

 

52 

Correspondence:  

53 

Kelly A. Whelan, PhD 

54 

Associate Professor and Vice Chair, Department of Cancer & Cellular Biology  

55 

Fels Cancer Institute for Personalized Medicine  

56 

Temple University Lewis Katz School of Medicine  

57 

3307 N. Broad St.  

58 

PAHB Room 206  

59 

Philadelphia, PA 19140  

60 

215-707-8467  

61 

kelly.whelan@temple.edu

  

62 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

 

63 

Conflict  of  Interest  Disclosure:

 

Part  of  this  study  was  supported  by  an  EoE  Young 

64 

Investigator Award granted to Dr. Whelan by Shire Human Genetic Therapies, Inc.

 

Dr. 

65 

Falk has research funding from Adare/Ellodi, Arena/Pfizer, Bristol Myers Squibb, Celldex, 

66 

Nexeos,  Regeneron/Sanofi,  Takeda.  Dr  Falk  is  a  medical  consultant  for Adare/Ellodi, 

67 

AnaptysBio,  Bristol  Myers,  Squibb,  EsoCap,  Uniquity,  Phathom,  Regeneron/Sanofi, 

68 

Takeda  and  Upstream  Bio.  Dr.  Falk  serves  on  the  Speakers  Bureau  for 

69 

Regeneron/Sanofi.  Dr.  Ruffner  receives  research  funding  through  her  institution  from 

70 

Regeneron.  Dr.  Muir  serves  as  a  medical  consultant  for  Regeneron/Sanofi,  EsoCap, 

71 

Apogee and Uniquity. The remaining authors disclose no conflicts. 

72 

 

73 

Grant  Support:

  This  work  was  supported  by  the  National  Institutes  of  Health: 

74 

R01DK136987 (KAW), R03AI156435 (KAW), R01AI184785 (MR),  F31DK139760 (JLJ), 

75 

T32GM142606 (ADF, JMC; PI, Xavier Graña, Kelly Whelan), R01GM155497 (THB, CW; 

76 

PI, Xavier Graña), P30CA006927 (AKS; PI, Jonathan Chernoff), F31CA294914 (ADF). 

77 

Additional support was provided by: EoE Young Investigator Award from Shire Human 

78 

Genetic  Therapies,  Inc.  (KAW;  IIR-USA-002420),  Washington  &  Jefferson  College 

79 

Maxwell Internship Award (AJS) and Washington & Jefferson College Merck Internship 

80 

Award (AJS), The AGA-Dr. Harvey Young Education & Development Foundation’s Young 

81 

Guts Scholars Program (CW), and a Temple University Bridge award, an internal grant 

82 

provided by the Office of the Vice President for Research (OVPR) at Temple University 

83 

(KAW).  

84 

Preprint server: 

bioRxiv; 10.1101/2025.04.02.646853 

85 

Word Count: 

5171

 

86 

Data Availability Statement 

87 

Data, analytic materials and study materials will be made available upon request to Dr. 

88 

Whelan. 

89 

Author Contribution 

90 

J.L.J  (Data  curation:  Equal;  Formal  analysis:  Lead;  Funding  acquisition:  Supporting; 

91 

Methodology: Equal; Validation: Lead; Visualization: Lead; Writing – original draft: Lead; 

92 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Writing  –  review  &  editing:  Lead);  R.S.  (Data  curation:  Equal;  Formal  analysis:  Equal; 

93 

Methodology: Supporting; Writing – original draft: Supporting; Writing – review & editing: 

94 

Supporting); M.G.M. (Data curation: Equal; Formal analysis: Supporting; Writing –original 

95 

draft:  Supporting);  A.J.S..  (Data  curation:  Supporting;  Formal  analysis:  Supporting; 

96 

Visualization: Supporting; Writing – review & editing: Supporting); C.W. (Data curation: 

97 

Supporting;  Funding  acquisition:  Supporting);  J.C.  (Data  curation:  Supporting);  N.S. 

98 

(Visualization:  Supporting); A.K.  (Data  curation:  Supporting;  Methodology:  Supporting; 

99 

Visualization: Supporting; Writing – review & editing: Supporting); T.H.B. (Data curation: 

100 

Supporting;  Funding  acquisition:  Supporting;  Writing  –  review  &  editing:  Supporting); 

101 

J.M.C. (Funding acquisition: Supporting; Writing – review & editing: Supporting); A.D.F. 

102 

(Funding acquisition: Supporting; Writing – review & editing: Supporting); W.N.L. (Writing 

103 

– review & editing: Supporting); G.D. (Data curation: Supporting); H.G. (Data curation: 

104 

Supporting); A.K.S (Data curation: Supporting; Formal analysis: Supporting; Validation: 

105 

Supporting; Writing – review & editing: Supporting); T.A.K. (Writing – review & editing: 

106 

Equal);  A.K.  (Formal  analysis:  Supporting;  Software:  Supporting);  J.E.  (Methodology: 

107 

Supporting;  Writing  –  review  &  editing:  Supporting);  G.W.F.  (Resources:  Supporting); 

108 

Z.W.R.  (Data  curation:  Supporting;  Resources:  Supporting);  M.R.  (Writing  –  review  & 

109 

editing:  Supporting);  A.B.M.  (Data  curation:  Supporting;  Resources:  Supporting; 

110 

Visualization:  Supporting;  Writing  –  review  &  editing:  Supporting);  K.A.W. 

111 

(Conceptualization: Lead; Funding acquisition: Lead; Investigation: Lead; Methodology: 

112 

Lead; Project administration: Lead; Resources: Lead; Supervision: Lead; Visualization: 

113 

Lead; Writing – original draft: Lead; Writing – review & editing: Lead) 

114 

 

115 

Synopsis 

116 

Mitochondrial mass is increased in esophageal mucosa of humans and mice with EoE 

117 

inflammation.  In  esophageal  keratinocytes,  IL-13  acts  through  JAK/STAT  signaling  to 

118 

increase  mitochondrial  mass  and  extracellular  mtDNA.  Increased  circulating  mtDNA  is 

119 

found in serum of EoE patients. 

120 

121 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Abstract 

122 

Background  &  Aims:

 

Metabolic  and  mitochondrial  dysfunction  have  recently  been 

123 

implicated in eosinophilic esophagitis (EoE) pathogenesis. However, there is a need to 

124 

define  the  influence  of  EoE-associated  inflammatory  cues  upon  mitochondrial  biology, 

125 

mechanisms  mediating  these  effects,  and  the  clinical  significance  of  mitochondrial 

126 

alterations in EoE. 

127 

Methods: 

Mitochondria were evaluated in human biopsies, MC903/Ovalbumin-induced 

128 

murine EoE,  and  human  esophageal  keratinocytes  stimulated  with  EoE-relevant 

129 

cytokines.  Mitochondrial  mediators  were  assessed  via  qRT-PCR  and  western  blotting. 

130 

Metabolism,  mitochondrial  membrane  potential,  and  apoptosis  were  measured. 

131 

Mitochondrial DNA (mtDNA)-encoded genes, 

ND1 

and

 ND6 

were assessed by qPCR in 

132 

DNA from culture media and circulating nucleic acids from human serum samples. Effects 

133 

of JAK inhibitor ruxolitinib or genetic inhibition of STAT3 or STAT6 on mitochondria were 

134 

assessed 

in vitro

.  

135 

Results: 

We identified evidence of increased mitochondria in esophageal mucosa of EoE 

136 

patients and mice with EoE-like inflammation. IL-13 consistently induced mitochondrial 

137 

accumulation in esophageal keratinocytes 

in vitro

 and this response was associated with 

138 

increased expression of mediators of mitochondrial biogenesis, fusion, and mitophagy. 

139 

IL-13  suppressed  mitochondrial  respiration  and  ATP  production,  without  impacting 

140 

membrane  polarization  or  apoptosis.  Active  EoE  patients  exhibited  elevated  serum 

141 

mtDNA  levels  and  upregulation  of  mediators  of  mtDNA-associated  inflammatory 

142 

signaling. Increased mitochondrial mass and accumulation of extracellular mtDNA in IL-

143 

13-treated esophageal keratinocytes were dependent on JAK/STAT signaling. 

144 

Conclusions: 

We identify IL-13 as a mediator of increased mitochondrial mass in EoE 

145 

through JAK/STAT signaling. We further demonstrate that IL-13 promotes accumulation 

146 

of extracellular mtDNA and that circulating mtDNA is elevated in EoE patients. 

147 

Key Words: 

Eosinophilic esophagitis; mitochondria; Interleukin-13; JAK/STAT pathway

 

148 

 

149 

 

150 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Introduction 

151 

Eosinophilic esophagitis (EoE) is a chronic food allergen- and immune-mediated 

152 

disease  that  not  only  exerts  significant  clinical  and  financial  burden  worldwide

1

,  but  is 

153 

rising  in  prevalence

2

.  EoE  is  characterized  by  esophageal  eosinophilia  and  tissue 

154 

remodeling  in  esophageal  epithelial,  muscle,  and  stromal  compartments

1,  3

.  EoE 

155 

symptoms include vomiting, dysphagia and food impaction, all of which negatively impact 

156 

quality of life

4-8

. While dietary elimination and corticosteroids are therapeutic mainstays in 

157 

EoE,  the  monoclonal  antibody  dupilumab,  which  targets  interleukin  (IL)-4  receptor  (IL-

158 

4R)α, became the first and only FDA-approved targeted therapy for use in EoE patients 

159 

in  2022

9,  10

. This  significant  advance  in  EoE  patient  care  was  guided  by  experimental 

160 

evidence supporting the importance of T helper (Th)2 signaling in EoE. Presently, our 

161 

understanding  of  the  molecular  mechanisms  through  which  Th2  cytokines  drive  EoE 

162 

pathobiology remains incompletely understood.  

163 

In response to allergens, esophageal epithelial cells secrete cytokines, including 

164 

thymic stromal lymphopoietin (TSLP)

11, 12

, to recruit lymphocytes that then produce Th2 

165 

cytokines IL-4, IL-5, and IL-13. In esophageal epithelium, IL-4 and IL-13 bind to IL-4Rα to 

166 

promote JAK-mediated phosphorylation of signal transducer and activator of transcription 

167 

(STAT) proteins

13

. Phosphorylated STAT proteins then dimerize and translocate to the 

168 

nucleus  where  they  bind  DNA  and  direct  target  gene  transcription

14

.  Targeted  genetic 

169 

depletion  of  epithelial  IL-4Rα  subunit  protects  mice  from  experimental  EoE 

in  vivo

15

170 

supporting IL-4Rα-mediated signaling in esophageal epithelium as a key driver of EoE. 

171 

Although epithelial-associated IL-13-responsive genes, including eotaxin-3

16-18

, calpain-

172 

14

19

, synaptopodin

20

, and follistatin

21

 have been linked to EoE pathobiology, studies in 

173 

mice suggest a predominant role for IL-13 in experimental EoE

15

.  

174 

Genetic evidence first indicated a potential role for mitochondria in EoE

22

. Whole 

175 

exome  sequencing  on  patients  with  EoE  and  unaffected  family  members  revealed 

176 

enrichment  in  rare,  damaging  variants  in  two  genes: 

DHTKD1  (

Dehydrogenase  and 

177 

Transketolase  Domain  Containing  1),  which

 

contributes  to  mitochondrial  lysine 

178 

metabolism and adenosine triphosphate (ATP) production

23, 24

, and its homolog 

OGDHL 

179 

(Oxoglutarate Dehydrogenase-Like)

22

.  

In vitro 

experiments further revealed suppressed 

180 

mitochondrial  respiration  in  esophageal  fibroblasts  from  EoE  patients  expressing 

181 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

DHTKD1 

or

  OGDHL

  variants

22

.  Impaired  mitochondrial  respiration  was  also  identified 

182 

upon  DHTKD1  knockdown  in  non-EoE  esophageal  epithelial  cultures  that  further 

183 

displayed increased levels of ROS

22

.  

184 

Two recent publications examined metabolism and mitochondria in EoE. Ryan and 

185 

colleagues  linked  hypoxia-inducing  factor  (HIF)-1α-mediated  metabolic  dysfunction  to 

186 

differentiation defects in esophageal keratinocytes

25

. Our own recent collaborative work 

187 

linked IL-13-mediated mitochondrial structural damage and impaired respiratory capacity 

188 

with  epithelial  remodeling  in  EoE

26

.  While  these  two  studies  suggest  that  bioenergetic 

189 

stress in esophageal  epithelial cells contributes to  EoE pathobiology,  how the  broader 

190 

EoE  inflammatory  milieu  influences  mitochondria,  the  direct  molecular  mechanisms 

191 

through which IL-13 influences mitochondrial mass, and the relevance of mitochondrial 

192 

alterations to clinical features of EoE have yet to be elucidated.  

193 

Beyond  their  metabolic  functions,  mitochondria  also  contribute  to  inflammation. 

194 

Damage-associated  molecular  patterns  (DAMPs)

27-29

  are  endogenous  cellular 

195 

components that promote an immune response upon release from cells

30

.

 

Mitochondrial 

196 

DNA (mtDNA) present in the cytosol or outside of cells can function as a DAMP, promoting 

197 

inflammation through toll-like receptor 9 (TLR9), cyclic GMP–AMP synthase-stimulator of 

198 

interferon  genes  (cGAS/STING)  or  NLR  family  pyrin  domain  containing  3  (NLRP3) 

199 

inflammasome pathways, the latter of which has been implicated in EoE pathogenesis

31

200 

Circulating mtDNA has been explored as a biomarker in pathologic conditions including 

201 

sepsis, myocardial infarctions, and inflammatory bowel disease

32-34

; however, circulating 

202 

mtDNA  has  not  been  evaluated  as  a  biomarker  in  EoE,  a  disease  in  which  there  is 

203 

significant  interest  in  identifying  noninvasive  biomarkers  as  diagnosis  and  monitoring 

204 

currently rely on histological assessment of endoscopic biopsies acquired under general 

205 

anesthesia. 

206 

The current study furthers our understanding of mitochondria in EoE. We perform 

207 

the  first  systematic  evaluation  of  protein  markers  of  mitochondria  in  EoE  patients  and 

208 

explore the relationship between mitochondria and clinical features of EoE. We directly 

209 

assess the impact of a panel of EoE inflammatory mediators on mitochondrial mass in 

210 

esophageal  epithelial  cells,  identifying  IL-13  as  a  signal  that  increases  expression  of 

211 

mediators  of  mitochondrial  dynamics  to  promote  increased  mitochondrial  mass.  We 

212 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

continue to define the impact of IL-13 on mitochondrial function, demonstrating decreased 

213 

OXPHOS  that  is  not  accompanied  by  mitochondrial  depolarization  or  apoptosis.  We 

214 

further  demonstrate for  the first time  that IL-13  promotes  accumulation of  extracellular 

215 

mtDNA  as  well  as  TLR9  cleavage  and  increased  expression  of  proteins  in  the 

216 

cGAS/STING  pathway.  In  EoE  patients,  we  then  explore  circulating  mtDNA  as  a 

217 

biomarker.  Finally,  we  demonstrate  that  IL-13-mediated  increased  mitochondrial  mass 

218 

and  extracellular  mtDNA  accumulation  are  dependent  upon  JAK/STAT  signaling  in 

219 

esophageal  keratinocytes.  In  sum,  these  studies  provide  novel  insight  into  the 

220 

mechanisms regulating mitochondrial biology in EoE as well as the potential significance 

221 

of these alterations in terms of EoE pathobiology and clinical care.

 

222 

 

223 

Results 

224 

Evidence  of  increased  mitochondria  in  esophageal  mucosa  of  EoE patients  and 

225 

mice with EoE-like inflammation  

226 

To  explore the  impact  of EoE inflammation  on  mitochondria  in  esophageal 

227 

mucosa,  we  evaluated  expression  of  MTCO1 (mitochondrially  encoded  cytochrome  c 

228 

oxidase  I), a  mitochondrially-encoded  subunit  of  Complex  IV  of  the  electron  transport 

229 

chain (ETC) in esophageal biopsies from human patients with EoE or control non-EoE  

230 

subjects  with  normal  esophageal  pathology  (

Table  1

). Although  EoE  biopsies  include 

231 

inflammatory  cells  and  may  also  have  lamina  propria  (LP),  we  assessed  staining  in 

232 

epithelial cells as staining was robust in these cells. In both non-EoE (n=5) and inactive 

233 

EoE (n=20) subjects, MTCO1 staining was restricted to the basal and parabasal epithelial 

234 

cells with no or very little stain seen in spinous and superficial cells. 22/23 (95.6%) of 

235 

active EoE subjects exhibited BCH, with MTCO1 positivity in the cytoplasm of all basaloid 

236 

cells  observed  across  the  expanded  basal  cell  compartment  and  very  little  or  no 

237 

immunostain  in  the  most  superficial  layers  (

Fig.  1A

).  Average  MTCO1  score  was 

238 

significantly  increased  in  patients  with  active EoE inflammation  as  compared  to  either 

239 

non-EoE controls or patients with inactive EoE (

Fig. 1A, B

).

 

Co-staining of MTCO1 and 

240 

KI67 in a representative biopsy from an active EoE patient and a non-EoE control subject 

241 

further suggested that increased mitochondria are not restricted to proliferative basal cells 

242 

(

Fig. 1C

). We then continued to assess the relationship between MTCO1 staining and 

243 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

EoE clinical indices, finding weak positive correlations between MTCO1 score and either 

244 

BCH score (R

2

=0.3947; 

P

<.0001) or eosinophil count (R

2

=0.1792, 

P

=.0027) (

Fig. 2A, B

245 

across our patient cohort.

 

Within our active EoE patient cohort, we compared MTCO1 

246 

score in patients with history of stricture or food impaction to those without and found no 

247 

significant difference in mean MTCO1 score (

Fig. 2C, D

).  

248 

 

We  next  assessed  mitochondria  in  esophageal  mucosa  of  mice  with  EoE-like 

249 

inflammation  induced  by  MC903/OVA,  a  food  allergen-mediated  model  that 

250 

exhibits features consistent  with EoE pathophysiology  as  found  in  humans,  including 

251 

eosinophil-rich inflammatory infiltrates in esophageal mucosa

35, 36

 

(

Fig 3A

).  Mice treated 

252 

with MC903 only, which develop robust atopic dermatitis but fail to exhibit esophageal 

253 

inflammation, served as controls. An increase in the ratio of mtDNA relative to nuclear 

254 

DNA  was  detected  in  peeled  esophageal  epithelial  sheets  of  mice  with  EoE-like 

255 

inflammation (

Fig. 3B

). A 1.72-fold increase in MTCO1 stain was also found in epithelium 

256 

of  mice  with  EoE-like  inflammation;  however,  this  increase  did  not  meet  statistical 

257 

significance  (

P

=.0648)  (

Fig.  3C,  D

).  In  our  murine  cohorts  with  and  without  EoE-like 

258 

inflammation,  we  observed  weak  positive  correlations  between  MTCO1  score  and 

259 

eosinophil  count  (R

2

=0.0719; 

P

=.3154)  or  LP  thickness  (R

2

=0.0908; 

P

=.2950)  (

Figure 

260 

3E, F

).  

261 

 

 

262 

IL-13 increases mitochondrial mass in esophageal keratinocytes 

263 

 

As  immunostaining  revealed  increased  MTCO1  staining  in  epithelium  of  EoE 

264 

patients  and  mice  with  EoE-like  inflammation,  we  investigated  the  impact  of  EoE-

265 

associated  inflammatory  cues  on  mitochondria  in  esophageal  epithelial  cells.  The 

266 

immortalized normal esophageal cell line EPC2-hTERT was stimulated with IL-4, IL-5, IL-

267 

13,  IL-1

,  or  TNF

,  for  7  days. We  utilized  DNA  qPCR  to  evaluate  levels  of  the 

268 

mitochondria-encoded genes 

MTCO1

 and 

ND6 

(encodes mitochondrial protein NADH-

269 

ubiquinone  oxidoreductase  subunit  6)

 

as  well  as  the  nuclear-encoded  gene 

COXIV

 

270 

(encodes the mitochondrial protein cytochrome c oxidase 4). Significant increases in both 

271 

MTCO1

 and 

ND6 

DNA level were uniquely detected in EPC2-hTERT cells treated with 

272 

IL-13 (

Fig. 4A

). Although IL-4 increased levels of 

MTCO1

 and 

ND6

 DNA in EPC2-hTERT 

273 

cells across 6 independent experiments, this increase was not as robust as that induced 

274 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

by IL-13 and did not meet statistical significance (

MTCO1

 

P

=.0632; 

ND6

 

P

=.4959). EoE-

275 

relevant cytokines failed to significantly influence nuclear-encoded gene 

COXIV, 

which is 

276 

to be expected as EoE has not been shown to promote genomic instability

37-39

. IL-13-

277 

mediated increase in mtDNA level was recapitulated in primary esophageal cell cultures 

278 

derived  from  either  a  non-EoE  control  subject  or  an  active  EoE  patient  (

Fig.  4B,  C

). 

279 

Notably, while IL-4 failed to impact mtDNA levels in non-EoE primary cells, a significant 

280 

increase in 

MTCO1 

and

 ND6 

DNA level was found in EoE primary cells (

Fig. 4B, C

). In 

281 

EPC2-hTERT cells, co-stimulation with IL-13 and IL-4 for 7 days increased mtDNA levels 

282 

to a level that was similar to that observed with IL-4 stimulation (

Fig. 4D

).  

283 

As  elevated  mtDNA  level  may  result  from  an  increase  in  mitochondria  or  an 

284 

increase  in  the  mtDNA  copy  number  within  each  mitochondrion,  we  assessed 

285 

mitochondrial  mass  in  IL-13-treated  esophageal  epithelial  cells.  An  increase  in 

286 

mitochondrial  mass  was  apparent  using  immunostaining  for  mitochondrial  outer 

287 

membrane protein TOM20 (

Fig. 5A, B

) or the mitochondrial dye MitoTracker Green (

Fig. 

288 

5C, D

).  

289 

 

290 

Expression  of  mediators  of  mitochondrial  dynamics  in  IL-13-treated  esophageal 

291 

keratinocytes and EoE patient biopsies 

292 

Increase  in  mitochondrial  mass  may  be  reflective  of  enhanced  biogenesis, 

293 

alterations  in  fission/fusion  dynamics,  or  impaired  mitochondrial  turnover,  the  latter  of 

294 

which primarily occurs via mitophagy

40

. To determine how IL-13 treatment may influence 

295 

these  facets  of  mitochondrial  dynamics,  we  next  surveyed  expression  of  key  genes 

296 

involved in the regulation of each of these facets of mitochondrial biology. IL-13 induced 

297 

expression of 

TFAM

, a critical mediator of biogenesis

41

, in EPC2-hTERT cells following 

298 

1,  3,  and  7  days  of  treatment  (

Fig.  6A

).  No  significant  changes  were  detected  in  the 

299 

expression  of 

MFN1

  or 

MFN2

,  encoding  for  mitofusion1  and  mitofusion2,  critical 

300 

mediators of mitochondrial fusion, or in 

DRP1, 

encoding for dynamin-related protein-1, 

301 

critical mediator of mitochondrial fission (

Fig. 6B-D

). A significant increase in expression 

302 

of 

PINK1

  and 

PARK2

,  encoding  PTEN-induced  kinase-1  and  Parkin,  mediators  of 

303 

mitophagy, was detected in EPC2-hTERT cells following 5 days of treatment with IL-13 

304 

(

Fig. 6E, F

). We then assessed expression of these mediators of mitochondrial dynamics 

305 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

at the protein level in EPC2-hTERT cells treated with IL-13 for 7 days in which increased 

306 

TOM20 expression was apparent (

Fig. 6G, H

). These experiments revealed increased 

307 

levels of TFAM, MFN1, MFN2 and PINK1 (

Fig. 6G, H

). Neither expression of DRP1 nor 

308 

its phosphorylation at Serine residue 616, a site that triggers the translocation of p-DRP1 

309 

from the cytosol to the mitochondria where it stimulates fission

42

, was impacted by IL-13 

310 

(

Fig. 6G, H

). Notably, in EPC2-hTERT cells we were unable to detect expression of Parkin 

311 

protein in the presence or absence of IL-13. We further assessed expression of mediators 

312 

of mitochondrial dynamics in transcriptomic data from patients with active EoE and non-

313 

EoE controls

43

TFAM, MFN1, and MFN2

 were increased in active EoE patients compared 

314 

to  normal controls while 

PINK1 

and 

PARK2 

expression

 

was decreased in  this dataset 

315 

(

Fig. 6I

) in which 

DRP1

 was not detected.  

316 

 

317 

Effects of IL-13 on mitochondrial functions in esophageal keratinocytes 

318 

  

We  next  aimed  to  determine  the  impact  of  IL-13  on  mitochondrial  functions  in 

319 

esophageal  epithelial  cells.  Seahorse  respirometry  revealed  a  decrease  in  oxygen 

320 

consumption rate (OCR) of IL-13-treated EPC2-hTERT cells, with suppression of basal, 

321 

ATP-linked, and maximal respiration (

Fig. 7A-D

). To gain insight into glycolytic activity, 

322 

extracellular  acidification  rate  (ECAR)  was  assessed  alongside  OCR  measurements. 

323 

Although diminished mitochondrial respiration may result in a compensatory increase in 

324 

glycolysis, we did not detect any change in either ECAR or lactate levels in IL-13-treated 

325 

EPC2-hTERT  cells  (

Fig.  7E,  F

).  Diminished  overall  energy  level  in  IL-13-treated 

326 

esophageal  keratinocytes  was  further  supported  as  EPC2-hTERT  cells  and  primary 

327 

esophageal epithelial cultures (both non-EoE and EoE) displayed decreased basal ATP 

328 

levels following 7 days of IL-13 stimulation (

Fig. 7G-I

).  

329 

To  determine  if  decreased  mitochondrial  respiration  is  associated  with 

330 

mitochondrial  membrane  depolarization,  we  assessed  MitoTracker  Red  (membrane 

331 

potential sensitive dye) and MitoTracker Red Green (membrane potential insensitive dye) 

332 

staining in IL-13 treated EPC2-hTERT cells. In these experiments, we found no evidence 

333 

of altered mitochondrial depolarization in IL-13-treated cells (

Fig. 8A, B

)

As mitochondria 

334 

are key regulators of apoptosis

44

, we assessed cell death via Annexin-V/PI flow cytometry 

335 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

(

Fig.  8C,  D

);  however,  no  significant  apoptosis  was  observed  in  IL-13-treated  EPC2-

336 

hTERT cells. 

337 

 

338 

Evidence of extracellular mtDNA and activation of mtDNA-associated inflammatory 

339 

signaling in IL-13-treated esophageal keratinocytes   

340 

As IL-13 induced accumulation of mitochondria within esophageal keratinocytes, 

341 

we  next  aimed  to  determine  if  this  cytokine  may  also  influence  mtDNA  accumulation 

342 

outside  of  esophageal  keratinocytes. To  do  so,  we  performed  DNA  qPCR  for  mtDNA-

343 

encoded genes 

ND1 (

encodes mitochondrial protein NADH-ubiquinone oxidoreductase 

344 

subunit 1) and 

ND6

 in culture media of IL-13-treated esophageal cells. Increased copy 

345 

number of 

ND1

 and 

ND6 

was detected in cell-free media from EPC2-hTERT cells as well 

346 

as primary esophageal keratinocytes (both non-EoE and EoE) following 7 days of IL-13 

347 

treatment  (

Fig.  9A-D

).  Notably, 

COXIV, 

a  nuclear-encoded  gene,  was  not  detected  in 

348 

culture  media  of  EPC2-hTERT  cells.  To  assess  mtDNA-associated  inflammatory 

349 

signaling, we evaluated expression of mediators of the TLR9 and cGAS/STING pathways. 

350 

In  IL-13-treated  EPC2-hTERT  cells,  we  found  marked  increases  in  levels  of  cleaved 

351 

TLR9,  indicating  the  active  form  of  the  protein  that  can  recruit  MyD88  and  activate 

352 

downstream signaling

45

, and cGAS (

Fig. 10A, B

). Increased expression of STING as well 

353 

as STING phosphorylation at serine 366, indicating cGAS/STING pathway activation

46

354 

were  also increased with  IL-13 treatment; however,  these increases were  modest  and 

355 

failed to reach the level of statistical significance among 3 independent experiments (

Fig. 

356 

10A, B

).  To assess TLR9- and cGAS/STING pathways in EoE patients, we mined publicly 

357 

available transcriptomic data

43

, finding that key genes within the TLR9 and cGAS-STING 

358 

pathways  (

MYD88,  TRAF6,  TRAF3,

 

MB21D1

  [cGAS], 

TMEM173

  [STING], 

TBK1, 

and 

359 

IRF3

)

 

are upregulated in active EoE patients compared to non-EoE subjects (

Fig. 10C

).  

360 

 

361 

Evidence of increased circulating mtDNA in serum of active EoE patients 

362 

We continued to examine circulating mtDNA as a biomarker for EoE using DNA 

363 

qPCR to measure the absolute copy number of mitochondrially-encoded genes 

ND1

 and 

364 

ND6 

in  serum  from  active  EoE  patients  or  non-EoE  control  subjects  (

Table  2

).  We 

365 

identified  increased  average  copy  number  of 

ND1 

and 

ND6 

in  serum  of  active  EoE 

366 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

patients  compared  to  non-EoE  controls  (

Fig.  11A,  B

).  We  further  evaluated  the 

367 

relationship between circulating mtDNA copy number and esophageal stricture or food 

368 

impaction. There was a trend toward decreased copy number of either 

ND1

 or 

ND6

 in 

369 

subjects with history of stricture; however, the data failed to reach statistical significance 

370 

(

Fig. 11C, D

). Serum 

ND1 

level was comparable in EoE patients regardless of history of 

371 

impaction while there was a trend toward increased serum 

ND6

 levels in those with history 

372 

of impaction (

Fig. 11E, F

).  

373 

 

374 

Role  of  JAK/STAT  signaling  in  IL-13-mediated  increase  in  esophageal  epithelial 

375 

mitochondria 

376 

IL-13-mediated  activation  of  JAK/STAT  signaling  has  been  linked  to  EoE 

377 

pathogenesis,  including  by  promoting  STAT6-mediated  eosinophilic  infiltration  and 

378 

epithelial remodeling mediated by both STAT6 and STAT3

41, 66, 179-181

. As such, we finally 

379 

sought  to  explore  the  functional  contribution  of  this  signaling  axis  to  IL-13-mediated 

380 

increases  in  mtDNA  levels  in  esophageal  epithelial  cells  and  their  culture  media. 

381 

Pharmacological  inhibition  of  JAK  signaling  was  achieved  using  ruxolitinib,  which 

382 

effectively diminished STAT6 phosphorylation at Tyrosine residue 641, which is required 

383 

for  STAT6  nuclear  translocation

48

  (

Fig.  12A,  B

).  With  regard  to  STAT3,  ruxolitinib 

384 

suppressed STAT3 phosphorylation at Tyrosine residue 705, which is required for nuclear 

385 

translocation

49

, but had no effect on phosphorylation at residue Serine 727 (

Fig. 12A, C, 

386 

D

), which targets STAT3 to mitochondria

50

. Ruxolitinib further abrogated IL-13-mediated 

387 

increase in mtDNA levels in EPC2-hTERT cells (

Fig. 12E

) and also in their culture media 

388 

(

Fig. 12F, G

).  

389 

To  explore  the  individual  contributions  of  STAT3  and  STAT6  to  IL-13-mediated 

390 

increase in mtDNA in esophageal epithelial cells, we generated EPC2-hTERT cells with 

391 

doxycycline (DOX)-inducible expression of shRNA targeting either STAT6 or STAT3. After 

392 

validating respective depletion of STAT3 or STAT6 (

Fig. 13A, B

), we assessed expression 

393 

of TOM20 fluorescence in IL-13-treated cells. Cells transfected with a non-targeting (NS) 

394 

shRNA exhibited increased TOM20 level and this effect was not significantly affected by 

395 

individual  depletion  of  either  STAT6  or  STAT3  (

Fig.  13C,  D

).  STAT6  depletion  did, 

396 

however, result in an increase in TOM20 level in the absence of IL-13 (

Figure 13C, D

). 

397 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Discussion 

398 

Mitochondria  have  been  implicated  in  various  immune-mediated  inflammatory 

399 

pathologies, including asthma and eczema

51, 52

; however, our understanding of the role 

400 

of this organelle in EoE is only beginning to emerge. Our initial studies revealed increased 

401 

expression  of  mitochondrial  protein  MTCO1  in  esophageal  epithelium  of  active  EoE 

402 

patients. Sherrill et al. demonstrated increased expression of 

DHTKD1

, which contributes 

403 

to mitochondrial ATP production and lysine metabolism, in active EoE patients at the level 

404 

of gene expression and also show a representative IHC image for DHTKD1 that suggests 

405 

increased  expression  as  compared  to  a  representative  image  from  a  non-EoE  control 

406 

subject

22

.  Ryan  et  al.  showed  increased  expression  of  markers  of  OXPHOS  at  the 

407 

transcriptional  level  in  EoE  patients  along  with  a  representative  image  suggesting 

408 

increased level of mitochondrial complex V (ATP synthase) in EoE

25

. Additionally, in our 

409 

recent  collaborative  publication,  an  increase  in  mitochondrial  gene  expression  was 

410 

demonstrated in esophageal epithelial basal and intermediate cell populations defined by 

411 

single cell RNA-sequencing in active EoE patients

26

. While these data collectively suggest 

412 

increased  mitochondria  in  esophageal  biopsies  of  EoE  patients,  the  current  study 

413 

provides  the  first  systematic  analysis  of  the  expression  of  a  mitochondrial  protein 

414 

(MTCO1) in esophageal epithelium of EoE patients.  

415 

In  a  complementary  analysis  in  mice  with  EoE-like  inflammation,  we  identify 

416 

increased MTCO1; however, these data failed to meet statistical significance. Variability 

417 

in MTCO1 expression was apparent particularly in MC903/OVA-treated mice, potentially 

418 

as a result of the heterogeneity with regard to extent of inflammation and remodeling in 

419 

the  epithelial  and  stromal  compartments  between  animals.  In  both  humans  and  mice, 

420 

MTCO1  correlated  positively,  albeit  weak,  with  eosinophil  count.  MTCO1  was  also 

421 

positively associated with BCH in humans and LP thickness in mice. These data suggest 

422 

that  increased  mitochondria  is  associated  with  increased  inflammation  and  tissue 

423 

remodeling in EoE. To determine if MTCO1 score is associated with disease severity, we 

424 

assessed its expression in relation to history of food impaction or stricture, among the 

425 

most severe consequences of EoE, in EoE patients; however, these variables failed to 

426 

correlate. While it is possible that mitochondrial accumulation in esophageal epithelium is 

427 

more  closely  related  to  inflammation  and  reactive  epithelial  responses  as  opposed  to 

428 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

tissue remodeling in the subepithelial space  and fibrostenosis, longitudinal studies are 

429 

necessary to directly assess these relationships. 

430 

Limitations  of  our  assessment  of  MTCO1  expression  in  esophageal  mucosa  of 

431 

mice  and  humans  include  a  singular  focus  on  esophageal  epithelial  cells.  Indeed,  our 

432 

finding that mtDNA level is increased in peeled esophageal epithelial sheets from mice 

433 

with  EoE-like  inflammation  must  be  interpreted  in  the  context  of  potential  presence  of 

434 

infiltrating  immune  cells  and  residual  stromal  cells. Although  not  a  potential  cell  type 

435 

present  in  peeled  murine  epithelium  or  human  biopsies,  muscle  cells  are  rich  in 

436 

mitochondria  and  contribute  to  EoE  pathobiology

53

,  including  through  direct  effects 

437 

mediated  by  IL-4R

54

,  warranting  investigation  of  the  impact  of  EoE  inflammation  on 

438 

mitochondria in the esophageal muscle compartment. Additionally, while we provide data 

439 

to suggest that increased MTCO1 level in esophageal epithelium of EoE patients is not 

440 

merely a result of increased proliferation, these data are limited to single representative 

441 

non-EoE- and active EoE-derived esophageal biopsies. Our results seem to indicate that 

442 

mitochondrial  mass  may  be  decreased  in  proliferating  esophageal  epithelial  cells; 

443 

however, rigorous evaluation in a larger patient cohort is necessary to formally assess 

444 

this relationship.  

445 

Although  our  recent  collaborative  work  identified  IL-13-mediated  mitochondrial 

446 

function  as  mediator  of  EoE-associated  BCH,  the  broader  impact  of  EoE-relevant 

447 

inflammatory  cues  on  mitochondrial  biology  as  well  as  the  mechanisms  driving  these 

448 

effects  represent  key  knowledge  gaps  that  we  aimed  to  address  in  the  current  study. 

449 

Among a panel of EoE-associated cytokines tested, IL-13 exerted the most robust effect 

450 

on mitochondrial mass in both immortalized and primary esophageal keratinocytes. IL-4 

451 

treatment  also  increased  mtDNA  level  in  immortalized  keratinocytes  and  primary  EoE 

452 

cells  but  had  no  apparent  effect  on  primary  non-EoE  cells. Additionally,  IL-4-mediated 

453 

increase in mtDNA level reached the level of statistical significance only in primary EoE 

454 

cells. While it is tempting to speculate that exposure to the 

in vivo

 EoE inflammatory milieu 

455 

may prime cells for future response to IL-4, in line with the concept that EoE remission 

456 

patients  are  poised  to  relapse

55

,  assessment  of  IL-4  mediated  effects  on  mtDNA  in 

457 

multiple EoE-derived cell lines is required to test this. Similarly, although the primary non-

458 

EoE culture used in the current study failed to show a response to IL-4 in terms of mtDNA, 

459 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

it remains unclear if these findings would be recapitulated in a panel of non-EoE cultures. 

460 

In the context of these limitations, our findings suggest that while both IL-4 and IL-13 have 

461 

the capacity to increase mtDNA level in esophageal keratinocytes, IL-13 induces a more 

462 

robust response in both primary and immortalized esophageal keratinocytes. It will also 

463 

be interesting to determine how these cytokines contribute to increases in mitochondrial 

464 

mass in the context of the complex EoE inflammatory milieu using murine EoE models 

465 

with pharmacologic or genetic inhibition strategies to target IL-4 and IL-13 

in vivo

.  

466 

The  current  study  further  suggests  that  IL-13  influences  multiple  aspects  of 

467 

mitochondrial biology. We find that IL-13 promotes increased expression of mediators of 

468 

mitochondrial biogenesis (TFAM), fusion (MFN1, MFN2), and turnover (PINK1, 

PARK2

469 

while not influencing expression or activating phosphorylation of fission-mediator DRP1. 

470 

Increased  expression  of  mitochondrial  transcription  factor TFAM  is  consistent  with  our 

471 

finding  of  increased  mtDNA  both  within  and  outside  of  esophageal  keratinocytes. 

472 

Confocal  analysis  further  demonstrated  expansion  of  the  perinuclear  mitochondrial 

473 

network, consistent with activation of mitochondrial fusion, which facilitates mitochondrial 

474 

homeostasis  under  conditions  of  energy  depletion  and  stress

40,  56

.  Thus,  enhanced 

475 

mitochondrial fusion in response to IL-13 is consistent with our finding of diminished ATP 

476 

level  as  well  as  limited  respiration  and  glycolysis  in  IL-13-treated  esophageal 

477 

keratinocytes.  It  is  important  to  note  that  our  recent  collaborative  work  demonstrates 

478 

diminished mitochondrial respiration and mitochondrial mass with IL-13 stimulation for 96 

479 

hours

26

. It is possible that timing contributes to the discrepancy between these two studies 

480 

with  increased  mitochondrial  mass  and  fusion  occurring  as  a  compensatory  response 

481 

aiming to restore energetic balance in esophageal keratinocytes. It is further possible that 

482 

mitochondrial  metabolism  is  restored  with  long-term  IL-13  treatment,  promoting  an 

483 

OXPHOS metabolic phenotype in EoE as identified by Ryan et al.

25

. We also observed 

484 

increased expression of 

PARK2

 and PINK1 in esophageal keratinocytes responding to 

485 

IL-13,  which  may  indicate  activation  of  mitophagy,  potentially  to  prune  unhealthy 

486 

mitochondria. While our own previous work showed that IL-13 promotes autophagy as a 

487 

cytoprotective response in esophageal keratinocytes, autophagy flux was documented at 

488 

72  hours  of  IL-13  treatment  and  mitophagy  was  not  assessed

35

.  Additionally,  while 

489 

expression of 

TFAM

MFN1

, and 

MFN2

 expression is increased in EoE patient biopsies, 

490 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

expression of both 

PARK2

 and 

PINK 1

 is decreased. Thus, further studies are required 

491 

to assess mitophagy in the context of both IL-13-mediated alterations in mitochondrial 

492 

mass and EoE pathobiology.  

493 

The current study provides the first evidence that IL-13 stimulation of esophageal 

494 

keratinocytes  promotes  accumulation  of  extracellular  mtDNA.  Consistent  with  our 

495 

findings, mtDNA has been shown to be released from cells independent of mitochondrial 

496 

damage through mechanisms that include antibacterial defense

57

, necroptosis

58

, MPTP 

497 

opening

59

,  platelet  activation

60

,  cellular  senescence

61

,  and  neurological  inflammatory 

498 

responses

62

.  While  it’s  well  established  that  cells  typically  dispose  of  dysfunctional 

499 

mitochondria to maintain cellular homeostasis, the release of mitochondria/mitochondrial 

500 

components  from  cells  is  also  important  for  communication  between  cells,  affecting 

501 

cellular  phenotype

34

  and  functioning  as  a  potent  DAMP  to  activate  inflammatory 

502 

signaling

31

. In the current study, IL-13-treated epithelial cells exhibited robust increases 

503 

in expression of both cleaved TLR9 as well cGAS with more modest increases in STING 

504 

expression  and  activating  phosphorylation  that  fail  to  meet  significance.  While  it  is 

505 

possible that cGAS/STING pathway is primed without sustained downstream activation, 

506 

time  course  experiments  are  necessary  to  interrogate  how  IL-13  influences  mtDNA-

507 

responsive  pathways.  Indeed,  such  studies  are  of  high  interest  as  transcriptomic  data 

508 

demonstrates  upregulation  of  key  players  in TLR9  and  cGAS/STING  signaling  in  EoE 

509 

patients.  Our  collaborative  work  has  linked  decreased  mitochondrial  mass  to  IL-13-

510 

associated  BCH

26

  whereas  the  current  study  demonstrates  that  IL-13  increases 

511 

mitochondrial  mass  and  accumulation  of  extracellular  mtDNA  as  well  as  activation  of 

512 

DNA-sensing inflammatory pathways. As such, it will be of further interest to dissect the 

513 

dynamic  interplay  between  IL-13  and  mitochondria  in  relation  to  EoE  pathobiology  to 

514 

determine whether there are distinct roles for decreased mitochondria in mediating BCH 

515 

and increased mitochondria in mediating inflammatory signaling or instead whether any 

516 

significant change in mitochondrial mass in esophageal keratinocytes acts as a signal to 

517 

drive both pathogenic features of EoE.  

518 

Extending our findings on extracellular mtDNA to human subjects, we demonstrate 

519 

for the first time that circulating mtDNA is increased in the serum of active EoE patients. 

520 

It must be acknowledged, however, that there was a significant degree of overlap in terms 

521 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

of copy numbers of both genes in EoE subjects and controls, limiting the potential value 

522 

of circulating mtDNA as a diagnostic biomarker. However, it is possible that circulating 

523 

mtDNA  may  have  utility  as  a  biomarker  for  a  specific  subset  of  EoE  patients  (e.g.,  a 

524 

phenotypic biomarker) or may serve as a biomarker for therapeutic response, perhaps in 

525 

the  context  of  dupilumab.  We  further  assessed  the  relationship  between  mtDNA  and 

526 

history of stricture or food impaction in EoE patients, observing trends toward a negative 

527 

association with stricture. As a progressive shift from inflammatory to fibrostenotic EoE 

528 

has  been  proposed

63

,  it  is  possible  that  declining  mtDNA  is  indicative  of  diminished 

529 

inflammatory  signaling.  As  such,  longitudinal  studies  to  assess  mtDNA  levels  in  the 

530 

context  of  EoE  progression  to  fibrostenosis  are  of  high  interest.  There  are  several 

531 

limitations to this analysis, including its cross-sectional design with a limited number of 

532 

patients  with  history  of  stricture  and  also  failure  to  account  for  atopy  status  in  control 

533 

patients, the latter of which is important as circulating mtDNA has been demonstrated in 

534 

patients with atopic dermatitis

64

. Future studies should also evaluate mtDNA in relation to 

535 

established  clinical  indices,  including    Endoscopic  Reference  Score  (EREFS)

65,  66

536 

Histology  Scoring  System  (HSS)

67

,

  Index  of  Severity  for  Eosinophilic  Esophagitis  (I-

537 

SEE)

68

  and  Pediatric  Eosinophilic  Esophagitis  Symptom  Scores  (PEES)

69

.  Given  the 

538 

costs and risks associated with general anesthesia, prospective, longitudinal studies with 

539 

well-characterized comparison groups are needed to determine the utility of circulating 

540 

mtDNA as a noninvasive biomarker.  

541 

Finally, our findings demonstrate that JAK/STAT signaling is necessary for mtDNA 

542 

accumulation  within  and  outside  of  esophageal  keratinocytes.  As  STAT3  localizes  to 

543 

mitochondria following Serine727 phosphorylation

50

, we speculated mitochondrial STAT3 

544 

may  contribute  to  IL-13-mediated  increases  in  mtDNA.  However,  while  JAK  inhibition 

545 

abrogated IL-13-mediated increases in both intracellular and extracellular mtDNA, it had 

546 

no  appreciable  impact  on  STAT3  Serine727  phosphorylation,  suggesting  that 

547 

mitochondrial STAT3 may not contribute to IL-13-induced mtDNA accumulation. STAT6 

548 

has  also  been  shown  to  translocate  to  mitochondria  where  it  regulates  mitochondrial 

549 

function and fusion in non-epithelial cells

70

. As such, future studies will assess the effect 

550 

of IL-13 on subcellular localization of STAT6. We further found that genetic depletion of 

551 

either  STAT3  or  STAT6  alone  was  insufficient  to  suppress  IL-13-mediated  increase  in 

552 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

mitochondria, suggesting that they may act in a redundant fashion to induce this effect in 

553 

esophageal keratinocytes. As STAT1 localizes to mitochondria and has been implicated 

554 

in EoE

71-73

, it is further possible that STAT1 or other members of the STAT family may 

555 

contribute to mitochondrial alterations in EoE.  

556 

As we failed to observe any significant effect of IL-13 on mtDNA levels prior to 7 

557 

days  of  stimulation,  it  is  unlikely  that  JAK/STAT  signaling  mediates  its  effects  on 

558 

mitochondria  through  an  immediate  transcriptional  response.  Among  the  panel  of 

559 

mediators of mitochondrial dynamics that we assessed at the level of RNA only 

TFAM

 

560 

showed a response at early time points. To the best of our knowledge, STAT-mediated 

561 

transcriptional regulation of TFAM has not been reported. STAT3 has been implicated in 

562 

mitochondrial  gene  regulation  and  interactions  with  TFAM

74,  75

.  STAT3-mediated 

563 

transcriptional induction of 

Mfn2

 downstream of protein kinase Cε has been demonstrated 

564 

to  protect  against  DOX-induced  cytotoxicity  in  rats

76

.  Indirect  regulation  of 

MFN2

  by 

565 

STAT3  has  also  been  demonstrated  following  STAT3-mediated  transcriptional 

566 

upregulation  of 

BCL6 

(encoding  B-cell  lymphoma  6)

77

.  In  this  case  BCL6  acted  as  a 

567 

negative regulator of 

MFN2

 transcription to promote senescence in endothelial cells

77

.  

568 

Mitochondrial  STAT6  has  also  been  shown  to  inhibit  mitochondrial  fusion  by  blocking 

569 

MFN2 dimerization

78

. In addition to its effects on mediators of mitochondrial dynamics, 

570 

mitochondrial STAT3 has been shown to inhibit mitochondria respiration

79

, limiting ROS 

571 

production and oxidative damage during cardiac ischemia

80

. We also found an increase 

572 

in mtDNA with STAT6 depletion in EPC2-hTERT cells in the absence of IL-13, suggesting 

573 

STAT6 as a negative regulator in this context. These findings underscore the complexity 

574 

of STAT-mediated regulation of mitochondrial biology and the need for further mechanistic 

575 

studies to define the precise molecular mechanisms through which IL-13-mediated STAT 

576 

signaling promotes mitochondrial accumulation in esophageal keratinocytes. 

577 

Mitochondria have been linked to EoE-associated esophageal epithelial defects in 

578 

terms  of  impaired  epithelial  differentiation

25

  and  BCH

26

. The  current  study  adds  to  our 

579 

understanding of mitochondria in EoE, linking IL-13 to increased mitochondria both inside 

580 

and  outside  of  esophageal  epithelial  cells,  the  latter  of  which  unveils  a  novel  IL-13-

581 

mitochondria-immune  axis  with  relevance  to  pathobiology  and  biomarker  discovery  in 

582 

EoE. Although the body of literature related to mitochondria in EoE is presently limited 

583 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

and  there  are  areas  of  discrepancy  that  must  be  reconciled,  this  emerging  area  of 

584 

investigation highlights the potential translational and clinical relevance of mitochondria 

585 

in EoE. 

586 

 

587 

Methods 

588 

Human Subjects 

589 

Biological specimens were obtained from patients via Children’s Hospital of Philadelphia 

590 

(CHOP),  Hospital  at  the  University  of  Pennsylvania  (HUP),  or  at  Temple  University 

591 

Hospital  (TUH).  Human  subjects  underwent  endoscopic  biopsy  collection  via 

592 

esophagogastroduodenoscopy  (EGD)  during  routine  clinical  care  under  protocols 

593 

approved  by  the  Institutional  Review  Board  at  HUP  or  TUH  (HUP  Protocol  Number: 

594 

813841; TUH Protocol Number: 29721). At the time of diagnostic EGD, pinch biopsies 

595 

were  obtained  for  clinical  evaluation.  For  circulating  mtDNA  studies,  blood  was  drawn 

596 

from  each  subject  at  the  time  of  diagnostic  EGD  under  protocols  approved  by  the 

597 

Institutional Review Board at CHOP and HUP (CHOP Protocol Number: 10-007737; HUP 

598 

Protocol  Number:  813841).  Serum  was  isolated  from  whole  blood  using  standard 

599 

techniques.  Written  informed  consent  was  obtained  from  each  subject  or  their  legal 

600 

guardian  (where  appropriate).  Patients  who  met  clinical  criteria  for  EoE

81

,  with  ≥15 

601 

mucosal  eosinophils  per  high  power  field  (eos/HPF),  were  classified  as  active  EoE. 

602 

Inactive  EoE  patients  had  a  history  of  active  EoE,  and  clinical  examination  showed 

603 

resolution of esophageal eosinophilia (<15 eos/HPF) at the time of follow-up EGD. Non-

604 

EoE  subjects  included  those  reporting  symptoms  warranting  EGD,  but  those  who 

605 

demonstrated no endoscopic or histological  abnormalities in the upper  gastrointestinal 

606 

tract. Subjects with a history of inflammatory bowel disease, celiac disease, GI bleeding, 

607 

or  any  other  acute  or  chronic  intestinal  disorders  were  excluded  from  recruitment. 

608 

Demographic and clinical information on human subjects whose esophageal biopsies or 

609 

serum were evaluated in the current study is provided in 

Table 1 

and

 Table 2, 

 

610 

 

611 

Murine Studies 

612 

All  animals  were  purchased,  bred,  and  treated  under  Temple  University  Institutional 

613 

Animal Care and Use Committee-approved protocols (Protocol Number: 5018). EoE was 

614 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

induced in wild type C57/B6 mice using the MC903/Ovalbumin (OVA) protocol

35, 36

 with 

615 

the  following  modifications:  sensitization  period  during  which  MC903  (2  nmol;  Tocris 

616 

Bioscience, Cat# 2700) and OVA (100 mg; Sigma-Aldrich, Cat# A5503-50G) are applied 

617 

to ears was shortened to from 14 days to 12 days; no treatments were administered on 

618 

days 13 and 14; OVA in drinking water was increased from 1.5 g/mL to 15 g/mL; challenge 

619 

period was extended from 4 days to 18 days. Mice treated with MC903 only were used 

620 

as controls. We further used a cohort of mice including from our published study

82

 for 

621 

immunostaining. This cohort was treated as described above and included groups treated 

622 

with  MC903  alone  or  in  combination  with  OVA.  Following  experimental  protocols, 

623 

esophagi were harvested and processed as described below. 

624 

 

625 

Immunohistochemistry (IHC) & Histological Evaluation 

626 

Formalin-fixed paraffin-embedded tissue sections on glass slides were stained with the 

627 

hematoxylin & eosin (H&E) or the following primary antibodies as previously described

35

628 

A pathologist blinded to clinical parameters (AKS) scored MTCO1 cytoplasmic staining 

629 

on a scale from 0 (negative) to 3, taking into account stain intensity and distribution. A list 

630 

of antibodies with used dilutions is provided in 

Table 3

631 

 

632 

Immunofluorescence 

633 

Paraffin-embedded tissue sections were deparaffinized. Antigen retrieval was achieved 

634 

by heating sections in 10mM Citric Acid Buffer (pH 6.0). Sections were washed with PBS, 

635 

and  blocked  with  StartingBlock  20  blocking  buffer  (37539,  Thermo  Scientific)  for  10 

636 

minutes. Sections were then incubated overnight at 4°C with primary antibody and for 1 

637 

hour  with  secondary  at  room  temperature.  A  list  of  antibodies  with  used  dilutions  is 

638 

provided in 

Table 3

. Sections were mounted with Antifade Mounting Medium with DAPI 

639 

(VectaShield, Cat # H-1200-10). Images were captured with a LEICA SP8 Lacer Scanning 

640 

Microscope and analyzed using LAS X Life Science Microscope Software. 

641 

 

642 

Cell Culture  

643 

The immortalized normal esophageal keratinocyte cell line EPC2-hTERT was provided 

644 

as a generous gift from Drs. Anil Rustgi and Hiroshi Nakagawa (Columbia University). 

645 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Primary  cell  cultures  generated  from  esophageal  biopsies  from  a  non-EoE-  human 

646 

subject  (EPC203)  and  an  active  EoE  patient  (EPC128)  were  obtained  through  CHOP 

647 

Gastrointestinal Epithelium Remodeling Program. All cells were cultured in keratinocyte 

648 

serum  free  media  (KSFM;  Gibco,  Cat#  17005042)  supplemented  with  recombinant 

649 

epidermal  growth  factor  (1ng/mL),  bovine  pituitary  extract,  (50  mg/mL),  and 

650 

penicillin/streptomycin (1% v/v, Gibco, Cat# 15140-122), as previously described

35

. For 

651 

experiments utilizing EPC2-hTERT cells with TNFα (R&D Systems, Cat# 210-TA-005/CF; 

652 

40 ng/mL), IL-4 (R&D Systems, Cat# 204-IL-010; 10 ng/mL), IL-5 (R&D Systems, Cat# 

653 

205-IL-005; 10 ng/mL), IL-13 (R&D Systems, Cat# 213-ILB-005/CF; 10 ng/mL), or IL-



 

654 

(R&D Systems, Cat# 201-lB-005; 10 ng/mL), 30,000 cells (25,000 for primary cells) were 

655 

plated in 6-well plates, or 100,000 cells were plated on 10-cm plates, 24 hours prior to 

656 

stimulation with cytokines. Media was changed every 48 hours for a total of 7 days. 10 

657 

ng/ml  stocks  of  cytokines  (20  ng/ml  of  TNFα)  were  dissolved  in  0.1%  Bovine  Serum 

658 

Albumin (Fisher, Cat# BP9703-100) in 1X D-PBS (Gibco, Cat# 14190-144).  

659 

 EPC2-hTERT  cells  with  DOX-inducible  expression  of  short  hairpin  RNAs 

660 

(shRNAs)  targeting  STAT6  (Horizon  Discovery,  Cat.#  V3IHSPGG_5029170)  or  STAT3 

661 

(Horizon  Discovery,  Cat.#  V3IHSPGR_5162692)  were  generated  by  lentiviral 

662 

transduction.  Cells  expressing  a  non-targeting  (NS)  shRNA  (Horizon  Discovery,  Cat# 

663 

VSC11653) served as controls. 500,000 cells were plated in 100 mm dishes and were 

664 

treated  with  DOX  for 5  days  to  initiate  knockdown  before  being  treated  with  IL-13 (10 

665 

ng/mL)  for  7  days.  DOX  treatment  was  continuous  throughout  the  period  of  IL-13 

666 

treatment  to  maintain  knockdown.  To  suppress  the  JAK/STAT  signaling  EPC2-hTERT 

667 

cells were treated with JAK inhibitor, ruxolitinib (100 ng/mL; Invitrogen, Cat# tlrl-rux-3) .  

668 

Ruxolitinib was refreshed every 48 hours throughout the 7-day period of IL-13 (10 ng/mL) 

669 

stimulation. 

670 

 

671 

Quantitative Polymerase Chain Reaction (qPCR) 

672 

For mitochondrial DNA (mtDNA) assays

83

, DNA isolation was performed on esophageal 

673 

keratinocytes or peeled murine esophageal epithelium using DNeasy Blood and Tissue 

674 

Kit (Qiagen, Cat# 69506) according to the manufacturer’s instructions. DNA concentration 

675 

was  determined  using  Qubit™  dsDNA  HS Assay  Kit  according  to  the  manufacturer’s 

676 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

instructions (Invitrogen, Cat# Q32851). qPCR was performed using PowerUp™ SYBR™ 

677 

green master mix (ThermoFisher Scientific, Cat# A25743).  

678 

To assess mtDNA levels, primers for mtDNA D-Loop (murine), 

MTCO1

 (human) 

679 

and 

ND6

 (human) were used. To assess nuclear DNA, primers for

 Ikbβ

 (murine), 

COXIV

 

680 

(human), and 

GAPDH

 (human) were used. The relative fold change between the noted 

681 

mtDNA-encoded  genes  and  nuclear  DNA-encoded  genes  (

Ikbβ 

or 

GAPDH

)  was 

682 

calculated using the delta-delta CT method. In human specimens, the relative levels of 

683 

nuclear DNA-encoded gene 

COXIV

 was used as an additional control.  

684 

mtDNA  copy  numbers  were  evaluated  in  conditioned  media  and  patient  serum 

685 

samples.  DNA  was  extracted  from  1.5  mL  serum  samples  using  QiAamp  Circulating 

686 

Nucleic Acid  Kit  (Qiagen  Cat#  55114)  according  to  the  manufacturer’s  protocol.  qPCR 

687 

was performed using Green Real-Time PCR Master Mix Kit (Life Technologies). DNA was 

688 

extracted from 1.5 mL of cell-free media collected from EPC2-hTERT cells treated with 

689 

IL-13 for 7 days using DNeasy Mini Prep Kit (Qiagen Cat# 69506). qPCR was performed 

690 

using  PowerUp™  SYBR™  green  master  mix  (ThermoFisher  Scientific,  Cat# A25743). 

691 

Primers  for 

ND6

  and 

ND1 

were  used.  Copy  number  of  each  gene  was  calculated  in 

692 

individual subjects using a standard curve generated for each gene

84

 

693 

For  reverse  transcriptase  PCR  (RT-PCR),  RNA  extraction  was  performed  with 

694 

RNeasy  Mini  Kit  (Qiagen,  Cat#  74106)  according  to  manufacturer’s  instructions.  RNA 

695 

concentration was measured using Qubit™ RNA HS Assay Kit (Invitrogen, Cat# Q32852). 

696 

Reverse  transcription  was  performed  using  the  High-Capacity  cDNA  Reverse 

697 

Transcription Kit for RT-qPCR (Thermo Fisher Scientific, Cat# 4368814). RT-qPCR was 

698 

performed using PowerUp™ SYBR™ green master mix (Thermo Fisher Scientific, Cat# 

699 

A25743).  The  relative  expression  of  each  gene  normalized  to 

β-

Actin  was  calculated 

700 

using delta delta CT method. All primer sequences are listed in 

Table 4. 

701 

 

702 

Immunocytochemistry 

703 

Esophageal keratinocytes were grown in 100 mm tissue culture plates in the presence or 

704 

absence of IL-13 (10 ng/mL) for 7 days. On the 6

th

 

day, cells were plated in 6-well plates 

705 

with  25  mm  collagen-coated  cover  slips  overnight.  In  brief,  cells  were  fixed  with  4% 

706 

Paraformaldehyde, washed with 1X PBS, then permeabilized with PBSTx (0.2% Triton-X 

707 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

in 1X PBS) for 30 minutes. Cells were then blocked with 3% BSA for 1 hour and incubated 

708 

in primary antibodies overnight at 4°C. Cells were washed in PBSTx and incubated in 

709 

secondary antibodies for 40 minutes in the dark at room temperature. After washing with 

710 

PBSTx, cells were quickly counterstained with 2 µM Hoechst (Invitrogen, Cat# 33342), 

711 

mounted with Prolong Gold Antifade Mounting media and stored at 4°C until visualization. 

712 

Images  were  captured  with  an  AMG  Evos  Fl  Color  Microscope.  Mean  integrated 

713 

intensities  of  images  after  background  subtraction  were  interpreted  as  a  quantitative 

714 

measure  of  mitochondria.  Images  were  quantified  using  ImageJ  software.  A  list  of 

715 

antibodies with used dilutions is provided in 

Table 3

.  

716 

 

717 

 

718 

Live Cell Imaging 

719 

Mitochondria  were  measured  using MitoTracker Green  dye  (Invitrogen,  Cat# 

720 

M7514).

 

Esophageal  keratinocytes were  grown  in  100  mm  tissue  culture  plates  in  the 

721 

presence or absence of IL-13 (10 ng/mL) for 7 days. On the 6

th

 

day, cells were plated on 

722 

30 mm glass bottom collagen coated plates overnight, then stained with indicated dyes 

723 

according  to  the  manufacturer’s  protocol.  In  brief,  cells  were  stained  with  KSFM 

724 

containing 200  nM  MitoTracker Green  and  counterstained  with  2  µM    Hoechst  dye 

725 

(Invitrogen, Cat# 33342), for 30 min at 37

C, 5% CO

2

. After staining, cells were washed 

726 

3X with HBSS and live cell  images were captured with a LEICA SP8 Lacer Scanning 

727 

Microscope using a 63X oil objective and analyzed using LAS X Life Science Microscope 

728 

Software.  Cells  were  maintained  at  37

C,  5%  CO

during  imaging.  Mean  integrated 

729 

intensities  of  images  after  background  subtraction  were  interpreted  as  a  quantitative 

730 

measure of mitochondria. Images were quantified using ImageJ software.  

731 

 

732 

Immunoblotting

  

733 

Whole cell lysates from esophageal keratinocyte cultures or tissue lysates from peeled 

734 

murine  esophageal  epithelium  were  subjected  to  immunoblotting  as  previously 

735 

described

35,  85

. A  list  of  antibodies  with  used  dilutions  is  provided  in 

Table  3

. Targeted 

736 

proteins were visualized using chemiluminescence detection reagents (ProSignal Femto 

737 

ECL Reagent, Cat# 20-302) and imaged on an iBright imaging system (Invitrogen).  

738 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

 

739 

Oxygen Consumption Rate (OCR) and Extracellular Acidification Rate (ECAR) Assay 

740 

Cellular  oxidative  phosphorylation  (OXPHOS)  and  glycolysis  was  monitored  using  a 

741 

Seahorse Bioscience Extracellular Flux Analyzer (XF96e, Seahorse Bioscience) by real 

742 

time  OCR  and  ECAR  measurements,  respectively,  following  the  protocol  of  XF 

743 

Cell Mito Stress  Kit  (Agilent  Technologies,  Cat#  103015-100).  In  brief, EPC2-hTERT 

744 

cells were  grown in  100  mm  tissue  culture  plates  with 10  ng/mL  IL-13 treatment  for  7 

745 

days.  On  the  6

th

 

day,  100,000  cells/well were  seeded  onto  XF96  96-well  plates  in 

746 

200 μL of growth medium and incubated overnight at 37°C, 5% CO

2.

 One hour prior to 

747 

assay,  culture  media was  replaced  by  XF assay  media  (180  μL; Agilent Technologies, 

748 

Cat#  102353-100)  and  cells  were  incubated  at  37°C  in  an  incubator,  without 

749 

CO

2

 

regulation, for 1 hour to allow pre-equilibration with the XF assay medium, which was 

750 

further  supplemented  with  25  mM  glucose  (Sigma,  Cat#  D8270)  and  1  mM  sodium 

751 

pyruvate (pH 7.4; Sigma, Cat# S8636). Cells were sequentially exposed to oligomycin 

752 

(1 μM),  carbonyl  cyanide  p-triflouromethoxyphenylhydrazone (FCCP;  3 μM),  and 

753 

Rotenone plus Antimycin A (1 μM). Basal OCR and ECAR levels were recorded, followed 

754 

by  OCR  and  ECAR  levels  after  the  injection  of  individual  compounds  that  inhibit 

755 

respiratory  mitochondrial  ETC  complexes.  Results  were  normalized  according  to  cell 

756 

protein concentration.  Sequential  addition  of  oligomycin, FCCP,  as  well as rotenone & 

757 

antimycin A, allowed an estimation of the contribution of individual parameters for basal 

758 

respiration, maximal respiration, ATP-linked respiration and glycolysis/lactate production 

759 

(ECAR).

 

760 

ATP Assay  

761 

ATP production was assessed by using the CellTiter-Glo 2.0 Kit (Promega, Cat# G9241) 

762 

according to the manufacturer’s protocol. In brief, EPC2-hTERT cells were grown in 100 

763 

mm tissue culture plates in the presence or absence of IL-13 (10 ng/mL) for 7 days. On 

764 

the 6

th

 

day, 100,000 cells/well were seeded onto 96-well solid white plates in 100 μL of 

765 

growth  medium  per  well  and  incubated  overnight  at  37  °C,  5%  CO

2

 

.  Then,  100µL 

766 

of CellTiter-Glo® 2.0 Reagent was added to 100 µl of medium containing cells, followed 

767 

by mixing for 2 minutes and incubation at room temperature for 10 minutes to stabilize 

768 

the luminescent signal. Luminescence was measured by using Promega GloMax-Multi+ 

769 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

detection  system.  Results  are  expressed  as  fold  change  of  percent  change  from 

770 

untreated controls.  

771 

 

772 

Measurement of Lactate Levels 

773 

Lactate level was measured using glycolysis assay kit (Cayman Chemical, Cat# 600450) 

774 

according to the manufacturer’s instructions. EPC2-hTERT cells were grown in 100 mm 

775 

tissue culture plates in the presence or absence of IL-13 (10 ng/mL) for 7 days. On the 

776 

6

th

 

day,  cells  were  plated  in  a  96-well  plate  overnight.  In  brief,  the  96-well  plate  was 

777 

centrifuged at 1000 RPM for 5 min and supernatant was collected. 90 µl of assay buffer 

778 

was added to a new plate and 10 µl of supernatant was transferred. 100 µl of reaction 

779 

solution was added to each well and the plate was incubated at room temperature on a 

780 

shaker for 30 min. The absorbance (490 nm) was recorded using Modulus  microplate 

781 

reader (Promega). 

782 

 

783 

Flow Cytometry

  

784 

Mitochondrial  membrane  potential  (depolarized  mitochondria)  was  determined  by 

785 

staining  EPC2-hTERT  cells  with  MitoTracker  Green  (ThermoFisher  Scientific,  Cat# 

786 

M7514)  at  a  final  concentration  of  25  nM  and  MitoTracker  Deep  Red  (ThermoFisher 

787 

Scientific, Cat# M22426) at a final concentration of 100 nM. Cells were stained with each 

788 

dye for 30 minutes at 37°C. Cells were washed with and resuspended in 1X HBSS (Gibco, 

789 

Cat# 14175095). Apoptosis was examined with FITC Annexin-V and propidium iodide (PI) 

790 

assay kit (BD Biosciences, Cat #556547). Cells were initially washed with cold phosphate-

791 

buffered saline (PBS; Gibco, Cat #14190-144), stained for 15 minutes in the dark at room 

792 

temperature,  and  resuspended  in  1X  Annexin-V  binding  buffer.  Flow  cytometry  was 

793 

performed using Symphony A5 flow cytometer (BD Biosciences), and data was analyzed 

794 

with FlowJo version 10.0.  

795 

 

796 

EGIDExpress Database 

797 

To assess the expression of mediators of mitochondrial biology and mtDNA-associated 

798 

inflammatory pathways in esophageal biopsies, we accessed the “EoE Transcriptome by 

799 

RNA 

Sequencing

43

” 

section 

on 

the 

EGIDExpress 

database 

800 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

(https://egidexpress.research.cchmc.org/data/),  a  site  containing  datasets  relating  to 

801 

Eosinophilic Gastrointestinal Diseases (EGIDs).  

802 

 

803 

Statistics

 

804 

Descriptive  statistics  are  presented  as  mean  ±  standard  error  of  the  mean  (SEM). 

805 

Student’s t-test was used for comparison of two groups. Pairwise Wilcoxon signed rank 

806 

test  or  Mann-Whitman  t-test  was  used  to  assess  differences  in  average  mtDNA  copy 

807 

number  between  non-EoE  and  active  EoE  subjects  or  disease  severity  (strictures, 

808 

impactions)  within  EoE  subjects,  respectively.  For  groups  of  three  or  more,  one-way 

809 

ANOVA followed by Tukey’s or Dunn’s post-hoc test was performed. Pearson’s correlation 

810 

tests  were  used  to  evaluate  the  linear  relationship  between  two  variables.  Data  were 

811 

analyzed  using  GraphPad  Prism  version  9.0.2  for  macOS  (GraphPad  Software,  San 

812 

Diego, California USA). 

P

 <.05 was considered statistically significant. For all data, the 

813 

following indicators of significance are used: *

P

 <.05; **

P

 <.01; ***

P

 <.001; ****

P

 <.0001. 

814 

 

815 

Acknowledgments:

 We thank the following former members of the Whelan lab for their 

816 

support: Anbin Mu, Timothy Hall, Anne-Laure Monéger, Julie Gang, and M. Faujul Kabir. 

817 

We acknowledge the staff of the following core facilities for technical assistance: Temple 

818 

University  Lewis  Katz  School  of  Medicine  Flow  Cytometry  Core,  (Director,  Amir 

819 

Yarmahoodi);  Fox  Chase  Cancer  Center  Histopathology  Core;  Children’s  Hospital  of 

820 

Philadelphia Gastrointestinal Epithelium Modeling Program Core (RRID: SCR_026402) 

821 

and the University of Pennsylvania Center for Molecular Studies in Digestive and Liver 

822 

Diseases  (NIHP30DK050306).  The  graphical  abstract  was  created  using 

823 

https://BioRender.com

.

 

824 

 

825 

 

826 

 

827 

 

828 

 

829 

 

830 

 

831 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

References

 

832 

1.

 

Muir  A,  Falk  GW.  Eosinophilic  Esophagitis:  A  Review.  JAMA.  2021;326(13):1310-8.  doi: 

833 

10.1001/jama.2021.14920. PubMed PMID: 34609446; PMCID: PMC9045493.

 

834 

2.

 

Hahn JW, Lee K, Shin JI, Cho SH, Turner S, Shin JU, Yeniova A, Koyanagi A, Jacob L, Smith L, 

835 

Fond G, Boyer L, Lee SW, Kwon R, Kim S, Shin YH, Rhee SY, Moon JS, Ko JS, Yon DK, Papadopoulos 

836 

NG. Global Incidence and Prevalence of Eosinophilic Esophagitis, 1976-2022: A Systematic Review 

837 

and Meta-analysis. Clin Gastroenterol Hepatol. 2023;21(13):3270-84.e77. Epub 20230617. doi: 

838 

10.1016/j.cgh.2023.06.005. PubMed PMID: 37331411.

 

839 

3.

 

Dellon  ES,  Liacouras  CA,  Molina-Infante  J,  Furuta  GT,  Spergel  JM,  Zevit  N,  Spechler  SJ, 

840 

Attwood SE, Straumann A, Aceves SS, Alexander JA, Atkins D, Arva NC, Blanchard C, Bonis PA, Book 

841 

WM, Capocelli KE, Chehade M, Cheng E, Collins MH, Davis CM, Dias JA, Di Lorenzo C, Dohil R, 

842 

Dupont C, Falk GW, Ferreira CT, Fox A, Gonsalves NP, Gupta SK, Katzka DA, Kinoshita Y, Menard-

843 

Katcher C, Kodroff E, Metz DC, Miehlke S, Muir AB, Mukkada VA, Murch S, Nurko S, Ohtsuka Y, 

844 

Orel R, Papadopoulou A, Peterson KA, Philpott H, Putnam PE, Richter JE, Rosen R, Rothenberg ME, 

845 

Schoepfer A, Scott MM, Shah N, Sheikh J, Souza RF, Strobel MJ, Talley NJ, Vaezi MF, Vandenplas Y, 

846 

Vieira  MC,  Walker  MM,  Wechsler  JB,  Wershil  BK,  Wen  T,  Yang  GY,  Hirano  I,  Bredenoord  AJ. 

847 

Updated International Consensus Diagnostic Criteria for Eosinophilic Esophagitis: Proceedings of 

848 

the  AGREE  Conference.  Gastroenterology.  2018;155(4):1022-33.e10.  Epub  20180906.  doi: 

849 

10.1053/j.gastro.2018.07.009. PubMed PMID: 30009819; PMCID: PMC6174113.

 

850 

4.

 

Thel HL, Anderson C, Xue AZ, Jensen ET, Dellon ES. Prevalence and Costs of Eosinophilic 

851 

Esophagitis  in  the  United  States.  Clin  Gastroenterol  Hepatol.  2024.  Epub  20241031.  doi: 

852 

10.1016/j.cgh.2024.09.031. PubMed PMID: 39486752.

 

853 

5.

 

Chehade M, Hiremath GS, Zevit N, Oliva S, Pela T, Khodzhayev A, Jacob-Nara J, Radwan A. 

854 

Disease Burden and Spectrum of Symptoms that Impact Quality of Life in Pediatric Patients with 

855 

Eosinophilic  Esophagitis.  Gastro  Hep  Adv.  2024;3(8):1054-68.  Epub  20240822.  doi: 

856 

10.1016/j.gastha.2024.08.009. PubMed PMID: 39529644; PMCID: PMC11550740.

 

857 

6.

 

Liacouras CA, Furuta GT, Hirano I, Atkins D, Attwood SE, Bonis PA, Burks AW, Chehade M, 

858 

Collins MH, Dellon ES, Dohil R, Falk GW, Gonsalves N, Gupta SK, Katzka DA, Lucendo AJ, Markowitz 

859 

JE,  Noel  RJ,  Odze  RD,  Putnam  PE,  Richter  JE,  Romero  Y,  Ruchelli  E,  Sampson  HA,  Schoepfer  A, 

860 

Shaheen  NJ,  Sicherer  SH,  Spechler  S,  Spergel  JM,  Straumann  A,  Wershil  BK,  Rothenberg  ME, 

861 

Aceves  SS.  Eosinophilic  esophagitis:  updated  consensus  recommendations  for  children  and 

862 

adults.  J  Allergy  Clin  Immunol.  2011;128(1):3-20  e6;  quiz  1-2.  Epub  2011/04/12.  doi: 

863 

10.1016/j.jaci.2011.02.040. PubMed PMID: 21477849.

 

864 

7.

 

Furuta GT, Katzka DA. Eosinophilic Esophagitis. N Engl J Med. 2015;373(17):1640-8. Epub 

865 

2015/10/22. doi: 10.1056/NEJMra1502863. PubMed PMID: 26488694; PMCID: PMC4905697.

 

866 

8.

 

Klinnert  MD.  Psychological  impact  of  eosinophilic  esophagitis  on  children  and  families. 

867 

Immunol Allergy Clin North Am. 2009;29(1):99-107, x. doi: 10.1016/j.iac.2008.09.011. PubMed 

868 

PMID: 19141345.

 

869 

9.

 

Hirano  I,  Dellon  ES,  Hamilton  JD,  Collins  MH,  Peterson  K,  Chehade  M,  Schoepfer  AM, 

870 

Safroneeva E, Rothenberg ME, Falk GW, Assouline-Dayan Y, Zhao Q, Chen Z, Swanson BN, Pirozzi 

871 

G, Mannent L, Graham NMH, Akinlade B, Stahl N, Yancopoulos GD, Radin A. Efficacy of Dupilumab 

872 

in a Phase 2 Randomized Trial of Adults With Active Eosinophilic Esophagitis. Gastroenterology. 

873 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

2020;158(1):111-22.e10.  Epub  20191005.  doi:  10.1053/j.gastro.2019.09.042.  PubMed  PMID: 

874 

31593702.

 

875 

10.

 

Harb  H,  Chatila  TA.  Mechanisms  of  Dupilumab.  Clin  Exp  Allergy.  2020;50(1):5-14.  Epub 

876 

20190930. doi: 10.1111/cea.13491. PubMed PMID: 31505066; PMCID: PMC6930967.

 

877 

11.

 

Chandramouleeswaran PM, Shen D, Lee AJ, Benitez A, Dods K, Gambanga F, Wilkins BJ, 

878 

Merves J, Noah Y, Toltzis S, Yearley JH, Spergel JM, Nakagawa H, Malefyt R, Muir AB, Wang ML. 

879 

Preferential  Secretion  of  Thymic  Stromal  Lymphopoietin  (TSLP)  by  Terminally  Differentiated 

880 

Esophageal  Epithelial  Cells:  Relevance  to  Eosinophilic  Esophagitis  (EoE).  PLoS  One. 

881 

2016;11(3):e0150968.  Epub  20160318.  doi:  10.1371/journal.pone.0150968.  PubMed  PMID: 

882 

26992000; PMCID: PMC4798725.

 

883 

12.

 

Rothenberg ME, Spergel JM, Sherrill JD, Annaiah K, Martin LJ, Cianferoni A, Gober L, Kim 

884 

C, Glessner J, Frackelton E, Thomas K, Blanchard C, Liacouras C, Verma R, Aceves S, Collins MH, 

885 

Brown-Whitehorn  T,  Putnam  PE,  Franciosi  JP,  Chiavacci  RM,  Grant  SF,  Abonia  JP,  Sleiman  PM, 

886 

Hakonarson H. Common variants at 5q22 associate with pediatric eosinophilic esophagitis. Nat 

887 

Genet.  2010;42(4):289-91.  Epub  20100307.  doi:  10.1038/ng.547.  PubMed  PMID:  20208534; 

888 

PMCID: PMC3740732.

 

889 

13.

 

Jiang  H,  Harris  MB,  Rothman  P.  IL-4/IL-13  signaling  beyond  JAK/STAT.  J  Allergy  Clin 

890 

Immunol. 2000;105(6 Pt 1):1063-70. doi: 10.1067/mai.2000.107604. PubMed PMID: 10856136.

 

891 

14.

 

Hershey  GK.  IL-13  receptors  and  signaling  pathways:  an  evolving  web.  J  Allergy  Clin 

892 

Immunol. 2003;111(4):677-90; quiz 91. doi: 10.1067/mai.2003.1333. PubMed PMID: 12704343.

 

893 

15.

 

Avlas S, Shani G, Rhone N, Itan M, Dolitzky A, Hazut I, Grisaru-Tal S, Gordon Y, Shoda T, 

894 

Ballaban A, Ben-Baruch NM, Rochman M, Diesendruck Y, Nahary L, Bitton A, Halpern Z, Benhar I, 

895 

Varol  C,  Rothenberg  ME,  Munitz  A.  Epithelial  cell-expressed  type  II  IL-4  receptor  mediates 

896 

eosinophilic esophagitis. Allergy. 2022. Epub 20220907. doi: 10.1111/all.15510. PubMed PMID: 

897 

36070083.

 

898 

16.

 

Blanchard C, Wang N, Stringer KF, Mishra A, Fulkerson PC, Abonia JP, Jameson SC, Kirby C, 

899 

Konikoff  MR,  Collins  MH,  Cohen  MB,  Akers  R,  Hogan  SP,  Assa'ad  AH,  Putnam  PE,  Aronow  BJ, 

900 

Rothenberg  ME.  Eotaxin-3  and  a  uniquely  conserved  gene-expression  profile  in  eosinophilic 

901 

esophagitis. J Clin Invest. 2006;116(2):536-47. doi: 10.1172/JCI26679. PubMed PMID: 16453027; 

902 

PMCID: PMC1359059.

 

903 

17.

 

Cheng E, Zhang X, Wilson KS, Wang DH, Park JY, Huo X, Yu C, Zhang Q, Spechler SJ, Souza 

904 

RF. JAK-STAT6 Pathway Inhibitors Block Eotaxin-3 Secretion by Epithelial Cells and Fibroblasts from 

905 

Esophageal Eosinophilia Patients: Promising Agents to Improve Inflammation and Prevent Fibrosis 

906 

in  EoE.  PLoS  One.  2016;11(6):e0157376.  Epub  20160616.  doi:  10.1371/journal.pone.0157376. 

907 

PubMed PMID: 27310888; PMCID: PMC4911010.

 

908 

18.

 

Blanchard C, Mingler MK, Vicario M, Abonia JP, Wu YY, Lu TX, Collins MH, Putnam PE, Wells 

909 

SI,  Rothenberg  ME.  IL-13  involvement  in  eosinophilic  esophagitis:  transcriptome  analysis  and 

910 

reversibility  with  glucocorticoids.  J  Allergy  Clin  Immunol.  2007;120(6):1292-300.  doi: 

911 

10.1016/j.jaci.2007.10.024. PubMed PMID: 18073124.

 

912 

19.

 

Davis BP, Stucke EM, Khorki ME, Litosh VA, Rymer JK, Rochman M, Travers J, Kottyan LC, 

913 

Rothenberg  ME.  Eosinophilic  esophagitis-linked  calpain  14  is  an  IL-13-induced  protease  that 

914 

mediates  esophageal  epithelial  barrier  impairment.  JCI  Insight.  2016;1(4):e86355.  doi: 

915 

10.1172/jci.insight.86355. PubMed PMID: 27158675; PMCID: PMC4855700.

 

916 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

20.

 

Rochman  M,  Travers  J,  Abonia  JP,  Caldwell  JM,  Rothenberg  ME.  Synaptopodin  is 

917 

upregulated by IL-13 in eosinophilic esophagitis and regulates esophageal epithelial cell motility 

918 

and  barrier  integrity.  JCI  Insight.  2017;2(20).  Epub  20171019.  doi:  10.1172/jci.insight.96789. 

919 

PubMed PMID: 29046486; PMCID: PMC5846900.

 

920 

21.

 

Jiang M, Ku WY, Zhou Z, Dellon ES, Falk GW, Nakagawa H, Wang ML, Liu K, Wang J, Katzka 

921 

DA, Peters JH, Lan X, Que J. BMP-driven NRF2 activation in esophageal basal cell differentiation 

922 

and  eosinophilic  esophagitis.  J  Clin  Invest.  2015;125(4):1557-68.  Epub  2015/03/17.  doi: 

923 

10.1172/JCI78850. PubMed PMID: 25774506; PMCID: PMC4396468.

 

924 

22.

 

Sherrill JD, Kc K, Wang X, Wen T, Chamberlin A, Stucke EM, Collins MH, Abonia JP, Peng Y, 

925 

Wu  Q,  Putnam  PE,  Dexheimer  PJ,  Aronow  BJ,  Kottyan  LC,  Kaufman  KM,  Harley  JB,  Huang  T, 

926 

Rothenberg  ME.  Whole-exome  sequencing  uncovers  oxidoreductases  DHTKD1  and  OGDHL  as 

927 

linkers between mitochondrial dysfunction and eosinophilic esophagitis. JCI Insight. 2018;3(8). 

928 

Epub  2018/04/19.  doi:  10.1172/jci.insight.99922.  PubMed  PMID:  29669943;  PMCID: 

929 

PMC5931135.

 

930 

23.

 

Danhauser K, Sauer SW, Haack TB, Wieland T, Staufner C, Graf E, Zschocke J, Strom TM, 

931 

Traub T, Okun JG, Meitinger T, Hoffmann GF, Prokisch H, Kölker S. DHTKD1 mutations cause 2-

932 

aminoadipic and 2-oxoadipic aciduria. Am J Hum Genet. 2012;91(6):1082-7. Epub 20121108. doi: 

933 

10.1016/j.ajhg.2012.10.006. PubMed PMID: 23141293; PMCID: PMC3516599.

 

934 

24.

 

Xu  W,  Zhu  H,  Gu  M,  Luo  Q,  Ding  J,  Yao  Y,  Chen  F,  Wang  Z.  DHTKD1  is  essential  for 

935 

mitochondrial  biogenesis  and  function  maintenance.  FEBS  Lett.  2013;587(21):3587-92.  Epub 

936 

20130927. doi: 10.1016/j.febslet.2013.08.047. PubMed PMID: 24076469.

 

937 

25.

 

Ryan S, Crowe L, Almeida Cruz SN, Galbraith MD, O'Brien C, Hammer JA, Bergin R, Kellett 

938 

SK, Markey GE, Benson TM, Fagan O, Espinosa JM, Conlon N, Donohoe CL, McKiernan S, Hogan 

939 

AE, McNamee EN, Furuta GT, Menard-Katcher C, Masterson JC. Metabolic dysfunction mediated 

940 

by HIF-1α contributes to epithelial differentiation defects in eosinophilic esophagitis. J Allergy Clin 

941 

Immunol. 2024;154(6):1472-88. Epub 20240827. doi: 10.1016/j.jaci.2024.07.030. PubMed PMID: 

942 

39209164.

 

943 

26.

 

Morimoto  M,  Kawasaki  K,  McNamee  N,  Flashner  S,  Shimonosono  R,  Shimonosono  M, 

944 

Matsuura N, Tomita Y, Hirose W, Teranishi R, Itami T, Guha M, Rajagopalan P, Martin C, Golden H, 

945 

Dhakal D, Wilkins BJ, Klein-Szanto AJ, Wangensteen KJ, Abrams JA, Pomenti S, Katzka DA, Que J, 

946 

Whelan  KA,  Muir  AB,  Kita  H,  Wright  BL,  Doyle  AD,  Nakagawa  H,  Sachdeva  UM.  Mitochondrial 

947 

dysfunction drives basal cell hyperplasia in eosinophilic oesophagitis. Gut. 2025;74(10):1571-88. 

948 

Epub  20250908.  doi:  10.1136/gutjnl-2024-334561.  PubMed  PMID:  40701793;  PMCID: 

949 

PMC12438975.

 

950 

27.

 

Grazioli  S,  Pugin  J.  Mitochondrial  Damage-Associated  Molecular  Patterns:  From 

951 

Inflammatory  Signaling  to  Human  Diseases.  Front  Immunol.  2018;9:832.  Epub  20180504.  doi: 

952 

10.3389/fimmu.2018.00832. PubMed PMID: 29780380; PMCID: PMC5946030.

 

953 

28.

 

Nakahira K, Hisata S, Choi AM. The Roles of Mitochondrial Damage-Associated Molecular 

954 

Patterns  in  Diseases.  Antioxid  Redox  Signal.  2015;23(17):1329-50.  Epub  20150817.  doi: 

955 

10.1089/ars.2015.6407. PubMed PMID: 26067258; PMCID: PMC4685486.

 

956 

29.

 

Zanini  G,  Selleri  V,  Lopez  Domenech  S,  Malerba  M,  Nasi  M,  Mattioli  AV,  Pinti  M. 

957 

Mitochondrial DNA as inflammatory DAMP: a warning of an aging immune system? Biochem Soc 

958 

Trans. 2023;51(2):735-45. doi: 10.1042/BST20221010. PubMed PMID: 37013978.

 

959 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

30.

 

Ma  M,  Jiang  W,  Zhou  R.  DAMPs  and  DAMP-sensing  receptors  in  inflammation  and 

960 

diseases.  Immunity.  2024;57(4):752-71.  doi:  10.1016/j.immuni.2024.03.002.  PubMed  PMID: 

961 

38599169.

 

962 

31.

 

Yadavalli CS, Upparahalli Venkateshaiah S, Kumar S, Kandikattu HK, Oruganti L, Kathera CS, 

963 

Mishra A. Allergen-induced NLRP3/caspase1/IL-18 signaling initiate eosinophilic esophagitis and 

964 

respective inhibitors protect disease pathogenesis. Commun Biol. 2023;6(1):763. Epub 20230731. 

965 

doi: 10.1038/s42003-023-05130-4. PubMed PMID: 37524769; PMCID: PMC10390481.

 

966 

32.

 

Boyapati RK, Dorward DA, Tamborska A, Kalla R, Ventham NT, Doherty MK, Whitfield PD, 

967 

Gray M, Loane J, Rossi AG, Satsangi J, Ho GT. Mitochondrial DNA Is a Pro-Inflammatory Damage-

968 

Associated  Molecular  Pattern  Released  During  Active  IBD.  Inflamm  Bowel  Dis.  2018.  Epub 

969 

2018/05/01. doi: 10.1093/ibd/izy095. PubMed PMID: 29718255.

 

970 

33.

 

Liu Q, Wu J, Zhang X, Li X, Wu X, Zhao Y, Ren J. Circulating mitochondrial DNA-triggered 

971 

autophagy  dysfunction  via  STING  underlies  sepsis-related  acute  lung  injury.  Cell  Death  Dis. 

972 

2021;12(7):673. Epub 20210703. doi: 10.1038/s41419-021-03961-9. PubMed PMID: 34218252; 

973 

PMCID: PMC8254453.

 

974 

34.

 

Trumpff C, Michelson J, Lagranha CJ, Taleon V, Karan KR, Sturm G, Lindqvist D, Fernström 

975 

J,  Moser  D,  Kaufman  BA,  Picard  M.  Stress  and  circulating  cell-free  mitochondrial  DNA:  A 

976 

systematic  review  of  human  studies,  physiological  considerations,  and  technical 

977 

recommendations. 

Mitochondrion. 

2021;59:225-45. 

Epub 

20210409. 

doi: 

978 

10.1016/j.mito.2021.04.002. PubMed PMID: 33839318; PMCID: PMC8418815.

 

979 

35.

 

Whelan KA, Merves JF, Giroux V, Tanaka K, Guo A, Chandramouleeswaran PM, Benitez AJ, 

980 

Dods K, Que J, Masterson JC, Fernando SD, Godwin BC, Klein-Szanto AJ, Chikwava K, Ruchelli ED, 

981 

Hamilton  KE,  Muir  AB,  Wang  ML,  Furuta  GT,  Falk  GW,  Spergel  JM,  Nakagawa  H.  Autophagy 

982 

mediates epithelial cytoprotection in eosinophilic oesophagitis. Gut. 2017;66(7):1197-207. Epub 

983 

2016/02/18. doi: 10.1136/gutjnl-2015-310341. PubMed PMID: 26884425; PMCID: PMC4987278.

 

984 

36.

 

Noti M, Wojno ED, Kim BS, Siracusa MC, Giacomin PR, Nair MG, Benitez AJ, Ruymann KR, 

985 

Muir AB, Hill DA, Chikwava KR, Moghaddam AE, Sattentau QJ, Alex A, Zhou C, Yearley JH, Menard-

986 

Katcher P, Kubo M, Obata-Ninomiya K, Karasuyama H, Comeau MR, Brown-Whitehorn T, de Waal 

987 

Malefyt  R,  Sleiman  PM,  Hakonarson  H,  Cianferoni  A,  Falk  GW,  Wang  ML,  Spergel  JM,  Artis  D. 

988 

Thymic stromal lymphopoietin-elicited basophil responses promote eosinophilic esophagitis. Nat 

989 

Med. 2013;19(8):1005-13. Epub 2013/07/23. doi: 10.1038/nm.3281. PubMed PMID: 23872715; 

990 

PMCID: PMC3951204.

 

991 

37.

 

Fuller  AD,  Karami  AL,  Kabir  MF,  Klochkova  A,  Jackson  JL,  Mu  A,  Tan  Y,  Klein-Szanto  AJ, 

992 

Whelan  KA.  Eosinophilic  esophagitis-associated  epithelial  remodeling  may  limit  esophageal 

993 

carcinogenesis. 

Front 

Allergy. 

2023;4:1086032. 

Epub 

20230329. 

doi: 

994 

10.3389/falgy.2023.1086032. PubMed PMID: 37064719; PMCID: PMC10090679.

 

995 

38.

 

Kottyan  LC,  Rothenberg  ME.  Genetics  of  eosinophilic  esophagitis.  Mucosal  Immunol. 

996 

2017;10(3):580-8. Epub 20170222. doi: 10.1038/mi.2017.4. PubMed PMID: 28224995; PMCID: 

997 

PMC5600523.

 

998 

39.

 

Kottyan  LC,  Parameswaran  S,  Weirauch  MT,  Rothenberg  ME,  Martin  LJ.  The  genetic 

999 

etiology  of  eosinophilic  esophagitis.  J  Allergy  Clin  Immunol.  2020;145(1):9-15.  doi: 

1000 

10.1016/j.jaci.2019.11.013. PubMed PMID: 31910986; PMCID: PMC6984394.

 

1001 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

40.

 

Youle  RJ,  van  der  Bliek  AM.  Mitochondrial  fission,  fusion,  and  stress.  Science. 

1002 

2012;337(6098):1062-5.  doi:  10.1126/science.1219855.  PubMed  PMID:  22936770;  PMCID: 

1003 

PMC4762028.

 

1004 

41.

 

Picca A, Lezza AM. Regulation of mitochondrial biogenesis through TFAM-mitochondrial 

1005 

DNA  interactions:  Useful  insights  from  aging  and  calorie  restriction  studies.  Mitochondrion. 

1006 

2015;25:67-75. Epub 20151003. doi: 10.1016/j.mito.2015.10.001. PubMed PMID: 26437364.

 

1007 

42.

 

Tilokani  L,  Nagashima  S,  Paupe  V,  Prudent  J.  Mitochondrial  dynamics:  overview  of 

1008 

molecular  mechanisms.  Essays  Biochem.  2018;62(3):341-60.  Epub  20180720.  doi: 

1009 

10.1042/EBC20170104. PubMed PMID: 30030364; PMCID: PMC6056715.

 

1010 

43.

 

Sherrill JD, Kiran KC, Blanchard C, Stucke EM, Kemme KA, Collins MH, Abonia JP, Putnam 

1011 

PE, Mukkada VA, Kaul A, Kocoshis SA, Kushner JP, Plassard AJ, Karns RA, Dexheimer PJ, Aronow 

1012 

BJ, Rothenberg ME. Analysis and expansion of the eosinophilic esophagitis transcriptome by RNA 

1013 

sequencing.  Genes  Immun.  2014;15(6):361-9.  Epub  20140612.  doi:  10.1038/gene.2014.27. 

1014 

PubMed PMID: 24920534; PMCID: PMC4156528.

 

1015 

44.

 

Heilig R, Lee J, Tait SWG. Mitochondrial DNA in cell death and inflammation. Biochem Soc 

1016 

Trans.  2023;51(1):457-72.  doi:  10.1042/BST20221525.  PubMed  PMID:  36815695;  PMCID: 

1017 

PMC9988000.

 

1018 

45.

 

Majer O, Liu B, Barton GM. Nucleic acid-sensing TLRs: trafficking and regulation. Curr Opin 

1019 

Immunol.  2017;44:26-33.  Epub  20161128.  doi:  10.1016/j.coi.2016.10.003.  PubMed  PMID: 

1020 

27907816; PMCID: PMC5446938.

 

1021 

46.

 

Pan J, Fei CJ, Hu Y, Wu XY, Nie L, Chen J. Current understanding of the cGAS-STING signaling 

1022 

pathway: Structure, regulatory mechanisms, and related diseases. Zool Res. 2023;44(1):183-218. 

1023 

doi: 10.24272/j.issn.2095-8137.2022.464. PubMed PMID: 36579404; PMCID: PMC9841179.

 

1024 

47.

 

!!! INVALID CITATION !!! 17, 20, 21, 47.

 

1025 

48.

 

!!! INVALID CITATION !!! 48.

 

1026 

49.

 

Samad MA, Ahmad I, Hasan A, Alhashmi MH, Ayub A, Al-Abbasi FA, Kumer A, Tabrez S. 

1027 

STAT3  Signaling  Pathway  in  Health  and  Disease.  MedComm  (2020).  2025;6(4):e70152.  Epub 

1028 

20250330. doi: 10.1002/mco2.70152. PubMed PMID: 40166646; PMCID: PMC11955304.

 

1029 

50.

 

Yang  R,  Rincon  M.  Mitochondrial  Stat3,  the  Need  for  Design  Thinking.  Int  J  Biol  Sci. 

1030 

2016;12(5):532-44. Epub 20160229. doi: 10.7150/ijbs.15153. PubMed PMID: 27019635; PMCID: 

1031 

PMC4807418.

 

1032 

51.

 

Reddy  PH.  Mitochondrial  Dysfunction  and  Oxidative  Stress  in  Asthma:  Implications  for 

1033 

Mitochondria-Targeted  Antioxidant  Therapeutics.  Pharmaceuticals  (Basel).  2011;4(3):429-56. 

1034 

doi: 10.3390/ph4030429. PubMed PMID: 21461182; PMCID: PMC3066010.

 

1035 

52.

 

Sreedhar A, Aguilera-Aguirre L, Singh KK. Mitochondria in skin health, aging, and disease. 

1036 

Cell Death Dis. 2020;11(6):444. Epub 20200609. doi: 10.1038/s41419-020-2649-z. PubMed PMID: 

1037 

32518230; PMCID: PMC7283348.

 

1038 

53.

 

Spechler SJ. Eosinophilic esophagitis: novel concepts regarding pathogenesis and clinical 

1039 

manifestations. J Gastroenterol. 2019;54(10):837-44. Epub 20190724. doi: 10.1007/s00535-019-

1040 

01604-7. PubMed PMID: 31342146; PMCID: PMC6759606.

 

1041 

54.

 

Nelson  MR,  Zhang  X,  Podgaetz  E,  Wang  X,  Zhang  Q,  Pan  Z,  Spechler  SJ,  Souza  RF.  Th2 

1042 

cytokine signaling through IL-4Rα increases eotaxin-3 secretion and tension in human esophageal 

1043 

smooth muscle. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 2024;326(1):G38-G52. Epub 20231107. 

1044 

doi: 10.1152/ajpgi.00155.2023. PubMed PMID: 37933466.

 

1045 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

55.

 

Rochman M, Wen T, Kotliar M, Dexheimer PJ, Ben-Baruch Morgenstern N, Caldwell JM, 

1046 

Lim HW, Rothenberg ME. Single-cell RNA-Seq of human esophageal epithelium in homeostasis 

1047 

and 

allergic 

inflammation. 

JCI 

Insight. 

2022;7(11). 

Epub 

20220608. 

doi: 

1048 

10.1172/jci.insight.159093. PubMed PMID: 35472002; PMCID: PMC9208762.

 

1049 

56.

 

Adebayo M, Singh S, Singh AP, Dasgupta S. Mitochondrial fusion and fission: The fine-tune 

1050 

balance  for  cellular  homeostasis.  FASEB  J.  2021;35(6):e21620.  doi:  10.1096/fj.202100067R. 

1051 

PubMed PMID: 34048084; PMCID: PMC8415099.

 

1052 

57.

 

Yousefi  S,  Gold  JA,  Andina  N,  Lee  JJ,  Kelly  AM,  Kozlowski  E,  Schmid  I,  Straumann  A, 

1053 

Reichenbach J, Gleich GJ, Simon HU. Catapult-like release of mitochondrial DNA by eosinophils 

1054 

contributes  to  antibacterial  defense.  Nat  Med.  2008;14(9):949-53.  doi:  10.1038/nm.1855. 

1055 

PubMed PMID: 18690244.

 

1056 

58.

 

Maeda A, Fadeel B. Mitochondria released by cells undergoing TNF-α-induced necroptosis 

1057 

act  as  danger  signals.  Cell  Death  Dis.  2014;5(7):e1312.  Epub  20140703.  doi: 

1058 

10.1038/cddis.2014.277. PubMed PMID: 24991764; PMCID: PMC4123071.

 

1059 

59.

 

Šileikytė J, Forte M. The Mitochondrial Permeability Transition in Mitochondrial Disorders. 

1060 

Oxid  Med  Cell  Longev.  2019;2019:3403075.  Epub  20190505.  doi:  10.1155/2019/3403075. 

1061 

PubMed PMID: 31191798; PMCID: PMC6525910.

 

1062 

60.

 

Roch B, Pisareva E, Mirandola A, Sanchez C, Pastor B, Tanos R, Frayssinoux F, Diab-Assaf 

1063 

M, Anker P, Al Amir Dache Z, Thierry AR. Impact of platelet activation on the release of cell-free 

1064 

mitochondria  and  circulating  mitochondrial  DNA.  Clin  Chim  Acta.  2024;553:117711.  Epub 

1065 

20231213. doi: 10.1016/j.cca.2023.117711. PubMed PMID: 38101467.

 

1066 

61.

 

Victorelli  S,  Salmonowicz  H,  Chapman  J,  Martini  H,  Vizioli  MG,  Riley  JS,  Cloix  C,  Hall-

1067 

Younger E, Machado Espindola-Netto J, Jurk D, Lagnado AB, Sales Gomez L, Farr JN, Saul D, Reed 

1068 

R, Kelly G, Eppard M, Greaves LC, Dou Z, Pirius N, Szczepanowska K, Porritt RA, Huang H, Huang 

1069 

TY,  Mann  DA,  Masuda  CA,  Khosla  S,  Dai  H,  Kaufmann  SH,  Zacharioudakis  E,  Gavathiotis  E, 

1070 

LeBrasseur NK, Lei X, Sainz AG, Korolchuk VI, Adams PD, Shadel GS, Tait SWG, Passos JF. Author 

1071 

Correction:  Apoptotic  stress  causes  mtDNA  release  during  senescence  and  drives  the  SASP. 

1072 

Nature.  2024;625(7995):E15.  doi:  10.1038/s41586-023-07002-7.  PubMed  PMID:  38168624; 

1073 

PMCID: PMC10794136.

 

1074 

62.

 

Moya GE, Rivera PD, Dittenhafer-Reed KE. Evidence for the Role of Mitochondrial  DNA 

1075 

Release in the Inflammatory Response in Neurological Disorders. Int J Mol Sci. 2021;22(13). Epub 

1076 

20210629. doi: 10.3390/ijms22137030. PubMed PMID: 34209978; PMCID: PMC8268735.

 

1077 

63.

 

Dellon ES, Kim HP, Sperry SL, Rybnicek DA, Woosley JT, Shaheen NJ. A phenotypic analysis 

1078 

shows that eosinophilic esophagitis is a progressive fibrostenotic disease. Gastrointest Endosc. 

1079 

2014;79(4):577-85.e4.  Epub  20131123.  doi:  10.1016/j.gie.2013.10.027.  PubMed  PMID: 

1080 

24275329; PMCID: PMC4599711.

 

1081 

64.

 

Yu H, Lin J, Yuan J, Sun X, Wang C, Bai B. Screening mitochondria-related biomarkers in 

1082 

skin and plasma of atopic dermatitis patients by bioinformatics analysis and machine learning. 

1083 

Front Immunol. 2024;15:1367602. Epub 20240507. doi: 10.3389/fimmu.2024.1367602. PubMed 

1084 

PMID: 38774875; PMCID: PMC11106410.

 

1085 

65.

 

Hirano  I,  Moy  N,  Heckman  MG,  Thomas  CS,  Gonsalves  N,  Achem  SR.  Endoscopic 

1086 

assessment  of  the  oesophageal  features  of  eosinophilic  oesophagitis:  validation  of  a  novel 

1087 

classification and grading system. Gut. 2013;62(4):489-95. Epub 20120522. doi: 10.1136/gutjnl-

1088 

2011-301817. PubMed PMID: 22619364.

 

1089 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

66.

 

Wechsler  JB,  Bolton  SM,  Amsden  K,  Wershil  BK,  Hirano  I,  Kagalwalla  AF.  Eosinophilic 

1090 

Esophagitis  Reference  Score  Accurately  Identifies  Disease  Activity  and  Treatment  Effects  in 

1091 

Children.  Clin  Gastroenterol  Hepatol.  2018;16(7):1056-63.  Epub  20171215.  doi: 

1092 

10.1016/j.cgh.2017.12.019. PubMed PMID: 29248734; PMCID: PMC6003847.

 

1093 

67.

 

Collins  MH,  Martin  LJ,  Alexander  ES,  Boyd  JT,  Sheridan  R,  He  H,  Pentiuk  S,  Putnam  PE, 

1094 

Abonia JP, Mukkada VA, Franciosi JP, Rothenberg ME. Newly developed and validated eosinophilic 

1095 

esophagitis histology scoring system and evidence that it outperforms peak eosinophil count for 

1096 

disease  diagnosis  and  monitoring.  Dis  Esophagus.  2017;30(3):1-8.  doi:  10.1111/dote.12470. 

1097 

PubMed PMID: 26857345; PMCID: PMC5373936.

 

1098 

68.

 

Dellon ES, Khoury P, Muir AB, Liacouras CA, Safroneeva E, Atkins D, Collins MH, Gonsalves 

1099 

N, Falk GW, Spergel JM, Hirano I, Chehade M, Schoepfer AM, Menard-Katcher C, Katzka DA, Bonis 

1100 

PA, Bredenoord AJ, Geng B, Jensen ET, Pesek RD, Feuerstadt P, Gupta SK, Lucendo AJ, Genta RM, 

1101 

Hiremath G, McGowan EC, Moawad FJ, Peterson KA, Rothenberg ME, Straumann A, Furuta GT, 

1102 

Aceves SS. A Clinical Severity Index for Eosinophilic Esophagitis: Development, Consensus, and 

1103 

Future 

Directions. 

Gastroenterology. 

2022;163(1):59-76. 

Epub 

20220520. 

doi: 

1104 

10.1053/j.gastro.2022.03.025. PubMed PMID: 35606197; PMCID: PMC9233087.

 

1105 

69.

 

Martin LJ, Franciosi JP, Collins MH, Abonia JP, Lee JJ, Hommel KA, Varni JW, Grotjan JT, Eby 

1106 

M, He H, Marsolo K, Putnam PE, Garza JM, Kaul A, Wen T, Rothenberg ME. Pediatric Eosinophilic 

1107 

Esophagitis Symptom Scores (PEESS v2.0) identify histologic and molecular correlates of the key 

1108 

clinical  features  of  disease.  J  Allergy  Clin  Immunol.  2015;135(6):1519-28.e8.  doi: 

1109 

10.1016/j.jaci.2015.03.004. PubMed PMID: 26051952; PMCID: PMC4460579.

 

1110 

70.

 

!!! INVALID CITATION !!! 70-73.

 

1111 

71.

 

Bourke  LT,  Knight  RA,  Latchman  DS,  Stephanou  A,  McCormick  J.  Signal  transducer  and 

1112 

activator  of  transcription-1  localizes  to  the  mitochondria  and  modulates  mitophagy.  JAKSTAT. 

1113 

2013;2(4):e25666. Epub 20130715. doi: 10.4161/jkst.25666. PubMed PMID: 24470977; PMCID: 

1114 

PMC3902047.

 

1115 

72.

 

Scott O, Sharfe N, Dadi H, Vong L, Garkaby J, Abrego Fuentes L, Willett Pachul J, Nelles S, 

1116 

Nahum A, Roifman CM. Case  Report: Eosinophilic Esophagitis in a Patient With a Novel STAT1 

1117 

Gain-of-Function  Pathogenic  Variant.  Front  Immunol.  2022;13:801832.  Epub  20220120.  doi: 

1118 

10.3389/fimmu.2022.801832. PubMed PMID: 35126392; PMCID: PMC8812721.

 

1119 

73.

 

Annawald  K,  Gregus  A,  Wirths  O,  Meyer  T.  Characterization  of  a  pathogenic  gain-of-

1120 

function mutation in the N-terminal domain of  STAT1 which is reported to be associated  with 

1121 

eosinophilic  esophagitis.  Cell  Commun  Signal.  2025;23(1):367.  Epub  20250807.  doi: 

1122 

10.1186/s12964-025-02330-9. PubMed PMID: 40775363; PMCID: PMC12329892.

 

1123 

74.

 

Macias E, Rao D, Carbajal S, Kiguchi K, DiGiovanni J. Stat3 binds to mtDNA and regulates 

1124 

mitochondrial gene expression in keratinocytes. J Invest Dermatol. 2014;134(7):1971-80. Epub 

1125 

20140204. doi: 10.1038/jid.2014.68. PubMed PMID: 24496235; PMCID: PMC4057971.

 

1126 

75.

 

Yang S, He X, Zhao J, Wang D, Guo S, Gao T, Wang G, Jin C, Yan Z, Wang N, Wang Y, Zhao Y, 

1127 

Xing J, Huang Q. Mitochondrial transcription factor A plays opposite roles in the initiation and 

1128 

progression  of  colitis-associated  cancer.  Cancer  Commun  (Lond).  2021;41(8):695-714.  Epub 

1129 

20210623. doi: 10.1002/cac2.12184. PubMed PMID: 34160895; PMCID: PMC8360642.

 

1130 

76.

 

!!! INVALID CITATION !!! 79.

 

1131 

77.

 

Li J, Yang Z, Song H, Yang L, Na K, Mei Z, Zhang S, Liu J, Xu K, Yan C, Wang X. The role of 

1132 

mitofusin 2 in regulating endothelial cell senescence: Implications for vascular aging. iScience. 

1133 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

2024;27(9):110809. Epub 20240824. doi: 10.1016/j.isci.2024.110809. PubMed PMID: 39290834; 

1134 

PMCID: PMC11406077.

 

1135 

78.

 

Kim H, Park SJ, Jou I. STAT6 in mitochondrial outer membrane impairs mitochondrial fusion 

1136 

by  inhibiting  MFN2  dimerization.  iScience.  2022;25(9):104923.  Epub  20220813.  doi: 

1137 

10.1016/j.isci.2022.104923. PubMed PMID: 36065189; PMCID: PMC9440285.

 

1138 

79.

 

Wegrzyn  J,  Potla  R,  Chwae  YJ,  Sepuri  NB,  Zhang  Q,  Koeck  T,  Derecka  M,  Szczepanek  K, 

1139 

Szelag M, Gornicka A, Moh A, Moghaddas S, Chen Q, Bobbili S, Cichy J, Dulak J, Baker DP, Wolfman 

1140 

A, Stuehr D, Hassan MO, Fu XY, Avadhani N, Drake JI, Fawcett P, Lesnefsky EJ, Larner AC. Function 

1141 

of  mitochondrial  Stat3  in  cellular  respiration.  Science.  2009;323(5915):793-7.  Epub  20090108. 

1142 

doi: 10.1126/science.1164551. PubMed PMID: 19131594; PMCID: PMC2758306.

 

1143 

80.

 

!!! INVALID CITATION !!! 81, 82.

 

1144 

81.

 

Dellon ES. Eosinophilic esophagitis: diagnostic tests and criteria. Curr Opin Gastroenterol. 

1145 

2012;28(4):382-8.  Epub  2012/03/28.  doi:  10.1097/MOG.0b013e328352b5ef.  PubMed  PMID: 

1146 

22450900; PMCID: PMC4591255.

 

1147 

82.

 

Klochkova A, Fuller AD, Miller R, Karami AL, Panchani SR, Natarajan S, Mu A, Jackson JL, 

1148 

Klein-Szanto  AJ,  Muir  AB,  Whelan  KA.  A  role  for  age-associated  alterations  in  esophageal 

1149 

epithelium  in  eosinophilic  esophagitis-associated  fibrosis.  Front  Allergy.  2022;3:983412.  Epub 

1150 

20221215. doi: 10.3389/falgy.2022.983412. PubMed PMID: 36591561; PMCID: PMC9798296.

 

1151 

83.

 

Whelan KA, Chandramouleeswaran PM, Tanaka K, Natsuizaka M, Guha M, Srinivasan S, 

1152 

Darling DS, Kita Y, Natsugoe S, Winkler JD, Klein-Szanto AJ, Amaravadi RK, Avadhani NG, Rustgi 

1153 

AK,  Nakagawa  H.  Autophagy  supports  generation  of  cells  with  high  CD44  expression  via 

1154 

modulation  of  oxidative  stress  and  Parkin-mediated  mitochondrial  clearance.  Oncogene. 

1155 

2017;36(34):4843-58. Epub 2017/04/18. doi: 10.1038/onc.2017.102. PubMed PMID: 28414310; 

1156 

PMCID: PMC5570661.

 

1157 

84.

 

Rooney JP, Ryde IT, Sanders LH, Howlett EH, Colton MD, Germ KE, Mayer GD, Greenamyre 

1158 

JT, Meyer JN. PCR based determination of mitochondrial DNA copy number in multiple species. 

1159 

Methods  Mol  Biol.  2015;1241:23-38.  doi:  10.1007/978-1-4939-1875-1_3.  PubMed  PMID: 

1160 

25308485; PMCID: PMC4312664.

 

1161 

85.

 

Natsuizaka M, Whelan KA, Kagawa S, Tanaka K, Giroux V, Chandramouleeswaran PM, Long 

1162 

A, Sahu V, Darling DS, Que J, Yang Y, Katz JP, Wileyto EP, Basu D, Kita Y, Natsugoe S, Naganuma S, 

1163 

Klein-Szanto AJ, Diehl JA, Bass AJ, Wong KK, Rustgi AK, Nakagawa H. Interplay between Notch1 

1164 

and  Notch3  promotes  EMT  and  tumor  initiation  in  squamous  cell  carcinoma.  Nat  Commun. 

1165 

2017;8(1):1758. Epub 2017/11/25. doi: 10.1038/s41467-017-01500-9. PubMed PMID: 29170450; 

1166 

PMCID: PMC5700926.

 

1167 

 

 

1168 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Figure Legends 

1169 

Figure  1. Evidence  of  increased  mitochondria  in  EoE  patients. 

(

A,  B

1170 

Immunohistochemistry (IHC) staining for mitochondrially-encoded cytochrome oxidase 1 

1171 

(MTCO1) was performed in esophageal biopsies from human subjects classified as non-

1172 

EoE  (n=5),  active  EoE  (n=23)  or  inactive  EoE  (n=20).  (

A

)  Representative  images  of 

1173 

immunohistochemistry (IHC) staining for mitochondrially-encoded cytochrome oxidase 1 

1174 

(MTCO1)  in  esophageal  biopsies  from  human  subjects  classified  as  non-EoE  (n=5), 

1175 

active EoE (n=23) or inactive EoE (n=20). Images taken at 200X and 400X. Scale bars, 

1176 

50  µm.  (

B

)  Average  cytoplasmic  MTCO1  score  in  esophageal  mucosa  of  indicated 

1177 

groups. *

P

 <.05; **

P

 <.01 by one-way ANOVA with Tukey’s post-hoc test. Data in graph 

1178 

presented as mean per group ± SEM with each dot representing an individual subject. 

1179 

(

C

) Immunofluorescence (IF) for Ki67 (green), MTCO1 (red), and nuclei (DAPI, blue) in 

1180 

esophageal  epithelial  biopsies  from  a  non-EoE  subject  or  active  EoE  subject.  Images 

1181 

taken with 63X objective. Scale bars, 10 µm.  

1182 

 

1183 

Figure 2. Relationship between MTCO1 expression and clinical features of EoE. 

(

A, 

1184 

B

)

 

Correlation  graphs  depicting  relationship  between  cytoplasmic  MTCO1  score  and  

1185 

basal cell hyperplasia (BCH) score (

A

) or eosinophils per high power field (eos/HPF) (

B

1186 

for non-EoE controls (n=5) and patients classified as active EoE (n=23) or inactive EoE 

1187 

(n=20). Linear regression analysis determined correlation coefficient, R

2

, and Pearson’s 

1188 

correlation test determined 

P

 values. (

C, D

) Average MTCO1 score is shown for active 

1189 

EoE patients (n=23) with and without history of stricture (

C

) or endoscopically removed 

1190 

food impaction (

D

). Data in dot plots (

C, D

) represent mean per group ± SEM with each 

1191 

dot representing an individual subject. Mann-Whitman U test determined p values.  

1192 

 

1193 

Figure 3. Evidence of increased mitochondria in esophageal mucosa of mice with 

1194 

EoE-like inflammation.

 

(

A-F

) Experimental EoE was induced in wild type C57BL/6 mice 

1195 

using MC903/Ovalbumin (OVA). Mice treated with MC903 only served as controls. (

A

1196 

Representative H&E images of esophageal mucosa. White arrows indicate eosinophils. 

1197 

Inset shows an individual eosinophil. Scale bars, 50 µm. (

B

) Peeled esophageal epithelial 

1198 

sheets were subjected to qPCR to assess mtDNA levels (

mito D-loop

) with

 Ikbβ

 as an 

1199 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

internal nuclear control. *

P

 <.05 by two-tailed student t-test. (

C

) Representative images 

1200 

of MTCO1 IHC staining for MTCO1 esophageal epithelium. Images taken at 400X. Scale 

1201 

bars,  50  µm.  (

D

)  Average  cytoplasmic  MTCO1  score.  Two-tailed  student  t-test  test 

1202 

determined  noted  p  value.  (

E,  F

)  Correlation  graphs  depicting  relationship  between 

1203 

cytoplasmic MTCO1 score and eosinophils per high power field (eos/HPF) (

E

) or lamina 

1204 

propria (LP) thickness (

F

). Linear regression analysis determined correlation coefficient, 

1205 

R

2

,

 

and  Pearson’s  correlation  test  determined 

P

  values.  Data  in  bar  diagrams  (

B,  D

1206 

represent mean per group ± SEM. Each dot represents an individual mouse. 

1207 

 

1208 

Figure 4. Effects of EoE-relevant cytokines on mitochondrial DNA levels in human 

1209 

esophageal  keratinocytes  in  vitro.

  (

A-D

)  qPCR  evaluated  levels  of  mitochondrially-

1210 

encoded  genes, 

MTCO1

  and 

ND6

,  and  nuclear-encoded  gene, 

COXIV

  in  esophageal 

1211 

keratinocytes following cytokine stimulation for 7 days. All genes shown are normalized 

1212 

to  nuclear-encoded  gene, 

GAPDH

.  All  interleukin  (IL)  treatments  were  at  a  final 

1213 

concentration  of  10  ng/mL.  Tumor  necrosis  factor  (TNF)α  treatment  was  at  a  final 

1214 

concentration of 40 ng/mL. (

A

) EPC2-hTERT cells were treated with indicated cytokines. 

1215 

One-way ANOVA with Tukey's post-hoc determined p values. (

B, C

) mtDNA levels were 

1216 

evaluated in primary esophageal cultures derived from a non-EoE subject (

B

) or an active 

1217 

EoE patient (

C

). Two-tailed student t-test determined p values. (

D

) mtDNA levels were 

1218 

evaluated in EPC2-hTERT treated with IL-13 and IL-4 alone or in combination. One-way 

1219 

ANOVA  with  Tukey’s  post-hoc  test  determined  p  values.  Data  in  all  bar  diagrams 

1220 

represent mean per group ± SEM. Each dot represents an individual experiment. *

P

 <.05; 

1221 

**

P

 <.01; ***

P

 <.001; ****

P

 <.0001. 

1222 

 

1223 

Figure  5.  IL-13  promotes  increased  mitochondrial  mass  in  human  esophageal 

1224 

keratinocytes in vitro. 

(

A-D

) EPC2-hTERT cells were treated with IL-13 (10 ng/mL) for 

1225 

7 days. (

A, B

)  Immunocytochemistry for  TOM20 (red) and nuclei (Hoechst 33342, blue) 

1226 

was  performed  with  representative  images  (

A

)  and  relative  quantitative  fluorescence 

1227 

intensity of TOM20 (

B

) shown. Scale bars, 50 µm. ****

P

 <.0001 by two-tailed student t-

1228 

test. (

C, D

) Live cell imaging for MitoTracker Green (green) and nuclei (Hoechst 33342, 

1229 

blue)  was  performed  with  representative  images  (

C

)  and  relative  quantitative 

1230 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

fluorescence intensity of MitoTracker Green (

D

) shown. Scale bars, 25 µm (left),  8 µm 

1231 

(right). **

P

 <.01 by two-tailed student t-test. Data in bar diagrams (

B, D

) represent mean 

1232 

per group ± SEM. Each dot represents an individual experiment.  

1233 

 

1234 

Figure 6. Time-dependent effects of IL-13 on mediators of mitochondrial dynamics 

1235 

in  esophageal  keratinocytes.

  (

A-G

)  EPC2-hTERT  cells  were  treated  with  IL-13  (10 

1236 

ng/mL) for the indicated number of days with day 0 serving as a control. (

A-F

) qRT-PCR 

1237 

determined relative expression of 

TFAM 

(

A

), 

MFN1 

(

B

), 

MFN2 

(

C

), 

DRP1 

(

D

), 

PINK1 

(

E

), 

1238 

and 

PARK2 

(

F

) normalized to 

ACTB

. (

G, H

) Immunoblotting assessed levels of indicated 

1239 

total and phosphorylated (p) proteins with Actin as a loading control. Representative blot 

1240 

(

G

)  and  bar  diagram  of  densitometric  analysis  values  (

H

)  are  shown.  (

I

)  RNA  level  of 

1241 

TFAM, MFN1, MFN2 

and 

PINK1

 in esophageal epithelium of active EoE patients (n=10) 

1242 

and non-EoE subjects (n=6) were obtained from EGIDExpress database

43

. Data in bar 

1243 

diagrams (

A-F, H

) and dot plot (

I

) represent mean per group ± SEM. Each dot represents 

1244 

an individual experiment in bar diagrams (

A-F, H

) and individual subject in dot plot (

I

). 

1245 

Two-tailed student t-test determined p values. *

P

 <.05; **

P

 <.01; ***

P

 <.001; ****

P

 <.0001. 

1246 

 

1247 

Figure  7.  Effects  of  IL-13  on  mitochondrial  respiration,  glycolysis  and  ATP  in 

1248 

esophageal keratinocytes.

 (

A-I

) Esophageal epithelial cells were treated with IL-13 (10 

1249 

ng/mL) for 7 days. (

A-D

) In EPC2-hTERT cells, Seahorse respirometry assessed oxygen 

1250 

consumption rate (OCR) (

A

), basal respiration (

B

), ATP-linked respiration (

C

), maximal 

1251 

respiration (

D

) and extracellular acidification rate (ECAR) (in 

E

). (

F

) Lactate production 

1252 

was assessed via a colorimetric assay. (

G-I

) Relative ATP was measured in EPC2-hTERT 

1253 

cells  (

G

),  primary  non-EoE  esophageal  epithelial  cells  (

H

),  or  primary  active  EoE 

1254 

esophageal  epithelial  cells  (

I

).  Line  graphs  show  OCR  (

A

)  and  ECAR  (

E

)  data  from  1 

1255 

representative  experiment;  n=3.  Data  in  bar  diagrams  (

B-D,  F-I

)  represent  mean  per 

1256 

group ± SEM. Each dot represents an individual experiment in bar diagrams. Two-tailed 

1257 

student t-test determined p values. *

P

 <.05; **

P

 <.01; ***

P

 <.001; ****

P

 <.0001. 

1258 

 

1259 

Figure  8.  IL-13  does  not  impact  mitochondrial  integrity  or  induce  apoptosis  in 

1260 

esophageal keratinocytes. 

(

A-D

)

 

EPC2-hTERT cells were treated with IL-13 (10 ng/mL) 

1261 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

for  7  days.  (

A,  B

)  MitoTracker  Red/Green  staining  evaluated  cells  with  mitochondrial 

1262 

depolarization with representative flow dot plot showing gate for depolarization-positive 

1263 

fraction (

A

) and bar diagram quantifying percent of cells with depolarized mitochondria 

1264 

(

B

)  shown.  (

C,  D

) Annexin-V/Propidium  iodide  (PI)  flow  cytometry  evaluated  apoptotic 

1265 

cells with representative flow dot plot (

C

) and bar diagram quantifying distribution of live 

1266 

(events in Q1 gate shown in 

C

) and apoptotic cells (sum of events in Q2 and Q3 gates 

1267 

shown in 

C

). Data in bar diagrams (

B, D

) represents mean per group ± SEM. Each dot 

1268 

represents an individual experiment. Two-tailed student t-test determined p values. 

1269 

 

1270 

Figure 9. IL-13 promotes the release of mtDNA from esophageal keratinocytes in 

1271 

vitro.

  (

A-D

)  Esophageal  keratinocytes  were  treated  with  IL-13  (10  ng/mL)  for  7  days. 

1272 

qPCR determined average copy number of mitochondrially encoded genes 

ND1

 and 

ND6

 

1273 

in DNA extracted from cell-free culture medium of EPC2-hTERT cells (

A, B

), primary non-

1274 

EoE cells (

C

)  and primary active EoE cells (

D

). Data in all bar diagrams represent mean 

1275 

per group ± SEM. Each dot represents an individual experiment. Two-tailed student t-test 

1276 

determined p values. *

P

 <.05; **

P

 <.01; ***

P

 <.001. 

1277 

 

1278 

Figure 10. mtDNA-associated inflammatory signaling components are upregulated 

1279 

in esophageal keratinocytes responding to IL-13 and in EoE patient biopsies. 

(

A-B

1280 

EPC2-hTERT cells were treated with IL-13 (10 ng/mL) for the indicated number of days 

1281 

with day 0 serving as a control. Immunoblotting assessed cleavage of TLR9, levels of 

1282 

cGAS, and STING, and phosphorylation (p) of STING. Actin serves as a loading control. 

1283 

Representative blot (

A

) and bar diagram of densitometric analysis values (

B

) are shown. 

1284 

(

C

) RNA expression of genes relevant to TLR9 signaling (

MYD88, IRAK4, IRF5, IRAK1, 

1285 

IRAK2,  TRAF6,  TRAF3) 

and  cGAS/STING  signaling 

(MB21D1,  TMEM173,  TRAF6, 

1286 

TBK1,  IRF3)

  in  esophageal  epithelium  of  active  EoE  patients  (n=10)  and  non-EoE 

1287 

controls (n=6) was obtained from the EGIDExpress database

43

. Data in bar diagram (

B

1288 

and  dot  plot  (

C

)  represent  mean  per  group  ±  SEM.  Each  dot  represents  an  individual 

1289 

experiment in bar diagram (

B

) and individual subject in dot plot (

C

). Two-tailed student t-

1290 

test determined p values. *

P

 <.05; **

P

 <.01; ***

P

 <.001; ****

P

 <.0001. 

1291 

 

1292 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Figure 11. Circulating mtDNA is increased in serum of active EoE patients.

 (

A-F

1293 

DNA extracted from serum was evaluated for absolute copy number of mtDNA-encoded 

1294 

genes via qPCR with data from non-EoE subjects (n=49) and active EoE patients (n=65) 

1295 

for 

ND1

 (

A

) and 

ND6 

(

B

) shown. (

C-F

) Average copy number of 

ND1 

and

 ND6 

 is shown 

1296 

for EoE patients with and without history of stricture (

C, D

) or endoscopically removed 

1297 

food impaction (

E, F

). Data in dot plots (

A-F

) represent mean per group ± SEM with each 

1298 

dot  representing  an  individual  subject.  Mann-Whitman  U  test  determined  p  values.  *

P

 

1299 

<.05; **

P

 <.01. 

1300 

 

1301 

Figure  12.  Ruxolitinib  limits  IL-13-mediated  increases  in  intracellular  and 

1302 

extracellular  mtDNA  in  vitro.

  (

A-G

)  EPC2-hTERT  cells  were  treated  with  IL-13  (10 

1303 

ng/mL) for 7 days in the presence or absence of JAK inhibitor, ruxolitinib (100 ng/mL). (

A-

1304 

D

) Immunoblotting was used to assess expression of indicated total and phosphorylated 

1305 

(p) proteins. Actin serves as a loading control. Representative blot (

A

) and bar diagram 

1306 

of densitometric analysis values (

B-D

) are shown. (

E

) qPCR evaluated relative levels of 

1307 

mtDNA-encoded genes, 

MTCO1 

and 

ND6

, and nuclear-encoded gene, 

COXIV

. (

F

G

1308 

DNA extracted from cell-free media was assessed by qPCR to determine average copy 

1309 

number of mitochondrially encoded genes 

ND1 

(

F

) and 

ND6 

(

G

). Data in bar graphs (

B-

1310 

G

) represent mean per group ± SEM with each dot representing an individual experiment. 

1311 

One-way ANOVA with Tukey’s post-hoc test determined p values. *

P

 <.05; **

P

 <.01; ***

P

 

1312 

<.001; ****

P

 <.0001. 

1313 

 

1314 

Figure 13. Effects of genetic STAT3 or STAT6 depletion on mitochondrial mass in 

1315 

IL-13-treated  esophageal  keratinocytes.

  (

A-D

)  EPC2-hTERT  cells  were  lentivirally 

1316 

engineered to express doxycycline (DOX)-inducible shRNA targeting STAT3 or STAT6 or 

1317 

non-targeting  (NS)  control  shRNA.  (

A,  B

)  Immunoblotting  confirmed  DOX-mediated 

1318 

depletion of STAT3 (

A

) or STAT6 (

B

). Actin serves as a loading control. (

C, D

) Cells with 

1319 

DOX-mediated  STAT3  or  STAT6  depletion  were  cultured  in  the  presence  of  DOX  (0.5 

1320 

ng/µL)  and/or IL-13 (10 ng/mL) for 7 days. Immunocytochemistry for TOM20 (red) and 

1321 

nuclei (Hoechst 33342, blue) was performed with representative images (

C

) and relative 

1322 

quantitative fluorescence intensity of TOM20 (

D

) shown. Scale bars, 200 µm. Data in bar 

1323 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

graph  represent  mean  per  group  ±  SEM  with  each  dot  representing  an  individual 

1324 

experiment. Two-tailed student t-test determined p values. *

P

 <.05; **

P

 <.01; ***

P

 <.001; 

1325 

****

P

 <.0001. 

1326 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Status

 

Age (years), 

median (IQR)

 

Eos/HPF, 

median (IQR)

 

Basal Cell 

Hyperplasia 

(BCH) Score, 

median (IQR)

 

Male, n (%)

 

Non-EoE (n=5) 

36 (33-51) 

0 (0-0) 

0 (0-1) 

1 (20%) 

Active EoE 

(n=23) 

29 (23.5-44) 

50 (34.5-65.5) 

2 (0-3) 

12 (52%) 

Inactive EoE 

(n=20) 

37 (29.25-45) 

0 (0-10) 

0.5 (0-1) 

12 (60%) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Table 1. Characteristics of Human Subjects (MTCO1 Staining). 

IQR: interquartile range; Eos: eosinophils; HPF: high powered field  

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

 

Status

 

Age, mean ± SD 

(IQR)

 

Eos/HPF, mean 

(IQR)

 

Male, n (%)

 

Non-EoE (n=49) 

19 ± 7.1 (15.2-55.6) 

0 (0-0) 

15 (34.7) 

Active EoE (n=65) 

29 ± 5.6 (2.3-34.3) 

52 (15-100) 

41 (64.4) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Table 2. Characteristics of Human Subjects (mtDNA Assessment). 

IQR: interquartile range; Eos: eosinophils; HPF: high powered field  

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

 

Antibody

 

Source

 

Catalog number

 

Application 

(dilution)

 

MTCO1  

Abcam 

ab14705 

IHC (1:250) 
IF (1:500) 

Ki67 

Cell Signaling 

9129S 

IF (1:400) 

TOM20 

Abcam 

AB289670 

IF (1:100) 

TFAM 

Sigma 

7495S 

IHC (1:250) 
WB (1:1000) 

p-STAT6

Y641

 

Cell Signaling 

56554S 

WB (1:1000) 

STAT6 

Cell Signaling 

5397S 

WB (1:1000) 

p-STAT3

Y705

 

Cell Signaling 

9145S 

WB (1:1000) 

p-STAT3

S727

 

Cell Signaling 

9134S 

WB (1:1000) 

STAT3 

Cell Signaling 

9139S 

WB (1:1000) 

MFN1 

Cell Signaling 

14739S 

WB (1:1000) 

MFN2 

Cell Signaling 

9482S 

WB (1:1000) 

PINK1 

Cell Signaling 

6946S 

WB (1:1000) 

Parkin 

Cell Signaling 

4211S 

WB (1:1000) 

p-DRP1

S616

 

Cell Signaling 

3455S 

WB (1:1000) 

DRP1 

Cell Signaling 

8570S 

WB (1:1000) 

Toll-Like Receptor 9 

Cell Signaling 

2254S 

WB (1:1000) 

cGAS 

Cell Signaling 

79978S 

WB (1:1000) 

p-STING

S366

 

Cell Signaling 

19781S 

WB (1:1000) 

STING 

Cell Signaling 

13647S 

WB (1:1000) 

Actin 

Invitrogen 

MA1-744 

WB (1:10000) 

 

 

 

 

Table 3 Antibodies for Immunohistochemistry (IHC), Immunofluorescence (IF), and 
Western Blotting (WB) 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

 

 

Forward (5’ 

 3’)

 

Reverse (5’ 

 3’)

 

MTCO1 

(human) 

CCC ACC GGC GTC AAA 
GTA T  

TGC AGC AGA TCA TTT 
CAT ATT GC 

ND1 

(human) 

CTC GCT ACC ACT CTC 
GAT TCC A 

TGG AAT CGA GAG TGG 
TAG CGA 

ND6 

(human) 

CCC CCA TGC CTC AGG 
AT 

GGA ATG ATG GTT GTC 
TTT GGA TAT ACT 

COXIV 

(human) 

GGG CGG TGC CAT GTT 
CT 

CAT AGT GCT TCT GCC 
ACA TGA 

GAPDH 

(human) 

CCA GGT GGT CTC CTC 
TGA CTT C 

TCA TAC CAG GAA ATG  
AGC TTG ACA 

mtDNA

 D-Loop 

(murine) 

ACT ATC CCC TTC CCC 
ATT TG  

TGT TGG TCA TGG GCT 
GAT TA 

Ikbβ 

(murine) 

GCT GGT GTC TGG GGT 
ACA GT  

ATC CTT GGG GAG GCA 
TCT AC 

TFAM 

(human) 

GAG GGA ACT TCC TGA 
TTC AAA GA 

AGC TTT CCT TTT TAA 
ATG TTT GTC C 

MFN1

 (human) 

TGT TTT GGT CGC AAA 
CTC TG 

CTG TCT GCG TAC GTC 
TTC CA 

MFN2

 (human) 

AGC TGG ACA GCT GGA 
TTG AC 

GCT TTT CCG TCT GCA 
TCA GG 

DRP1

 (human) 

TGC TTC CCA GAG GTA 
CTG GA 

TCT GCT TCC ACC CCA 
TTT TCT 

PINK1

 (human) 

TAC CAG TGC ACC AGG 
AGA AG 

GCT TGG GAC CTC TCT 
TGG AT 

PARKIN

 (human) 

AAA TCA GGT GGC TCC 
CTT CTG TCA 

CAT GCA GAT TGG GAA 
GGC GCA ATA 

ACTB 

(human) 

TTG CCG ACA GGA TGC 
AGA A  

GCC GAT CCA CAC GGA 
GTA CT 

 

Table 4. Primer Sequences for qPCR and qRT-PCR. 

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

Journal Pre-proof

k-html.html
background image

What You Need to Know 

BACKGROUND:

  While  recent  studies  implicate  mitochondrial  dysfunction  in  EoE,  the 

influence  of  EoE-associated  inflammatory  signals  on  mitochondrial  biology,  the 

mechanisms mediating these effects and their clinical significance remain as knowledge 

gaps. 

IMPACT:

 In esophageal keratinocytes, we identify IL-13/JAK/STAT signaling as a primary 

mediator  of  increased  mitochondrial  mass  and  extracellular  mtDNA.  We  further  show 

increased circulating mtDNA in EoE patients. 

FUTURE DIRECTIONS:

 Future studies will dissect the detailed molecular mechanisms 

underlying  STAT-mediated  effects  on  mitochondria  and  their  contributions  to  EoE 

inflammation; and evaluate circulating mtDNA as a noninvasive biomarker in EoE. 

 

 

Journal Pre-proof