Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen mitochondrialer Morphologie, Alterung und Apoptose in Saccharomyces cerevisiae

Titelangaben

Dürr, Mark:
Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen mitochondrialer Morphologie, Alterung und Apoptose in Saccharomyces cerevisiae.
Bayreuth , 2010
( Dissertation, 2010 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Mitochondrien üben viele essentielle Funktionen in eukaryotischen Organismen aus. Ihre Aufgaben bestehen zum Beispiel in der Bereitstellung von Energie in Form von ATP durch die oxidative Phosphorylierung sowie in der Bildung von Eisen-Schwefel-Clustern. Mitochondrien bilden ein Netzwerk, dessen Form sich hochdynamisch an spezifische Bedingungen und Änderungen im Metabolismus anpassen kann. Die Bedeutung einer intakten Dynamik wird dann offensichtlich, wenn man die Auswirkungen der Fehlregulierung dieses Prozesses betrachtet. Die Störung der mitochondrialen Fusion geht in Säugern mit einer Reihe von schweren Erkrankungen, wie Charcot-Marie-Tooth Neuropathie Typ 2A oder Dominanter Optischer Atrophie einher. Zudem spielen Mitochondrien und die mitochondriale Dynamik eine zentrale Rolle beim programmierten Zelltod (Apoptose). Die Fragmentierung der Mitochondrien ist dabei ein entscheidender Schritt beim Ablauf dieses Prozesses. Auch in der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, einem fakultativ anaeroben eukaryotischen Organismus, spielen mitochondriale Teilung und Fusion eine wichtige Rolle bei der Apoptose. Bis heute sind jedoch kaum negative Auswirkungen fehlgesteuerter mitochondrialer Dynamik auf andere Prozesse wie Zelldifferenzierung oder Alterung in Hefezellen bekannt. In dieser Arbeit wurde der Effekt von gestörter mitochondrialer Teilung und Fusion auf die Sporulation von Hefezellen sowie auf deren Lebensdauer untersucht. Dabei wurde auch der Zusammenhang zwischen Apoptose und Zellalterung in Hefekulturen näher betrachtet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass die Deletion von Mdm30 (mitochondrial distribution und morphology protein 30), einem Regulator des mitochondrialen Fusionsproteins Fzo1 (fuzzy onions homolog 1), zu einer eingeschränkten Sporulationseffizienz sowie zu mitochondrialen Vererbungsdefekten in den einzelnen Sporen führt. Des Weiteren zeigten die Untersuchungen, dass eine intakte mitochondriale Dynamik ausschlaggebend für die Alterung von Hefekulturen ist. Die gleichzeitige Blockade der mitochondrialen Fusion und Teilung durch Deletion der Fusionskomponente Fzo1 und des mitochondrialen Teilungsproteins Dnm1 (dynamin-related protein 1) hat negative Auswirkungen auf das Wachstum und die Fitness der Hefekulturen. Der mitochondriale Fusionsdefekt führt zudem zu einer stark herabgesetzten chronologischen Lebensdauer verbunden mit verstärkter Apoptose der Hefezellen. Eine direkte Blockade der Apoptose durch die Deletion des proapoptotischen Faktors Yca1 (yeast caspase 1) führt ebenfalls zu einer Reduktion der chronologischen Lebensdauer von Hefekulturen. Interessanterweise verlängert die gleichzeitige Inkubation der Mutante mit wildtypischen Zellen die Lebensdauer der Δyca1-Zellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass Hefekulturen vom programmierten Zelltod einzelner Zellen profitieren können, was zu einer Verlängerung der chronologischen Lebensspanne führt. Obwohl Sinn und Nutzen des programmierten Zelltodes für S. cerevisiae immer noch kontrovers diskutiert werden, liefern die in dieser Arbeit erzielten Erkenntnisse weitere Argumente für die Notwendigkeit der Apoptose für diese einzelligen Organismen.

Abstract in weiterer Sprache

Mitochondria are an important part of many metabolic processes such as the supply of energy by oxidative phosphorylation or the production of iron-sulfur-clusters, which is an essential process for every eukaryotic organism. In addition they play a central role in the pathway of programmed cell death (apoptosis). Mitochondria build a network which is highly dynamic and can be adjusted to specific conditions and changes in metabolism. For this, a permanent fusion and division of these organelles is essential. The importance of an intact machinery of mitochondrial dynamics becomes obvious when the consequences of mis-regulation of this process are regarded. Defects in mitochondrial fusion lead to several severe diseases like Charcot-Marie-Tooth Neuropathy Type 2A or Dominant Optic Atrophy. Furthermore, mitochondria and their dynamics play a central role during programmed cell death. In this process mitochondrial fragmentation is an important step. In baker’s yeast Saccharomyces cerevisiae, a facultative anaerobic eukaryotic organism, mitochondrial dynamics are crucial for apoptosis, as well. However, only little is known about the effects of mis-regulated mitochondrial fusion and fission on other processes like cell differentiation or aging. In this work the impact of impaired mitochondrial fusion and division on sporulation as well as on the lifespan of yeast cells was investigated. In addition the relation between apoptosis and aging in yeast cell-cultures was studied in more detail. The data show that mitochondrial fusion is important for sporulation of yeast cells. Deletion of Mdm30 (mitochondrial distribution and morphology protein 30), a regulator of the mitochondrial fusion protein Fzo1 (fuzzy onions homolog 1), leads to impaired sporulation as well as to an inheritance defect for mitochondria in spores. It could also be shown that an intact and dynamic mitochondrial network is important during aging of yeast cultures. The inhibition of both mitochondrial fusion and division by deletion of the fusion-component Fzo1 and the division-protein Dnm1 (dynamin-related protein 1) negatively affects growth and fitness of yeast cultures. Defective mitochondrial fusion leads to a severe decrease of the chronological lifespan of yeast cells combined with increased apoptosis. Direct inhibition of programmed cell death by deletion of the pro-apoptotic factor Yca1 (yeast caspase 1) causes a reduction of the chronological lifespan of yeast cultures, as well. Incubation together with wild-type cells, however, increases the lifespan of the mutant. This leads to the assumption that yeast cultures are able to benefit from apoptosis of single cells, which positively affects the chronological lifespan of the whole culture. Although meaning and benefit of programmed cell death for S. cerevisiae are still discussed controversially, the results in this work deliver more arguments for the advantage of apoptosis for this unicellular organism.