Funktionale Charakterisierung neuer Komponenten der mitochondrialen Morphogenese in Saccharomyces cerevisiae

Titelangaben

Hammermeister, Miriam:
Funktionale Charakterisierung neuer Komponenten der mitochondrialen Morphogenese in Saccharomyces cerevisiae.
Bayreuth , 2010
( Dissertation, 2010 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Die Morphologie und die Dynamik von Mitochondrien spielen eine wichtige Rolle bei der Funktion und Vererbung dieser Organellen. Zum besseren Verständnis der beteiligten Prozesse müssen alle dazugehörigen Komponenten identifiziert und charakterisiert werden. Die Erforschung von zwei Proteinen, Mdm35 und Mdm36, die die mitochondriale Morphologie und Verteilung beeinflussen, und ihre mögliche Eingliederung in den Morphogenesapparat der Mitochondrien war Gegenstand dieser Arbeit. Der erste Teilabschnitt der Arbeit beschäftigte sich mit der Charakterisierung und Ermittlung der Funktion von Mdm36 in der Gestaltgebung von Mitochondrien. Die Dynamik der Mitochondrien wird maßgeblich von den beiden antagonistischen Prozessen Fusion und Teilung bestimmt. Dnm1, eine Dynamin-verwandte GTPase, stellt die Schlüsselkomponente der mitochondrialen Teilung in Hefe dar, die in Zusammenarbeit mit weiteren Komponenten agiert. Teilungsmutanten besitzen netzartige Mitochondrien, die aufgrund der gestörten Teilung bei fortlaufender Fusion entstehen. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass Deletionsmutanten von MDM36 stark verzweigte mitochondriale Netzwerke aufweisen, die denen der Teilungsmutanten sehr ähneln. Doppeldeletionsstudien mit den Fusionskomponenten Fzo1 und Mdm30 lassen annehmen, dass Mdm36 der Fusion entgegengesetzt wirkt. Außerdem ist in delta-mdm36-Mutanten die durch die Depolymerisation des Aktinzytoskeletts induzierte mitochondriale Teilung blockiert und die Anzahl an teilungsaktiven Dnm1-Komplexen reduziert. Das Zellkortex-assoziierte Protein Num1 interagiert mit mitochondrial assembliertem Dnm1 und fördert über die dadurch geschaffene Verankerung der Mitochondrien am Zellkortex die mitochondriale Teilung. Der mitochondriale Phänotyp der delta-mdm36-Mutanten und delta-num1-Mutanten ist fast identisch. Beide Mutanten besitzen netzähnliche, kompakte Mitochondrien, die wenig Nähe zur Zellperipherie aufweisen und hoch dynamisch sind. Durch die Abwesenheit von Mdm36 wird die Kolokalisation von Dnm1 und Num1 aufgehoben. Diese Ergebnisse liefern weitere Einblicke in die mitochondriale Teilungsmaschinerie und legen ein Modell nahe, in dem Mdm36 für die Bildung des Num1/Dnm1-Komplexes und folglich für die Verankerung der Mitochondrien am Zellkortex benötigt wird. Über diesen wird dann die notwendige Spannung entlang des Mitochondrientubulus für die Dnm1-abhängige Teilung erzeugt. Im zweiten Teilabschnitt der vorliegenden Arbeit wurde zunächst die mitochondriale Morphologie der Mutanten der kürzlich identifizierten Twin Cx9C-Protein-Familie analysiert. Anschließend wurde das dabei und durch eine vorhergehende systematische Durchmusterung einer Hefedeletionsstammsammlung auffällig gewordene Protein Mdm35 näher untersucht. Mdm35 ist ein mitochondriales Protein des Intermembranraums, dessen Deletionsmutante zum Großteil sphärische Mitochondrien besitzt und einen Wachstumsdefekt bedingt durch den Verlust von mitochondrialer DNA aufweist. Die Mitochondrien und das instabile mitochondriale Genom der delta-mdm35-Mutante zeigen Ähnlichkeiten zu Zellen auf, denen entweder die mitochondrialen Innenmembranproteine Mdm31 bzw. Mdm32 fehlen, oder die mitochondrialen Außenmembranproteine Mmm2, Mdm10, Mdm12 bzw. das integrale Membranprotein des Endoplasmatischen Retikulums Mmm1. Die gleichzeitige Deletion von MDM35 und MDM31 bzw. MDM32 ist synthetisch letal, was ein Hinweis darauf ist, dass die Proteine an demselben zellulären Prozess beteiligt sind. Für die Deletion von MDM31 und MDM32 konnte bereits eine synthetische Letalität mit MMM1, MMM2, MDM10 und MDM12 gezeigt werden. Mmm1, Mmm2, Mdm10 und Mdm12 bilden einen Komplex aus, der eine Bindung zwischen dem Endoplasmatischen Retikulum und den Mitochondrien herstellt und vermutlich für den Austausch von Calcium und Phospholipiden zuständig ist. Dieser Komplex befindet sich außerdem in Nachbarschaft aktiv replizierender mitochondrialer DNA. Die erhaltenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass Mdm35 möglicherweise als Protein des Intermembranraums eine Funktion bei der Vermittlung zwischen dem Mmm1/Mmm2/Mdm10/Mdm12-Proteinkomplex und den Innenmembranproteinen Mdm31/Mdm32 besitzt und so ein koordiniertes mitochondriales Wachstum ermöglicht durch Kopplung der Replikation des mitochondrialen Genoms und der Aufrechterhaltung der mitochondrialen Membranen über den Lipidtransport.

Abstract in weiterer Sprache

Morphology and dynamics of mitochondria play a central role for function and inheritance of these organelles. For a better understanding of the involved processes all corresponding components have to be identified and characterized. The investigation of two proteins, Mdm35 and Mdm36, which influence the mitochondrial morphology and distribution, and the unraveling of their possible roles within the mitochondrial morphogenesis machinery was subject of this work. The first part of the work dealt with the characterization and determination of the function of Mdm36 concerning the morphology of mitochondria. The dynamic behavior of mitochondria is crucially determined by the antagonistic processes fusion and fission. Dnm1, a dynamin-related GTPase, is the key component of mitochondrial division in yeast which is acting in concert with additional components. Division mutants harbor net-like mitochondria which are formed due to blocked fission by ongoing fusion. Here, it was shown that deletion mutants of MDM36 possess highly interconnected mitochondrial networks that resemble mitochondria of division mutants. Double deletion analyses with the fusion components Fzo1 and Mdm30 indicate that Mdm36 acts antagonistically to the fusion process. Furthermore, in delta-mdm36-mutants mitochondrial fission induced by depolymerization of the actin cytoskeleton is blocked and the amount of fission-active Dnm1 complexes is reduced. The cell cortex-associated protein Num1 interacts with mitochondrially assembled Dnm1 and thus promotes mitochondrial division via the binding of mitochondria to the cell cortex. The mitochondrial phenotype of the delta-mdm36- and delta-num1-mutants is virtually identical. Both mutants show net-like, compact mitochondria that are not restricted to the cell periphery and highly motile. In the absence of Mdm36 the colocalization of Dnm1 and Num1 is abolished. These results provide further insight into the mitochondrial division machinery and suggest that Mdm36 is required for the formation of the complex containing Num1 and Dnm1 and thus for the binding of mitochondria to the cell cortex. This complex then is necessary for the generation of tension along mitochondrial tubules that is critical for a Dnm1-dependent division. In the second part of the work the mitochondrial morphology of the mutants of the recently identified twin Cx9C protein family was analyzed. Afterwards the protein Mdm35, which also was found in a systematic screen of a yeast deletion library, was further investigated. Mdm35 is a mitochondrial protein of the intermembrane space. Deletion mutants mainly harbor spherical mitochondria and show a growth defect due to the loss of mitochondrial DNA. The mitochondria and the unstable mitochondrial genome of delta-mdm35-mutants strikingly resemble cells that lack either the mitochondrial inner membrane proteins Mdm31 or Mdm32, or the mitochondrial outer membrane proteins Mmm2, Mdm10, Mdm12 or the integral membrane protein of the endoplasmic reticulum Mmm1. The mutual deletion of MDM35 and MDM31 or MDM32 is synthetically lethal. This observation points to a role of these proteins in the same cellular process. For the deletion of MDM31 and MDM32 it was already shown that additional deletion of MMM1, MMM2, MDM10 and MDM12 is also synthetically lethal. Mmm1, Mmm2, Mdm10 and Mdm12 form a complex that works as a molecular tether between the endoplasmic reticulum and mitochondria and is presumably responsible for calcium and phospholipid exchange. In addition, this complex is localized adjacent to actively replicating mitochondrial DNA. These data suggest that Mdm35, maybe as a protein of the intermembrane space, functions as a mediator between the Mmm1/Mmm2/Mdm10/Mdm12 protein complex and the inner membrane proteins Mdm31/Mdm32. Thus coordinated mitochondrial growth would be possible by coupling mitochondrial genome replication and membrane upkeep via transport of lipids.