Untersuchungen zur Vererbung des mitochondrialen Genoms in Saccharomyces cerevisiae

Titelangaben

Stenger, Maria:
Untersuchungen zur Vererbung des mitochondrialen Genoms in Saccharomyces cerevisiae.
Bayreuth , 2019 . - IX, 137 S.
( Dissertation, 2019 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004380

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Abstract

Mitochondrien sind Zellorganellen, die vermutlich durch die Endosymbiose eines α-Proteobakteriums in eine Archaea-Wirtszelle entstanden sind. Die meisten Gene des Endosymbionten wurden in den Nukleus transferiert, aber nichtsdestotrotz besitzen die heutigen Mitochondrien ein funktionelles Genom, welches in sogenannten Nucleoiden vorliegt. Die mitochondriale DNA (mtDNA) kodiert in der knospenden Hefe Saccharomyces cerevisiae acht Proteine, zwei rRNAs und einige tRNAs, welche für die Atmungsketten-Aktivität benötigt werden. Das mitochondriale Genom muss repliziert, positioniert und an die Tochterzellen vererbt werden. Einige Proteine, welche in diesen Vorgängen eine zentrale Rolle spielen, wie die DNA-Polymerase Mip1 und das DNA-Verpackungsprotein Abf2, sind bekannt und gut charakterisiert. Dessen ungeachtet existieren zahlreiche weitere, prozessrelevante Proteine, die noch nicht beschrieben wurden.
Deshalb war das Ziel dieser Arbeit, Gene bzw. weitere Proteine zu identifizieren, die für die Vererbung und Aufrechterhaltung des mitochondrialen Genoms in Saccharomyces cerevisiae notwendig sind. Hierfür wurden mehrere genomweite Hochdurchsatz-Screens mit der MATa Deletionsbibliothek, welche ca. 4.800 Deletionsstämme nicht essentieller Gene enthält, durchgeführt. Die Bibliothek wurde nach Deletionsstämmen gescreent, die ihre mtDNA mit der Zeit bzw. unabhängig von der Atmung verlieren. Des Weiteren wurde nach Stämmen gesucht, welche die mitochondriale DNA nach oxidativem Stress verlieren. Außerdem wurde ein Screen so konzipiert, um Stämme zu erhalten, die ihre wildtypische mtDNA gegenüber der hypersuppressiven DNA behalten. Hypersuppressive DNA unterdrückt die Vererbung der wildtypischen mtDNA und wird in den meisten Fällen selbst vererbt.
Mit Hilfe zahlreicher Screens konnten viele Deletionsstämme gefunden werden, die mögliche Defekte in der Vererbung der mtDNA aufweisen. Von diesen Treffern wurden 16 näher charakterisiert, indem die Nucleoide und die Mitochondrien- bzw. Vakuolen-Morphologie analysiert wurden. Weiterhin wurde eine mögliche Funktion der Proteine vorgeschlagen und, sofern möglich, untersucht. So konnte zum Beispiel gezeigt werden, dass Ybr062c nicht bei der mtDNA-Reparatur involviert ist. Im Zuge der Analyse des Kandidatengens RRG1 wurden Hinweise gefunden, dass es sich um eine tRNA-Synthetase handeln könnte. Der Deletionsstamm des TIM23-Komplex-Proteins Mgr2 zeigte eine wildtypische Ultrastruktur im Elektronenmikroskop und das Protein Mgr2 war homogen in den Mitochondrien verteilt.

Abstract in weiterer Sprache

Mitochondria are organelles which derived from bacteria during endosymbiosis. It is assumed that an archaebacterium absorbed an α-proteobacterium which developed to an essential and autonomous organelle of the host. Most of the genes were transferred to the nucleus, but nevertheless the mitochondria contain a functional genome, which is organized in so called nucleoids. In the budding yeast Saccharomyces cerevisiae, the mitochondrial DNA (mtDNA) encodes eight proteins, two rRNAs and several tRNAs, which are necessary for respiratory chain activity. The mitochondrial genome must be replicated, positioned and inherited to the daughter cells. Some proteins, which play a pivotal role in these processes like the DNA polymerase Mip1 or the DNA packaging protein Abf2, are known and well characterized. However, many proteins, which participate in these mechanisms, are still unknown.
Hence the main goal of this study was to identify additional genes and proteins, which are required for the inheritance and maintenance of the mitochondrial genome in Saccharomyces cerevisiae. For this purpose, several high-throughput, genome-wide screens were performed using the MATa yeast deletion library, which contains about 4,800 strains with deletions of non-essential genes. The library was screened for deletion strains which lose their mtDNA after a certain time or independently of respiration. In addition, strains losing the mitochondrial DNA after being exposed to oxidative stress and strains retaining their wildtype mtDNA in presence of hypersuppressive mtDNA were searched for. The hypersuppressive mtDNA suppresses the wildtype mtDNA in most cases and gets inherited.
Several candidates were identified in the different screens. For a further characterization of 16 of the identified deletion strains the nucleoids and mitochondrial as well as the vacuolar morphology were analyzed. Moreover, a possible function of the deletion genes and their proteins was suggested and analyzed wherever applicable. For instance, it was shown in this work that Ybr062c is not involved in the repair of mtDNA. Moreover, the protein Rrg1 is potentially a tRNA synthetase. The deletion strain of the TIM23 complex protein Mgr2 showed a wildtype ultrastructure in the electron microscope and Mgr2 was distributed evenly all over the mitochondrial network.