Mitochondrial-nukleäre Interaktionen, oxidativer Stress und Alterungsprozesse bei dem Ascomyzeten Podospora anserina

Mitochondrial-nuclear interactions, oxidative stress and ageing processes of the filamentous ascomycete Podospora anserina

Mitochondrien, Organellen der oxidativen Phosphorylierung, sind in vielfältiger Weise an Alterungsprozessen in unterschiedlichen Modellorganismen beteiligt. Viele Mechanismen und Faktoren, die das Altern beeinflussen, sc
Mitochondrien, Organellen der oxidativen Phosphorylierung, sind in vielfältiger Weise an Alterungsprozessen in unterschiedlichen Modellorganismen beteiligt. Viele Mechanismen und Faktoren, die das Altern beeinflussen, scheinen konserviert zu sein. In dem in dieser Arbeit untersuchten Ascomyzeten Podospora anserina treten z. B. altersabhängige Reorganisationen der mtDNA auf, die zu einem Verlust lebensnotwendiger Gene führen können. In Menschen wurden ebenfalls Umstrukturierungen des mitochondrialen Genoms in unterschiedlichen Geweben mit fortschreitendem Alter beschrieben. Umgekehrt treten manche Faktoren, die die Lebensspanne beeinflussen, nur in einigen Modellsystemen auf. Hierzu gehört z. B. die Induktion der alternativen Oxidase in vielen langlebigen P. anserina-Mutanten. Diese Modifikation in der Atmungskette kann in S. cerevisiae und Säugern nicht beobachtet werden, da diesen Organismen eine alternative terminale Oxidase der oxidativen Phosphorylierung fehlt. Der Fragestellung, wie die Atmungskette im Falle der exklusiven PaAOX-abhängigen Respiration in der unsterblichen Mutante ex1 hinsichtlich der Zusammensetzung und kinetischer Eigenschaften des Elektronentransports charakterisiert ist, wurde in der vorliegenden Arbeit nachgegangen. Über die funktionalen Eigenschaften der Mitochondrien hinaus ist auch die Morphologie dieser Organellen altersabhängiger Änderungen unterworfen. Hinsichtlich der Gestalt der Mitochondrien in verschiedenen Altersstadien ist nur sehr wenig bekannt. Bisher steht nur fest, dass der P. anserina-Wildstamm „S“ im mittelalten Stadium filamentöse Mitochondrien aufweist. Ob und in welchem Ausmaß es zu Veränderungen der mitochondrialen Morphologie während des Alterns im Wildstamm „s“ und der Mutante grisea kommt, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit analysiert. In der vorliegenden Arbeit wurde darüber hinaus PaDnm1 als putativer mitochondrialer Teilungsfaktor charakterisiert. Insbesondere die Modulation der PaDnm1-Expression durch Überexpression bzw. Deletion soll zeigen, welchen Einfluss PaDnm1 auf die mitochondriale Morphologie und andere phänotypische Parameter wie z. B. die Lebensspanne hat. Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen: 1. Im Wildstamm „s“ wurde im Gegensatz zu ex1 durch enzymkinetische Analysen eine starke Interaktion der Komplexe I und III nachgewiesen. Ein Großteil der Komplexe I und III ist im Wildstamm „s“ in Form von Superkomplexen organisiert. In der Mutante ex1 liegen die Komplexe I und III dagegen hauptsächlich frei vor. Die spezifische Aktivität der Cytochrom-c-Reduktase ist in ex1 niedriger als im Wildstamm „s“. 2. Seneszente Isolate des Wildstammes „s“ und der PaDnm1::ble-Mutante weisen im Gegensatz zur Mutante grisea eine starke Freisetzung von Wasserstoffperoxid auf. 3. Juvenile und mittelalte Wildstamm „s“-Isolate enthalten überwiegend kurze, filamentöse Mitochondrien, die entlang der Hyphenachse im Cytoplasma orientiert sind. Im seneszenten Stadium kommt es zu einer starken mitochondrialen Fragmentierung. Der Übergang von einer filamentösen zu einer sphärischen Morphologie dieser Organellen tritt auch in Mutante grisea auf. In ex1-Hyphen sind hauptsächlich filamentöse Mitochondrien enthalten. Initiale Analysen zur mitochondrialen Feinstruktur zeigen, dass in Wildstamm „s“ und Mutante grisea eine lamellenartige Cristaestruktur erkennbar ist. In der Mutante ex1 hingegen erscheinen die Cristae ungeordneter und weniger zahlreich. 4. Die Mitochondrienfragmentierung im seneszenten Wildstamm „s“ korreliert mit einer Induktion der Transkription von PaDnm1. In Mutante grisea ist die PaDnm1-Transkriptmenge während des Alterns konstant, obwohl sich die mitochondriale Morphologie wie im Wildstamm „s“ verändert. Überexpression von PaDnm1 führt zur Mitochondrienfragmentierung während die gezielte Deletion dieses Gens eine starke Elongation der Mitochondrien zur Folge hat. PaDnm1 ist somit das erste in einem filamentösen Pilz charakterisierte Gen der mitochondrialen Teilungsmaschinerie. 5. PaDnm1::ble-Isolate zeigen im seneszenten Stadium mitochondriale Fragmentierung wie Wildstamm „s“ und Mutante grisea. Das mitochondriale Genom von PaDnm1::ble ist stabilisiert, d. h. die Bildung der seneszenzfördernden plDNA wird unterdrückt. Die mittlere Lebensspanne der PaDnm1::ble-Mutante ist deutlich (> Faktor 10) gegenüber der des Wild-stammes „s“ erhöht. Bemerkenswerterweise zeigt PaDnm1::ble im Gegensatz zu anderen langlebigen P. anserina-Mutanten nach der Sporenkeimung keine physiologischen Defekte: Wuchsrate, männliche und weibliche Fertilität, Myzelmorphologie und Mitochondrien-segregation während der Ascosporengenese sind nicht eingeschränkt. Allerdings weist PaDnm1::ble eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Ammoniumazetat auf. Dies äußert sich in einer Inhibierung der Sporenkeimung und einer Verringerung der Wuchsrate bei Anzucht der Mutante auf AmAc-haltigem Medium.
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Mitochondria, the organelles of oxidative phosphorylation, are involved in the control of organismic ageing. A lot of mechanisms which influence ageing processes are conserved among different species. For example, reorga
Mitochondria, the organelles of oxidative phosphorylation, are involved in the control of organismic ageing. A lot of mechanisms which influence ageing processes are conserved among different species. For example, reorganisations of mitochondrial DNA (mtDNA) which can lead to the loss of essential genes of the respiratory chain are a hallmark of the ageing in the filamentous ascomycete Podospora anserina. Alterations of mtDNA in different tissues have also been described in elderly humans. On the other hand, some mechanisms are private to certain species. One example is the induction of an alternative oxidase (PaAOX) in the respiratory chain in many long-lived P. anserina mutants. This alteration of the respiratory chain cannot be studied in organisms like yeast, S. cerevisiae, or humans, for example, because they lack AOX. The molecular characterisation of the PaAOX-exclusive respiratory chain in the immortal P. anserina ex1 mutant is one topic of this thesis. Another issue which is investigated in this work is the question, how mitochondrial morphology changes during ageing in P. anserina. A gene involved in mitochondrial fission control, PaDnm1, is characterised. The key findings of this thesis are summarised below. 1. Respiratory chain complexes I and III of the wild-type show a pronounced interaction in contrast to their counterparts in mutant ex1. Most of the corresponding wild-type complexes I and III are organised in so-called “supercomplexes”. In contrast, these complexes reside mainly independently in the inner mitochondrial membranes of ex1. The specific activity of complex III is lower in ex1 compared to the wild-type. 2. Senescent isolates of the wild-type and mutant PaDnm1::ble are characterised by a pronounced release of hydrogen peroxide in the senescent phase. This is not the case in senescent isolates of mutant grisea. 3. Juvenile and middle-aged wild-type isolates contain mostly short, filamentous mitochondria. In the senescent phase, marked mitochondrial fragmentation takes place. This also happens in mutant grisea. The structure of mitochondrial cristae is altered in mutant ex1 mitochondria in comparison to the wild-type and mutant grisea (e.g. less cristae are visible). 4. In the wild-type, mitochondrial fragmentation correlates with an induction of the mitochondrial fission gene PaDnm1. By contrast, PaDnm1 transcription is constitutive in mutant grisea, although mitochondrial fragmentation also occurs in the senescent phase. Overexpression of PaDnm1 in the wild-type leads to an increase of mitochondrial fragmentation. Deletion of PaDnm1 leads to a pronounced elongation of mitochondria. Sometimes, the formation of elaborate mitochondrial networks can be observed in the PaDnm1 deletion strain PaDnm1::ble. 5. The PaDnm1::ble mutant is characterised by a stabilisation of mtDNA. Life-span is increased > 10fold in comparision to the wild-type. Remarkably, PaDnm1::ble isolates display no phenotypic defects after germination, i.e. growth rate, pigmentation, male as well as female fertility are wild-type like. However, PaDnm1::ble spores are sensitive to ammonium acetate.
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Metadaten
Author:Christian Quintus Scheckhuber
URN:urn:nbn:de:hebis:30-36150
Referee:Heinz D. Osiewacz, Jürgen Bereiter-Hahn
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2007/01/15
Year of first Publication:2005
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2006/03/24
Release Date:2007/01/15
Tag:Mitochondria ; ageing ; gerontology; molecular biology ; oxygen radical
SWD-Keyword:Altern ; Gerontologie; Mitochondrium ; Molekularbiologie ; Sauerstoffradikal
HeBIS PPN:183616588
Institutes:Biowissenschaften
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Universitätspublikationen
Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

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