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Die mitochondriale Innenmembran (IM) besteht aus zwei Subkompartimenten. Der
Cristae Membran (CM) und der inneren Grenzmembran (IBM), welche durch die runden und
schlitzartige Strukturen der Christa Junctions (CJs) verbunden werden Der MICOS-Komplex
ist an den CJs lokalisiert und besteht aus mindestens 6 Komponenten, Mic60, Mic27, Mic26,
Mic19, Mic12 und Mic10. Es ist bekannt, dass der MICOS-Komplex essentiell für die Stabilität der CJs ist. Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse, geben Aufschluss darüber, wie sich
einzelne MICOS-Komponenten auf die Stabilität von Cristae und CJs im Modellsystem Hefe (S
cerevisiae) auswirken. Zu Beginn dieser Arbeit war zum einen bekannt, dass die MICOSKomponente
Mic60 essentiell für die Bildung von CJs ist. Zum Anderen wurden im Vorfeld
dieser Arbeit Interaktionen von Mic60 mit Proteinen in der mitochondrialen Außenmembran,
vor allem Proteinkomplexe mit ȕ-barrel-Proteinen identifiziert. Diese Interaktionen werden
über den evolutionär, konservierten C-Terminus von Mic60 vermittelt.
ȕ-barrel Proteine besitzen eine charakteristische Peptidsequenz, die ȕ-Sequenz. Diese
dient nach dem Import der ȕ-barrel Proteine in die Mitochondrien als Signalpeptid für den
SAM-/TOB-Komplex, welcher daraufhin die Proteine in die Außenmembran insertiert. In
dieser Arbeit wurde ebenfalls eine ȕ-Sequenz im C-Terminus von Mic60 identifiziert, diese
zeigte einen Einfluss auf die Cristae-Stabilität. Zellen die eine Mic60-Variante mit einer
Deletion oder Punktmutation der ȕ- Domäne exprimieren, zeigten eine reduzierte Anzahl an
CJs. Auch das Verkürzen des C-Terminus von Mic60 hatte diesen Effekt auf die mitochondriale
Ultrastruktur. So konnte gezeigt werden, dass die ȕ-Domäne und die Integrität des C-Terminus
essentiell für die Stabilität von CJs sind.
Der Fokus dieser Arbeit lag in der Charakterisierung der MICOS-Komponenten Mic26
und Mic27. Es konnte bewiesen werden, dass beide Proteine genetisch mit der MICOSKernkomponente
Mic60 interagieren. Die Untersuchung der mitochondrialen Ultrastruktur von
Δmicβ6- und Δmicβ7-Zellen zeigte, dass eine Deletion vom Mic26 keinen Einfluss auf die
Organisation der mitochondrialen Innenmembran hat. Im Gegensatz dazu, ist im Vergleich zum
Wildtyp die Anzahl an CJs in Δmicβ7-Zellen um zwei Drittel reduziert. Auch die
Innenmembranoberfläche ist in diesen Zellen stark vergrößert. Die Untersuchung der
Morphologie der mitochondrialen Innenmembran in Zellen ohne Mic27 durch KryoElektronentomographie
isolierter Mitochondrien, veranschaulichte die Struktur der CJs in
diesen Zellen genauer. Es zeigten sich hier breitere CJs, und der Übergang von der
Cristaemembran in den Bereich der inneren Grenzmembran ist sehr flach und undefiniert. In
Wildtyp-Mitochondrien waren die CJs schmal und schlitzartig und haben einen scharfkantigen
Übergang von der Cristaemembran zur inneren Grenzmembran. Des Weiteren wies die
Cristaemembran in Δmicβ7-Zellen unregelmäßige zackige Strukturelemente auf, was auf eine
Anhäufung an Dimeren der F1FO-ATP Synthase hinweist.
Diese Beobachtungen in den Kryo-Tomogrammen, wurde durch Analysen des sich deutlich weniger höhere Oligomere und vermehrt Dimere. So kann aus diesen Befunden
geschlossen werden, dass Mic27 die Oligomere der F1FO-ATP Synthase stabilisiert.
Um zu untersuchen, wie der MICOS-Komplex mit der F1FO-ATP Synthase in
Verbindung steht, wurde mittels 2D-BNE-Analysen und einem Complexome Profiling die
Komplexierung der nativen Komplexe in Wildtyp- und Δmicβ7-Mitochondrien analysiert. Zum
einen konnte durch diese Untersuchungen gezeigt werden, dass Mic27 neben der F1FO-ATP
Synthase auch stabilisierend auf den MICOS-Komplex wirkt. Die Komplexe im
hochmolekularen Bereich der MICOS-Komponenten zerfielen in Δmicβ7-Zellen, was darauf
hinweist, dass die anderen MICOS-Komponenten hier nicht mehr assemblieren können. Mic10
war die einzige MICOS-Komponente die in Δmicβ7-Zellen noch stabile Komplexe im hohen
Massenbereich ausbildete. Mic10 findet sich zudem nicht nur in Klustern mit anderen MICOSKomponenten
sondern auch mit der F1FO-ATP Synthase.
Die Interaktion von Mic10 und der F1FO-ATP Synthase wurde auch biochemisch,
mittels chemischer Quervernetzern und Ko-Immunpräzipitationsexperimenten bestätigt. Dies
legt nahe, dass Mic10 die CJs mit hoher Wahrscheinlichkeit, durch die Verbindung mit der
F1FO-ATP Synthase, mit der Cristaemembran verbindet und so stabilisiert.
Aufgrund der Erkenntnisse dieser Arbeit konnte ein neuartiges Modell postuliert
werden. Die MICOS-Komponente Mic60 stabilisiert die CJs durch eine Interaktion seines CTerminus
mit Proteinen in der Außenmembran. Mic27 vermittelt über Mic10 die Interaktion
zur F1FO-ATP Synthase. Somit ist diese neu identifizierte Interaktion des MICOS-Komplex zur
F1FO-ATP Synthase essentiell für die Stabilität von CJs ist, indem es den MICOS-Komplex mit
den Oligomeren der F1FO-ATP Synthase verbindet.
Oligomerisierungszustands der F1FO-ATP Synthase in Δmicβ7-Zellen, bestätigt. Hier fanden
sich deutlich weniger höhere Oligomere und vermehrt Dimere. So kann aus diesen Befunden
geschlossen werden, dass Mic27 die Oligomere der F1FO-ATP Synthase stabilisiert.
Um zu untersuchen, wie der MICOS-Komplex mit der F1FO-ATP Synthase in
Verbindung steht, wurde mittels 2D-BNE-Analysen und einem Complexome Profiling die
Komplexierung der nativen Komplexe in Wildtyp- und Δmicβ7-Mitochondrien analysiert. Zum
einen konnte durch diese Untersuchungen gezeigt werden, dass Mic27 neben der F1FO-ATP
Synthase auch stabilisierend auf den MICOS-Komplex wirkt. Die Komplexe im
hochmolekularen Bereich der MICOS-Komponenten zerfielen in Δmicβ7-Zellen, was darauf
hinweist, dass die anderen MICOS-Komponenten hier nicht mehr assemblieren können. Mic10
war die einzige MICOS-Komponente die in Δmicβ7-Zellen noch stabile Komplexe im hohen
Massenbereich ausbildete. Mic10 findet sich zudem nicht nur in Klustern mit anderen MICOSKomponenten
sondern auch mit der F1FO-ATP Synthase.
Die Interaktion von Mic10 und der F1FO-ATP Synthase wurde auch biochemisch,
mittels chemischer Quervernetzern und Ko-Immunpräzipitationsexperimenten bestätigt. Dies
legt nahe, dass Mic10 die CJs mit hoher Wahrscheinlichkeit, durch die Verbindung mit der
F1FO-ATP Synthase, mit der Cristaemembran verbindet und so stabilisiert.
Aufgrund der Erkenntnisse dieser Arbeit konnte ein neuartiges Modell postuliert
werden. Die MICOS-Komponente Mic60 stabilisiert die CJs durch eine Interaktion seines CTerminus
mit Proteinen in der Außenmembran. Mic27 vermittelt über Mic10 die Interaktion
zur F1FO-ATP Synthase. Somit ist diese neu identifizierte Interaktion des MICOS-Komplex zur
F1FO-ATP Synthase essentiell für die Stabilität von CJs ist, indem es den MICOS-Komplex mit
den Oligomeren der F1FO-ATP Synthase verbindet.
Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen: 1. Eindimensionale Gelelektrophoresen Die Analyse mitochondrialer Proteine aus juvenilen und seneszenten P. anserina-Wildstämmen mit Hilfe von eindimensionalen SDS- und eindimensionalen Blau-Nativen-Gelelektrophoresen zeigt keine deutlichen, seneszenzspezifischen Unterschiede. Im Gegensatz dazu werden in initialen Versuchen der nicht-radioaktiven 2D-PAGE differentiell gebildete Proteine visualisiert. 2. 2D-PAGE mit radioaktiv-markierten, mitochondrialen Proteinen aus jungen und alten P. anserina-Wildstämmen In der ungerichteten Proteomanalyse wurden 29 differentiell-gebildete Proteine identifiziert und zusätzlich zahlreiche Isoformen einiger Proteine gezeigt. Von der ß-ATPase wurden modifizierte Isoformen gefunden. Außerdem wurde eine seneszenspezifisch verringerte Bildung von ROS-Abwehr-Proteinen in den Mitochondrien detektiert. Im Gegensatz dazu wurde eine größere Menge eines Chaperons gefunden, das bei der Proteinsynthese eine Rolle spielt: eine Protein-Disulfid-Isomerase, die die Umlagerung und Neubildung von Di-Sulfid-Brücken bei der Faltung von Proteinen katalysiert. Zusätzlich wurde eine erhöhte Menge des Proteins SSC1 identifiziert. Dieses gehört zur Hsp70-Hitzeschock-Proteinfamilie. Es wurde ebenfalls eine erhöhte Menge des Apoptosefaktors Cyclophilin D in den mitochondrialen Proben aus den seneszenten Wildstämmen identifiziert. Die Identifizierung dieses Proteins in Mitochondrien von P. anserina stellt neben der Charakterisierung der Metacaspasen (Hamann et al., 2007) einen weiteren Ansatzpunkt für die Apoptoseforschung in P. anserina dar. Die molekularbiologische Analyse dieses Proteins wurde aufgrund dieser Proteomanalyse im Arbeitskreis aufgenommen (Dissertation D. Brust). Ein weiteres Protein, das in stark erhöhter Menge in den Proteinisolaten identifiziert wurde, ist PaMTH1. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Struktur und die Funktion dieser neu identifizierten differentiell-gebildeten Methyltransferase während der Alterung in P. anserina mit Hilfe molekularbiologischer, biochemischer und physiologischen Analysen untersucht. 3. Charakterisierung von PaMTH1 Im Rahmen von Northernblot-Analysen wurde gezeigt, dass die PaMth1-Transkriptmenge in drei unabhängigen alten Wildstämmen im Vergleich zu den entsprechenden jungen Wildtsämmen deutlich erhöht ist. In einer Westernblot-Analyse von Gesamtproteinen und Mitochondrien aus jungen und seneszenten Wildstämmen wird der seneszenzspezifische Anstieg der Proteinmenge verifiziert. Die genauere Einordnung von PaMTH1 in die Klasse I der Methyltransferasen und die Ergebnisse der Analyse der Substratspezifizität geben einen Hinweis auf eine Schutzfunktion durch die Verhinderung einer ROS-Entstehung unter der Beteiligung von Substanzen mit einer Catecholgruppe. Die Ergebnisse der Analyse der Modulation der PaMth1-Expression in P. anserina deuten ebenfalls auf eine Schutzwirkung von PaMTH1 hin: PaMth1-Überexpressionsstämme zeigen eine verbesserte Wuchsrate auf stress-induzierenden Medien, weniger carbonylierte Proteine und vor allem eine verlängerte Lebensspanne ohne physiologische Nachteile im Vergleich zum Wildstamm. Dagegen lebt die PaMth1-Deletionsmutante kürzer und wächst schlechter auf ROS-induzierenden Medien, sie zeigt allerdings keine erhöhte Menge von carbonylierten Proteinen im eindimensionalen „Oxyblot“. Die beobachtete Lebensspannenverkürzung der PaMth1-Deletionsmutante wird jedoch durch die Reversion dieser Stämme wieder aufgehoben, sodass die Hypothese des Schutzes vor der ROS-Generierung durch die Methylierung von Dihydroxylgruppen anhand der erhaltenen Daten unterstützt wird.
Tauopathien sind eine Gruppe von neurodegenerativen Erkrankungen zu denen auch die Alzheimer Demenz zählt, die als gemeinsames pathologisches Merkmal die intrazelluläre Akkumulation von neurofibrillären Bündeln (NFTs) aufweisen. Diese bestehen aus hyperphosphoryliertem Tau-Protein, das hierdurch seine physiologische Funktion, die Assemblierung von Mikrotubuli zu fördern und diese zu stabilisieren, verliert. Der genaue Mechanismus, der bei diesen Erkrankungen zur Neurodegeneration führt und mit Demenz, Parkinsonismus und motorischen Störungen einhergehen kann, ist bisher weitgehend ungeklärt. Da mitochondriale Dysfunktion bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen eine entscheidende Rolle spielt, wurde in der vorliegenden Arbeit anhand eines Zellmodells zum Einen der Effekt durch die Überexpression von gesundem Wildtyp-Tau (hTau40) und zum Anderen die Auswirkungen der P301L-Mutation, wie sie auch bei der frontotemporalen Demenz mit Parkinsonismus (FTDP-17) auftritt, auf die mitochondriale Morphologie und Funktion untersucht. Die grundlegende Charakterisierung deckte eine weitreichende Einflussnahme von Tau auf den Energiestoffwechsel der Zellen auf. Die Überexpression von Tau führt zu einer verminderten Expression der Komplexe I, II und IV sowie einer veränderten Aktivität der mitochondrialen Atmungskettenkomplexe I-III. Zudem weist die verminderte Aktivität der Citrat-Synthase auf eine Beeinträchtigung des Citratzyklus hin. Der maßgebliche Unterschied zwischen den Tau überexprimierenden Zellen besteht in dem deutlich erniedrigtem Gehalt (NADH:HAR-Aktivität) und der drastisch erniedrigten Aktivität (NADH:DBQ-Aktivität) von Komplex I in den TauP301L-Zellen, wohingegen die hTau40-Zellen trotz eines vermindertem Gehalts im Vergleich zu den Kontroll-Zellen eine deutlich erhöhte Aktivität (DBQ/HAR-Aktivität) aufweisen. Diese gegensätzliche Aktivität von Komplex I führt zu weitreichenden Veränderungen der Zellphysiologie, was sich am deutlichsten in der daraus resultierenden metabolischen Aktivität (NADH-Spiegeln), den ATP-Spiegeln und dem mitochondrialen Membranpotential zeigt. Diese Parameter sind in den hTau40-Zellen aufgrund der hohen Komplex I-Aktivität erhöht und in den TauP301L-Zellen entsprechend erniedrigt. Ebenso spiegeln sich diese funktionellen Parameter in der veränderten Morphologie, Dynamik sowie der Ultrastruktur der Mitochondrien wieder. Die Cristae-Struktur sowie die Dichte der Matrix lassen eindeutige Rückschlüsse auf die aus den unterschiedlichen Komplex I-Aktivitäten resultierenden ATP-Spiegel zu. Weiterhin gibt es in der Literatur Hinweise, dass zum Einen die Transportrichtung der Mitochondrien von der Affinität der Motormoleküle von dem ATP-Gehalt der Mitochondrien abhängig zu sein scheint und zum Anderen, dass die Hemmung von Komplex I zu einem retrograden Transport und perinukleären Morphologie der Mitochondrien führt. Dies konnte ebenfall in den TauP301L-Zellen gezeigt werden. Zusätzlich sind hier die mitochondriale Bewegung sowie die Dynamik (Fusion und Fission) verringert. Interessanterweise spiegeln viele der funktionellen und strukturellen Veränderungen der TauP301L-Zellen den Alterungsprozess wieder, da es im Alter zu einer erhöhten Rate an oxidativen mtDNA-Schäden, einer verminderten Aktivität von Komplex I sowie zu einer verringerten Effektivität und Kapazität der oxidativen Phosphorylierung kommt, die in niedrigeren ATP-Spiegeln resultiert. Anhaltspunkte aus der Literatur bringen auch die morphologischen und dynamischen Veränderungen der Mitochondrien mit dem Alterungsprozess in Verbindung, wodurch das in dieser Arbeit verwendete Zellmodell anscheinend den Alterungsprozess widerspiegelt, der bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen den Hauptrisikofaktor für die Erkrankung darstellt. Die Mutation P301L führt weiterhin dazu, dass die Zellen eine erhöhte Vulnerabilität gegenüber sekundären Insulten aufweisen. Obwohl die Toxizität der einzelnen Stimuli – seien es nun Inhibitoren der einzelnen Atmungskettenkomplexe oder oxidativer sowie nitrosativer Stress – sich unterschiedlich auf die gemessenen physiologischen Parameter der Zellen auswirkte, so zeigt sich durchgängig bei den TauP301L-Zellen ein stärkerer Abfall der metabolischen Aktivität und der ATP-Spiegel. Zudem führte die Überexpression von hTau40 zu einer geringeren Vulnerabilität gegenüber den sekundären Insulten. Trotz der geringen Auswirkungen von oligomerem und fibrillärem Aß1-42 auf die mitochondriale Funktion der SH-SY5Y Zellen kann nicht ausgeschlossen werden, dass in vivo nicht doch ein Teufelskreislauf besteht, sodass sich die Toxizität von Aß und Tau potenziert. Insgesamt machen die Ergebnisse dieser Arbeit deutlich, dass mitochondriale Dysfunktion auch bei Tauopathien eine entscheidende Rolle in der Pathogenese spielt und sich hierdurch neue Aspekte zur therapeutischen Intervention ergeben.