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The filamentous ascomycete Podospora anserina is a well-established model system to study organismic aging. Its senescence syndrome has been investigated for more than fifty years and turned out to have a strong mitochondrial etiology. Several different mitochondrial pathways were demonstrated to affect aging and lifespan. Here, we present an update of the literature focusing on the cooperative interplay between different processes.
The endoplasmic reticulum–mitochondria encounter structure (ERMES) connects the mitochondrial outer membrane with the ER. Multiple functions have been linked to ERMES, including maintenance of mitochondrial morphology, protein assembly and phospholipid homeostasis. Since the mitochondrial distribution and morphology protein Mdm10 is present in both ERMES and the mitochondrial sorting and assembly machinery (SAM), it is unknown how the ERMES functions are connected on a molecular level. Here we report that conserved surface areas on opposite sides of the Mdm10 β-barrel interact with SAM and ERMES, respectively. We generated point mutants to separate protein assembly (SAM) from morphology and phospholipid homeostasis (ERMES). Our study reveals that the β-barrel channel of Mdm10 serves different functions. Mdm10 promotes the biogenesis of α-helical and β-barrel proteins at SAM and functions as integral membrane anchor of ERMES, demonstrating that SAM-mediated protein assembly is distinct from ER-mitochondria contact sites.
Mitochondrial respiratory supercomplexes (mtRSCs) are stoichiometric assemblies of electron transport chain (ETC) complexes in the inner mitochondrial membrane. They are hypothesized to regulate electron flow, the generation of reactive oxygen species (ROS) and to stabilize ETC complexes. Using the fungal ageing model Podospora anserina, we investigated the impact of homologues of the Saccharomyces cerevisiae respiratory supercomplex factors 1 and 2 (termed PaRCF1 and PaRCF2) on mtRSC formation, fitness and lifespan. Whereas PaRCF2’s role seems negligible, ablation of PaRCF1 alters size of monomeric complex IV, reduces the abundance of complex IV-containing supercomplexes, negatively affects vital functions and shortens lifespan. PaRcf1 overexpression slightly prolongs lifespan, though without appreciably influencing ETC organization. Overall, our results identify PaRCF1 as necessary yet not sufficient for mtRSC formation and demonstrate that PaRCF1-dependent stability of complex IV and associated supercomplexes is highly relevant for maintenance of the healthy lifespan in a eukaryotic model organism.
Background: Protein translocation across membranes is a central process in all cells. In the past decades the molecular composition of the translocation systems in the membranes of the endoplasmic reticulum, peroxisomes, mitochondria and chloroplasts have been established based on the analysis of model organisms. Today, these results have to be transferred to other plant species. We bioinformatically determined the inventory of putative translocation factors in tomato (Solanum lycopersicum) by orthologue search and domain architecture analyses. In addition, we investigated the diversity of such systems by comparing our findings to the model organisms Saccharomyces cerevisiae, Arabidopsis thaliana and 12 other plant species.
Results: The literature search end up in a total of 130 translocation components in yeast and A. thaliana, which are either experimentally confirmed or homologous to experimentally confirmed factors. From our bioinformatic analysis (PGAP and OrthoMCL), we identified (co-)orthologues in plants, which in combination yielded 148 and 143 orthologues in A. thaliana and S. lycopersicum, respectively. Interestingly, we traced 82% overlap in findings from both approaches though we did not find any orthologues for 27% of the factors by either procedure. In turn, 29% of the factors displayed the presence of more than one (co-)orthologue in tomato. Moreover, our analysis revealed that the genomic composition of the translocation machineries in the bryophyte Physcomitrella patens resemble more to higher plants than to single celled green algae. The monocots (Z. mays and O. sativa) follow more or less a similar conservation pattern for encoding the translocon components. In contrast, a diverse pattern was observed in different eudicots.
Conclusions: The orthologue search shows in most cases a clear conservation of components of the translocation pathways/machineries. Only the Get-dependent integration of tail-anchored proteins seems to be distinct. Further, the complexity of the translocation pathway in terms of existing orthologues seems to vary among plant species. This might be the consequence of palaeoploidisation during evolution in plants; lineage specific whole genome duplications in Arabidopsis thaliana and triplications in Solanum lycopersicum.
Membrane-embedded β-barrel proteins are found in the outer membranes (OM) of Gram-negative bacteria, mitochondria and chloroplasts. In eukaryotic cells, precursors of these proteins are synthesized in the cytosol and have to be sorted to their corresponding organelle. Currently, the signal that ensures their specific targeting to either mitochondria or chloroplasts is ill-defined. To address this issue, we studied targeting of the chloroplast β-barrel proteins Oep37 and Oep24. We found that both proteins can be integrated in vitro into isolated plant mitochondria. Furthermore, upon their expression in yeast cells Oep37 and Oep24 were exclusively located in the mitochondrial OM. Oep37 partially complemented the growth phenotype of yeast cells lacking Porin, the general metabolite transporter of this membrane. Similarly to mitochondrial β-barrel proteins, Oep37 and Oep24 expressed in yeast cells were assembled into the mitochondrial OM in a pathway dependent on the TOM and TOB complexes. Taken together, this study demonstrates that the central mitochondrial components that mediate the import of yeast β-barrel proteins can deal with precursors of chloroplast β-barrel proteins. This implies that the mitochondrial import machinery does not recognize signals that are unique to mitochondrial β-barrel proteins. Our results further suggest that dedicated targeting factors had to evolve in plant cells to prevent mis-sorting of chloroplast β-barrel proteins to mitochondria.
Untersuchungen zur molekularen Kontrolle der Kupferhomöostase in dem Ascomyceten Podospora anserina
(2007)
Das essentielle Spurenelement Kupfer ist Co-Faktor mehrerer Schlüsselenzyme (z B. Cu/Zn-SOD, Cytochrom c Oxidase). Da Kupfer leicht Elektronen aufnehmen und abgeben kann, eignet es sich besonders gut für Redox-Reaktionen. Wenn Kupfer jedoch mit Sauerstoff reagiert, entstehen hoch cytotoxische reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die nach der „freien Radikaltheorie des Alterns“ (nach D. Harman 1956) ursächlich für Alterung und Zelltod sind. Um deren Bildung zu vermeiden, erfolgen alle Aspekte des Kupferstoffwechsels – Aufnahme, Transport und Speicherung - stets proteingebunden. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich bis auf drei Ausnahmen die gesamte bislang bekannte Maschinerie der molekularen Kupferhomöostase aus anderen Modellorganismen (z.B. S. cerevisiae oder H. sapiens) auch im Genom des Ascomyceten Podospora anserina mit Homologen bzw. Orthologen wiederfindet. Die drei Ausnahmen betreffen jeweils Proteine, für die in anderen Organismen mehrere Isoformen existieren und P. anserina nur jeweils ein Homolog/Ortholog besitzt. Für mehrere der neu vorhergesagten Gene (PaAtx1, PaCcc2, PaCcs1, PaCox11, PaCox19, PaCox23, PaSco1) konnte eine Expression im Wildstamm nachgewiesen werden. Dazu wurden Standardtechniken (Northern Blot Analyse, RT-PCR) und auch neu etablierte eGFP-Reporterkonstrukte verwendet. In Podospora anserina scheint Kupfer auf zwei verschiedene Arten Einfluss auf die Lebensspanne zu nehmen: Zum einen mittelbar darüber, dass die Verfügbarkeit von Kupfer über die in der mitochondrialen Atmung verwendete Endoxidase entscheidet. Bei Kupfermangel wird eine Eisen-abhängige alternative Oxidase (AOX) induziert. Durch Atmung über die AOX entstehen weniger ROS, was die Lebensspanne verlängert. Anhand einer Vielzahl langlebiger Mutanten konnte dieser Zusammenhang bereits mehrfach demonstriert werden. Zum anderen scheint Kupfer auch eine unmittelbare Rolle in der Seneszenz von P. anserina zu spielen. In früheren Arbeiten konnten mehrere indirekte Hinweise (Transkript- und Aktivitätsanalysen) gesammelt werden, dass im Alter die cytoplasmatische Kupferkonzentration drastisch ansteigt. Durch Messung der Kupferkonzentration mittels einer direkten chemisch-analytische Methode (TXRF) in fraktionierten Zellbestandteilen (Cytoplasma und Mitchondrien) konnten in dieser Arbeit diese Hinweise weiter untermauert werden. Experimente mit in die mitochondriale Matrix geleitetem eGFP brachten zusätzliche Indizien dafür, dass das mitochondriale Kupfer-Reservoir die Quelle des sich in seneszenten Pilzstämmen im Cytoplasma wiederfindenden Kupfers ist. Durch einen Prozess, der größenabhängig reguliert und in anderen Organismen als „Mitochondrial Permeability Transition – MPT“ zu Beginn der Apoptose bekannt ist, ergiesst sich beim Eintritt in die Seneszenz der Inhalt der mitochondrialen Matrix in das Cytosol. Die Bedeutung dieses Vorgangs und v.a. die Folgen der Umverteilung von Kupfer innerhalb der Zelle bleiben im Detail weiter zu klären. Durch die durchgeführten Arbeiten konnte ein weiterer deutlicher Beweis für das Ablaufen apoptotischer Mechansimen im Alterungsprozeß des Ascomyceten P. anserina erbracht werden.
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.