Externes Mitglied: LARSSON Nebengruppe

Mitochondriale Biologie

Die Nebengruppe von Nils-Göran Larsson beschäftigt sich mit der mitochondrialen Genetik und den Auswirkungen mitochondrialer Dysfunktion auf Krankheit und Altern.

Mitochondriale Dysfunktion ist stark in den Alterungsprozess involviert. Der alternde Mensch hat ein erhöhtes Niveau an somatischen mtDNA-Mutationen, die typischerweise eine klonale Ausdehnung erfahren, um mosaikartige Muster von Atmungskettendefekten in den betroffenen Organen zu verursachen. Das System der oxidativen Phosphorylierung (OXPHOS) produziert Adenosintriphosphat (ATP), die universelle Energiewährung in Säugetiergeweben. Das OXPHOS-System besteht aus zwei funktionellen Einheiten, d.h. der Atmungskette (Komplexe I-IV) und dem Phosphorylierungssystem, zu dem die ATP-Synthase (Komplex V) gehört. Der Elektronentransport durch die Komplexe I-IV ist an die Bildung eines Protonengradienten gekoppelt, der die ATP-Synthese durch Komplex V antreibt. Eine Störung der Atmungskette und damit eine unzureichende Versorgung mit ATP kann eine Vielzahl von Phänotypen verursachen, die mit dem Altern und altersbedingten mitochondrialen Erkrankungen in Zusammenhang stehen.

Mitochondrien beherbergen ihr eigenes Genom, das bei Säugetieren ~16 kb beträgt. Die mitochondriale DNA (mtDNA) von Tieren kodiert typischerweise 2 ribosomale RNAs (rRNAs) und 22 Transfer-RNAs (tRNAs). Darüber hinaus kodiert sie für 13 Proteine, die alle Bestandteile des oxidativen Phosphorylierungssystems sind. Die übrigen Proteine des OXPHOS-Systems werden vom Kern kodiert. Proteine der Atmungskette bilden Komplexe, die sich in der inneren Membran der Mitochondrien in einem dynamischen System befinden, in dem die einzelnen Komplexe mit übergeordneten Strukturen koexistieren.

In der Gruppe von Nils-Göran Larsson verwenden wir die Hausmaus (Mus musculus) als Modellorganismus, um die Mechanismen zu untersuchen, die die Aufrechterhaltung der mtDNA und die funktionelle Rolle von Superanordnungen von Atmungskettenkomplexen kontrollieren.

Ausgewählte Projekte

Regulierung der mtDNA-Erhaltung.

Die Replikation der mitochondrialen DNA (mtDNA) von Säugetieren ist ein wesentlicher Prozess, der eine hohe Genauigkeit und Kontrolle auf mehreren Ebenen erfordert, um eine einwandfreie mitochondriale Funktion zu gewährleisten. Die für die mtDNA-Replikation erforderliche Maschinerie besteht aus der heterotrimeren mitochondrialen DNA-Polymerase (POLG), der hexameren Helikase TWINKLE, dem tetramerischen mitochondrialen einzelsträngigen Bindungsprotein (mtSSB) und der mitochondrialen RNA-Polymerase (POLRMT). Neben diesen grundlegenden Komponenten des Replisoms sind viele zusätzliche Proteine mit Nuklease, Helikase und Topoisomerase-Aktivitäten für die Aufrechterhaltung der mtDNA notwendig. Die mitochondriale Genom-Erhaltungsexonuklease 1 (MGME1; auch als DDK1 bekannt) ist an den letzten Schritten der mtDNA-Synthese beteiligt und spielt eine Rolle bei der Prozessierung von DNA-Flap-Strukturen, um die Ligation der entstehenden DNA nach Abschluss der Replikation zu ermöglichen. Vor kurzem wurde über Mutationen im Gen der mitochondrialen Genom-Erhaltungsexonuklease 1 (MGME1) bei Patienten mit einer mitochondrialen Erkrankung berichtet. Um die Funktion von MGME1 in vivo zu untersuchen, generierten wir Mgme1-Knockout-Mäuse und berichteten, dass diese mitochondriale Nuklease zusätzlich zu ihrer Rolle bei der 5'-Lappen-Entfernung eine wichtige regulatorische Rolle am Ende der mtDNA-Kontrollregion spielen könnte (Matic et al., 2018). Als Folge der defekten mtDNA-Replikation entwickeln die homozygoten MGME1-Knockout-Mäuse eine mtDNA-Depletion und akkumulieren erhebliche Mengen langer linearer subgenomischer mtDNA-Moleküle in einer Vielzahl von Mausgeweben. Darüber hinaus zeigen MGME1-Knockout-Mäuse gewebespezifische Replikationsstalling-Muster, wie sie durch neutral-neutrale zweidimensionale Agarose-Gelelektrophorese (2DNAGE) und mtDNA-Sequenzabdeckungsmuster, die durch Sequenzierung der nächsten Generation erhalten wurden, aufgezeigt werden. Diese molekularen Phänotypen unterstreichen die Bedeutung der MGME1-Knockout-Mauslinie als ein wertvolles Instrument zur Untersuchung der Gewebespezifität von mtDNA-Erhaltungsstörungen.
In diesem Projekt verwenden wir MGME1-Knockout-Mäuse, um regulatorische Prozesse zu verstehen, die die mtDNA-Erhaltung und die gewebespezifischen Manifestationen von mtDNA-Erhaltungsstörungen kontrollieren.

Überlagerung von Atmungskettenkomplexen.

Die Störung der Atmungskette spielt eine wichtige Rolle bei Krankheit und Alterung des Menschen. Es ist inzwischen erwiesen, dass die Atmungskomplexe in den tubulären inneren mitochondrialen Membraninvaginationen, den so genannten Cristae-Membranen, stark angereichert sind. Die Atmungskettenkomplexe sind häufig in verschiedene Arten von supermolekularen Zusammensetzungen organisiert, die als Superkomplexe bezeichnet werden. In Mitochondrien aus Säugetiergeweben hat BN-PAGE Superkomplexe mit unterschiedlicher Stöchiometrie nachgewiesen, darunter CI/CIII2/CIV1-4 (auch bekannt als Respirasome), CI/CIII2 und CIII2/CIV1-2. Die Strukturen für diese makromolekularen Anordnungen wurden kürzlich durch Elektronen-Kryo-Mikroskopie bestimmt, aber der Grund für die Existenz von Superkomplexen bleibt ein Rätsel (Milenkovic et al., 2017). Wir haben gezeigt, dass den C57BL/6-Mäusen, die in der Metabolismusforschung weit verbreitet sind, ein COX7a2l-Protein fehlt und sie daher keinen Superkomplex III2IVn bilden können. Dieser Mäusestamm enthält aber dennoch Respirasomen und hat eine normale Atmungskettenfunktion (Mourier et al., 2014; Pérez-Pérez et al., 2016).

In diesem Projekt untersuchen wir die Funktion von Atmungsketten-Superkomplexen bei normaler Physiologie und Alterung.

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