Forschung: ausgewählte Projekte

Externes Mitglied: Larsson Gruppe

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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