Universität zu Köln

Funktion der m-AAA-Protease bei der Regulation mitochondrialer Translation

Nolden, Mark (2005) Funktion der m-AAA-Protease bei der Regulation mitochondrialer Translation. PhD thesis, Universität zu Köln.

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        Abstract

        Proteolytische Prozesse spielen bei der Qualitätskontrolle mitochondrialer Proteine und der Biogenese von Mitochondrien eine wichtige Rolle. So führt eine Inaktivierung der ATP-abhängigen m-AAA-Protease in verschiedenen Organismen zu einer gestörten Atmung, einer veränderten mitochondrialen Morphologie und zur axonalen Degeneration bei hereditären spastischen Paraplegien des Menschen. Um den molekularen Mechanismus dieser Defekte zu verstehen, sollten in dieser Arbeit Substratproteine, die möglicherweise regulatorische Funktionen ausüben, identifiziert werden. In einem ersten Ansatz sollte mit Hilfe von zweidimensionalen Gelanalysen eine mögliche Akkumulation von potentiellen Substratproteinen in m-AAA-Protease-defizienten Hefe-Mitochondrien nachgewiesen werden. Es war mit dieser Methode jedoch nicht möglich, kurzlebige Proteine zu identifizieren. Vielmehr zeigten diese Analysen eine hohe Stabilität des mitochondrialen Proteoms auf. Unter Verwendung einer proteolytisch inaktiven Variante der m-AAA-Protease sollten in einem zweiten Ansatz mögliche interagierende Substrate über eine Affinitätschromatographie gereinigt werden. Mit diesem Ansatz konnte MrpL32, eine Komponente der großen Untereinheit mitochondrialer Ribosomen, als ein Substrat der m-AAA-Protease identifiziert werden. MrpL32 wird in Abhängigkeit von der m-AAA-Protease sowohl am N- als auch am C-Terminus prozessiert. Die N-terminale Reifung führt dazu, dass MrpL32 in direkter Nachbarschaft zur inneren Mitochondrienmembran in fast vollständig assemblierte Ribosomen integriert werden kann. Die Translation der mitochondrialkodierten Proteine erfolgt entsprechend in direkter Nähe zur inneren Mitochondrienmembran. Der Ausfall der Prozessierung von MrpL32 in Abwesenheit der m-AAA-Protease führt zum Verlust der Atmungskompetenz. Da die Expression der reifen Form von MrpL32 in m-AAA-Protease-defizienten Zellen den Atmungsdefekt komplementieren kann, stellt die Reifung von MrpL32 offenbar eine zentrale Aufgabe der m-AAA-Protease während der mito¬chondrialen Biogenese dar. Dabei handelt es sich um einen konservierten Prozess. Der Verlust von Paraplegin, einer Untereinheit der murinen m-AAA-Protease, führt in Mitochondrien der Maus sowohl zu einem MrpL32-Prozessierungs- als auch zu einem Translationsdefekt. Die Verbindung zwischen der m-AAA-Protease und der Assemblierung der Ribosomen bzw. der mitochondrialen Translation könnte helfen, die zellulären Grundlagen der hereditären spastischen Paraplegie beim Menschen zu verstehen.

        Item Type: Thesis (PhD thesis)
        Translated abstract:
        AbstractLanguage
        Regulated protein degradation by conserved ATP-dependent proteases plays a fundamental role for protein quality control in mitochondria and the biogenesis of the organelles. The inactivation of the membrane associated m-AAA protease causes severe pleiotropic phenotypes in various organisms including respiratory deficiencies, mitochondrial morphology defects and axonal degeneration in hereditary spastic paraplegia. The molecular basis of these defects, however, is not understood. Further insights into the regulatory role of the m-AAA protease within mitochondria can be obtained by the identification of endogenous substrates in yeast mitochondria. In a first approach, proteomes of wild type and m-AAA protease deficient mitochondria were compared by two-dimensional-PAGE to identify short-lived mitochondrial proteins with potential regulatory functions. These experiments revealed a remarkable stability of the mitochondrial proteome, but did not allow the identification of substrates of the m-AAA protease. In a second approach, a proteolytically inactive variant of the yeast m-AAA protease was used to identify substrates irreversibly associated with the mutant protease via affinity purification. With this approach, MrpL32, a component of the large ribosomal subunit, could be identified. The m-AAA protease was shown to process MrpL32 both at the N- and C-terminus. This results in the tight association of MrpL32 with the inner mitochondrial membrane where it assembled with ribosomal particles. This mechanism permits the activation of the synthesis of mitochondrial encoded proteins in close proximity to the inner membrane. The expression of mature MrpL32 partially restored the respiratory competence of m-AAA protease deficient strains identifying the maturation of MrpL32 as a key function of the protease in yeast. The m-AAA protease-dependent processing of MrpL32 is conserved throughout evolution. The loss of paraplegin, a subunit of the homologous murine m-AAA protease, leads to a MrpL32 processing and a mitochondrial translation defect. The regulatory role of the m-AAA protease for mitochondrial ribosome assembly and mitochondrial translation may therefore help to understand why the loss of paraplegin results in axonal degeneration in hereditary spastic paraplegia.English
        Creators:
        CreatorsEmail
        Nolden, Markmark.nolden@uni-koeln.de
        URN: urn:nbn:de:hbz:38-16200
        Subjects: Life sciences
        Uncontrolled Keywords:
        KeywordsLanguage
        m-AAA-Protease , mitochondriale Translation , MrpL32 , hereditären spastischen Paraplegie , ProzessierungGerman
        m-AAA protease , MrpL32 , hereditary spastic paraplegia , mitochondrial translation , processingEnglish
        Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
        Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Genetik
        Language: German
        Date: 2005
        Date Type: Completion
        Date of oral exam: 29 November 2005
        Full Text Status: Public
        Date Deposited: 25 Jan 2006 11:59:56
        Referee
        NameAcademic Title
        Langer, ThomasProf. Dr.
        URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1620

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