Universität zu Köln

Functional analysis of mammalian m-AAA proteases

Ehses, Sarah Marie (2008) Functional analysis of mammalian m-AAA proteases. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    The m-AAA protease, an ATP-dependent proteolytic complex in the inner mitochondrial membrane, controls mitochondrial protein quality and, acting as a processing enzyme, regulates mitochondrial protein synthesis in yeast. Mammalian m-AAA proteases assemble into several isoenzymes with variable subunit composition. In mice, the three different subunits paraplegin, Afg3l1 and Afg3l2, are expressed in a tissue-specific manner. Loss-of-function mutations in the m-AAA protease subunit paraplegin cause the neurodegenerative disease hereditary spastic paraplegia (HSP) which is mainly characterized by a cell-specific axonal degeneration. Similarly, Afg3l2 mutant mice exhibit neuropathological features with a severe defect in axonal development. The molecular basis of these neuron-specific phenotypes as well as cellular functions of mammalian m-AAA proteases in general remain unclear and are studied within this thesis. Using an HSP mouse model lacking paraplegin, a liver-specific mitochondrial translation defect was observed which is consistent with a functional conservation of the m-AAA protease-dependent control of mitochondrial protein synthesis in mammals. However, a significant impairment of mitochondrial protein synthesis and mitochondrial respiration in brain and spinal cord was not observed suggesting that axonal degeneration in HSP due to a loss of paraplegin occurs in the absence of a general respiratory dysfunction. The analysis of m-AAA isoenzymes on a cellular level using RNA interference revealed redundant functions of the subunits Afg3l1 and Afg3l2 and identified paraplegin as a new substrate which is processed by Afg3l1 and Afg3l2. Depletion of the m-AAA protease in MEFs resulted in mitochondrial fragmentation accompanied by an impaired biogenesis of OPA1, an essential component of the mitochondrial fusion machinery. Long OPA1 isoforms were destabilized and cleaved in an accelerated manner. The overexpression of a non-cleavable long OPA1 isoform in m-AAA protease-depleted cells restored the tubular mitochondrial network identifying impaired OPA1 processing as the primary cause for the mitochondrial morphology defect. Furthermore, the m-AAA protease was found to be essential for inducing mitochondrial hyperfusion, a cellular stress response which results in a highly interconnected mitochondrial network. The findings of this study indicate that the m-AAA protease has crucial functions in the regulation of mitochondrial morphology by controlling the biogenesis of OPA1 isoforms which may provide new insights into the molecular mechanisms of axonopathies caused by the loss of m-AAA protease subunits in mammals.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Die m-AAA Protease, ein ATP-abhängiger proteolytischer Komplex in der inneren mitochondrialen Membran, kontrolliert in Hefe die mitochondriale Proteinqualität und reguliert durch ihre Funktion als Prozessierungsenzym die mitochondriale Proteinsynthese. Die m AAA Proteasen in Säugern assemblieren in verschiedene Isoenzyme, die aus unterschiedlichen Untereinheiten bestehen. In der Maus werden die drei Untereinheiten Afg3l1, Afg3l2 und Paraplegin gewebespezifisch exprimiert. Mutationen in der m-AAA Proteaseuntereinheit Paraplegin führen zu hereditärer spastischer Paraplegie (HSP), einer neurodegenerativen Krankheit, die durch eine zellspezifische axonale Degeneration gekennzeichnet ist. Mäuse, die Mutationen in der Untereinheit Afg3l2 tragen, weisen ebenfalls neuropathologische Symptome auf und haben einen starken Defekt in der axonalen Entwicklung. Die molekulare Grundlage dieser neuronen-spezifischen Phänotypen sowie die Funktionen der m-AAA Proteasen in Säugern im Allgemeinen sind unklar und wurden in dieser Arbeit untersucht. Die Analyse eines Mausmodels für HSP enthüllte einen leberspezifischen Defekt der mitochondrialen Proteinsynthese, der auf eine Konservierung der m-AAA Protease-vermittelten Kontrolle der mitochondrial Proteinsynthese in Säugern hindeutet. Eine signifikanter Beeinträchtigung der mitochondrialen Proteinsynthese wie auch der mitochondrialen Atmung konnte in Gehirn und Rückenmark jedoch nicht beobachtet werden. Dies lässt vermuten, dass die axonale Degeneration in HSP nicht durch einen generellen mitochondrialen Atmungsdefekt verursacht wird. Die Analyse der m-AAA Isoenzyme auf zellulärer Ebene durch RNA Interferenz ergab redundante Funktionen der Untereinheiten Afg3l1 und Afg3l2 und identifizierte Paraplegin als ein neues Substrat, welches von Afg3l1 und Afg3l2 prozessiert wird. Der Verlust der m AAA Protease in MEFs führte zu einer Fragmentierung der Mitochondrien, begleitet von einer gestörten Biogenese von Isoformen der mitochondrialen Fusionskomponente OPA1. Lange OPA1 Isoformen wurden destabilisiert und in einer beschleunigten Weise prozessiert. Die Überexpression einer langen OPA1 Isoform in Zellen, in denen die m AAA Protease depletiert wurde, führte zu einer Wiederherstellung des tubulären mitochondrial Netzwerkes. Dies identifizierte die beeinträchtigte OPA1 Prozessierung als Hauptgrund für den Defekt der mitochondrialen Morphologie. Zudem konnte gezeigt werden, dass die m-AAA Protease essentiell für die Induzierung der mitochondrialen Hyperfusion ist, einer zellulären Stressantwort, welche zu einem stark zusammenhängenden mitochondrialen Netzwerk in der Zelle führt. Die Befunde dieser Arbeit lassen auf eine entscheidende Funktion der m-AAA Protease in der Regulation der mitochondrialen Morphologie schliessen, möglicherweise durch die Kontrolle der Biogenese von OPA1. Dies könnte dazu beitragen, neue Einsichten in die molekularen Mechanismen der Axonopathien zu erhalten, welche durch den Verlust von m AAA Proteaseuntereinheiten in Säugern entstehen.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Ehses, Sarah Mariesarah.ehses@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-26277
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Mitochondrien, Proteasen, Neurodegeneration, mitochondriale MorphologyGerman
    Mitochondria, proteases, neurodegeneration, mitochondrial morphologyEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Genetik
    Language: English
    Date: 2008
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 21 October 2008
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 25 May 2009 10:52:07
    Referee
    NameAcademic Title
    Langer, ThomasProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2627

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