Universität zu Köln

Metodiev, Metodi Dimitrov (2006). Role of prohibitins for proteolysis in yeast and murine mitochondria. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Prohibitins, Phb1 and Phb2, are evolutionary conserved proteins with diverse cellular localization and different functions. In yeast, prohibitins form a high molecular weight complex in the inner mitochondrial membrane which physically interacts with the mAAA protease and affects the stability of non assembled proteolytic substrates. In the present work, I examined two possible roles of prohibitins in proteolysis: i) role as negative regulators of the mAAA protease (Steglich et al., 1999) and/or ii) function as molecular chaperones for the assembly of newly synthesized mitochondrial proteins (Nijtmans et al., 2000). To discriminate between both possibilities, the stability of proteolytic substrates of the mAAA protease was examined in cells harboring different levels of prohibitins. While overexpression of prohibitins did not stabilize non-native inner membrane proteins absence of prohibitins resulted in their rapid proteolysis. The results presented in this work suggest that prohibitins do not play a role as chaperones for the stabilization of mitochondrial proteins. Rather, prohibitins function by binding to the mAAA protease in a nucleotide independent manner and presumably modulating the accessibility of substrate to the protease or the activity of the protease. The mAAA protease is recognized as a crucial component of the mitochondrial quality control system in yeast and in human (Arlt et al., 1996; Arlt et al., 1998; Nolden et al., 2005). In human, the mAAA protease is built up of paraplegin and Afg3l2 which are homologous to the yeast Yta10 and Yta12 proteins (Atorino et al., 2003). In mice, a third AAA subunit called Afg3l1 is expressed (Kremmidiotis et al., 2001) and, therefore, the subunit composition of the murine mAAA protease is unknown. Here, the complexes between paraplegin, Afg3l1 and Afg3l2 were examined in mitochondria from wild type and in SPG7-/- mouse strains. Immunoprecipitation experiments showed that paraplegin, Afg3l1 and Afg3l2 physically interact and are contained in a high molecular weight complex with prohibitins suggesting a conserved role of Phb1 and Phb2 for proteolysis in murine mitochondria. Co-immunoprecipitation and immunodepletion experiments using liver mitochondria from a SPG7-/- mouse strain showed that Afg3l1 and Afg3l2 can also form high molecular weight complexes in the absence of paraplegin. These complexes were additionally able to interact with prohibitins suggesting that paraplegin is not essential for this interaction. Since paraplegin-specific antibodies are able to precipitate Phb1 and Phb2, it is conceivable that also paraplegin-Afg3l1 and paraplegin-Afg3l2 complexes will be able to bind prohibitins. Thus, mAAA proteases with different subunit composition appear to exist in the inner membrane of murine mitochondria. The physiological relevance of mAAA proteases with different subunit composition is discussed in view of differences in their substrate specificities and/or different tissue distribution.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Rolle von Prohibitinen bei der Proteolyse in Hefe und Maus Mitochondrien German
Translated abstract:	Abstract Language Die Prohibitine Phb1 und Phb 2 sind evolutionär konservierte Proteine mit unterschiedlicher zellulärer Lokalisation und Funktion. In Hefe formen Prohibitine einen hochmolekularen Komplex in der inneren Mitochondrienmembran, der physikalisch mit der mAAA Protease interagiert und die Stabilität von nicht-assemblierten proteolytischen Substraten beeinflußt. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei mögliche Funktionen von Prohibitinen bei der Proteolyse untersucht: 1) Prohibitine als negativer Regulator in der mAAA Protease (Steglich et al., 1999) und/oder 2) Prohibitine in der Funktion als molekulare Chaperone für die Assemblierung neu synthetisierter mitochondrialer Proteine (Nijtmans et al., 2000). Um diese beiden Funktionen unterscheiden zu können, wurde die Stabilität der proteolytischen Substrate der mAAA Protease in Zellen untersucht, die unterschiedliche Mengen von Prohibitinen enthielten. Während die Überexpression von Prohibitinen die Stabilität von nicht-nativen Proteinen der inneren Membran nicht erhöhte, bewirkte die Abwesenheit von Prohibitinen ihre schnelle Proteolyse. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen also vermuten, daß Prohibitine bei der Stabilisierung von mitochondrialen Proteinen nicht als Chaperone fungieren. Es scheint eher, daß Prohibitine durch die Bindung an mAAA Protease in einer Nukleotid-unabhängigen Weise funktionieren und eventuell die Zugänglichkeit von Substraten für die Protease oder die Aktivität der Protease beeinflussen. mAAA Protease ist ein entscheidender Faktor im mitochondrialen Qualitätskontrollsystem in Hefe und menschlichen Zellen (Arlt et al., 1996; Arlt et al., 1998; Nolden et al., 2005). In menschlichen Zellen besteht Protease aus Paraplegin und Afg3l2, die homolog zu den Hefeproteinen Yta10 und Yta12 sind (Atorino et al., 2003). In Mäusen wird eine dritte AAA Untereinheit, genannt Afg3l1 exprimiert (Kremmidiotis et al., 2001) und somit bleibt die Zusammensetzung der murinen mAAA Proteaseuntereinheit weiter unbekannt. In dieser Arbeit wurden die Komplexe aus Paraplegin, Afg3l1 und Afg3l2 in den Mitochondrien von Wildtyp- und SPG7-/- Mausstämmen untersucht. Immunpräzipitierungsexperimente zeigten, daß Paraplegin, Afg3l1 und Afg3l2 physikalisch interagieren und in einem hochmolekularen Komplex mit Prohibitinen enthalten sind. Dies deutet auf eine konservierte Rolle von Phb1 und Phb2 für die Proteolyse in murinen Mitochondrien hin. Co-Immunpräzipitierung und Immunabbauexperimente mit Lebermitochondrien aus SPG7-/- Mausstämmen zeigten, daß Afg3l1 und Afg3l2 ebenfalls hochmolekulare Komplexe in Abwesenheit von Paraplegin bilden können. Darüberhinaus waren diese Komplexe in der Lage, mit Prohibitinen zu interagieren, was darauf hindeutet, daß Paraplegin für diese Interaktion nicht essentiell ist. Offenbar gibt es in der inneren Membran muriner Mitochondrien mAAA Proteasen mit unterschiedlicher Zusammensetzung der Untereinheiten. Die physiologische Relevanz dieser mAAA Proteasen mit unterschiedlicher Zusammensetzung der Untereinheiten soll hinsichtlich ihrer Substratspezifität und/oder unterschiedlichen Gewebeverteilung diskutiert werden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Metodiev, Metodi Dimitrov m.metodiev@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-16871
Date:	2006
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Prohibitine , Proteolyse , Hefe , Mitochondrien German Prohibitins , Mitochondria , Proteolysis , Yeast , Mouse English
Date of oral exam:	9 January 2006
Referee:	Name Academic Title Langer, Thomas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1687