Analyse des gewebsspezifischen Pathomechanismus der A3302G-Mutation der mitochondrialen tRNALeu(UUR) in einem Rhabdomyosarkom-Zybridmodell

Eckertz, Sabrina (2009). Analyse des gewebsspezifischen Pathomechanismus der A3302G-Mutation der mitochondrialen tRNALeu(UUR) in einem Rhabdomyosarkom-Zybridmodell. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Mitochondrien nehmen eine zentrale Position im Energiestoffwechsel der Zelle ein, sind aber auch essentiell für weitere Stoffwechselvorgänge, den Kalziumhaushalt und die Exekution der Apoptose. Störungen der Atmungskette werden als Mitochondriopathien bezeichnet und äußern sich in einem breiten Spektrum klinischer Phänotypen. Aufgrund der Schlüsselstellung im aeroben Stoffwechsel führen sie zu klinischen Mischbildern, bei dem meist Gewebe mit hohem Energiebedarf, wie Gehirn, Muskel, endokrine Organe und Sinnesorgane betroffen sind. Verschiedene Faktoren tragen zu der heterogenen Erscheinung mitochondrialer Erkrankungen bei, so die hohe Kopienzahl des Organell-eigenen Genoms. Das kann zum Zustand der Heteroplasmie führen, bei der mutierte mit WT-mtDNA-Molekülen koexistieren und es erst nach Überschreiten eines Schwellenwertes zu einem Defekt kommt. Manche mitochondriale Mutationen zeigen außerdem eine Zellspezifität, die durch eine Modulation des pathologischen Effekts durch den jeweiligen nukleären Hintergrund erklärt wird. Dies ist auch der Fall bei einer Patientin mit einer Mutation an Position nt3302 der mitochondrialen tRNALeu(UUR) (MTTL1), bei der der Defekt exklusiv auf den Skelettmuskel beschränkt war. In einer Muskelbiopsie wurden Besonderheiten in der Prozessierung eines primären, polyzistronischen Transkripts (RNA19), das 16S-rRNA, tRNALeu(UUR) und ND1-mRNA enthält, als Ursache für die Gewebsspezifität angenommen. Dabei soll im Muskel in der Restriktionsabfolge der erste Schnitt am 5�-Ende durch das Enzym RNase P, in Fibroblasten jedoch am 3�-Ende durch die Endonuklease RNase Z erfolgen. Daraus resultierte die Annahme, dass diese gewebsspezifischen Unterschiede zu einer Potenzierung des pathologischen Effekts der nahe am 3�-Ende lokalisierten A3302G-Mutation führen. Zur eingehenden Analyse des muskelspezifischen Pathomechanismus wurde eine transmitochondriale Rhabdomyosarkom-Zybridzelllinie mit muskel-ähnlichen Eigenschaften verwendet, die die Mutation homoplasmatisch enthielt. Die Charakterisierung der Zelllinie zeigte, dass die Zelllinie zwar einen Atmungsketten�Defekt, jedoch in stark abgeschwächter Form aufwies. Als Grund hierfür werden die metabolischen Anpassungen im Zuge der Tumorentwicklung bei den Rhabdomyosarkomzellen angenommen. Eine Differenzierung der Zellen mit dem Ziel der Annäherung an die in vivo Situation im postmitotischen Muskel der Patientin konnte nicht erreicht werden. Jedoch zeigt die Mutation in 143B-Osteosarkomzybriden einen deutlicheren Phänotyp als in den Rhabdomyosarkomzellen. Die Mutation führt durch eine Summe verschiedener Störungen im Prozessierungsablauf und die dadurch geringere Bereitstellung der in der RNA19 enthaltenen Transkripte zu einer tiefen energetischen Krise in postmitotisch differenzierten Skelettmuskel, die unter Zellkulturbedingungen so nicht zum Ausdruck kommt. Jedoch spielt auch hier der nukleäre Hintergrund eine Rolle bei der Ausprägung des Phänotyps.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Analysis of the tissue specific pathomechanism of the A3302G mutation of the mitochondrial tRNALeu(UUR) in a rhabdomyosarcoma cybrid model	English

Translated abstract:

Abstract

Language

Mitochondria play a central part in cellular energy metabolism as well as in other metabolic pathways, Ca2+-homeostasis and apoptosis. Defects of the respiratory chain are termed mitochondriopathies and show an expanded spectrum of diverse clinical phenotypes. Because of their key role in aerobic energy metabolism, they cause a set of clinical symptoms mostly affecting tissues with high energy demand like brain, muscle, endocrine and sensory organs. Different factors account for the heterogeneous appearance of mitochondrial diseases such as the high copy number of the separate genome owned by the organelle. This can lead to heteroplasmy, a state where mutant and wild type DNA molecules coexist in the cell. Thus, a severe defect is only observed when the number of mutated molecules passes a certain threshold. Furthermore, some mitochondrial mutations show a particular cell specificity, which is explained by modulation of the pathological effect in a discrete nuclear background. This is the case in a patient exhibiting a mutation in position nt3302 of the mitochondrial tRNALeu(UUR) (MTTL1) showing a defect exclusively limited to skeletal muscle. Certain features concerning processing of a polycistronic primary transcript (RNA19), which contains 16S-rRNA, tRNALeu(UUR) and ND1-mRNA, are assumed to be the cause of the striking tissue specificity. A specific restriction order was postulated with the first cut being placed at the 5�-end by the endonuclease RNase P and subsequently RNase Z processing at the 3�-end. This raised the idea of tissue specific differences potentiating the pathological effect of the mutation located close to the 3�-end. For in depth-analysis of the muscle specific pathomechanism, a transmitochondrial rhabdomyosarcoma tumor cell line resembling characteristic features of muscle was employed containing the mutation in homoplasmic state. Characterization of the cell line indeed revealed a respiratory chain defect, but to a much weaker extent as seen in the patient. Metabolic adaptations due to tumor development may be the cause for this weaker phenotype. Differentiation of cells to postmitotic muscle cells with the aim of approaching the in vivo situation in the patient could not be achieved. However, in 143B osteosarcoma cybrids the mutation showed a more drastic pathophenotype as in rhabdomyosarcoma cells. The mutation leads to an energetic crisis in postmitotic differentiated skeletal muscle by a sum of different features interfering with the posttranscriptional maturation process, thereby reducing the supply of mature transcripts contained in RNA19, but not to that extent under cell culture conditions. However, also here the nuclear background plays a crucial role in the phenotypic expression of the defect.

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