Mammalian m-AAA Proteases as Key Regulators of Mitochondrial Function - Analysis of Dominant Negative Mutant Variants

Raschke, Ines (2009). Mammalian m-AAA Proteases as Key Regulators of Mitochondrial Function - Analysis of Dominant Negative Mutant Variants. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

To ensure the removal of excess and non-assembled proteins, mitochondria require a protein quality control system which is constituted by several proteases located in different compartments of mitochondria. m-AAA proteases, oligomeric ATP-dependent metallopeptidases, are key components of this system active at the matrix side of the inner membrane. Human m-AAA proteases build up homo- and hetero-oligomeric complexes composed of AFG3L2 and SPG7. Mice express a third subunit, Afg3l1, resulting in a variety of possible isoenzymes. Interestingly, mutations or deletions of one subunit of mammalian m-AAA proteases cause neurodegeneration in distinct regions of the central and peripheral nervous system in mouse and human, indicating that different tissues, in particular neurons, require a specific subset of isoenzymes. The yeast m-AAA protease can also act as a processing enzyme regulating mitochondrial biogenesis, raising the question which activity is linked to the pathogenesis of the associated diseases. Which molecular functions of mammalian m-AAA proteases contribute to different disease states are poorly understood. Mammalian m AAA proteases have been linked to the processing of the dynamin-like GTPase OPA1 implying a role of mammalian m AAA proteases in mitochondrial fusion. Therefore, to further elucidate the function of mammalian m AAA proteases it was necessary to identify more substrates of the proteases. In this study, a mutation in the Walker B motif of the ATPase domain of Afg3l2/AFG3L2 was identified as dominant negative substrate trap. Using this novel approach, expression of dominant negative mutant variants in human cells, interacting partners and putative substrates have been identified providing further insights into the molecular functions of mammalian m-AAA proteases in mitochondria. These proteases were demonstrated to be present in a supercomplex with prohibitins together regulating cell proliferation and mitochondrial fusion by stabilizing l OPA1. In parallel, m-AAA proteases interact with SLP2 and control stress induced mitochondrial hyperfusion pointing to the formation of another supercomplex containing the proteases and SLP2. The precursor of AFG3L2 itself and MICS1, an inner membrane protein crucial for cristae organization and apoptosis, were identified as possible substrates. Linking m AAA protease functions to mitochondrial fusion, cristae organization and apoptosis may help to unravel the molecular mechanisms underlying neurodegeneration associated with mutations in human m-AAA proteases.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

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Title	Language
Säugetier m-AAA Proteasen als Hauptregulatoren der Funktion von Mitochondrien - Analyse von dominant negativen Mutanten	German

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Abstract

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Mitochondrien besitzen ein Qualitätskontrollsystem für Proteine, das aus verschiedenen Proteasen unterschiedlicher Lokalisation besteht, um falsch gefaltete und nicht assemblierte Proteine abzubauen. Ein wichtiger Bestandteil dieses Systems in der inneren Mitochondrienmembran ist die m AAA Protease, die als ATP-abhängige oligomere Metalloprotease ihr aktives Zentrum zur Matrix exponiert. Die m-AAA Proteasen im Menschen bilden sowohl hetero- als auch homo-oligomere Komplexe aus den Untereinheiten AFG3L2 und SPG7 aus. Eine dritte Untereinheit in Mäusen (Afg3l1) resultiert in einer Vielzahl möglicher Isoenzyme in der inneren Mitochondrienmembran. Mutationen oder Deletionen verschiedener Untereinheiten der humanen m-AAA Proteasen führen zu Neurodegenerationen in unterschiedlichen Regionen des zentralen aber auch peripheren Nervensystems. Somit scheint eine bestimmte Zusammensetzung von aktiven Isoenzymen in unterschiedlichen Gewebe vor allem aber in Neuronen erforderlich ist. Eine weitere Funktion der m AAA Protease - zumindest in Hefe - ist die spezifische Prozessierung von Proteinen. Welche Aktivität zur Pathogeneses der assoziierten Krankheiten beiträgt ist unklar, weil die Funktion der menschlichen m-AAA Proteasen auf zellulärer und molekularer Ebene und damit auch der Hintergrund der verschiedenen Krankheitszustände nicht bekannt sind. Die Säuger m-AAA Proteasen wurden mit der Prozessierung der Dynamin-ähnlichen GTPase OPA1 in Verbinding gebracht. Dies impliziert eine Rolle der m-AAA Proteasen bei der mitochondrialen Fusion. Um die Funktion der m-AAA Proteasen innerhalb der Mitochondrien vollständig zu entschlüsseln ist es nötig weitere Substrate der Proteasen zu identifizieren. In dieser Arbeit konnte eine dominant negative Mutation im Walker B Motiv der ATPase Domäne in der m-AAA Protease Untereinheit AFG3L2/Afg3l2 identifizert werden. Die Expression dieser dominant negativen Mutation in humanen Zelllinien ermöglichte die Generierung eines m-AAA Protease Komplexes, der als Substratfalle fungierte. Mit Hilfe dieses Ansatzes konnten mögliche neue Bindingspartner und Substrate der Protease identifizert und damit auch die molekulare Funktion der Protease geklärt werden. So befinden sich die m AAA Proteasen mit den Prohibitinen in der inneren Mitochondrienmembran in einem Superkomplex, der Zellwachstum und durch die Stabilisierung von langen OPA1 Isoformen die mitochondriale Fusion kontrolliert. Gleichzeitig interagieren die Proteasen mit SLP2 und regulieren möglicherweise in einem weiteren Superkomplex stress-induzierte Hyperfusion. Unreifes AFG3L2 (mit mitochondrialer Präsequenz) und MICS1 ein Protein in der inneren Mitochondrienmembran, konnten als mögliche Substrate identifiziert werden. MICS1 ist essentiell für die Cristae Morphogenese und soll bei Apoptose eine Rolle spielen. Mit Hife dieser Arbeit konnten m-AAA Proteasen mit zellulären Funktionen wie mitochondriale Morphologie, Cristae Organisation und Apoptose in Zusammenhang gebracht werden. Diese Arbeit könnte daher dazu beitragen, die molekularen Ursachen von Neurodegenerationen, die mit Mutationen von humanen m-AAA Protease Unterheiten assoziiert sind, aufzudecken.

German

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