The role of caseinolytic mitochondrial matrix peptidase proteolytic subunit (CLPP) in regulation of mitochondrial ribosome biogenesis in mammals

Maiti, Priyanka (2015). The role of caseinolytic mitochondrial matrix peptidase proteolytic subunit (CLPP) in regulation of mitochondrial ribosome biogenesis in mammals. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

Preview

PDF
Priyanka_Maiti_PhD_Thesis.pdf - Accepted Version
Download (28MB)

Abstract

CLPP (caseinolytic mitochondrial matrix peptidase proteolytic subunit) is a highly conserved serine protease. Molecular and structural studies in E. coli and other prokaryotes have revealed CLPP specific substrates and the mechanisms underlying their identification and subsequent degradation. These studies showed that ClpXP is involved in DNA damage repair, stationary-phase gene expression, and ssrA-mediated protein quality control. Similarly, diverse roles for the eukaryotic CLPP have been suggested. In the filamentous fungus Podospora anserine Clpp depletion promotes longevity. In Caenorhabditis elegans it has been demonstrated that CLPP have a central role in mediating the UPRmt signals. Loss of function CLPP mutations in humans cause Perrault syndrome that results in ovarian failure and sensorineural hearing loss accompanied with shorter stature. Despite this we still have a very limited knowledge about the functional role of eukaryotic CLPP, its specific substrates and underlying molecular mechanism. In order to decipher the in vivo role of CLPP in mammals we have developed a CLPP deficient mouse model (Clpp-/-). Interestingly, only about half of Clpp knockout mice according to Mendelian proportion (12,5%) are born from intercrossing of Clpp+/- mice. These mice are infertile and born ~ 30% smaller than littermates. CLPP deficient mice faithfully replicate the phenotypes observed in human patients. On the molecular level CLPP deficiency leads to an early specific decrease in Complex I activity, followed by a decrease in Complex IV activity later in life. Furthermore, we observed a decrease in mitochondrial translation, which is compensated for by upregulation of mitochondrial transcription. This suggests a direct or indirect role of CLPP in the process of mitochondrial protein synthesis. Gradient sedimentation analysis demonstrates an increase in the steady state levels of small ribosomal subunits, while large ribosomal subunits and monosomes are present in almost normal levels. We also observed an impairment of 12S rRNA assembly into monosomes leading to lower loading of mt- mRNAs. This indicates complications in the function of monosomes. Search for CLPXP substrates and interactors revealed two candidates that are likely to be involved in this process. We show that ERAL1 is one of the substrates of CLPP that is likely causing defective 12S rRNA assembly into the small ribosomal subunit. Additionally, p32, a CLPP interactor is permanently bound to the mitoribosomes. We believe that through interaction with CLPXP, these proteins are involved in resolution of stalled ribosomes. We are currently working further on elucidating the molecular mechanism underlying impaired mitochondrial translation.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

Die Casein abbauende Peptidase P (caseinolytic mitochondrial matrix peptidase proteolytic subunit, CLPP) ist eine hoch konservierte Serinprotease. Molekulare und strukturelle Untersuchungen in E. coli und anderen Prokaryoten haben CLPP-spezifische Substrate identifiziert und die zugrunde liegenden Mechanismen der nachfolgenden Degradierung dieser Substrate aufgezeigt. Diesen Studien zufolge ist ClpXP bei der Reparatur von DNA-Schäden, in der Genexpression der stationären Phase sowie in der ssrA-vermittelten Proteinqualitätskontrolle involviert. In ähnlicher Weise wurden verschiedene Rollen für die eukaryotische CLPP postuliert. Im filamentösen Pilz Podospora anserine förderte die Depletion von CLPP die Langlebigkeit. In Caenorhabditis elegans wurde gezeigt, dass CLPP eine zentrale Rolle in der Vermittlung der Signale in der mitochondrialen ungefalteten Proteinantwort (mitochondrial unfolded protein response, UPRmt) spielt. Mutationen, die den Verlust der Funktion von CLPP zur Folge haben, verursachen beim Menschen das Perrault Syndrom, das durch Gonadendysgenesie und Innenohrschwerhörigkeit, assoziiert mit Minderwuchs, charakterisiert ist. Trotz dieser Bemühungen ist unser Wissen über die funktionelle Rolle der eukaryotischen CLPP, deren Substrate und über die zugrunde liegenden Mechanismen ihrer Regulation nur sehr begrenzt. Um die in vivo Rolle von CLPP in Säugern zu entschlüsseln, haben wir ein CLPP- defizientes Mausmodell (Clpp-/-) entwickelt. Interessant ist, dass nur etwa die Hälfte Clpp Knockout-Mäuse nach den Mendelschen Regeln (12,5%) nach der Kreuzung von heterozygoten Clpp +/- Mäuse geboren wird. Diese Mäuse sind unfruchtbar und etwa 30% kleiner ist als die nicht betroffenen Wurfgeschwistern. CLPP-defiziente Mäuse replizieren getreu die bei den menschlichen Patienten beobachteten Phänotypen. Auf molekularer Ebene führt der Verlust von CLPP zu einer spezifischen Abnahme der Komplex I-Aktivität im frühen Alter, gefolgt von einer Abnahme der Komplex IV- Aktivität in späteren Lebensabschnitten. Ferner beobachteten wir eine Abnahme in der mitochondrialen Translation, die durch eine Hochregulation der mitochondrialen Transkription kompensiert wird. Dies lässt auf eine direkte oder indirekte Rolle von CLPP im mitochondrialen Proteinsyntheseprozess vermuten. Die Gradientensedimentationanalyse zeigt einen Anstieg der kleinen ribosomalenUntereinheiten, während die großen ribosomalen Untereinheiten und die Monosomen in fast normalen Werten vorhanden sind. Wir beobachteten auch eine Beeinträchtigung der Assemblierung der 12S rRNA in das Monosom, was zu einer verringerten Beladung der mitochondrialen mRNAs führt. Dies weist auf Komplikationen in der Funktion der Monosomen hin. Die Suche nach den ClpXP-Substraten und möglichen Interaktionspartnern ergab zwei Kandidaten, die wahrscheinlich in diesem Prozess involviert sind. Wir konnten zeigen, dass ERAL1 eines der Substrate von CLPP ist, das wahrscheinlich die defekte Assemblierung der 12S rRNA in die kleine ribosomale Untereinheit verursacht. Ferner scheint p32 ein CLPP-Interaktionspartner zu sein, der fest an den mitochondrialen Ribosomen gebunden ist. Wir glauben, dass diese Proteine durch die Interaktion mit ClpXP bei der Auflösung der ins Stocken geratenen Ribosomen beteiligt sind. Zurzeit arbeiten wir weiter an der Aufklärung der molekularen Mechanismen, die die mitochondriale Translation beeinträchtigen.

German

Creators: