Universität zu Köln

Seiferling, Dominic (2015). Regulation of the mammalian mitochondrial unfolded protein response. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The molecular mechanisms of the mammalian mitochondrial unfolded protein response (UPRmt) are largely unknown. In this study, in vitro as well as in vivo models were used to assess the role of the mitochondrial chaperones and proteases as well as potential signalling factors in the context of the mammalian UPRmt. The mitochondrial chaperones HSP60 and mtHSP70 were found to be highly expressed under regular cell culture conditions in various cell types and not amenable to further induction by mutant mitochondrial proteins or toxins compromising mitochondrial function. It is argued that highly proliferative cells constantly express mitochondrial chaperones at high levels as they were found to orchestrate a broad cellular survival programme. The data in this study collectively demonstrate that HSP60 and mtHSP70 are not suitable as a readout for UPRmt induction in vitro. Further, this study provides the first direct evidence that levels of the transcription factor ATF5 correlate with the expression of known UPRmt markers in vitro and in vivo upon mitochondrial stress. In addition, it is shown that ATF5 is able to translocate to mitochondria in vivo, whereas it is found in the nucleus in stressed cells in vitro. Intriguingly, it was also found that the matrix protease LONP1 not only responds to mitochondrial unfolded protein stress, but also seems to regulate the mammalian UPRmt signalling. Thus, the conclusion can be drawn that both ATF5 and LONP1 are implicated in the UPRmt in mammals. The matrix protease CLPP exerts a key role in the induction of the UPRmt signalling in C. elegans. To better understand the role of CLPP in UPRmt signalling in vivo, CLPP was depleted in hearts from DARS2-deficient animals that show a strong upregulation of UPRmt signalling due to disrupted mitochondrial translation. Notably, it could be demonstrated that CLPP is not required, nor does it activate UPRmt signalling in vivo. Surprisingly, the pathological changes and diminished respiration due to DARS2 deficiency can be mitigated by the loss of CLPP by partially rescuing mitochondrial translation. Therefore, evidence is provided that on the one hand questions our current understanding of the UPRmt signalling in mammals, but on the other hand identifies CLPP as novel modulator of mitochondrial translation, which might be used for the development of new therapeutic approaches against translational defects in mitochondrial disease.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die molekularen Mechanismen der ungefalteten Proteinantwort in Mitochondrien (UPRmt) sind in Säugetieren weitestgehend unerforscht. Um den UPRmt Signalweg besser zu verstehen, wurde in dieser Studie, unter Zuhilfenahme von in vitro und in vivo Modellen, zum ersten Mal die Rolle mitochondrialer Chaperone und Proteasen sowie potenzieller Signalfaktoren näher charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die mitochondrialen Chaperone HSP60 und mtHSP70 unter regulären Zellkulturbedingungen in mehreren Zelllinien äußerst hoch exprimiert werden. Weder die Expression mutierter mitochondrialer Proteine, noch die Behandlung mit verschiedenen Chemikalien konnten den Gehalt von HSP60 und mtHSP70 weiter erhöhen. Hieraus kann gefolgert werden, dass proliferierende Zellen eine kontinuierlich hoch regulierte mitochondriale Chaperon-Expression besitzen, was damit erklärt werden könnte, dass diese während der Aktivierung von zellulären Überlebensprogrammen eine wichtige Rolle spielen. Infolgedessen sind die mitochondrialen Chaperone HSP60 und mtHSP70 nicht geeignet um eine UPRmt Aktivierung in Zellkultur zu bemessen. Ferner konnte diese Studie den ersten unmittelbaren Nachweis erbringen, dass während mitochondrialem Stress der zelluläre Gehalt des Transkriptionsfaktors ATF5 mit der Expression von bereits bekannten UPRmt Markern sowohl in vitro als auch in vivo korreliert. Darüber hinaus kann sich ATF5 in vivo in die Mitochondrien verlagern, wohingegen es sich unter Stress in vitro im Zellkern befindet. Interessanterweise konnte außerdem gezeigt werden, dass die Matrixprotease LONP1 im Laufe von ungefaltetem Proteinstress aktiviert wird, als auch selbst einen potentiellen Regulator des UPRmt Signalwegs in Säugern darstellt. Demnach kann geschlussfolgert werden, dass sowohl ATF5 als auch LONP1 eine Rolle in der UPRmt von Säugetieren spielen. Die Matrixprotease CLPP spielt eine entscheidende Rolle bei der Auslösung des UPRmt Signalwegs in C. elegans. Um die Funktion von CLPP im UPRmt Signalweg in Säugern näher zu charakterisieren, wurde CLPP in DARS2-defizienten Mäusen deletiert. DARS2- defiziente Mäuse selbst weisen, bedingt durch einen starken mitochondrialen Translationsdefekt, eine massive Hochregulierung des UPRmt Signalwegs auf. Bemerkenswerterweise konnte in dieser Studie gezeigt werden, dass CLPP weder für die UPRmt benötigt wird, noch als Aktivator der UPRmt in Säugern fungiert. Darüber hinaus verbessert der Verlust von CLPP sowohl die ausgeprägte Pathologie als auch die verminderte Zellatmungsleistung von DARS2-defizienten Tieren. Der mildere Phänotyp hat seine Ursache dabei in einer partiell verbesserten Translation in doppel-defizienten Tieren. Diese Ergebnisse stellen zwar das momentane Verständnis des UPRmt Signalwegs in Säugern in Frage, allerdings identifizieren sie auch gleichermaßen eine gänzlich neue Rolle für CLPP in der Modulation der mitochondrialen Translation. Dies wiederum eröffnet neue Wege für die Entwicklung von Therapien zur Verbesserung von translationalen Defekten in mitochondrialen Krankheiten. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Seiferling, Dominic dominic.seiferling@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-66793
Date:	2015
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 Mitochondria English unfolded protein response English CLPP English
Date of oral exam:	18 January 2016
Referee:	Name Academic Title Trifunovic, Aleksandra Prof. Dr. Rugarli, Elena Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6679