Universität zu Köln

Reiter, Lena Katharina ORCID: 0009-0009-8279-7810 (2026). Mitochondrial DNA deletions and depletion in dermal fibroblasts. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

This study explores the impact of mitochondrial DNA (mtDNA) mutations on metabolic and physiological functions in dermal fibroblasts. Mitochondria, providing an important source of the cellular energy requirements, are essential in multiple vital processes. Thus, mtDNA damage often resulting from mutations and consequently leading to mitochondrial stress, can drive ageing, inflammation and cancer. Diseases characterised by large mtDNA deletions, such as progressive external ophthalmoplegia (PEO) or sensory ataxic neuropathy with dysarthria and ophthalmoparesis (SANDO) syndrome, are known to shorten lifespan and present with severe neuromuscular and neurodegenerative symptoms. Dermatological features, which may include rashes, hair abnormalities and altered pigmentation, have been occasionally reported in these conditions, but remain poorly investigated. Dermal fibroblasts are crucial in maintaining skin homeostasis, orchestrating numerous functions, such as extracellular matrix production, wound healing and immune responses. These energy-demanding functions require an efficient mitochondrial energy supply, which starts to deteriorate with damaged mtDNA, mitochondrial dysfunction and ageing-associated decline. mtDNA damage in fibroblasts has been described upon UV irradiation, where mtDNA deletions accumulate, resulting in key skin ageing signs, such as dermal thinning, loss of elasticity and the formation of wrinkles. However, mutated mtDNA can accumulate to a certain threshold without causing measurable functional harm to the cell or organ, leading to a mosaic picture of normal and damaged cells in the tissue. These facts underline the importance of studying correlations between mtDNA damage and cellular function in fibroblasts. Here, the effect of accumulating mtDNA deletions in the skin, resembling the physiological ageing process, was investigated. A mouse model, harbouring a dominant-negative mutation (K320E) of the mitochondrial helicase Twinkle, a crucial enzyme in mtDNA replication, was used. The mutation associated with PEO and SANDO syndrome can be activated specifically in dermal fibroblasts by Tamoxifen (TwinkleFIBRO; Rosa26-STOP-loxP-Cre-System). To assess the role of mtDNA in fibroblasts, cells were examined under normal and challenged conditions. mtDNA deletions accumulate in TwinkleFIBRO fibroblasts in vivo. In vitro, fibroblasts show increased replication rates favouring transmission of shorter mtDNA, gradually resulting in mtDNA depletion, while maintaining a functional respiratory chain. They show decreased proinflammatory and fibrotic mediators in vitro, and Bleomycin-induced fibrosis is dampened in TwinkleFIBRO mice in vivo. This is partly due to an attenuated differentiation of TwinkleFIBRO fibroblasts into myofibroblasts.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Mitochondriale DNA Deletionen und Depletion in dermalen Fibroblasten German
Translated abstract:	Abstract Language In dieser Studie haben wir die Auswirkungen mitochondrialer DNA (mtDNA) Mutationen auf die physiologischen Funktionen von Hautfibroblasten untersucht. Mitochondrien, die eine wichtige Quelle für den Energiebedarf der Zelle darstellen, sind für viele lebenswichtige Prozesse essenziell. Schäden an der mtDNA, die häufig durch Mutationen entstehen, führen zu mitochondrialem Stress und können zu Alterungsprozesse, Entzündungen und Krebs beitragen. Erkrankungen mit großen mtDNA-Deletionen wie die progressive externe Ophthalmoplegie (PEO) oder das SANDO-Syndrom (sensorische ataktische Neuropathie mit Dysarthrie und Ophthalmoparese) verkürzen die Lebensspanne und verursachen schwere neuromuskuläre und neurodegenerative Symptome. Dermatologische Begleiterscheinungen wie Hautausschläge, Haarveränderungen und Pigmentstörungen sind gelegentlich beschrieben, aber wenig erforscht. Dermale Fibroblasten sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Hauthomöostase indem sie zahlreiche Funktionen wie die Produktion der extrazellulären Matrix, Wundheilung und Immunantworten steuern. Diese energieintensiven Prozesse hängen von einer intakten mitochondrialen Funktion ab, die mit Alter, mtDNA-Schäden und Dysfunktion abnimmt. Besonders bei UV-induzierten Mutationen wurden mtDNA-Deletionen mit Hautalterungszeichen wie Verdünnung der Dermis, Elastizitätsverlust und Faltenbildung in Verbindung gebracht. Dabei kann sich mutierte mtDNA bis zu einem gewissen Schwellenwert ansammeln, ohne die Zellfunktion nachweisbar zu beeinträchtigen – was zu einem Mosaik gesunder und geschädigter Zellen führt. Dies verdeutlicht die Relevanz, den Zusammenhang zwischen mtDNA-Schäden und Zellfunktion in Fibroblasten weiter zu erforschen. In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen von akkumulierenden mtDNA-Deletionen in der Haut untersucht, die dem physiologischen Alterungsprozess ähnelt. Zu diesem Zweck verwendeten wir ein Mausmodell mit einer dominant-negativen Mutation (K320E) der mitochondrialen Helikase Twinkle, einem Schlüsselenzym der mtDNA-Replikation. Durch Tamoxifenfütterung wird die mit PEO und SANDO assoziierte Mutation spezifisch in dermalen Fibroblasten aktiviert (TwinkleFIBRO; Rosa26-STOP-loxP-Cre-System). Um zu verstehen, welche Rolle geschädigte mtDNA in Fibroblasten spielt, untersuchen wir Fibroblasten unter normalen und belastenden Bedingungen. Das Modell zeigt, dass mtDNA-Deletionen in TwinkleFIBRO Fibroblasten in vivo akkumulieren. In vitro zeigten diese Fibroblasten eine erhöhte Replikationsrate, was die Weitergabe verkürzter mtDNA begünstigt und allmählich zu einer mtDNA-Depletion führt, während die Atmungskette unbeeinträchtigt bleibt. TwinkleFIBRO Fibroblasten zeigten eine anti-entzündliche Signatur in vitro, und Bleomycin-induzierte Fibrose war in TwinkleFIBRO Mäusen abgeschwächt, was unter anderem auf eine reduzierte Differenzierung zu Myofibroblasten zurückzuführen ist. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Reiter, Lena Katharina lena-reiter@outlook.de https://orcid.org/0009-0009-8279-7810 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-806326
Date:	July 2026
Language:	English
Faculty:	Faculty of Medicine
Divisions:	Faculty of Medicine > Physiologie und Pathophysiologie > Zentrum für Physiologie und Pathophysiologie
Subjects:	Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Mitochondrial DNA English Twinkle helicase English Skin fibrosis English α Smooth-muscle-actin English Myofibroblasts Differentiation English
Date of oral exam:	26 May 2026
Referee:	Name Academic Title Nätlitz, Jana Privatdozentin Dr. med. Trifunovic, Aleksandra Prof. Dr. rer. nat.
Funders:	Köln Fortune, SFB829
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/80632