Universität zu Köln

Becker, Christina (2017). Role of the mitochondrial ATP-dependent Clp protease in mammalian metabolism. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Mitochondria are fundamental for cellular metabolism and take center stage in the regulation of systemic energy metabolism. They are origin and target of nutrient intermediates of converging metabolic pathways. Thus, it is essential to maintain mitochondrial homoeostasis. Cells harbor a large set of mitochondrial proteases involved in quality control, including the ATP-dependent Clp protease (CLPP). However, CLPP not only degrades misfolded or damaged proteins, CLPP is also involved in highly regulated proteolytic activities. Many bacterial and mammalian ClpXP substrates have been identified in various metabolic pathways. This study analyzes the role of CLPP in mammalian metabolism using whole body and tissue-specific Clpp knockout mouse models. The ubiquitous loss of CLPP under normal dietary conditions leads to a lean phenotype with enhanced glucose metabolism. The absence of CLPP further facilitates increased energy expenditure in part by WAT browning, despite decreased physical activity. Moreover, CLPP was shown to be involved in fatty acid oxidation by the regulation of its putative substrate VLCAD. In addition, CLPP has a critical role in BAT homeostasis and cold induced thermogenesis. The mild to moderate mitochondrial dysfunction caused by the loss of CLPP in various tissues, induced the expression of the mitokine FGF21. However, using Clpp/Fgf21 double knockout mice, it could be shown that FGF21 is not mediating the metabolic changes observed in CLPP deficient mice. The tissue-specific depletion of CLPP in liver or skeletal muscle and heart revealed a dispensable role for CLPP with regard to whole body metabolism, although tissue restricted mitochondrial dysfunction was present. Finally, ablation of CLPP was demonstrated to protect against HFD induced obesity and insulin resistance. Remarkably, HFD-feeding impaired hepatic mitochondrial translation in the absence of CLPP resulting in decreased complex subunits and decreased supercomplexes levels in an alternate mechanism as previously described for the heart. Thus, mitochondrial CLPP has a critical role in metabolic stress conditions in particular during cold exposure and high fat diet feeding. Therefore, by analyzing CLPP protease function and its link to metabolic stress this study may help to understand pathologies with deregulated Clpp expression.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Mitochondrien sind für den Zellstoffwechsel von grundlegender Bedeutung und nehmen eine zentrale Rolle in der Regulierung des systemischen Energiestoffwechsels ein. Sie sind Ursprung und Zielort von Nährstoffzwischenprodukten konvergierender Stoffwechselwege. Daher ist es von besonderer Bedeutung, die mitochondriale Homöostase aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck beherbergen Zellen eine Vielzahl von mitochondrialen Proteasen, die an der Qualitätskontrolle beteiligt sind, einschließlich der ATP-abhängigen Clp-Protease (CLPP). Allerdings ist CLPP nicht nur an der Degradierung fehlgefalteter oder beschädigter Proteine, sondern auch an regulierten proteolytischen Aktivitäten beteiligt. CLPP Substrate vieler Bakterien und Säugetiere spielen eine Rolle in verschiedenen Stoffwechselwegen. In dieser Studie sollte daher die Rolle von CLPP im Stoffwechsel mit Hilfe von Ganzkörper und Gewebespezifischen Clpp Knockout Mausmodellen analysiert werden. Der ubiquitäre Verlust von CLPP unter Bedingungen einer Normaldiät führt zu einem schlankeren Phänotyp mit erhöhtem Glukosestoffwechsel. Weiterhin weisen CLPP-defiziente Mäuse, trotz einer verminderten körperlichen Aktivität, einen erhöhten Energieverbrauch auf, was teilweise bedingt ist durch die Bräunung des weißen Fettgewebes. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass CLPP eine entscheidende Rolle in der Homöostase des braunen Fettgewebes und der Kälte induzierten Thermogenese spielt und durch die Regulierung seines potentiellen Substrats VLCAD an der Fettsäureoxidation beteiligt ist. Die leichte bis mäßige mitochondriale Dysfunktion, die durch den Verlust von CLPP in verschiedenen Geweben verursacht wird, induzierte dabei die Expression des Mitokins FGF21. Unter Verwendung eines Clpp/Fgf21 Doppel Knockout Mausmodells konnte jedoch gezeigt werden, dass FGF21 nicht ursächlich für die metabolischen Veränderungen ist, die bei CLPP-defizienten Mäusen beobachtet wurden. Der spezifische Verlust von CLPP in der Leber oder dem Herz- und Skelettmuskel zeigte eine unbedeutende Rolle für CLPP im Hinblick auf den Ganzkörper-Stoffwechsel, obwohl eine mitochondriale Dysfunktion in den jeweiligen Geweben vorhanden war. Schließlich wurde gezeigt, dass die Ablation von CLPP gegen eine hochkalorische Diät induzierte Fettleibigkeit und Insulinresistenz schützt. Bemerkenswerterweise führte die Fütterung der fettreichen Diät in Abwesenheit von CLPP zu einer Beeinträchtigung der mitochondrialen Translation in der Leber. Allerdings liegt dem ein anderer Mechanismus zugrunde, als welcher zuvor für das Herz beschrieben wurde. Dabei konnte eine verminderte Anzahl von Untereinheiten der Atmungskette und Superkomplexen beobachtet werden. Die mitochondriale CLPP Protease hat daher eine entscheidende Rolle in metabolischen Stresskonditionen, insbesondere bei Kälteexposition und der Fütterung mit hochkalorischer Diät. Die Analyse der Funktion von CLPP und deren Verknüpfung mit metabolischem Stress kann somit dazu beitragen, Pathologien mit deregulierter Clpp Expression besser zu verstehen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Becker, Christina beckerchristina@gmx.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-81865
Date:	2017
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 CLPP English Metabolism English
Date of oral exam:	25 April 2017
Referee:	Name Academic Title Trifunovic, Aleksandra Prof. Dr. Rugarli, Elena Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8186