Universität zu Köln

Popovic, Milica ORCID: 0000-0002-8762-6967 (2024). Role of Complex IV in early postnatal heart development. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Oxidative phosphorylation machinery sits at the core of mitochondrial role in energy production, its function and regulation has far-reaching implications in all energy dependent cellular processes. Recurring motif in mitochondrial research is the contribution of mitochondria and OXPHOS activity to metabolic remodelling that conditions cell proliferation, differentiation, and pathology. However, involvement in OXPHOS in postnatal heart development and differentiation of cardiomyocytes stays elusive. Extensive research conducted on gene expression in heart development so far shows a prominent change of expression for metabolic genes involved in glycolysis and lipid oxidation, describing what we know as the metabolic switch in postnatal heart development. The metabolic switch, where proliferative, glycolytic cardiomyocytes switch to differentiated adult cardiomyocytes reliant mostly on oxidative metabolism is conditioned by changes in oxygen availability, substrate utilisation and energy demands underlying the final developmental stage of the heart. This study aims to dissect OXPHOS complexes during postnatal development of the mouse heart, with specific accent on Complex IV (CIV). CIV is the only OXPHOS complex with heart specific isoform subunits, that exchage during postnatal maturation of mitochondria. We have developed and compared two mouse models for CIV deficiency in the heart, targeting CIV in early postnatal development by deleting Cox7c, or adult heart CIV, by deleting Cox10. By comparing these two mouse models, we have described how CIV might be involved in conditioning metabolic maturation of cardiomyocytes beyond the metabolic switch, finding its involvement in cadiomyocyte maturation. Our data shows that fast and progressive loss of CIV in postnatal development is in part due to stalled assembly of CIV at the initial stage of complex biogenesis. Loss of CIV in these mice leads to metabolic changes propagating rewiring of glucose metabolism, nucleotide synthesis pathway and alterations in BCAA metabolism, with mild involvement of ISR. In comparison, loss of Cox10 lead to a robust ISR activation and extensive remodeling of both proteome and metabolome, while the CIV deficiency between the two models is comparable, indicating that differentiation status of cardiomyocytes could contribute to phenotypical differences. To describe in-depth how OXPHOS changes during postnatal development, we resolved time-series complexome profiling of mouse heart mitochondrial complexes starting from E18.5 to P10. Together with time series metabolome analysis, our aim was to describe how dynamics in OXPHOS could condition the metabolic alterations happening during maturation of cardiomyocytes.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die oxidative Phosphorylierungsmaschinerie ist das Herzstück der mitochondrialen Energieproduktion. Ihre Funktion und Regulierung hat weitreichende Auswirkungen auf alle energieabhängigen zellulären Prozesse. Ein immer wiederkehrendes Motiv in der Mitochondrienforschung ist der Beitrag der Mitochondrien und der OXPHOS-Aktivität zum metabolischen Umbau, der die Zellproliferation, -differenzierung und -pathologie bestimmt. Die Beteiligung der OXPHOS an der postnatalen Herzentwicklung und der Differenzierung der Kardiomyozyten ist jedoch nach wie vor nicht klar. Umfangreiche Forschungsarbeiten zur Genexpression in der Herzentwicklung haben bisher eine auffällige Veränderung der Expression von Stoffwechselgenen gezeigt, die an der Glykolyse und Lipidoxidation beteiligt sind. Diese Forschungen haben dazu beigetragen, das zu beschreiben, was wir als metabolischen Wechsel in der postnatalen Herzentwicklung kennen, bei dem proliferative, glykolytische Kardiomyozyten zu differenzierten erwachsenen Kardiomyozyten wechseln, die hauptsächlich auf den oxidativen Stoffwechsel angewiesen sind. Diese Umstellung des Stoffwechsels, die durch Veränderungen der Sauerstoffverfügbarkeit, der Substratverwertung und des Energiebedarfs bedingt ist, liegt dem letzten Entwicklungsstadium des Herzens zugrunde. Ziel dieser Studie ist es, die OXPHOS-Komplexe während der postnatalen Entwicklung des Mäuseherzens zu untersuchen, mit besonderem Augenmerk auf Komplex IV (CIV). CIV ist der einzige OXPHOS-Komplex mit herzspezifischen Isoform-Untereinheiten, die während der postnatalen Reifung der Mitochondrien ausgetauscht werden. Wir haben zwei Mausmodelle für einen CIV-Mangel im Herzen entwickelt und verglichen, wobei wir CIV in der frühen postnatalen Entwicklung durch Deletion von Cox7c oder CIV im erwachsenen Herzen durch Deletion von Cox10 angreifen. Durch den Vergleich dieser beiden Mausmodelle haben wir beschrieben, wie CIV an der Konditionierung der metabolischen Reifung von Kardiomyozyten über die metabolische Umschaltung hinaus beteiligt sein könnte, und seine Beteiligung an der Kardiomyozytenreifung festgestellt. Unsere Daten zeigen, dass der schnelle und fortschreitende Verlust von CIV in der postnatalen Entwicklung zum Teil auf eine Blockierung des Zusammenbaus von CIV in der Anfangsphase der komplexen Biogenese zurückzuführen ist. Der Verlust von CIV in diesen Mäusen führt zu metabolischen Veränderungen, die eine Neuverdrahtung des Glukosestoffwechsels, des Nukleotid-Synthesewegs und Veränderungen im BCAA-Stoffwechsel mit einer leichten Beteiligung der ISR bewirken. Im Vergleich dazu führt der Verlust von Cox10 zu einer robusten ISR-Aktivierung und einem umfassenden Umbau sowohl des Proteoms als auch des Metaboloms, während der CIV-Mangel zwischen den beiden Modellen vergleichbar ist, was darauf hinweist, dass der Differenzierungsstatus der Kardiomyozyten zu den phänotypischen Unterschieden beitragen könnte. Um eingehend zu beschreiben, wie sich die OXPHOS während der postnatalen Entwicklung verändert, haben wir ein Zeitreihen-Komplexom-Profiling der mitochondrialen Komplexe des Mäuseherzens von E18,5 bis P10 durchgeführt. Zusammen mit der Zeitreihen-Metabolomanalyse wollten wir beschreiben, wie die Dynamik der OXPHOS die metabolischen Veränderungen während der Reifung der Kardiomyozyten bedingt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Popovic, Milica milica.popovic@uk-koeln.de orcid.org/0000-0002-8762-6967 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-720043
Date:	2024
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	CECAD - Cluster of Excellence Cellular Stress Responses in Aging-Associated Diseases
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Mitochondria English Cytochrome C oxidase English Heart development English
Date of oral exam:	19 December 2023
Referee:	Name Academic Title Trifunovic, Aleksandra Prof. Dr. Riemer, Jan Prof.Dr. Garcia-Saez, Ana Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/72004