TY - JOUR A1 - Bartel, Karin A1 - Pein, Helmut A1 - Popper, Bastian A1 - Schmitt, Sabine A1 - Janaki-Raman, Sudha A1 - Schulze, Almut A1 - Lengauer, Florian A1 - Koeberle, Andreas A1 - Werz, Oliver A1 - Zischka, Hans A1 - Müller, Rolf A1 - Vollmar, Angelika M. A1 - Schwarzenberg, Karin von T1 - Connecting lysosomes and mitochondria – a novel role for lipid metabolism in cancer cell death JF - Cell Communication and Signaling N2 - Background The understanding of lysosomes has been expanded in recent research way beyond their view as cellular trash can. Lysosomes are pivotal in regulating metabolism, endocytosis and autophagy and are implicated in cancer. Recently it was discovered that the lysosomal V-ATPase, which is known to induce apoptosis, interferes with lipid metabolism in cancer, yet the interplay between these organelles is poorly understood. Methods LC-MS/MS analysis was performed to investigate lipid distribution in cells. Cell survival and signaling pathways were analyzed by means of cell biological methods (qPCR, Western Blot, flow cytometry, CellTiter-Blue). Mitochondrial structure was analyzed by confocal imaging and electron microscopy, their function was determined by flow cytometry and seahorse measurements. Results Our data reveal that interfering with lysosomal function changes composition and subcellular localization of triacylglycerids accompanied by an upregulation of PGC1α and PPARα expression, master regulators of energy and lipid metabolism. Furthermore, cardiolipin content is reduced driving mitochondria into fission, accompanied by a loss of membrane potential and reduction in oxidative capacity, which leads to a deregulation in cellular ROS and induction of mitochondria-driven apoptosis. Additionally, cells undergo a metabolic shift to glutamine dependency, correlated with the fission phenotype and sensitivity to lysosomal inhibition, most prominent in Ras mutated cells. Conclusion This study sheds mechanistic light on a largely uninvestigated triangle between lysosomes, lipid metabolism and mitochondrial function. Insight into this organelle crosstalk increases our understanding of mitochondria-driven cell death. Our findings furthermore provide a first hint on a connection of Ras pathway mutations and sensitivity towards lysosomal inhibitors. KW - lysosome KW - V-ATPase KW - mitochondria KW - fission KW - apoptosis KW - lipid metabolism KW - cardiolipin Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-221524 VL - 17 ER - TY - JOUR A1 - Goos, Carina A1 - Dejung, Mario A1 - Janzen, Christian J. A1 - Butter, Falk A1 - Kramer, Susanne T1 - The nuclear proteome of Trypanosoma brucei JF - PLoS ONE N2 - Trypanosoma brucei is a protozoan flagellate that is transmitted by tsetse flies into the mammalian bloodstream. The parasite has a huge impact on human health both directly by causing African sleeping sickness and indirectly, by infecting domestic cattle. The biology of trypanosomes involves some highly unusual, nuclear-localised processes. These include polycistronic transcription without classical promoters initiated from regions defined by histone variants, trans-splicing of all transcripts to the exon of a spliced leader RNA, transcription of some very abundant proteins by RNA polymerase I and antigenic variation, a switch in expression of the cell surface protein variants that allows the parasite to resist the immune system of its mammalian host. Here, we provide the nuclear proteome of procyclic Trypanosoma brucei, the stage that resides within the tsetse fly midgut. We have performed quantitative label-free mass spectrometry to score 764 significantly nuclear enriched proteins in comparison to whole cell lysates. A comparison with proteomes of several experimentally characterised nuclear and non-nuclear structures and pathways confirmed the high quality of the dataset: the proteome contains about 80% of all nuclear proteins and less than 2% false positives. Using motif enrichment, we found the amino acid sequence KRxR present in a large number of nuclear proteins. KRxR is a sub-motif of a classical eukaryotic monopartite nuclear localisation signal and could be responsible for nuclear localization of proteins in Kinetoplastida species. As a proof of principle, we have confirmed the nuclear localisation of six proteins with previously unknown localisation by expressing eYFP fusion proteins. While proteome data of several T. brucei organelles have been published, our nuclear proteome closes an important gap in knowledge to study trypanosome biology, in particular nuclear-related processes. KW - Trypanosoma KW - gambiense KW - Trypanosoma brucei KW - proteomes KW - yellow fluorescent protein KW - mitochondria KW - protein structure KW - histones Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-158572 VL - 12 IS - 7 ER - TY - INPR A1 - Hennig, Thomas A1 - Prusty, Archana B. A1 - Kaufer, Benedikt A1 - Whisnant, Adam W. A1 - Lodha, Manivel A1 - Enders, Antje A1 - Thomas, Julius A1 - Kasimir, Francesca A1 - Grothey, Arnhild A1 - Herb, Stefanie A1 - Jürges, Christopher A1 - Meister, Gunter A1 - Erhard, Florian A1 - Dölken, Lars A1 - Prusty, Bhupesh K. T1 - Selective inhibition of microRNA processing by a herpesvirus-encoded microRNA triggers virus reactivation from latency N2 - Herpesviruses have mastered host cell modulation and immune evasion to augment productive infection, life-long latency and reactivation thereof 1,2. A long appreciated, yet elusively defined relationship exists between the lytic-latent switch and viral non-coding RNAs 3,4. Here, we identify miRNA-mediated inhibition of miRNA processing as a novel cellular mechanism that human herpesvirus 6A (HHV-6A) exploits to disrupt mitochondrial architecture, evade intrinsic host defense and drive the latent-lytic switch. We demonstrate that virus-encoded miR-aU14 selectively inhibits the processing of multiple miR-30 family members by direct interaction with the respective pri-miRNA hairpin loops. Subsequent loss of miR-30 and activation of miR-30/p53/Drp1 axis triggers a profound disruption of mitochondrial architecture, which impairs induction of type I interferons and is necessary for both productive infection and virus reactivation. Ectopic expression of miR-aU14 was sufficient to trigger virus reactivation from latency thereby identifying it as a readily drugable master regulator of the herpesvirus latent-lytic switch. Our results show that miRNA-mediated inhibition of miRNA processing represents a generalized cellular mechanism that can be exploited to selectively target individual members of miRNA families. We anticipate that targeting miR-aU14 provides exciting therapeutic options for preventing herpesvirus reactivations in HHV-6-associated disorders like myalgic encephalitis/chronic fatigue syndrome (ME/CFS) and Long-COVID. KW - Herpesvirus KW - HHV-6 KW - miRNA processing KW - miR-30 KW - mitochondria KW - fusion and fission KW - type I interferon KW - latency KW - virus reactivation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-267858 UR - https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-820696/v1 ET - submitted version ER - TY - THES A1 - Kukat, Alexandra T1 - Mitochondriale Fusions- und Fissionsvorgänge am Modellsystem von Mega-Mitochondrien einer rho0-Zelllinie T1 - Mitochondrial fusion and fission on the model system of megamitochondria of a rho0 cell line N2 - Viele Funktionen der Mitochondrien basieren auf Prozessen, an denen sowohl mitochondriale wie auch kernkodierte Genprodukte beteiligt sind. Durch zahlreiche Interaktionen ist der Einfluss dieser Einzelkomponenten auf das zelluläre System oftmals nur schwierig erkennbar. Mit Hilfe von rho0 -Zellen, deren Mitochondrien über kein eigenes Genom mehr verfügen, kann die mitochondriale Genkomponente ausgeschlossen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zunächst die metabolischen, proliferativen und morphologischen Eigenschaften einer rho0-Zelllinie 143B.TK-K7 untersucht, welche durch die Expression einer mitochondrial zielgesteuerten Restriktionsendonuklease hergestellt wurde. Während der Kultivierung bilden sich im Zytoplasma der 143B.TK-K7-Zellen mit fortlaufender Kultivierungszeit und zunehmenden Azidifizierung des Mediums Mega-Mitochondrien. Diese entstehen sowohl durch zahlreiche Fusionsereignisse als auch einem Schwellen durch vermehrten Wassereinfluss in die Mitochondrienmatrix. Alle Mitochondrien liegen dann als große kugelförmige Strukturen in der Zelle vor und nehmen somit die geringste Oberfläche zu einem vorhandenen Volumen ein. Die Entstehung der Mega-Mitochondrien ist dabei abhängig von einer hohen Protonenkonzentration zusätzlich zu einer ausreichend großen Menge an Laktat im Medium (Milchsäure). Zudem zeigt sich, dass auch in Zellen, welche noch ein mitochondriales Genom besitzen, durch diese Bedingungen die Bildung von Mega-Mitochondrien induziert werden kann. Bei der Entstehung der Mega-Mitochondrien handelt es sich zunächst nicht um apoptotische Vorgänge, da durch den Austausch des aziden Mediums eine äußerst schnelle Rückbildung in ein, den rho0-Zellen ähnliches Mitochondriennetzwerk erfolgt. Metabolische Untersuchungen zeigen, dass für die Rückbildung der Mega-Mitochondrien zu einem Netzwerk ausschließlich die im Medium vorhandene Protonenkonzentration ausreichend gering sein muss. Durch immunzytochemische Untersuchungen wurde deutlich, dass sowohl das mitochondriale Fusionsprotein MFN2 wie auch das Fissionsprotein DNM1L während der Entstehung und auch Rückbildung der Mega-Mitochondrien in punktförmigen Bereichen an der äußeren Mitochondrienmembran lokalisieren. Um zu überprüfen, ob die Bildung der Mega-Mitochondrien durch einer Überexpression von Proteinen der Fissionsmaschinerie verhindert wird, wurden PAGFP- bzw. EGFP-Fusionsproteine mit hFis1 und DNM1L hergestellt und in die 143B.TK-K7-Zellen transfiziert. Dabei führt eine verstärkte Expression von hFis1 zu aggregierten Mitochondrien, welche zwar anschwellen, nach einem Mediumwechsel jedoch trotzdem bestehen bleiben. Eine Überexpression von DNM1L hat keinen Einfluss auf die Entstehung und Rückbildung der Mega-Mitochondrien. Durch Inhibierung des Tubulin- bzw. Aktin-Zytoskeletts, konnte gezeigt werden, dass eine Zerstörung des Tubulin-Zytoskeletts auf die Entstehung und Rückbildung der Mega-Mitochondrien keine Auswirkungen hat. Die Untersuchungen zu dem Einfluss des Aktin-Zytoskeletts zeigen, dass die Mega-Mitochondrien ringförmig von dem Aktin-Zytoskelett umgeben sind. Mit Hilfe von Fluoreszenzprotein-Markern für die äußere und innere Mitochondrienmembran wurden die Mega-Mitochondrien als Modellsystem für mitochondriale Fusions- und Fissionsstudien verwendet. Somit konnte in der vorliegenden Arbeit mitochondriale Fusion und Fission zum ersten Mal an lebenden Zellen direkt beobachtet werden und führte nachfolgend zu der Einteilung von Fusionsvorgängen der Mitochondrien in einen Modus 1, bei dem eine zeitlich gekoppelte vollständige Fusion von sowohl äußerer wie auch innerer Membran geschieht und einen Modus 2, bei dem die Fusion der äußeren Membranen ohne die Fusion der inneren Membranen erfolgt. In ähnlicher Weise kann die Fission von Mitochondrien unterteilt werden. In einem als Modus 1 bezeichneten Mechanismus beginnt die Rückbildung der Mega-Mitochondrien zunächst mit einer Tubulierung der Mitochondrien hin zu langen Mitochondrienschläuchen, die einen nur geringen Durchmesser besitzen. Erst dann treten vermehrt zeitlich sehr schnell ablaufende Fissionsvorgänge auf. Zusätzlich wurde ein Modus 2-Mechanismus der Fission beobachtet, welcher aus einer unvollständigen Fusion resultiert, bei dem die inneren Membranen noch nicht miteinander verschmolzen sind. Auf elektronenmikroskopischer Ebene finden während der Mega-Mitochondrien-Bildung drastische Veränderung von zwiebelringartigen Cristae hin zu einer Abnahme von inneren Membranstrukturen und der elektronendichte im Matrixraum statt. Somit ist im Rahmen dieser Arbeit zum ersten Mal eine optische Beobachtung sowohl dieser Bewegungen wie auch von Fusions- und Fissionsprozessen und deren zeitlich Auflösung in vivo mit Hilfe der Mega-Mitochondrien gelungen. N2 - A variety of mitochondrial features are based on processes involving mitochondrially encoded as well as nuclear encoded gene products. By means of these manifold interactions it is difficult to discern the influences of the single components. One effort to overcome these difficulties was the development of cells devoid of endogenous mtDNA (so called rho0 cells) and therefore to exclude the mitochondrial genetic component. The aim of this thesis was the investigation of the metabolic, proliferative and morphologic characteristics of a rho0 cell line (143B.TK-K7) based on a 143B.TK- background. This cell line was developed by the expression of a mitochondrially targeted restriction endonuclease. During the cultivation and proceeding acidification of the culture medium by lactic acid megamitochondria developed in the cytoplasm of the 143B.TK-K7 cells. These megamitochondria form both by multiple fusion events and an additional increase in water influx into the matrix. All mitochondria then exist as large spherical structures with diameters of up to 7 µm and therefore receive the smallest surface area to a given volume. The formation of megamitochondria is dependent on a high proton production level additional to a sufficient amount of lactate (lactic acid) in the medium. Furthermore it is possibly to induce megamitochondria in cells still possessing a mitochondrial genome by these conditions. The formation of megamitochondria is not a sign of apoptotic processes per se, because the back-formation of the megamitochondria into a rho0-like network can be induced very fast by the exchange of the acidulated medium. Initial deformations of the megamitochondria are followed by tubulation in progressive mitochondria tubules and numerous fission events. Metabolic analyses show that this backformation only depends on a sufficient low concentration of protons in the medium. When the given threshold is not being traversed the megamitochondria persist. Immunocytological investigations both of the fusion protein MFN2 and the protein of the fission machinery DNM1L demonstrate a constant mitochondrial distribution in focal regions of the outer mitochondrial membrane during formation as well as back-formation of megamitochondria. By overexpressing the fission proteins hFis1 and DNM1L respectively in 143B.TK-K7 cells, it should be tested whether or not megamitochondria develop. The enhanced expression of hFis1 led to the formation of aggregated mitochondria that indeed swell but persist after changing the medium. The overexpression of DNM1L has no influence on the formation as well as the back-formation of the megamitochondria. Incubation of the cells with inhibitors for the tubulin respectively actin cytoskeleton evidenced that the destruction of the tubulin cytoskeleton has no consequence for the formation and back-formation of megamitochondria. Unclear results were obtained with inhibitors of the actin cytoskeleton probably due to secondary effects of the inhibitors to the cells. However the findings showed that the megamitochondria are embedded into the actin cytoskeleton. Additionally the megamitochondria were used as a model system for mitochondrial fusion and fission events. For this purpose fluorescent protein markers for the inner and outer mitochondrial membrane were created. With these tools it was possible to observe directly mitochondrial fusion and fission in living cells by confocal microscopy. Furthermore this led to the classification of fusion processes of the mitochondria in a mode 1 with temporally coupled fusion of outer and inner membrane and a mode 2 where the fusion of outer membrane occurs independent of the inner membrane fusion. In a similar way the fission of mitochondria can be sub-classified: mode 1 is featured during the back-formation of megamitochondria by increasing tubulation events in long mitochondrial tubules with thin diameters. Only at this point very fast fission events could be observed. Furthermore in a fission mode 2 that results from an incomplete fusion of inner mitochondrial membranes, the outer membrane invaginates from one side along the unfused inner membranes until two separate mitochondrial units exist. During the megamitochondria formation on electron microscopic level drastic changes occur from fuzzy onion like structures to a decrease of inner membranes and electron density in the matrix. Additionally inversions and inclusions consisting of one membrane and also double membranes are evident. Comparisons with confocal microscopy images show that these inclusions apparently accomplish undirected movements with high velocity. In the present thesis it was possible to observe for the first time these movements as well as mitochondrial fusion and fission in living cells with an outstanding optical and temporal resolution. KW - Mitochondrium KW - Spaltung KW - Verschmelzung KW - Mitochondrien KW - rho0 KW - mitochondria KW - rho0 Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-26484 ER - TY - THES A1 - Kukat, Christian T1 - Fusion, Fission und Nucleoids in Megamitochondrien T1 - Fusion, fission and nucleoids in megamitochondria N2 - In rho0-Zellen, die über keine mitochondriale DNA (mtDNA) mehr verfügen, entstehen während der Kultivierung Megamitochondrien durch endogene Milchsäure-Azidifizierung des Kulturmediums. Diese Riesenorganellen bilden sich dabei durch mitochondriale Fusionsereignisse und/oder eine Hemmung der Fission. In Zellen mit mitochondrialem Genom ist es ebenso möglich Megamitochondrien durch artifizielles Ansäuern des Kulturmediums zu induzieren. Diese Erkenntnisse wurden im Rahmen dieser Arbeit als Werkzeug verwendet, um Einblicke in mitochondriale Fusions- und Fissionsereignisse zu erlangen. Zunächst wurde die Fusion mitochondrialer Matrixkompartimente mithilfe der photoaktivierbaren Variante des grünen fluoreszierenden Proteins (PA-GFP) untersucht. Hiermit konnte gezeigt werden, dass das Vermischen der Matrixkompartimente nach der Fusion ein sehr schneller Prozess ist. Die Analyse der Bildung und Rückbildung der Megamitochondrien erfolgte sowohl konfokal- als auch elektronenmikroskopisch, wobei sich zeigte, dass die Matrix der Riesenorganellen kaum mehr Cristae beinhaltet. Die Rückbildung der Megamitochondrien zum normalen Netzwerk ist ein sehr schneller Prozess, bei dem schon nach 15 min keine vergrößerten Organellen mehr sichtbar sind. Dies indiziert, dass der Rückbildungsprozess wahrscheinlich durch Veränderungen von verfügbaren Proteinen durchgeführt wird, ohne die Induzierung von Proteinneusynthese. Untersuchungen auf ultrastruktureller Ebene zeigten, dass es während der Rückbildung zur Formation von drei unterschiedlichen Mitochondrientypen kam, die sich in ihrer Morphologie stark unterschieden. Weiterhin wurden vergleichende Studien zur Bildung der Megamitochondrien durchgeführt, bei denen der Einfluss von Atmungsketten-Inhibitoren auf die Bildung von Milchsäure-induzierten Riesenorganellen untersucht wurde. Die Resultate deuten für die Megamitochondrieninduktion auf eine Abhängigkeit auf ein intaktes Membranpotential hin. Immunzytochemisch wurde die endogene Lokalisation der mitochondrialen Fusions- und Fissionsproteine Mitofusin 2, hFis1 und Drp1/DNM1L am Modellsystem der Megamitochondrieninduktion aufgeklärt. Es zeigte sich, dass diese Proteine punktförmig an der äußeren Membran der Riesenorganellen lokalisieren Um das Modellsystem an lebenden Zellen zu nutzen, wurden Vektoren konstruiert, die fluoreszenzmarkierte Proteine der mitochondrialen Fusions- und Fissionsmaschinerie exprimierten. Hiermit konnte einerseits die Lokalisation von Mitofusin 1, Mitofusin 2, hFis1 und Drp1/DNM1L in lebenden Zellen nach Induktion der Megamitochondrien analysiert werden und andererseits der Einfluss der Überexpression dieser Proteine auf die Bildung der Riesenorganellen dokumentiert werden. Die Ergebnisse machten deutlich, dass nur die Überepxression von hFis1 die Bildung der Megamitochondrien verhinderte. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag in der Visualisierung und Dynamik mitochondrialer Nucleoids in lebenden Zellen. Nucleoids sind Protein-DNA-Komplexe, in denen mitochondriale Genome organisiert sind. Mit dem Farbstoff PicoGreen gelang es mtDNA in lebenden Zellen zu färben und Dynamikstudien der punktförmigen Strukturen mikroskopisch festzuhalten. Während sich mtDNA im mitochondrialen Netzwerk nur marginal aufgrund stattfindender Fusions- und Fissionsereignisse bewegte kam es in den Milchsäure-induzierten Megamitochondrien zu einer extensiven und extrem schnellen Bewegung von mitochondrialer DNA. In anschließenden Versuchen wurde der mitochondriale Transkriptions- und Verpackungsfaktor TFAM als fluoreszentes Fusionsprotein in Zellen transfiziert und Kolokalisationsstudien zeigten, dass das Fusionsprotein mit mtDNA kolokalisiert. In den Riesenorganellen präsentierten punktförmige TFAM-gefärbte Nucleoids ein sehr dynamisches Verhalten mit schneller Bewegung. In rho0-Zellen ohne mitochondriale DNA war die TFAM-Fluoreszenz hingegen gleichmäßig verteilt. Ein weiterer Nucleiodbestandteil ist das mitochondriale DNA-Einzelstrangbindeprotein SSBP1, welches in Megamitochondrien ebenso ein sehr dynamisches Verhalten aufwies. Eine mitochondrial-zielgesteuerte und EGFP-markierte Restriktionsendonuklease wies ebenfalls das typische, punktförmige Nucleoidmuster im mitochondrialen Netzwerk auf, was auf eine Interaktion mit der mtDNA schließen lässt. In rho0-Zellen ohne mtDNA kam es jedoch zur gleichmäßigen Verteilung des Konstruktes in den Mitochondrien. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit sowohl Einblicke in die Biologie der Megamitochondrien gewonnen, als auch Erkenntnisse über die Dynamik mitochondrialer Protein-DNA-Komplexe, wobei der Schwerpunkt hierbei auf einer Analyse mit Hilfe optischer Methoden lag. N2 - During the cultivation of rho0 cells, which are devoid of mitochondrial DNA (mtDNA), excessive endogenous lactic acid production during the fermentation process drives the development of megamitochondria. These giant organelles are formed by mitochondrial fusion events and/or the repression of fission. Megamitochondria formation is inducible in cells containing mtDNA by an artificial acidification of the culture medium by lactic acid. This work exploits these findings in order to investigate mitochondrial fusion and fission events. Fusion of mitochondrial matrix compartments was examined with the aid of the photoactivatable variant of the green fluorescent protein (PA-GFP), showing that the mixing of matrix components after fusion is an extremely fast process. Formation and reversion of megamitochondria was analyzed by confocal and electron microscopy, revealing that the matrix of giant organelles contains only rudiment structures of cristae organization. Reversion of the megamitochondria to a normal network displays fast kinetic characteristics. This indicates that the restoration process most likely is performed by alterations of novel protein expression. Additional assessment on an ultrastructural level displayed the occurrence of three different types of mitochondria during the reversion, which strongly differed in their morphology. To gain insights into the mechanism of megamitochondria formation and reversion comparative studies were performed with various inhibitors of the respiratory chain. The results indicated a dependence on an intact membrane potential for the induction of megamitochondria. Localization of the endogenous mitochondrial fusion and fission proteins mitofusin 1, hFis1 and Drp1/DNM1L were analyzed in megamitochondria by immunocytochemistry, demonstrating that these proteins localize foci-like to the outer membrane of the giant organelles. Fluorescently tagged proteins of the mitochondrial fusion and fission apparatus (mitofusin 1, mitofusin 2, hFis1 and Drp1/DNM1L) were used in localization and overexpression experiments in living cells by transient transfection. The results revealed that only the overexpression of hFis1 inhibited the formation of megamitochondria. Another main focus of this thesis was the visualization and dynamics of mitochondrial nucleoids in living cells. Nucleoids are protein-DNA complexes representing organizational units for the mitochondrial genomes The dye PicoGreen was used to stain mtDNA in living cells and the dynamics of nucleoid movement was analyzed by fluorescent and confocal microscopy. While mitochondrial DNA showed only marginal movements due to ongoing fusion and fission events in a mitochondrial network, an extensive and extremely fast movement in the lactic acid-induced megamitochondria could be observed. In subsequent experiments the mitochondrial transcription and packaging factor TFAM was fluorescently tagged and transfected into cells. Colocalization studies showed that this fusion protein colocalizes with mitochondrial DNA. In the giant organelles foci-like TFAM-stained nucleoids displayed a very dynamic performance with fast movement. However, in rho0 cells without mitochondrial DNA the TFAM-fluorescence was uniformly distributed. An additional nucleoid constituent and marker for mitochondrial DNA is the mitochondrial single-stranded DNA-binding protein SSBP1, and it could be shown that SSBP1 also exhibits very dynamic characteristics in megamitochondria. A mitochondrial-targeted and EGFP-tagged restriction endonuclease also exhibited the typical, punctual nucleoid pattern in the mitochondrial network, suggesting an mtDNA interaction. In rho0 cells, however, the construct was uniformly distributed in the mitochondrial matrix. In summary, in the present thesis optical and mechanistic insights into the biology of megamitochondria were obtained. This approach was further exploited to study the dynamics of mitochondrial protein-DNA complexes with optical methods. KW - Mitochondrium KW - Cytologie KW - Mitochondrien KW - mitochondria Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-30467 ER - TY - JOUR A1 - Kunz, Tobias C. A1 - Götz, Ralph A1 - Gao, Shiqiang A1 - Sauer, Markus A1 - Kozjak-Pavlovic, Vera T1 - Using Expansion Microscopy to Visualize and Characterize the Morphology of Mitochondrial Cristae JF - Frontiers in Cell and Developmental Biology N2 - Mitochondria are double membrane bound organelles indispensable for biological processes such as apoptosis, cell signaling, and the production of many important metabolites, which includes ATP that is generated during the process known as oxidative phosphorylation (OXPHOS). The inner membrane contains folds called cristae, which increase the membrane surface and thus the amount of membrane-bound proteins necessary for the OXPHOS. These folds have been of great interest not only because of their importance for energy conversion, but also because changes in morphology have been linked to a broad range of diseases from cancer, diabetes, neurodegenerative diseases, to aging and infection. With a distance between opposing cristae membranes often below 100 nm, conventional fluorescence imaging cannot provide a resolution sufficient for resolving these structures. For this reason, various highly specialized super-resolution methods including dSTORM, PALM, STED, and SIM have been applied for cristae visualization. Expansion Microscopy (ExM) offers the possibility to perform super-resolution microscopy on conventional confocal microscopes by embedding the sample into a swellable hydrogel that is isotropically expanded by a factor of 4–4.5, improving the resolution to 60–70 nm on conventional confocal microscopes, which can be further increased to ∼ 30 nm laterally using SIM. Here, we demonstrate that the expression of the mitochondrial creatine kinase MtCK linked to marker protein GFP (MtCK-GFP), which localizes to the space between the outer and the inner mitochondrial membrane, can be used as a cristae marker. Applying ExM on mitochondria labeled with this construct enables visualization of morphological changes of cristae and localization studies of mitochondrial proteins relative to cristae without the need for specialized setups. For the first time we present the combination of specific mitochondrial intermembrane space labeling and ExM as a tool for studying internal structure of mitochondria. KW - Expansion microscopy KW - mitochondria KW - cristae KW - structured illumination microscope KW - ultrastructure Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-208296 SN - 2296-634X VL - 8 ER - TY - JOUR A1 - Ott, Christine A1 - Dorsch, Eva A1 - Fraunholz, Martin A1 - Straub, Sebastian A1 - Kozjak-Pavlovic, Vera T1 - Detailed Analysis of the Human Mitochondrial Contact Site Complex Indicate a Hierarchy of Subunits JF - PLoS One N2 - Mitochondrial inner membrane folds into cristae, which significantly increase its surface and are important for mitochondrial function. The stability of cristae depends on the mitochondrial contact site (MICOS) complex. In human mitochondria, the inner membrane MICOS complex interacts with the outer membrane sorting and assembly machinery (SAM) complex, to form the mitochondrial intermembrane space bridging complex (MIB). We have created knockdown cell lines of most of the MICOS and MIB components and have used them to study the importance of the individual subunits for the cristae formation and complex stability. We show that the most important subunits of the MIB complex in human mitochondria are Mic60/Mitofilin, Mic19/CHCHD3 and an outer membrane component Sam50. We provide additional proof that ApoO indeed is a subunit of the MICOS and MIB complexes and propose the name Mic23 for this protein. According to our results, Mic25/CHCHD6, Mic27/ApoOL and Mic23/ApoO appear to be periphery subunits of the MICOS complex, because their depletion does not affect cristae morphology or stability of other components. KW - co-immunoprecipitation KW - motor proteins KW - mitochondria KW - membrane potential KW - membrane proteins KW - protein complexes KW - mitochondrial membrane KW - outer membrane proteins Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-125347 VL - 10 IS - 3 ER - TY - THES A1 - Ott, Christine Kornelia T1 - Diverse Aspects of the Sorting and Assembly Machinery in Human Mitochondria T1 - Diverse Aspekte der Sortierungs- und Assemblierungsmaschinerie in humanen Mitochondrien N2 - Mitochondria are organelles of endosymbiotic origin, which play many important roles in eukaryotic cells. Mitochondria are surrounded by two membranes and, considering that most of the mitochondrial proteins are produced in the cytosol, possess import machineries, which transport mitochondria-targeted proteins to their designated location. A special class of outer mitochondrial membrane (OMM) proteins, the β-barrel proteins, require the sorting and assembly machinery (SAM) for their OMM integration. Both mitochondrial β-barrel proteins and the central component of the SAM complex, Sam50, have homologs in gram-negative bacteria. In yeast mitochondria, bacterial β-barrel proteins can be imported and assembled into the OMM. Our group demonstrated that this, however, is not the case for human mitochondria, which import only neisserial β barrel proteins, but not those of Escherichia coli and Salmonella enterica. As a part of this study, I could demonstrate that β-barrel proteins such as Omp85 and PorB of different Neisseria species are targeted to human mitochondria. Interestingly, only proteins belonging to the neisserial Omp85 family were integrated into the OMM, whereas PorB was imported into mitochondria but not assembled. By exchanging parts of homologous neisserial Omp85 and E. coli BamA and, similarly, of neisserial PorB and E. coli OmpC, it could be demonstrated in this work that the mitochondrial import signal of bacterial β barrel proteins cannot be limited to one short linear sequence, but rather secondary structure and protein charge seem to play an important role, as well as specific residues in the last β-strand of Omp85. Omp85 possesses five conserved POTRA domains in its amino-terminal part. This work additionally demonstrated that in human mitochondria, at least two POTRA domains of Omp85 are necessary for membrane integration and functionality of Omp85. In the second part of this work, the influence of Sam50 on the mitochondrial cristae structure was investigated. This work contributed to a study performed by our group in which it was confirmed that Sam50 is present in a high molecular weight complex together with mitofilin, CHCHD3, CHCHD6, DnaJC11, metaxin 1 and metaxin 2. This connection between the inner and outer mitochondrial membrane was shown to be crucial for the maintenance of the mitochondrial cristae structure. In addition, a role of Sam50 in respiratory complex assembly, suggested by a SILAC experiment conducted in our group, could be confirmed by in vitro import studies. An influence of Sam50 not only on respiratory complexes but also on the recently described respiratory complex assembly factor TTC19 was demonstrated. It was shown that TTC19 not only plays a role in complex III assembly as published, but also influences the assembly of respiratory complex IV. Thus, in this part of the work a connection between the OMM protein Sam50 and maintenance of cristae structure, respiratory complex assembly and an assembly factor could be established. N2 - Mitochondrien sind Zellorganellen endosymbiotischen Ursprungs, die viele wichtige Funktionen in eukaryotischen Zellen haben. Mitochondrien sind von zwei Membranen umgeben, und da die meisten Mitochondrienproteine im Cytosol hergestellt werden, besitzen sie Importmaschinerien, die die für die Mitochondrien bestimmten Proteine zu ihrem jeweiligen Zielort transportieren. Eine besondere Klasse von Proteinen der äußeren Mitochondrienmembran (ÄMM), die β-Fassproteine, benötigen die Sortierungs- und Assemblierungsmaschinerie (SAM) für ihre Integration in die ÄMM. Sowohl mitochondriale β-Fassproteine als auch die zentrale Komponente des SAM-Komplexes, Sam50, haben Homologe in gramnegativen Bakterien. In Hefemitochondrien können bakterielle β Fassproteine importiert und in der ÄMM assembliert werden. Unsere Gruppe hat gezeigt, dass dies jedoch nicht auf humane Mitochondrien zutrifft, die nur neisserielle β-Fassproteine importieren, nicht aber diejenigen von Escherichia coli und Salmonella enterica. Im Rahmen dieser Studie konnte ich zeigen, dass β Fassproteine verschiedener Neisserienarten, wie Omp85 und PorB, in humane Mitochondrien aufgenommen werden. Interessanterweise wurden nur Proteine der neisseriellen Omp85-Familie in die ÄMM eingebaut, während PorB zwar importiert, jedoch nicht assembliert wurde. Durch das Austauschen von Teilen von homologem neisseriellen Omp85 und E.coli BamA und ebenso von neisseriellem PorB und E. coli OmpC konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass das mitochondriale Importsignal bakterieller β-Fassproteine nicht auf eine kurze lineare Sequenz eingegrenzt werden kann, sondern dass die Sekundärstruktur und die Ladung des Proteins eine wichtige Rolle zu spielen scheinen, sowie im Fall von Omp85 einige bestimmte Aminosäurereste des letzten β-Stranges. Omp85 besitzt fünf konservierte POTRA-Domänen in seiner aminoterminalen Hälfte. In dieser Arbeit wurde zudem demonstriert, dass in humanen Mitochondrien mindestens zwei POTRA-Domänen von Omp85 für die Membranintegration und Funktionalität von Omp85 vorhanden sein müssen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss von Sam50 auf die mitochondriale Cristaestruktur untersucht. Diese Arbeit hat zu einer von unserer Gruppe durchgeführten Studie beigetragen, in der bestätigt werden konnte, dass Sam50 in einem hochmolekularen Komplex mit Mitofilin, CHCHD3, CHCHD6, DnaJC11, Metaxin 1 und Metaxin 2 vorliegt. Es wurde gezeigt, dass diese Verbindung zwischen der inneren und äußeren Mitochondrienmembran unverzichtbar für die Aufrechterhaltung der mitochondrialen Cristaestruktur ist. Zudem konnte eine Rolle von Sam50 bei der Assemblierung von Atmungskettenkomplexen, die durch ein in unserem Labor durchgeführtes SILAC-Experiment nahegelegt worden war, durch in-vitro-Importstudien bestätigt werden. Weiterhin wurde ein Einfluss von Sam50 nicht nur auf Atmungskettenkomplexe, sondern auch auf einen vor kurzem beschriebenen Assemblierungsfaktor der Atmungskette, TTC19, demonstriert. Es wurde gezeigt, dass TTC19 nicht nur, wie veröffentlicht, eine Rolle bei der Assemblierung des Atmungskettenkomplexes III spielt, sondern auch die Assemblierung des Atmungskettenkomplexes IV beeinflusst. In diesem Teil der Arbeit konnte folglich eine Verbindung zwischen dem ÄMM-Protein Sam50 und der Organisation der Cristaestruktur, der Atmungskettenassemblierung und einem Assemblierungsfaktor nachgewiesen werden. KW - Mitochondrien KW - Mensch KW - Molekularbiologie KW - mitochondria KW - Import KW - Omp85 KW - beta-barrel-proteins KW - cristae KW - beta-Fassproteine KW - Cristaestruktur Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85462 ER - TY - THES A1 - Schauß, Astrid Claudia T1 - Charakterisierung des mitochondrialen Teilungsproteins Dnm1p mittels quantitativer hochauflösender Lichtmikroskopie T1 - Characterization of the mitochondrial fission protein Dnm1p using quantitative high resolution light microscopy N2 - Mitochondrien verändern dynamisch durch ein balanciertes Verhältnis von Teilung und Fusion die Gestalt ihrer Netzwerke und reagieren so auf interne und externe Signale. Ein Schlülsselprotein der mitochondrialen Teilung ist die Dynamin-verwandte GTPase Dnm1p, die in dieser Arbeit charakterisiert wurde. Da Mitochondrien aufgrund ihres endosymbiontischen Ursprungs zwei Membranen besitzen, erfordert deren Teilung eine besondere Koordination. Unter Verwendung von photokonvertierbarem GFP wird in dieser Arbeit gezeigt, dass in S. cerevisiae die Teilung der inneren und äußeren Membran zeitlich eng gekoppelt verläuft. Dieser Prozess wird durch die GTPase Dnm1p, aber auch durch die Adaptor-Proteine Mdv1p und Caf4p sowie dem integralen Membrananker Fis1p v ermittelt. Dnm1p lagert sich zu Spiralen um den tubulären Strang an und trennt GTP-abhängig die Mitochondrien voneinander. Eine Voraussetzung für die Anlagerung dieser Spiralen stellen Matrix-Konstriktionen dar. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass Dnm1p und auch Fis1p für die Ausbildung dieser mitochondrialen Einschnürungen nicht essentiell sind. Die Untersuchung der Verteilung, Orientierung und Größe der Epitop-markierten Dnm1p-Cluster bildet den Schwerpunkt der Arbeit. Weiterhin wird der Einfluss der Teilungsproteine Fis1p, Mdv1p und Caf4p auf diese Dnm1p-Charakteristika ermittelt. Die Analyse basiert auf quantitativen Konfokalmikroskopie-Aufnahmen, zusätzlich werden auch neue hochauflösende Lichtmikroskope (4Pi und STED) zur genauen Lokalisation und Größenbestimmung eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass im Wildtyp und in Mdv1p-Deletionsstämmen die Mehrheit der Cluster mit den Mitochondrien assoziiert ist, während in Fis1p- und Caf4p-Deletionszellen die Rekrutierung der Cluster zu den Mitochondrien gestört erscheint. Nur wenige Cluster bilden Spiralen um Matrix-Konstriktionen aus, die überwiegende Mehrheit der nicht an aktuellen Teilungsprozessen beteiligten Dnm1p-Aggregate weist dagegen im Wildtyp und in Mdv1p-Deletionszellen eine polare Orientierung Richtung Zellcortex auf. Die in dieser Arbeit zum ersten Mal beschriebene Polarität ist in Fis1p- und Caf4p-Deletionsstämmen aufgehoben, bleibt jedoch auch nach der Zerstörung des Aktin-Gerüstes aufrechterhalten. Die Ergebnisse der Arbeit deuten darauf hin, dass Dnm1p in einem Komplex mit Fis1p und Caf4p zusätzlich zu seiner Funktion als Teilungsprotein an der Anheftung der Mitochondrien an den Zellcortex beteiligt ist. Zudem scheinen die Adaptorproteine Mdv1p und Caf4p trotz molekularer Ähnlichkeit unterschiedliche Aufgaben in der Zelle zu erfüllen. N2 - Mitochondrial networks dynamically change their shape by balanced fission and fusion in response to internal and external signals. The key protein in mitochondrial fission, the dynamin-related GTPase Dnm1p, is characterised in this study. Because of their endosymbiotic origin mitochondria possess two membranes, whose separations must be coordinated. Using photoconvertable GFP, it is shown that the division of outer and inner membranes are tightly coupled in S. cerevisiae. This separation is due to the GTPase Dnm1p, but the adaptor proteins Mdv1p and Caf4p, as well as the membrane anchor Fis1p, are also involved in mitochondrial division in yeast. Dnm1p forms spirals around the mitochondrial tubes and separates them in a GTPase-dependant manner. Matrix constrictions are presumably one precondition for the formation of spirals. In this work it is shown that Dnm1p as well as Fis1p are not essential for the formation for this mitochondrial narrowing. The main focus of the work is the analysis of the distribution, orientation and size of the epitope-tagged Dnm1p clusters in yeast cells. Additionally, the influence of the other division proteins, Fis1p, Mdv1p and Caf4p, on these Dnm1p characteristics is determined. The analysis is based on both quantitative confocal images and high resolution 4Pi and STED microscopy, for better localization and determination of the cluster sizes. The results demonstrate that in wild type and Mdv1p deletion cells, the majority of clusters are associated with mitochondria, whereas the recruitment of Dnm1p-clusters is disturbed in Fis1p and Caf4p deletion cells. While just a few clusters form spirals around matrix constrictions, the overwhelming majority of clusters, which are not involved in an actual fission process, show a polar orientation towards the cell cortex in wild type and Mdv1p deletion cells. This polarity, described for the first time in this work, is abolished in Fis1 and Caf4p deletion cells, but is maintained after the destruction of the actin cytoskeleton. The results of this work point to an additional role of Dnm1p, together with Fis1p and Caf4p, in the attachment of mitochondria to the cell cortex. Furthermore it is shown that the adaptor proteins Mdv1p and Caf4p have different roles within the cell despite of their molecular similarity. KW - Hefeartige Pilze KW - Mitochondrium KW - Mikroskopie KW - Mitochondrien KW - Dynamik KW - Hefe KW - STED KW - 4Pi KW - mitochondria KW - dynamic KW - yeast KW - STED KW - 4Pi Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-17566 ER - TY - THES A1 - Schäfer, Ingo T1 - Fremdgenexpression in humanen Mitochondrien T1 - Artificial gene expression in human mitochondria N2 - Bei einer Vielzahl neuromuskulärer und neurodegenerativer Erkrankungen spielen Fehlfunktionen der Mitochondrien eine wichtige Rolle. Da die Proteine der Atmungsketten-komplexe sowohl durch die mitochondriale DNA als auch durch das Kerngenom codiert werden, können Mutationen in beiden Genomen die Auslöser dieser Erkrankungen darstellen. Veränderungen der mitochondrialen DNA lassen sich - im Gegensatz zum Kerngenom - bisher nicht korrigieren, weshalb bei einem großen Teil der Erkrankungen nur die Symptome und nicht die Auslöser behandelt werden können. Das grundlegende Problem stellt dabei der Transport der DNA in die Mitochondrien dar. Ziel dieser Arbeit war es, mit Hilfe von physikalischen Transfektionsmethoden exogene DNA in die Mitochondrien menschlicher Kulturzellen einzubringen. Dazu wurden unterschiedliche Vektoren hergestellt, die in Mitochondrien das an die Mitochondrien angepasste grün fluoreszierende mtEGFP exprimieren sollen. Die Expressionsfähigkeit und Prozessierung dieser Konstrukte konnte in in-vitro-Assays mit einem Mitochondrienextrakt nachgewiesen werden. Bei Transfektionsversuchen mit der Gene Gun gelang es erstmals, exogene Plasmid-DNA in die Mitochondrien menschlicher Zellen einzubringen. Das durch die transfizierten Vektoren exprimierte mtEGFP konnte am Fluoreszenzmikroskop eindeutig in den Mitochondrien der Zellen lokalisiert werden. Eine Transfektion mit Hilfe magnetischer Partikel erwies sich jedoch nicht als zielführend, da die die Partikel eine Eigenfluoreszenz aufwiesen, die eine Detektion der mtEGFP-Expression verhinderten. Eine wichtige Voraussetzung für die Transfektion von Mitochondrien durch mechanische Methoden wie die Mikroinjektion ist die reversible Induktion von Megamitochondrien, da sie erst in diesem Zustand penetriert werden können. Durch eine Ansäuerung des Kulturmediums mit Natriumacetat bzw. Essigsäure konnten Mitochondrien erzeugt werden, die beinahe die Größe des Zellkerns aufwiesen und somit ideale Bedingungen für die Mikroinjektion darstellen. Bei den anschließenden Mikroinjektionsversuchen mit den hergestellten mitochondrialen Expressionsvektoren wurden wiederum Zellen mit eindeutig grün fluoreszierenden Mitochondrien gefunden. Zusammenfassend wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmalig menschliche Mitochondrien mit exogener DNA transfiziert. Dies stellt einen grundlegenden Schritt für die Entwicklung neuer Therapieformen bei mitochondrialen Myopathien dar. Zuvor müssen die Transfektionsmethoden jedoch noch weiter optimiert werden, um eine höhere Transfektionseffizienz zu erreichen. N2 - Mitochondrial dysfunctions play an important role in a variety of neuromuscular and neurodegenerative diseases. As the proteins of the respiratory chain complexes are encoded by the mitochondrial DNA as well as the nuclear genome, mutations in both could trigger solely the diseases. Up to now, changes of the mitochondrial DNA could not be corrected, hence, therapies were designed to decrease symptoms in patients. In this context, the limiting factor to cure these disease relies on the DNA transport into the mitochondria. The aim of this work was to insert exogenous DNA into the mitochondria of human cultured cells by physical transfection methods. A variety of different vectors was constructed to express the mitochondrially adapted green fluorescent mtEGFP within mitochondria. The ability of these constructs to be expressed and processed was proved by in vitro assays using a mitochrondrial extract. In the transfection experiments using the gene gun, we succeeded for the first time to introduce exogenous plasmid DNA into human mitochondria. The mtEGFP expressed by the transfected vectors could definitely be localized to the mitochondria of the cells. Transfections using magnetic particles as mediator could not be used, because the particles exhibit an autofluorescence which prevents a detection of the mtEGFP expression. An essential prerequisite for the transfection of mitochondria by mechanical methods like microinjection is the reversible induction of megamitochondria, since they could not be penetrated as small regular organelles. Acidification of the culture medium with sodium acetate or acetic acid led to mitochondria exhibiting almost the size of the nucleus, thus giving ideal conditions for microinjection. In the applied microinjection experiments using the mitochondrial expression vectors, cells displayed mitochondria with distinct green fluorescence. In summary, human mitochondria were transfected successfully for the first time with mitochondrial expression vectors. This is a fundamental step in the development of new therapies targeting mitochondrial myopathies. However, the transfection methods have to be optimized to achieve higher transfection efficiencies. KW - Mitochondrium KW - Heterologe Genexpression KW - Mitochondrien KW - mitochondria KW - gene expression KW - Transfektion KW - Mensch KW - Genexpression Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85202 ER -