Function and regulation of the mitochondrial membrane fusion machinery
Final Report Abstract
Mitochondrien liegen in vielen eukaryontischen Zelltypen als ein dynamisches Netzwerk vor, das durch Fusion, Teilung und Bewegung ständig umgestaltet und den Bedürfnissen der Zelle angepasst wird. Die Dynamik der Mitochondrien ist wichtig für die Aufrechterhaltung der mitochondrialen Funktion, die Vererbung der mitochondrialen DNA (mtDNA), die intrazelluläre Verteilung der Mitochondrien, den Abbau der Mitochondrien durch Mitophagie und für die Kontrolle des programmierten Zelltods (Apoptose). Wir haben die molekularen Grundlagen der Fusion mitochondrialer Membranen und die Funktion und Regulation der mitochondrialen Membranfusionsmaschinerie in insgesamt vier aufeinander aufbauenden DFG-Projekten untersucht. Dabei haben wir vorwiegend mit der Hefe Saccharomyces cerevisiae als Modellorganismus gearbeitet. In den ersten drei Förderphasen haben wir die Hauptkomponente der mitochondrialen Fusionsmaschinerie der Außenmembran, das Fzo1-Protein, in Hefe identifiziert und funktionell charakterisiert und durch systematische, genomweite Screens eine Reihe weiterer Komponenten der mitochondrialen Dynamik entdeckt und funktionell untersucht. In der letzten Förderperiode haben wir vier wesentliche Ergebnisse erzielt: (1) Das bis dahin uncharakterisierte Protein Mdm36, welches wir in Vorarbeiten in einem Screen von 4.800 Hefe-Deletionsmutanten identifiziert hatten, ist für die mitochondriale Fusions- und Teilungsdynamik wichtig, indem es die Mitochondrien mit der Plasmamembran verankert und dadurch die Teilungsmaschinerie unterstützt. (2) Die Fusion einzelner Mitochondrien kann in lebenden Hefezellen mit einer Serie von Konstrukten beobachtet werden, mit denen Mitochondrien oder ihre Bestandteile mit photokonvertierbaren Fluoreszenzproteinen gefärbt werden. Nach Photokonversion entstehen zwei Populationen unterschiedlich gefärbter Organellen, deren Fusion fluoreszenzmikroskopisch beobachtet werden kann. (3) Genetisch markierte Versionen mitochondrialer Genome, die nebeneinander in derselben Zelle vorliegen, entmischen sich bei der Zellteilung so rasch, dass es schwierig ist, den Einfluss der mitochondrialen Fusion auf ihre Vererbung zu untersuchen. Sie stellen aber eine nützliche Ressource für genomweite Screens zur Vererbung der mtDNA dar. (4) Die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii besitzt zwar keine Homologe zu Fzo1 oder anderen bekannten Komponenten der mitochondrialen Fusionsmaschinerie von Pilzen und Tieren, aber dennoch kann in Zygoten eine effiziente Fusion der Mitochondrien beobachtet werden. Auch wenn die Projekte zur Fusion der Mitochondrien inzwischen abgeschlossen sind, sind diese Ergebnisse sehr wertvoll für unsere laufenden Arbeiten zur zellulären Logistik der mitochondrialen Vererbung in Hefe und den genetischen Grundlagen der Vererbung des mitochondrialen Genoms.
Publications
- (2010). Mdm36 is a mitochondrial fission-promoting protein in Saccharomyces cerevisiae. Mol. Biol. Cell, 21:2443-2452
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- (2013). Mitochondrial fusion in Chlamydomonas reinhardtii zygotes. Eur. J. Cell Biol. 92:80-86
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(See online at https://doi.org/10.1016/j.ejcb.2012.10.004) - (2013). The yeast cell cortical protein Num1 integrates mitochondrial dynamics into cellular architecture. J. Cell Sci. 126:2924-2930
Klecker, T., Scholz, D., Förtsch, J., and Westermann, B.
(See online at https://doi.org/10.1242/jcs.126045)
