REDOX-regulation der mitochondrialen Transkription durch mitochondriale Topoisomerase I

• Antragsteller: Professor Dr. Friedrich Boege
• Fachliche Zuordnung: Public Health, Gesundheitsbezogene Versorgungsforschung, Sozial- und Arbeitsmedizin
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 273662364

Mitochondriale Topoisomerase I (TOP1MT) beseitigt Überdrillung der mitochondrialen DNS (mtDNS) und wurde als Kandidatengen menschlicher Mitochondrienerkrankungen identifiziert. TOP1MT-defiziente Mäuse zeigen eine deutlich gesteigerte negative mtDNS-Überdrillung, aber keine Mitochondriendysfunktion. Somit ist TOP1MT ein entscheidender Regulator der mtDNS-Verdrillung, aber die Bedeutung dieser Funktion für die mitochondriale Homöostase bleibt unklar.Wir haben TOP1MT als Negativregulator der mtDNS-Transkription identifiziert. Diese Funktion wird in isolierten Mitochondrien durch Stimulation der endogenen ROS-Produktion inaktiviert. Wir haben oxidationsresistente TOP1MT-Mutanten exprimiert, die diesen Effekt nicht zeigen. Wir folgern einen Rückkopplungskreis, in dem TOP1MT die mtDNS-Transkription drosselt und seinerseits durch erhöhten Oxidationsdruck gehemmt wird. Wir wollen den Kausalzusammenhang zwischen mitochondrialem REDOX-Potential, TOP1MT-Aktivität und mtDNA-Transkription beweisen (Ziel 1), die daran beteiligten Prozesse und Komponenten charakterisieren (Ziel 2) und eine mögliche Rolle dieses Mechanismus bei oxidativen Stressreaktionen und/oder Alters-assoziierten mitochondrialen Dysfunktionen aufklären (Ziel 3). Wir wollen zeigen, dass (i) die REDOX-Modulation der mtDNA-Transkription nach TOP1MT-Depletion/Deletion verloren geht und nicht durch inaktive oder oxidationsresistente TOP1MT-Mutanten komplementiert wird, dass (ii) Steigerungen des mitochondrialen ROS-Spiegels die Nukleoid-Assoziation und die Bindung von TOP1MT an die mtDNA-Promoterregion senken sowie den negativen Verdrillungsgrad der mtDNA anheben, und dass (iii) diese Effekte in TOP1MT-defizienten Zellen durch den TOP1MT-Wildtyp, nicht jedoch inaktive oder oxidationsresistente Mutanten komplementiert werden. Wir wollen diese Komplementationsmodelle akuter oder chronisch intermittierender UVA-Bestrahlung aussetzen und die Effekte auf ROS-Spiegel, mtDNA-Transkription, mtDNA-Kopienzahl, nukleäre Mitobiogenese, die Balance nukleär und mitochondrial kodierter Atmungskettenkomplexe sowie die Zellatmung untersuchen. Die physiologische Relevanz solcher TOP1MT-abhängiger Adaptationsprozesse wollen wir validieren, indem wir deren Status in primären dermalen Fibroblasten aus lichtgeschützter und lichtexponierter Haut junger und alter menschlicher Spender untersuchen. Ein Fernziel außerhalb des Bereiches dieses Antrages ist ein induzierter TOP1MT- Knockout in Mäusen.Wir erwarten einen neuen Mechanismus der direkten REDOX-abhängige Regulation der mtDNS-Transkription durch TOP1MT nachzuweisen und aufzuklären, ob dieser Mechanismus zur Anpassung der Zellatmungskapazität an den REDOX-Status der mitochondrial Matrix und zur Feinadjustierung der mito-nukleären Kommunikation bei mito-biogenetischen Stress-reaktionen beiträgt. Möglicherweise können wir nachweisen, dass Störungen des Mechanismus bei UVA-induzierten und Alters-assoziierten mitochondrialen Dysfunktionen eine Rolle spielen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen