Identification and characterization of novel mitochondrial complex I assembly factors
Final Report Abstract
Angeborene Störungen der mitochondrialen Atmungskette betreffen eines von 5000 Neugeborenen und gehen am häufigsten mit Defekten des mitochondrialen Atmungskettenkomplex I (NADH:Ubiquinon Oxidoreduktase) einher. Komplex I-Defizienz führt zu meist schweren Multisystemerkrankungen mit variabler Symptomatik und schlechter Prognose. Es gibt kaum kausale Therapiemöglichkeiten. Grundvoraussetzung für die Entwicklung von Therapieansätzen ist ein detailliertes Verständnis grundlegender molekularbiologischer Prozesse wie der hochkomplizierten Komplex I-Biogenese. Hierbei handelt es sich um den Prozess, der dazu führt, dass ein voll funktionsfähiger Komplex I auf- und zusammengebaut wird. Die Komplex I-Biogenese ist ein komplexes Puzzle aus 44 Einzelbestandteilen, sogenannten Untereinheiten. Außerdem sind sogenannte Assemblyfaktoren beteiligt, die die Biogenese unterstützen, nicht aber Teil des fertigen Komplex I selbst sind. Bisherige Versuche, die Komplex I-Biogenese vollständig zu untersuchen, waren stets daran gescheitert, dass keine adäquaten wissenschaftlichen Methoden zu Verfügung standen, um den Prozess als Ganzes zu erfassen. Ein weiteres Hindernis war die hohe Komplexität des Vorgangs selbst. Im Rahmen der Arbeiten, die in diesem Forschungsstipendium entstanden sind, haben wir ein Zellkulturmodell entwickelt, bei dem sich die Komplex I-Biogenese in menschlichen Zellen gezielt anhalten und neu starten lässt, und dies mit der modernen Analysemethode des „complexome profiling“ kombiniert. Mit diesem innovativen experimentellen Ansatz ist es uns erstmals gelungen, die Komplex I-Biogenese umfassend zu entschlüsseln. In weiteren Arbeiten haben wir die Komplex I-Biogenese in Hautzellen von Patienten mit Komplex I-Defizienz aufgrund von Mutationen in einer Komplex I-Untereinheit (NDUFA9) und zwei Komplex I-Assemblyfaktoren (NDUFAF3 und NDUFAF4) untersucht. Dabei haben wir zeigen können, dass in Abhängigkeit vom jeweiligen Defekt spezifische Komplex I-Biogenesedefekte auftreten. Das heißt, dass der Komplex I-Zusammenbruch bei Patienten mit mitochondrialen Erkrankungen nicht zufällig erfolgt, sondern strengen Gesetzmäßigkeiten folgt, die abhängig vom jeweiligen defekten Baustein sind. Zusammenfassend haben wir also erstmals den Prozess der mitochondrialen Komplex I-Biogenese in Gänze entschlüsseln können und auf molekularer Ebene zeigen können, wie dieser Prozess bei Patienten mit Komplex I-Defizienz gestört ist.
Publications
- (2017) NDUFAF4 variants are associated with Leigh syndrome and cause a specific mitochondrial complex I assembly defect. European journal of human genetics : EJHG 25 (11) 1273–1277
Baertling, Fabian; Sánchez-Caballero, Laura; van den Brand, Mariël A. M.; Wintjes, Liesbeth T.; Brink, Maaike; van den Brandt, Frans A.; Wilson, Callum; Rodenburg, Richard J. T.; Nijtmans, Leo G. J.
(See online at https://doi.org/10.1038/ejhg.2017.133) - 2017. The Assembly Pathway of Mitochondrial Respiratory Chain Complex I. Cell Metab 25(1):128-139
Guerrero-Castillo S, Baertling F, Kownatzki D, Wessels HJ, Arnold S, Brandt U, Nijtmans L
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cmet.2016.09.002)
