Das Zusammenspiel von mtDNA Qualität, physiologischer Heterogenität und Cristae-Struktur im mitochondrialen Netzwerk und seine Auswirkungen auf die Selektion gegen mutierte mtDNA

• Antragsteller: Dr. David Hörl; Professor Dr. Christof Osman
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 513597632

Mitochondrien spielen eine wichtige Rolle bei der Energieversorgung eukaryotischer Zellen mittels oxidativer Phosphorylierung (OXPHOS). Die innere Membran des dynamisch-tubulären mitochondrialen Netzwerks ist durch Einstülpungen, den sogenannten Cristae, gekennzeichnet. Wichtige strukturgebende Faktoren für Cristae sind die ATP-Synthase-Untereinheiten e und g. Beide Proteine ermöglichen die Dimerisierung der ATP-Synthase, welche Kanten der Cristae stabilisiert. Bisher ist jedoch wenig über Regulationsmechanismen bekannt, welche die Form und Menge der Cristae den zellulären Bedürfnissen anpassen. Mitochondrien enthalten mehrere Kopien des mitochondrialen Genoms (mtDNA), das hauptsächlich für OXPHOS-Proteine kodiert. Mutationen der mtDNA werden mit einer Vielzahl menschlicher Krankheiten und dem Alterungsprozess in Verbindung gebracht. Wie Zellen über Generationen hinweg einen gesunden Pool von mtDNA-Kopien aufrechterhalten, ist weitgehend unbekannt. In vorherigen Arbeiten konnten wir zeigen, dass in Hefezellen Selektion gegen mutierte mtDNA in zusammenhängenden mitochondrialen Netzwerken stattfindet. Unsere Ergebnisse unterstützen ein sphere-of-influence-Modell, in dem einzelne mtDNA-Kopien physiologische Parameter lokal und in Abhängigkeit von Cristae beeinflussen, um Selektionsprozesse zu ermöglichen. In der beantragten Studie werden wir S. cerevisiae verwenden, um auf der Grundlage unserer bisherigen Arbeiten offene Fragen bezüglich des Zusammenspiels zwischen mitochondrialer Physiologie, Cristae-Struktur und mtDNA-Qualitätskontrolle zu klären. Als erstes Ziel werden wir die Hypothese testen, dass lokale mitochondriale Fitness von der Integrität räumlich naher mtDNA-Kopien abhängt. Mit Hilfe von Fluoreszenz-Biosensoren und Lebendzell-Mikroskopie werden wir lokale Zusammenhänge von physiologischen Parametern und mtDNA-Genotypen in Zellen mit WT- und mutierter mtDNA untersuchen. Um die Bedeutung von mitochondrialer Fitness für die mtDNA-Qualitätskontrolle zu verstehen, werden wir Selektion gegen mutierte mtDNA bei gezielten Störungen der mitochondrialen Physiologie mittels etablierter genetischer Assays und innovativem bildbasiertem lineage-tracing untersuchen. Im zweiten Ziel werden wir die Hypothese testen, dass die Phosphorylierung von Atp20, der Hefe ATP-Synthase-Untereinheit g, Struktur und Anzahl der Cristae reguliert. Zunächst werden wir den Phosphorylierungsstatus von Atp20 unter verschiedenen Wachstumsbedingungen charakterisieren und mit Super-Resolution- und Elektronenmikroskopie die (Ultra-)Struktur der Cristae in phosphomimetischen und -ablativen Atp20-Mutanten untersuchen. Zudem werden wir die Rolle der Atp20-Phosphorylierung für die Beziehung zwischen Physiologie, mtDNA-Genotyp und -Qualitätskontrolle untersuchen. Außerdem werden wir Kinasen und Phosphatasen identifizieren, die Atp20-Phosphorylierung beeinflussen und so Regulation der mitochondrialen Ultrastruktur mit anderen zellulären Prozessen verzahnen könnten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen