Adaptation der Cytochrome c Oxidase an Hypoxie in systemisch-vaskulären Zellen - Von der Struktur zur Funktion

• Antragstellerin: Professorin Dr. Natascha Sommer, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521904638

Die Abnahme des physiologischen Sauerstoffgehalts (Hypoxie) ist eine der größten Herausforderungen für aerobe Organismen. Ein Adaptationsmechanismus ist die Rekonfiguration der Cytochrom c Oxidase (COX oder Komplex IV), dem letzten und regulatorischen Elektronendonor für Sauerstoff in der mitochondrialen Elektronentransportkette (ETC). Dabei erfolgt eine Expressionsänderung einiger der 14 COX-Untereinheiten, wobei die Regulation der Expression, die nachgeschalteten Signalwege und der Austauschprozess („Umbau“) selbst, insbesondere in Primärzellen, weitgehend unbekannt. Unsere bisherigen Untersuchungen konnten bereits eine essentielle Rolle der Isoform 2 der Untereinheit 4 der COX (Cox4i2) bei der Hypoxie-induzierte Superoxidfreisetzung und dem akuten Sauerstoffsensorprozess in den Lungengefäßen zeigen, wodurch die systemische Sauerstoffkonzentration optimiert wird. Darüberhinaus fanden wir eine Hochregulierung der mRNA von Cox4i2 und zwei weiteren Untereinheiten der COX, dem hypoxia inducible domain family member 1B (Higd1b) und der Ndufa mitochondrial complex associated like 2 (Ndufa4l2) in murinen Lungengefäßen nach in vivo Hypoxie-Exposition. Diese Untereinheiten zeigten eine hohe Expression in pulmonalen und systemischen Perizyten,. Wir nehmen daher an, dass die gemeinsame Expression von Cox4i2, Higd1b und Ndufa4l2 die COX-Funktion in bestimmten Zelltypen (Perizyten und andere Gefäßzellen) unter physiologischen Bedingungen und chronischen Stressreizen wie Hypoxie reguliert. Wir stellen die Hypothese auf, dass Cox4i2, Ndufa4l2 und Higd1b miteinander interagieren und die COX-Aktivität, die Superkomplexbildung, den ETC-Redoxzustand und die Superoxid-Freisetzung regulieren, worüber die Zellproliferation, Apoptose und Zellviabilität beeinflusst wird. Unser Ziel ist es, grundlegende Regulationsmechanismen der mitochondrialen Signalübertragung in Abhängigkeit der Expression der COX-Untereinheiten in primären systemischen Gefäßzellen zu identifizieren und dadurch drei Hauptfragen zu beantworten: 1) Wie passt sich COX strukturell und funktionell an chronische Hypoxie und oxidative Stressreize an? 2) Welche spezifische Rolle spielen Cysteine der Isoformen Higd1b, Ndufa4l2 und Cox4i2? 3) Wie beeinflusst der COX-Umbau die mitochondrialen und zellulären Funktionen? Langfristig können dadurch physiologische und pathologische Mechanismen der Gefäßkonstriktion und –umbauprozesse, geklärt werden. Um unsere Hypothese zu testen, werden wir: 1. die Hypoxie-abhängige Isoformzusammensetzung der COX in systemischen Gefäßzellen charakterisieren, indem die transkriptomische und proteomische COX-Zusammensetzung bestimmt und Transkriptionsregulatoren identifiziert werden. 2. die strukturellen Folgen des COX-Umbaus bei chronischer Hypoxie analysieren, indem die Wechselwirkungen zwischen COX-Untereinheiten und Superkomplexbildung analysiert wird. 3. funktionelle Konsequenzen des COX-Remodelings auf die mitochondriale und zelluläre Funktion charakterisieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Lawrence I. Grossman, Ph.D.; Professor Dr. Maik Hüttemann, Ph.D.