Mgr Lidia Wróbel • Dziedzina: nauki biologiczne

Mgr Lidia Wróbel
•
•
•
•
•
•
Dziedzina: nauki biologiczne
Dyscyplina: biologia
Wszczęcie: 12.04.2013
Temat: Mitochondrial and cellular consequences of defects in the transport of
mitochondrial proteins
Promotor: prof. dr hab. Agnieszka Chacińska
Recenzenci: prof. dr hab. Paweł Golik, prof. dr hab. Hanna Jańska
Abstract
Mitochondrion is a cellular compartment which has a central role in energy conversion.
Mitochondria also play a crucial role in the amino acid and lipid metabolism and in the
biosynthesis of haem and iron-sulphur clusters. In addition, they play a unique role in
apoptosis regulation as well as they are a storage place for calcium ions. To perform its
functions these organelles need over one thousand of various proteins. Mitochondria retained
their genetic machinery in the matrix, but despite this they encode only few proteins of the
entire mitochondrial proteome. The majority of mitochondrial proteins are synthesized on
cytosolic ribosomes and are selectively transported into the organelle. This includes proteins
of the outer membrane, the intermembrane space and the matrix as well as the inner
membrane proteins.
The first part of this study focuses on the characterization of the molecular basis of the
biogenesis of the inner membrane (IM) precursor proteins. The mechanism of import and
sorting of the highly hydrophobic proteins remains elusive. In this study I identified and
characterized an untypical pathway dedicated for the biogenesis of the inner membrane
protein. I showed that the core components of the inner membrane translocases, Tim22 and
Tim17, are present in the oxidized state in the yeast mitochondria. These essential proteins
belong to the highly conserved family of TIM proteins. Tim22 lacking an intramolecular
disulfide bond was not properly integrated into the IM and the final assembly into the TIM22
translocase was impaired. The mitochondrial intermembrane space assembly (MIA)
machinery is involved in the redox-driven folding of the intermembrane space (IMS) proteins.
Present study identified a novel role of the main component of the MIA machinery, Mia40, in
the biogenesis and assembly of the Tim22 precursor protein. Interestingly, Mia40 was found
to bind the Tim22 precursor through the disulfide-bonded intermediate as well as by the noncovalent interaction. This study proposed a novel model for the biogenesis of the Tim22
protein, in which Mia40 assists Tim22 in its integration into the inner mitochondrial
membrane. Furthermore, this study opens new questions on the mechanism that involves
redox-driven changes and operate during biogenesis of mitochondrial membrane complexes.
The second part of this study aimed to characterize the consequences of the
mitochondrial import slowdown at the cellular level. The quantitative analysis was performed
to identify changes in the cellular proteome in response to protein import slowdown. A
defective mitochondrial intermembrane space import and assembly (MIA) pathway resulted
in the increase in abundance of proteins involved in the assembly of the cytosolic degradation
machinery - proteasome. This upregulation was accompanied by the enhanced capacity of the
proteasome to degrade cellular proteins. The increased proteasome activity was not only
specific to the response triggered by the MIA pathway dysfunction, but was also activated by
the impaired import via the main mitochondrial import pathway, the TIM23 translocase.
Interestingly, mitochondrial precursor proteins mislocalized to the cytosol are sufficient to
increase the activity of the proteasome in the cytosol. Moreover, my data indicate that
stimulatory effect of mistargeted proteins is associated with proteasome assembly and relays
on the activity of proteasomal assembly chaperones Irc25 and Poc4. Present study uncovered
the role of the ubiquitin-proteasome system (UPS) in the novel response triggered by nonimported mitochondrial precursor proteins. The existence of a crosstalk between mitochondria
and cytosolic degradation machinery is proposed, in which both compartments cooperate in
the
maintenance
of
proper
protein
homeostasis
in
the
cell.
Streszczenie
Mitochondria to organelle komórkowe odgrywające kluczową rolę w produkcji energii.
Ponadto, pełnią ważną rolę w procesach metabolizmu, programowanej śmierci komórki,
magazynowania jonów wapnia oraz biosyntezie związków hemu i centrów żelazowosiarczkowych. Mitochondria, aby pełnić swoją funkcje potrzebują ponad tysiąca białek.
Organella te posiadają własny genom jednakże, koduje on jedynie kilka spośród
mitochondrialnych białek. Większość białek mitochondrialnych kodowana jest przez genom
jądrowy oraz syntetyzowana w cytozolu. Mitochondrium zbudowane jest z dwóch błon, które
wydzielają dwa obszary: przestrzeń międzybłonową oraz macierz. Szereg przenośników
białkowych, zwanych translokazami, bierze udział w transporcie prekursorów białek z
cytozolu do odpowiednich przedziałów w mitochondrium, gdzie zachodzi fałdowanie,
dojrzewanie białek oraz ich wbudowanie w multimeryczne kompleksy.
Celem pierwszej części podjętych badań było scharakteryzowanie molekularnych
mechanizmów będących podstawą dojrzewania białek wewnętrznej błony mitochondrialnej.
Mechanizmy importu oraz sortowania wysoce hydrofobowych białek wewnętrznej błony są
nadal nie do końca poznane. W pracy tej wykazano istnienie niestandardowej ścieżki importu
białek kierowanych do wewnętrznej błony. Wykazano, że centralne podjednostki dwóch
głównych błonowych podjednostek translokaz wewnętrznej błony, białka Tim17 oraz Tim22,
występują w formie utlenionej, posiadającej mostek disiarczkowy, w mitochondriach
drożdży. Białka te należą do zachowanej ewolucyjnie rodziny białek TIM. Podjęte badania
wykazały, że białko Tim22 pozbawione możliwości utworzenia mostka disiarczkowego w
obrębie swojej struktury jest niewłaściwie wbudowane w błonę wewnętrzną. Ponadto,
ostateczny etap jego dojrzewania w obrębie translokazy TIM22 jest zaburzony. Ścieżka
importu białek MIA jest zaangażowana w import oraz utlenianie prekursorów białek
przestrzeni międzybłonowej. Przeprowadzone badania wykazały, że centralne białko szlaku
MIA, białko Mia40, jest zaangażowane w import i dojrzewanie białka Tim22. Wykazano, że
utlenianie białka Tim22 zachodzi podczas translokacji przez przestrzeń międzybłonową.
Podczas tego procesu, białko Mia40 tworzy przejściowy kompleks z białkiem Tim22 poprzez
wiązanie disiarczkowe, jak również za pomocą oddziaływań hydrofobowych. Wyniki badań
zamieszczonych w tej pracy udowadniają istnienie nowego nietypowego szlaku dojrzewania
dla białka Tim22, w którym białko Mia40 wspiera prawidłowy proces wbudowania białka
Tim22 w wewnętrzną błonę mitochondrium. Wyniki badań opisanych w tej pracy skłaniają do
stawiania kolejnych pytań dotyczących mało poznanego procesu dojrzewania białkowych
kompleksów błonowych w mitochondriach powiązanych z procesami redoks.
Celem drugiej części podjętych badań było scharakteryzowanie mechanizmów obrony
komórki przed skutkami błędów w transporcie białek do mitochondriów. Badania wykazały,
że w odpowiedzi na zaburzenia procesu transportu białek do mitochondriów komórka
uruchamia cytoplazmatyczny system degradacji białek zwany proteasomem. W badaniach
użyto ilościowej techniki spektrometrii masowej do określenia zmian zachodzących w
komórce na poziomie białkowym w odpowiedzi na dysfunkcję szlaku trasnportu białek do
mitochondriów. Nieprawidłowy import substratów szlaku MIA spowodował podwyższenie
poziomu białek zaangażowanych w składanie kompleksu proteasomu wraz z podwyższeniem
aktywności samego kompleksu degradującego. Ponadto, badania wykazały, że aktywność
proteasomu jest także podwyższona w odpowiedzi na zaburzenia w imporcie białek głównym
szlakiem TIM23. Niewłaściwe funkcjonowanie szlaków importu białek do mitochondriów
powoduje nagromadzenie prekursorów białek mitochondrialnych w cytozolu. Wykazano, że
akumulacja białek mitochondrialnych w cytozolu jest wystarczającym sygnałem do
podwyższenia aktywności proteasomu. Wyższa aktywność proteasomu zależy od obecności
białek Irc25 oraz Poc4 niezbędnych w procesie jego składania. Badania udowodniły, że białka
które nie zostały przetransportowane do mitochondriów i pozostały w cytozolu stymulują
powstanie proteasomu, którego zadaniem jest ich degradacja. Wyniki badań zamieszczone w
tej pracy pokazują istnienie nowego mechanizmu odpowiedzi (ang. Unfolded protein
response activated by mistargeting of mitochondrial proteins) który chroni komórkę przed
skutkami nagromadzenia w cytozolu białek mitochondrialnych, które nie zostały właściwie
przetransportowane do organelli.