Mitochondrial structure and distribution in Saccharomyces cerevisiae

Titelangaben

Klecker, Till:
Mitochondrial structure and distribution in Saccharomyces cerevisiae.
Bayreuth , 2014 . - XI, 123 S.
( Dissertation, 2014 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Mitochondria play diverse roles in the physiology and metabolism of eukaryotic cells. Like most membrane bounded organelles, they cannot be synthesized de novo but grow and split into distinct organelles and must be inherited to daughter cells upon cell division. The structure of the highly dynamic mitochondrial network is adjusted to fit cellular needs by orchestrating mitochondrial movement, fusion, and fission. All three processes are important for the maintenance of functional mitochondria. The core components of the transport, fusion, and division machineries have been identified in baker’s yeast. However, the mechanisms controlling mitochondrial dynamics remain poorly understood. The synoptic aim of this work was to characterize the molecular function of three genes that are involved in maintaining structural integrity of mitochondria: NUM1, MDM33, and UPS1. Yeast cells lacking NUM1 or MDM33 show defects in mitochondrial fission, whereas UPS1 has been reported to be involved in mitochondrial fusion and the biosynthesis of the mitochondrial signature lipid cardiolipin. This work assigns a specific process to each of the three genes and provides evidence how these processes influence mitochondrial behavior. In summary, this study elucidates how various processes influence the fusion and fission of a double membrane bounded organelle. First, Num1 was identified as key component of a tethering complex that anchors mitochondria at the mother cell cortex. The tethering complex serves to counteract bud-directed mitochondrial movement and assures that a part of the mitochondria remains in the mother cell upon cell division. It acts antagonistically to a known mitochondrial anchor containing Mmr1 at the tip of the daughter cell. Thus, Num1 in the mother and Mmr1 in the bud form two separate cortical tethers to ensure proper distribution of mitochondria by generating opposing forces at spatially distinct and exclusive locations. Strikingly, the tethering of mitochondria at the mother cell cortex was identified as a prerequisite for efficient mitochondrial division. Second, it was shown that Mdm33 orchestrates mitochondrial fission and phospholipid biosynthesis. Genetic analysis revealed a tight association of MDM33 and genes affecting mitochondrial phospholipid metabolism. Consistently, Mdm33 overexpression alters mitochondrial lipid composition and directly influences mitochondrial phospholipid biosynthesis. Mutants lacking Mdm33 show reduced mitochondrial fission activity, indicating that Mdm33 promotes mitochondrial division but is no essential component of the fission machinery. Furthermore, Mdm33 was found to act upstream of mitochondrial fission and fusion and to be required to keep mitochondria in a fission competent shape. The results suggest an intriguing connection between mitochondrial fission and phospholipid homeostasis. Third, it was investigated by electron microscopy whether cells lacking Ups1 or other cardiolipin biosynthesis factors show aberrant mitochondrial ultrastructure. Intriguingly, reduction of cardiolipin levels only affected the shape of the mitochondrial inner membrane when it was accompanied by an increase in mitochondrial cytidine diphosphate-diacylglycerol. A genetic epistasis analysis with focus on mitochondrial ultrastructure revealed that Ups1 acts prior to the first enzymatic reaction of the cardiolipin biosynthesis. This pointed to a role of Ups1 in supplying the CL biosynthesis machinery with precursor lipids. Thus, Ups1 mainly functions in cardiolipin biosynthesis and it is conceivable that reduced cardiolipin levels in ∆ups1 mutants cause mitochondrial fragmentation.

Abstract in weiterer Sprache

Mitochondrien sind von essentieller Bedeutung für die Physiologie und den Metabolismus eukaryontischer Zellen. Als membranöse Organellen können sie nicht de novo erschaffen werden, sondern müssen bei der Zellteilung an die Tochterzelle weitergegeben werden. Die Struktur des mitochondrialen Netzwerkes ist sehr dynamisch und wird durch koordinierte Teilung, Fusion und Bewegung an die Bedürfnisse der Zelle angepasst. Die Hauptkomponenten, die den Transport, die Teilung und die Fusion von Mitochondrien ermöglichen, wurden in der Bäckerhefe identifiziert. Die Mechanismen, die diese Prozesse regulieren, sind jedoch kaum verstanden. Das synoptische Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung von drei Genen, die an dem Erhalt der strukturellen Integrität des mitochondrialen Netzwerkes beteiligt sind: NUM1, MDM33 und UPS1. Zellen ohne Num1 oder Mdm33 weisen Defekte in der Teilung der Mitochondrien auf, wohingegen Ups1 für die Fusion von Mitochondrien und die Biosynthese von Cardiolipin benötigt wird. In dieser Arbeit wird die molekulare Funktion jedes dieser drei Gene untersucht und es wird aufgezeigt, wie diese Funktion das Verhalten sowie die Fusion und die Teilung des mitochondrialen Netzwerkes beeinflusst. Zuerst wurde Num1 als Bestandteil eines Komplexes identifiziert, der die Mitochondrien an der Plasmamembran der Mutterzelle verankert. Diese Verankerung wirkt dem Transport der Mitochondrien in die Knospe entgegen und stellt sicher, dass ein Teil des mitochondrialen Netzwerkes in der Mutterzelle verbleibt. Num1 wirkt somit antagonistisch zu Mmr1, der Hauptkomponente eines ähnlichen Verankerungskomplexes an der Knospenspitze. Es ist daher anzunehmen, dass die Vererbung von Mitochondrien durch die Koordination von Transport und Verankerung in der Mutter und der Knospe sichergestellt wird. Erstaunlicherweise ist eben diese Verankerung zwingend für die effiziente Teilung von Mitochondrien erforderlich. Als nächstes wurde herausgefunden, dass Mdm33 mitochondriale Teilung und Phospholipid- Biosynthese miteinander verknüpft. Genetische Analysen zeigten eine enge Assoziation zwischen MDM33 und Genen der mitochondrialen Phospholipid-Biosynthese auf. Tatsächlich beeinflusst die Überexpression von MDM33 die Lipidzusammensetzung der Mitochondrien und beeinträchtigt die mitochondriale Phospholipid-Biosynthese. Zellen ohne Mdm33 weisen Defekte in der Teilung von Mitochondrien auf. Mdm33 ist für die Teilung der Mitochondrien jedoch nicht essentiell und übt eine Funktion aus, die der Teilung und Fusion von Mitochondrien übergeordnet ist. Dennoch wird Mdm33 auch benötigt, um eine teilungsfähige Form der Mitochondrien aufrechtzuerhalten. Dies deutet auf eine interessante Verbindung zwischen mitochondrialer Teilung und Phospholipid-Homöostase hin. Schließlich wurde der Effekt von Defekten der Cardiolipin-Biosynthese auf die Ultrastruktur der Mitochondrien untersucht. Interessanterweise wurde beobachtet, dass reduzierte Cardiolipin Level nur die Ultrastruktur verändern, wenn simultan der Gehalt an Cytidindiphosphat-Diacylglycerin ansteigt. Im Zuge einer genetischen Epistase Analyse wurde festgestellt, dass Ups1 im Hinblick auf die Ultrastruktur der Mitochondrien anderen Genen der Cardiolipin Biosynthese übergeordnet ist. Dies deutet darauf hin, dass Ups1 vor der enzymatischen Kaskade agiert, die die Synthese von Cardiolipin katalysiert. Letztendlich wurde geschlussfolgert, dass der Fusionsdefekt in Abwesenheit von Ups1 sekundär durch die defekte Cardiolipin-Biosynthese begründet ist.