Examination of the asymmetric inheritance of mitochondria in yeast cells

Titelangaben

Bartosch, Veronika:
Examination of the asymmetric inheritance of mitochondria in yeast cells.
Bayreuth , 2025 . - XIV, 111 S.
( Dissertation, 2025 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

The budding yeast Saccharomyces cerevisiae performs asymmetric cell division resulting in two cells differing in replicative age. This is achieved by the asymmetric inheritance of cellular factors, including damaging aging factors that are selectively retained in the mother cell during budding, thus allowing the daughter cell to have full replicative capability. One supposedly asymmetrically inherited cellular structure is the mitochondrial network. A dual role for the involvement of mitochondria in achieving the daughter’s rejuvenation has been proposed with both a direct part through a quality-based selection during inheritance of mitochondria, leading to preferential inheritance of high-functioning mitochondria to the daughter, as well as an indirect role through the tethering of misfolded cytosolic protein aggregates to the mitochondrial surface. This supposedly aids the limitation of their movement, thereby contributing to their retention and consequently contributing to their detoxification, sequestration and degradation. The first part of this thesis aims to characterize the relationship between protein aggregates and mitochondria and to investigate potentially unknown factors involved in the establishment of a proposed attachment. While no mutants displaying an increased inheritance of protein aggregates could be detected, the blocking of the mitochondrial import by clogging the import pores reduced the proportion of observable aggregates associated with mitochondria. Similarly, some genes could be identified whose deletion results in a disruption of the fusion of small aggregates into larger structures. This is a process that usually occurs quickly after the formation of aggregates and has been described to facilitate their asymmetric inheritance. The mutants found here however, displayed reduced aggregate fusion without an impact on aggregate retention or cellular survival. The second part focused on identifying unknown cellular factors involved in mitochondrial inheritance. In S. cerevisiae mitochondrial inheritance is mediated by the motor protein Myo2 along actin cables. The recruiting of Myo2 to mitochondria requires at least one of the adaptor proteins Mmr1 and Ypt11. In a microscopy-based screen for aberrant mitochondrial morphology and inheritance in deletion mutants of 30 candidate genes chosen through an educated guess approach, no unknown candidates could be uncovered. Moreover, a multicopy suppressor screen in the mitochondrial transport incompetent Δmmr1 Δypt11 double mutant sought to find genes whose overexpression could rescue mitochondrial inheritance. Of over 10,000 transformants covering the yeast genome several times, 54 candidates stably rescued the double mutant strain. All the candidates that could be confirmed manually were rescued by either MMR1 or YPT11, suggesting that there are no further factors involved in mitochondrial inheritance that act independently of these two proteins. Another aspect of this part aimed to characterize the relationship between mitochondrial inheritance, oxidative stress and the mechanism behind selective inheritance of mitochondria during budding. To induce reactive oxygen species (ROS) production resulting in oxidative stress inside mitochondria, a matrix-targeted D-amino acid oxidase 1 enzyme was expressed and induced by the addition of D-Ala to the culture. The induction caused a strong inheritance defect of mitochondria which was not caused by actin depolymerization or disruption of the functionality of the Myo2 motor protein. Mmr1 on the other hand was frequently observed redistributed from mitochondrial foci to a broad cytosolic localization upon oxidative stress. Furthermore, mitochondrial inheritance could be rescued to wildtypical levels by enforcing mitochondrial transport to the bud through permanently anchoring Myo2 to the mitochondrial surface as well as overexpression of its mitochondrial adaptor Mmr1. Finally, cells lacking Mmr1 did not display a mitochondrial inheritance defect upon oxidative stress, indicating a key role of Mmr1 in the recognition of damaged mitochondria and the prevention of their inheritance.

Abstract in weiterer Sprache

Die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae führt eine asymmetrische Zellteilung durch, bei der zwei Zellen entstehen, die sich im replikativen Alter unterscheiden. Erreicht wird dies durch die asymmetrische Vererbung zellulärer Faktoren, einschließlich schädlicher Alterungsfaktoren, die während der Knospung selektiv in der Mutterzelle zurückgehalten werden, so dass die Tochterzelle volles replikatives Potential besitzt. Eine potentiell asymmetrisch vererbte zelluläre Struktur ist das mitochondriale Netzwerk. Es wurde eine doppelte Rolle für die Beteiligung von Mitochondrien an der Verjüngung der Tochter vermutet, und zwar sowohl eine direkte Rolle durch eine qualitätsbasierte Selektion bei Vererbung von Mitochondrien, die eine bevorzugte Vererbung hochfunktionaler Mitochondrien an die Tochter bewirkt, als auch eine indirekte Rolle durch die Bindung fehlgefalteter cytosolischer Proteinaggregate an die mitochondriale Oberfläche. Dies trägt vermutlich dazu bei, ihre Bewegung einzuschränken, wodurch sie in der Mutter zurückgehalten werden und folglich zu ihrer Detoxifizierung, Sequestrierung und ihrem Abbau. Der erste Teil dieser Arbeit zielt darauf ab, die Beziehung zwischen Proteinaggregaten und Mitochondrien zu charakterisieren und potenziell unbekannte Faktoren zu ermitteln, die an der Herstellung der vorgeschlagenen Bindung beteiligt sind. Während keine Mutanten gefunden werden konnten, die eine erhöhte Vererbung von Proteinaggregaten aufweisen, reduzierte die Blockierung des mitochondrialen Imports durch Verstopfung der Importporen den Anteil der beobachteten Aggregate in Assoziation mit Mitochondrien. In diesem Zusammenhang konnten auch einige Gene identifiziert werden, deren Deletion eine Störung der Fusion kleiner Aggregate zu größeren Strukturen zur Folge haben. Dies ist einProzess, der in der Regel schnell nach der Bildung von Aggregaten stattfindet und deren asymmetrische Vererbung fördert. Die hier gefundenen Mutanten zeigten jedoch eine reduzierte Aggregatfusion, ohne dass dies Auswirkungen auf die Aggregatretention oder das Überleben der Zellen hatte. Der zweite Teil konzentrierte sich auf die Identifizierung unbekannter zellulärer Faktoren, die an der mitochondrialen Vererbung beteiligt sind. In S. cerevisiae findet die mitochondriale Vererbung durch das Motorprotein Myo2 entlang von Aktinkabeln statt. Die Rekrutierung von Myo2 an Mitochondrien erfordert mindestens eines der Adaptorproteine Mmr und Ypt11. In einem mikroskopiebasierten Screening nach abweichender mitochondrialer Morphologie und Vererbung in Deletionsmutanten von 30 Kandidatengenen, die mit Hilfe eines "educated guess"-Ansatzes ausgewählt wurden, konnten keine unbekannten Kandidaten identifiziert werden. Darüber hinaus wurde in einem Multicopy-Suppressor-Screening in der Doppelmutante Δmmr1 Δypt11, die nicht zum mitochondrialen Transport fähig ist, nach Genen gesucht, deren Überexpression die mitochondriale Vererbung retten kann. Von über 10.000 Transformanten, die das Hefegenom mehrfach abdeckten, retteten 54 Kandidaten den Doppelmutantenstamm stabil. Alle Kandidaten, die sich manuell bestätigen ließen, wurden entweder durch MMR1 oder YPT11 gerettet, was darauf hindeutet, dass es keine weiteren Faktoren gibt, die an der mitochondrialen Vererbung beteiligt sind, die unabhängig von diesen beiden Proteinen agieren. Ein weiterer Aspekt dieses Projekts war die Charakterisierung der Beziehung zwischen mitochondrialer Vererbung, oxidativem Stress und dem Mechanismus hinter der selektiven Vererbung von Mitochondrien während der Knospung. Um die gezielte ROS-Produktion in Mitochondrien zu ermöglichen, welche zu oxidativem Stress führt, wurde das Enzym D-Aminosäure-Oxidase 1 mit einer Matrix-Importsequenz exprimiert und durch die Zugabe von D-Ala zur Kultur induziert. Die Induktion führte zu einem starken Vererbungsdefekt der Mitochondrien, der nicht durch eine Aktin-Depolymerisation oder eine Beeinträchtigung der Funktionalität des Motorproteins Myo2 verursacht wurde. Demgegenüber wurde jedoch beobachtet, dass Mmr1 bei oxidativem Stress häufig von mitochondrialen Foci zu einer allgemeinen cytosolischen Lokalisierung wechselte. Darüber hinaus konnte die mitochondriale Vererbung auf ein wildtypisches Niveau gerettet werden, indem der Transport der Mitochondrien in die Knospe durch eine dauerhafte Verankerung von Myo2 an der mitochondrialen Oberfläche, sowie durch eine Überexpression seines mitochondrialen Adapters Mmr1 verstärkt wurde. Außerdem zeigten Zellen, denen Mmr1 fehlte, bei oxidativem Stress keinen Defekt bei der Mitochondrienvererbung, was auf eine zentrale Rolle von Mmr1 bei der Identifizierung von geschädigten Mitochondrien und der Vermeidung ihrer Vererbung hinweist.