Aktinabhängige Bewegung und Vererbung von Mitochondrien in Saccharomyces cerevisiae

Actin dependent movement and inheritance of mitochondria in Saccharomyces cerevisiae

Da Mitochondrien nicht de novo synthetisiert werden können, wird durch die koordinierte Vererbung von Mitochondrien und mitochondrialer DNA (mtDNA) sichergestellt, dass während der Zytokinese alle Zellen im Besitz funktioneller Organellen bleiben. Dabei ist bekannt, dass im Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae das Aktinzytoskelett für diese mitochondrialen Transportereignisse verantwortlich ist. Weiterhin wird angenommen, dass über einen beide mitochondriale Membranen durchspannenden KompleDa Mitochondrien nicht de novo synthetisiert werden können, wird durch die koordinierte Vererbung von Mitochondrien und mitochondrialer DNA (mtDNA) sichergestellt, dass während der Zytokinese alle Zellen im Besitz funktioneller Organellen bleiben. Dabei ist bekannt, dass im Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae das Aktinzytoskelett für diese mitochondrialen Transportereignisse verantwortlich ist. Weiterhin wird angenommen, dass über einen beide mitochondriale Membranen durchspannenden Komplex (TMS) die mtDNA während der Zytokinese an den Segregationsapparat im Zytosol gebunden wird. Allerdings sind der Mechanismus und die Komponenten der aktinabhängigen Bewegung genauso wie die Gesamtstruktur des TMS bisher nur wenig verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein systematischer Screen nach essentiellen, mitochondrialen Morphologie- und Verteilungskomponenten durchgeführt. 119 Stämme einer Hefe-Bibliothek, in der die Genexpression über einen Fremd-Promotor reguliert wird, zeigten nach Abschalten des Promotors einen veränderten mitochondrialen Phänotyp. Dies ermöglichte die Identifizierung fünf zellulärer Prozesse, die für die mitochondriale Morphogenese von entscheidender Bedeutung sind: Ergosterol-Biosynthese, vesikulärer Transport, mitochondrialer Proteinimport, Ubiquitin/26S Proteasom-abhängiger Proteinabbau und aktinzytoskelettabhängiger Transport. Zwei Mitglieder der letzten Gruppe, das Klasse V Myosin Myo2 und seine leichte Kette Mlc1, wiesen dabei besonders interessante Phänotypen auf. Fluoreszenz- und elektronenmikroskopische Untersuchungen ergaben eine ringähnliche mitochondriale Morphologie in den mutanten Zellen. Cristaestrukturen fehlten vollständig. Da diese Defekte in Zellen mit einem normal ausgeprägten Aktinzytoskelett beobachtet werden konnten, übt Myo2 wahrscheinlich einen primären Effekt auf die Interaktion zwischen Mitochondrien und den Aktinkabeln aus. Diese Vermutung wurde durch in vitro Aktinbindungs-Assays bestärkt. Dabei zeigten isolierte Mitochondrien aus Stämmen ohne Myo2 und Mlc1 und aus Stämmen mit spezifischen Punktmutationen in den Cargo-Bindungsdomänen von Myo2 eine stark beeinträchtigte Bindungskapazität. Zusätzlich ergab zeitauflösende Fluoreszenzmikroskopie der myo2-Punktmutanten, dass Myo2 auch für die knospengerichtete anterograde Bewegung von Mitochondrien verantwortlich ist. Diese Ergebnisse belegen zum ersten Mal die wichtige und direkte Beteiligung eines Myosins an der mitochondrialen Bewegung und Vererbung in S. cerevisiae. Darüber hinaus wurden Mdm31 und Mdm32, zwei funktionell unabhängige Untereinheiten zweier Komplexe der mitochondrialen Innenmembran (IM), als notwendige Komponenten der koordinierten Vererbung von mtDNA etabliert. In vorliegender Arbeit konnte dabei gezeigt werden, dass die Deletion beider Gene jeweils in dem Verlust der Interaktion zwischen mtDNA und Mmm1, einer Außenmembrankomponente des TMS, resultierte. Dies deutet auf eine Funktion von Mdm31 und Mdm32 als Innenmembrankomponenten des TMS hin.show moreshow less
As mitochondria cannot be synthesized de novo, the coordinated inheritance of mitochondria and mitochondrial DNA (mtDNA) ensures the maintenance of functional organelles in the cells during cytokinesis. In the model organism Saccharomyces cerevisiae it is well established that the actin cytoskeleton is responsible for these mitochondrial transport events. Furthermore a two membrane spanning structure (TMS) is suggested to link mtDNA to the cytosolic segregation apparatus during cytokinesis. At pAs mitochondria cannot be synthesized de novo, the coordinated inheritance of mitochondria and mitochondrial DNA (mtDNA) ensures the maintenance of functional organelles in the cells during cytokinesis. In the model organism Saccharomyces cerevisiae it is well established that the actin cytoskeleton is responsible for these mitochondrial transport events. Furthermore a two membrane spanning structure (TMS) is suggested to link mtDNA to the cytosolic segregation apparatus during cytokinesis. At present the mechanism and the components of actin-dependent mitochondrial movement as well as the overall structure of the TMS are poorly understood. In this work a systematic screen for essential mitochondrial morphology and distribution components was performed. 119 strains of a yeast strain collection harbouring essential genes under control of a regulatable promoter showed aberrant mitochondria after promoter shut-off. This led to the identification of five cellular pathways that are important for maintenance of mitochondrial morphology: ergosterol biosynthesis, vesicular trafficking, mitochondrial protein import, ubiquitin/26S proteasome-dependent protein degradation and actin cytoskeleton-dependent transport. Two components of the latter group, the class V myosin Myo2 and its essential light chain Mlc1, were found to display an especially interesting phenotype. Fluorescence microscopy and electron microscopy revealed a ring-shaped mitochondrial morphology in mutant cells, and mitochondrial cristae structures were absent. These defects could be observed in cells with a normal actin cytoskeleton indicating a primary effect of Myo2 on the interaction between mitochondria and the actin cytoskeleton. This suggestion was corroborated by in vitro actin-binding assays demonstrating a severely impaired binding capacity for mitochondria isolated from strains lacking Myo2 or Mlc1 as well as from strains carrying specific point mutations in the cargo-binding domains of Myo2. Additionally, time resolved fluorescence microscopy of myo2 point mutants revealed that Myo2 is responsible for the bud-directed anterograde movement of mitochondria. These results demonstrate for the first time that a myosin motor protein plays an important and direct role for mitochondrial motility and distribution in S. cerevisiae. Furthermore Mdm31 and Mdm32, two functionally independent subunits of two complexes in the mitochondrial inner membrane (IM), have been established as components necessary for coordinated mtDNA inheritance. It could be shown that deletion of both genes resulted in a loss of interaction between mtDNA and a known outer membrane protein of the TMS. This points to a function of Mdm31 and Mdm32 as inner membrane TMS components.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Biologie
Author: Katrin Altmann
Advisor:Prof. Dr. Benedikt Westermann
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:17.04.2008
Year of Completion:2008
SWD-Keyword:Actin; Bewegung; Mitochondrium; Saccharomyces cerevisiae; Vererbung
Tag:Saccharomyces cerevisiae; actin-dependent; inheritance; mitochondria; movement
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-4477
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):03.07.2008