Biochemical and molecular studies of cytochrome c oxidase and ATP synthase deficiencies

Abstract

Savčí organismus je plně závislý na systému oxidativní fosforylace (OXPHOS) jako hlavním zdroji produkce energie (ATP) v buňce. Poruchy OXPHOS mohou být způsobeny mutacemi v genech kódovaných mitochondriální DNA nebo jadernou DNA. Část výzkumné práce je zaměřena na roli raně a pozdně se asemblujících, jaderně kódovaných, strukturních podjednotek cytochrom c oxidasy (CcO) a Oxa1l, lidského homologu kvasinkové mitochondriální Oxa1 translokasy, v biogenezi cytochrom c oxidasy a její funkci s využitím stabilní RNA interference COX4, COX5A, COX6A1 a OXA1L a ektopické exprese epitopově značených podjednotek Cox6a, Cox7a a Cox7b v buněčné linii HEK (lidské embryonální ledviny)-293. Naše výsledky ukazují, že zatímco podjednotky Cox4 a Cox5a jsou nezbytné pro asemblaci funkčního komplexu CcO, Cox6a podjednotka je důležitá pro její stabilitu. V buňkách se sníženou expresí OXA1L byla překvapivě zjištěna normální aktivita i hladina holoenzymu CcO, přestože inaktivace OXA1 u kvasinek vyvolá kompletní ztrátu aktivity CcO. Při studiu poruch OXPHOS v izolovaných mitochondriích kosterního svalu, srdce, jater a frontálního kortexu získaných od pacientů s Leigh syndromem (mtDNA mutace 8363G>A), MERRF syndromem (mtDNA mutace 8344A>G) a MELAS syndromem (mtDNA mutace 3243A>G) jsme nalezli tkáňově specifické rozdíly v dopadu...

The mammalian organism fully depends on the oxidative phosphorylation system (OXPHOS) as the major energy (ATP) producer of the cell. Disturbances of OXPHOS may be caused by mutations in either mitochondrial DNA (mtDNA) or nuclear DNA. One part of the thesis is focused on the role of early and late assembled nuclearencoded structural subunits of cytochrome c oxidase (CcO) as well as Oxa1l, the human homologue of the yeast mitochondrial Oxa1 translocase, in the biogenesis and function of the human CcO complex using stable RNA interference of COX4, COX5A, COX6A1 and OXA1L, as well as expression of epitope-tagged Cox6a, Cox7a and Cox7b, in HEK (human embryonic kidney)-293 cells. Our results indicate that, whereas nuclear- encoded CcO subunits Cox4 and Cox5a are required for the assembly of the functional CcO complex, the Cox6a subunit is required for the overall stability of the holoenzyme. In OXA1L knockdown HEK-293 cells, intriguingly, CcO activity and holoenzyme content were unaffected, although the inactivation of OXA1 in yeast was shown to cause complete absence of CcO activity. In addition, we compared OXPHOS protein deficiency patterns in mitochondria from skeletal muscle, heart, liver and frontal cortex of patients with Leigh (mtDNA mutation 8363G>A), MERRF (mtDNA mutation 8344A>G), and MELAS (mtDNA...