Regulation and Disorders of Mammalian Cytochrome c Oxidase

Abstract

Cytochrom c oxidáza (COX) je koncovým enzymovým komplexem dýchacího řetězce a vyskytuje se ve vnitřní mitochondriální membráně jako monomer, dimer a ve formě respiračních superkomplexů. Asemblační proces COX je komplikovaný, vysoce regulovaný a závisí na mnoha pomocných proteinech. Mutace COX podjednotek, kódovaných mitochondriální nebo jadernou DNA, nebo mutace v genech pro COX asemblační proteiny jsou častopu příčinou závažných mitochondriálních onemocnění. SURF1 protein je zapojen do počátečních fází tvorby COX, ale jeho přesná funkce není objasněna. Mutace lidského SURF1 genu vedou k těžkému defektu COX a fatálnímu neurodegenerativnímu onemocnění, Leigh syndromu. Knockout SURF1 genu u myši způsobuje také izolovaný COX defekt, ale méně výrazný a bez postižení CNS. Cílem práce byla detailní analýza narušené COX biogeneze vyvolané mutací nebo knockoutem SURF1 genu, od tvorby COX monomeru a vestavění COX do superkomplexů až po ovlivnění ostatních OXPHOS komplexů izolovaným defektem COX. Mutace SURF1 genu ve fibroblastech pacientů vedly k výrazné akumulaci asemblačního intermediátu COX a defektu tvorby funkčního COX monomeru, který se preferenčně vázal do I-III2-IV1 superkomplexu. COX deficience následně vedla ke zvýšení obsahu OXPHOS komplexů I, III a V. U SURF1-/- myší byl COX defekt výrazně...

Cytochrome c oxidase (COX) represents the terminal enzyme complex of respiratory chain metabolic pathway and it occurs as monomer, dimer or as a part of respiratory supercomplexes in the inner mitochondrial membrane. COX assembly process is complicated, highly regulated and depends on many ancillary proteins. Mutations in COX subunits, which are encoded by mitochondrial and nuclear DNA, or in genes encoding its assembly proteins are frequent cause of very severe mitochondrial disorders. SURF1 assembly protein participates in the first steps of COX assembly, but its exact function is not yet clarified. In humans, mutations of SURF1 gene lead to severe COX defect and fatal neurodegenerative disorder, Leigh syndrome. Knockout of SURF1 gene in mouse causes isolated COX defect as well, but less pronounced and without involvement of CNS. The aim of the thesis was detailed analysis of disturbed COX biogenesis in a condition of SURF1 gene mutations or SURF1 gene knockout, from assembly of COX monomer to interaction of COX into supercomplexes, and to the impact of isolated COX defect on other OXPHOS complexes. Mutations of SURF1 gene in patient's fibroblasts led to marked accumulation of COX assembly intermediates and to a defect in formation of functional COX monomer, which was preferentially built into an...