Molecular Consequences of Transfer-RNA Charging Defects

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3000-6
Title: Molecular Consequences of Transfer-RNA Charging Defects
Author: Hilander, Taru
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Medicine, Institute of Biomedicine, Research Program for Molecular Neurology
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-3161
Abstract: Proteins, consisting of amino acids, work as building blocks in the cells. In addition, they carry out vast amounts of cellular functions. Accurate protein synthesis is thus crucial for the normal function of cells. The first step of protein synthesis is the charging of transfer-RNAs (tRNAs) with their cognate amino acids. Evolutionarily conserved and extremely old proteins, aminoacyl-tRNA synthetases (aaRSs), carry out this step and each amino acid-tRNA pair has its own synthetase for the task. However, in some cases the amino acids are so similar in size and structure that they cannot be separated well enough by the aaRSs. To avoid mischarging and the subsequent protein misfolding, some of the synthetases have an editing domain, which recognizes and hydrolyses incorrect amino acid-tRNA pairs. In addition, cells have other important quality control mechanisms to ensure protein homeostasis, the capacity of cells to maintain internal stability of the proteome. Patient mutations in genes connected to protein synthesis and quality control are found to cause different diseases, the mechanisms of which are not yet, however, well known. Research on these topics is thus important. The aim of this thesis was to study the molecular mechanisms of different tRNA-charging defects and protein quality control mechanisms in both protein-translating compartments of a eukaryotic cell, cytosol and mitochondria. The first part of the thesis describes the molecular mechanism and the clinical phenotype of a special cytosolic tRNA charging defect caused by mutations in SEPSECS gene. The corresponding protein is involved in charging of the 21st amino acid, selenocysteine, to its tRNA. We identified mutations in this gene and showed them to lead to a decreased amount of selenocysteine-containing proteins, selenoproteins, in the brain of a patient with a severe early onset encephalopathy. Our study also indicated increased protein oxidation in the patient brain. This study extends the clinical phenotypes connected to SEPSECS mutations, and indicates that selenoprotein synthesis defect can resemble mitochondrial disease with lactate elevation. In the second part of this thesis, the potential of an amino acid analogue of arginine, canavanine, to induce protein misfolding in mitochondria was studied. The results demonstrated that mitochondrial protein translation machinery does not distinguish canavanine from arginine. The amino acid analog was incorporated into mitochondrially encoded proteins causing protein instability and formation of aberrant polypeptides. Surprisingly, however, canavanine did not induce mitochondrial unfolded protein response (UPRmt), a previously described signalling pathway induced by accumulation of misfolded proteins inside mitochondria. The study showed that none of the protein quality control mechanisms were able to solve protein misfolding caused by canavanine, which led to a severe respiratory chain defect. Canavanine has been used previously in a large number of studies to induce cytosolic protein misfolding, but the impact of canavanine for mitochondrial function has been largely ignored. Canavanine can be used in future as a tool to study further the consequences of protein misfolding in mitochondria, and for studying how mitochondria solve stalled ribosomes, which was also detected to be a consequence of canavanine in our study. The goal of the third part of the thesis was to study UPRmt in an animal model. The purpose was to generate a mouse model that has a mutation in the editing domain of mitochondrial alanyl-tRNA synthetase, leading to amino acid mischarging and formation of unfolded proteins inside mitochondria in vivo. The result of the study indicated for the first time the importance of amino acid editing by a tRNA synthetase as an essential quality control mechanism in mammalian mitochondria. The work presented in this thesis provides new information concerning the mechanisms of different tRNA charging defects and their consequences for the cell and organism. Special emphasis was on mitochondrial function.Proteiinit muodostuvat aminohapoista, jotka on liitetty toisiinsa peptidisidoksin. Proteiinit toimivat sekä solujen rakennuspalikoina, että valtavassa määrässä solujen reaktioketjuja. Virheetön proteiinisynteesi on täten elintärkeää solujen toiminnalle. Ensimmäinen vaihe proteiinisynteesissä on siirtäjä-RNA:iden (tRNA) ja niitä vastaavien aminohappojen yhteen liittäminen. Evolutiivisesti erittäin konservoituneet proteiinit, aminoasyyli-tRNA syntetaasit (aaRS), vastaavat tästä liitoksesta, ja jokaisella aminohappo-tRNA parilla on oma aaRS-entsyyminsä tähän tehtävään. Jotkin aminohapot ovat niin samanlaisia kooltaan ja rakenteeltaan, että osa aaRS:sta ei pysty erottamaan niitä toisistaan. Välttääkseen väärien aminohappojen latauksen tRNA:ihin ja siitä seuraavan proteiinien väärin laskostumisen, osalla aaRS:sta on rakenteessaan oikolukuosa, joka tunnistaa väärin ladatut aminohappo-tRNA parit ja hydrolysoi ne. Sen lisäksi soluilla on muita laaduntarkkailumekanismeja, jotka vastaavat proteiinien homeostaasista eli solujen kapasiteetista ylläpitää proteomin tasapainoa. Monista proteiinisynteesiin tai laaduntarkkailumekanismeihin liittyvistä geeneistä on löydetty tautimutaatioita, jotka aiheuttavat hyvin erilaisten sairauksien ilmenemisen ihmisellä. Näiden sairauksien mekanismeja ei kuitenkaan tunneta tarkkaan, joten niiden molekyylimekanismien tutkiminen on tärkeää. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli tutkia erilaisia tRNA:iden latausvirheitä ja proteiinien laaduntarkkailumekanismeja kahdessa solujen proteiineja tuottavassa osassa, sytosolissa ja mitokondrioissa. Väitöskirjan ensimmäisessä osatyössä kuvataan sytoplasmisen tRNA:n lataushäiriön molekulaarinen mekanismi perinnöllisessä aivosairaudessa. Häiriö aiheutuu mutaatioista SEPSECS geenissä, jota tarvitaan 21. aminohapon, selenokysteiinin, lataukseen sen tRNA:han. Potilailla tämän geenin mutaatiot johtivat selenokysteiiniä sisältävien proteiinien, selenoproteiinien, määrän laskuun aivoissa, mitä seurasi potilailla vakavan aivosairauden kehittyminen. Tutkimuksemme osoitti lisäksi potilaiden aivonäytteissä lisääntynyttä proteiinien hapettumista. Tutkimuksemme laajensi SEPSECS-geenivirheisiin liitettyjen sairauksien kliinistä kuvaa, sillä osoitimme potilailla aiemmin kuvaamattomia mitokondriosairauksille tyypillisistä oireista kuten veren kohonneet laktaattiarvot. Väitöskirjan toisessa osatyössä tutkittiin arginiini-aminohapon analogin, kanavaniinin, kykyä indusoida proteiinien väärinlaskostumista mitokondrioissa. Tutkimus osoitti, ettei mitokondrioiden translaatiokoneisto kykene erottamaan kanavaniinia arginiinista, joten se päätyy mitokondrioissa tuotettaviin proteiineihin arginiinin sijaan aiheuttaen näiden proteiinien poikkeavaa laskostumista. Yllättäen kanavaniini ei kuitenkaan indusoinut aiemmin kuvattua mitokondriaalisten, väärinlaskostuneiden proteiinien aiheuttamaa signaalikaskadia. Tutkimus osoitti, etteivät mitokondrion laaduntarkkailumekanismit kykene korjaamaan kanavaniinin aiheuttamaa proteiinien väärinlaskoutumista ja siitä aiheutuvaa hengitysketjupuutosta mitokondrioissa. Kanavaniinia on käytetty monissa sytosolisten proteiinien väärinlaskoutumisen seurauksia selvittävissä tutkimuksissa, mutta niissä kanavaniinin vaikutuksia mitokondrioiden toiminnalle ei ole otettu aikaisemmin huomioon. Tulostemme perusteella kanavaniinia voidaan käyttää jatkossa työkaluna tutkittaessa väärinlaskostuneiden proteiinien vaikutuksia mitokondrioiden toiminnalle. Väitöskirjan kolmannessa osatyössä haluttiin tutkia aikaisemmin kuvattua väärinlaskostuneiden proteiinien aiheuttamaa signaalikaskadia mitokondrioissa hiirimallin avulla. Tämän projektin tarkoituksena oli luoda hiirimalli, jonka mitokondriaalisessa alanyyli-tRNA syntetaasin oikolukuosassa on mutaatio, joka johtaa oikolukutoiminnon häiriöön, väärin ladattuihin tRNA ja siitä seuraavaan proteiinien väärin laskostumiseen mitokondrioissa. Väitöskirjan kolmas osatyö osoitti ensimmäistä kertaa, että aminohappojen oikoluku on elintärkeää nisäkkäiden mitokondrioissa. Tämä väitöskirja on tuottanut uutta tietoa tRNA:iden lataushäiriöistä ja niiden seurauksista solun ja organismin toiminnalle. Väitöskirjassa keskityttiin erityisesti mitokondrioiden toimintaan.
URI: URN:ISBN:978-951-51-3000-6
http://hdl.handle.net/10138/175897
Date: 2017-03-24
Subject: biolääketiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record