Biological Functions of Novel Mitochondrial Proteins

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5471-2
Title: Biological Functions of Novel Mitochondrial Proteins
Author: Wang, Liang
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences
Doctoral Programme in Biomedicin
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-10-04
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5471-2
http://hdl.handle.net/10138/305431
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Mitochondria are a powerhouse for cells and a hub for numerous signaling pathways. Mitochondria are highly dynamic organelles, frequently changing their shape by shifting the balance of fusion and fission. Dysregulation in mitochondrial function or dynamics causes many human diseases. The sub-mitochondrial localization and biological function of 13 mtDNA-encoded proteins have been clearly characterized, while many novel nuclear-encoded mitochondrial proteins are yet to be discovered. To comprehensively determine the mechanisms of mitochondrial-related diseases, it is imperative to reveal cellular functions of key mitochondrial proteins essential for mitochondrial biogenesis, structure, function, and dynamics. In this thesis, we have identified two novel nuclear-encoded mitochondrial proteins in mammalian cells: the Bin-Amphiphysin-Rvs (BAR) protein FAM92A1 essential for regulation of mitochondrial membrane ultrastructure, and the GTP-binding protein GTPBP8 required for mitochondrial translation. Due to the critical roles of mitochondria in cell signaling and cell survival, mitochondria, especially mitochondrial proteins, are the potential drug targets for treatment of a wide spectrum of diseases. Thus, prickly zinc-doped copper oxide (Zn-CuO) nanoparticles (prickly NPs) are designed and synthesized for cancer therapy. In paper I, FAM92A1 localizes to the matrix side of the mitochondrial inner membrane through an N-terminal mitochondrial targeting sequence. Loss of FAM92A1 causes a severe disruption to mitochondrial morphology, ultrastructure, and membrane dynamics, impairing organelle bioenergetics. Furthermore, the purified recombinant FAM92A1 protein binds to model membranes through preferential binding to negatively charged phospholipids. After insertion into a lipid bilayer, FAM92A1 transforms spherical liposomes into narrow tubules. Importantly, the aberrant mitochondrial morphology and function caused by depletion of FAM92A1 can be rescued by wild-type FAM92A1, but only partially rescued by the FAM92A1 mutants with defects in membrane binding and remodeling activity. In paper III, GTPBP8 localizes to the mitochondrial matrix associated with the mitochondrial inner membrane. The N-terminal 46aa is indispensable for the mitochondrial localization of GTPBP8. Importantly, GTPBP8 exclusively interacts with the large subunit of mitochondrial ribosome. Genetic knockdown of GTPBP8 causes a significant reduction in the level of mitoribosomes, inducing defects in mitochondrial translation and mitochondrial bioenergetics. In paper II, the prickly NPs are very effective in inducing cell death of 3T3 and MCF-7 cancer cell lines. The prickly NPs efficiently accumulate in mitochondria, resulting in severe mechanic disruption to mitochondria and inducing cell apoptosis. Collectively, these studies reveal the biological functions of two previously uncharacterized mitochondrial proteins and an efficient nanoparticle cancer treatment by targeting mitochondria. These new findings elucidate the crucial relation between mitochondrial form and function, and hence, contribute to establishing the concept of membrane-mediated signaling in mitochondria. Furthermore, mitochondrial gene expression is critical for maintaining cellular homoeostasis. Therefore, the mitochondrial proteins and mitochondria per se are valuable potential drug targets for overcoming many mitochondrial diseases.Mitokondriot ovat solujen voimalaitoksia ja lukuisien signaalikanavien keskiö. Mitokondriot ovat äärimmäisen dynaamisia organelleja, jotka usein vaihtavat muotoaan vaihtelemalla fuusion ja fission tasapainoa. Vajaatoiminta mitokondrion toiminnassa ja dynamiikassa aiheuttaa monia sairauksia ihmisissä. mtDNA-tuotettujen proteiinien sijainti ja biologinen funktio mitokondriossa on selvästi karakterisoitu, vaikkakin monia uusia tumassa tuotettuja mitokondrioproteiineja on vielä löytämättä. Jotta voisimme kokonaisvaltaisesti määrittää mitokondrioista johtuvien sairauksien mekaniikkaa, on välttämätöntä selvittää avainasemassa olevien mitokondrioproteiinien solutason tehtävä biogeneesin, rakenteiden, toiminnan ja dynamiikan kannalta. Tässä väitöskirjassa olemme tunnistaneet kaksi uutta nisäkässolujen tumassa tuotettua proteiinia: Bin-Amphiphysin-Rvs (BAR)-proteiini FAM92A1, joka on elintärkeä mitokondrion membraanin hienorakenteen säätelyssä, ja toisena GTP-sitoutunut proteiini GTPBP8, jota mitokondriot tarvitsevat translaatiossa. Koska mitokondrioilla on kriittinen rooli solujen selviytymisessä ja viestin välityksessä, mitokondriot ja erityisesti niiden proteiinit ovat korkean potentiaalin kohteita lääkevalmisteille suureen määrään eri sairauksia. Siksi syövän hoitoon on kehitetty ja syntetisoitu piikikkäitä sinkillä kyllästettyjä kuparioksidi (Zn-CuO)-nanopartikkeleita (prickly NP). Osassa I, FAM92A1 lokalisoituu matriksin puoleiseen seinämään mitokondrion sisäisessä membraanissa. FAM92A1 puuttuminen aiheuttaa vakavan muutoksen mitokondrion morfologiaan, ultrastruktuuriin ja membraanidynamiikkaan, heikentäen organellin bioenergetiikkaa. Lisäksi puhdistettu rekombinantti FAM92A1 proteiini kiinnittyy mallimembraaneihin suosivalla sitoutumisella negatiivisesti varautuneihin fosfolipideihin. FAM92A1 lisääminen lipidikaksoiskerrokseen muuttaa pallomaiset liposomit kapeiksi putkiksi. Että FAM92A1 ehtymisen aiheuttama poikkeuksellinen mitokondrion morfologia ja funktio voidaan palauttaa villityypin FAM92A1:lla, mutta vain osittain mutantti FAM92A1:lla, joilla on virhe membraaniin sitoutumisessa ja uusiutumiskyvyssä. Osassa III, GTPBP8 lokalisoituu mitokondrion matriksiin, joka on yhteydessä mitokondrion sisäiseen membraaniin. N-terminaali 46aa on korvaamaton GTPBP8:n mitokondrion lokalisaatiossa. Tärkeä huomio on, että GTPBP8 on yksinomaan vuorovaikutuksessa mitokondrion ribosomin suuren osan kanssa. GTPBP8:n geneettinen poistaminen aiheuttaa merkittävän vähennyksen mitoribosomien määrässä, mikä lisää virheitä mitokondrion translaatiossa ja mitokondrion bioenergetiikassa. Osassa II, prickly NP:t ovat erittäin tehokkaita aiheuttamaan solukuolemia 3T3 ja MCF-7 syöpäsolulinjoissa. Pricly NP:t lisääntyvät tehokkaasti mitokondriossa, mikä johtaa vakavaan mekaaniseen häirintään mitokondriossa ja aiheuttaa solukuoleman. Yhteenvetona nämä tutkimukset paljastavat kahden aikaisemmin tuntemattoman mitokondrioproteiinin biologiset funktiot ja tehokkaan nanopartikkelihoidon syövälle kohdistettuna syöpäsolujen mitokondrioihin. Nämä uudet löydöt havainnollistavat mitokondrioiden muodon ja funktion elintärkeää suhdetta, ja siten edistävät konseptia membraanivälitteisestä viestinnästä mitokondrioissa. Lisäksi, mitokondrioiden geeniekspressio on kriittistä solujen homeostasian ylläpidon kannalta ja siksi mitokondrioiden proteiinit ja mitokondriot itsessään ovat arvokkaita potentiaalisia lääkevalmisteiden kohteita monien mitokondriosairauksien parantamiseksi.
Subject: Biochemistry
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

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Biologic.pdf 3.335Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record