TY - JOUR A1 - Geroldinger, Gerald A1 - Tonner, Matthias A1 - Fudickar, Werner A1 - De Sarkar, Sritama A1 - Dighal, Aishwarya A1 - Monzote, Lianet A1 - Staniek, Katrin A1 - Linker, Torsten A1 - Chatterjee, Mitali A1 - Gille, Lars T1 - Activation of anthracene endoperoxides in leishmania and impairment of mitochondrial functions JF - Molecules N2 - Leishmaniasis is a vector-borne disease caused by protozoal Leishmania. Because of resistance development against current drugs, new antileishmanial compounds are urgently needed. Endoperoxides (EPs) are successfully used in malaria therapy, and experimental evidence of their potential against leishmaniasis exists. Anthracene endoperoxides (AcEPs) have so far been only technically used and not explored for their leishmanicidal potential. This study verified the in vitro efficiency and mechanism of AcEPs against both Leishmania promastigotes and axenic amastigotes (L. tarentolae and L. donovani) as well as their toxicity in J774 macrophages. Additionally, the kinetics and radical products of AcEPs’ reaction with iron, the formation of radicals by AcEPs in Leishmania, as well as the resulting impairment of parasite mitochondrial functions were studied. Using electron paramagnetic resonance combined with spin trapping, photometry, and fluorescence-based oximetry, AcEPs were demonstrated to (i) show antileishmanial activity in vitro at IC50 values in a low micromolar range, (ii) exhibit host cell toxicity in J774 macrophages, (iii) react rapidly with iron (II) resulting in the formation of oxygen- and carbon-centered radicals, (iv) produce carbon-centered radicals which could secondarily trigger superoxide radical formation in Leishmania, and (v) impair mitochondrial functions in Leishmania during parasite killing. Overall, the data of different AcEPs demonstrate that their structures besides the peroxo bridge strongly influence their activity and mechanism of their antileishmanial action. KW - Leishmania KW - endoperoxides KW - EPR spectroscopy KW - mitochondria KW - radicals Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.3390/molecules23071680 SN - 1420-3049 VL - 23 IS - 7 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - GEN A1 - Wardelmann, Kristina A1 - Rath, Michaela A1 - Castro, José Pedro A1 - Blümel, Sabine A1 - Schell, Mareike A1 - Hauffe, Robert A1 - Schumacher, Fabian A1 - Flore, Tanina A1 - Ritter, Katrin A1 - Wernitz, Andreas A1 - Hosoi, Toru A1 - Ozawa, Koichiro A1 - Kleuser, Burkhard A1 - Weiß, Jürgen A1 - Schürmann, Annette A1 - Kleinridders, André T1 - Central acting Hsp10 regulates mitochondrial function, fatty acid metabolism and insulin sensitivity in the hypothalamus T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Mitochondria are critical for hypothalamic function and regulators of metabolism. Hypothalamic mitochondrial dysfunction with decreased mitochondrial chaperone expression is present in type 2 diabetes (T2D). Recently, we demonstrated that a dysregulated mitochondrial stress response (MSR) with reduced chaperone expression in the hypothalamus is an early event in obesity development due to insufficient insulin signaling. Although insulin activates this response and improves metabolism, the metabolic impact of one of its members, the mitochondrial chaperone heat shock protein 10 (Hsp10), is unknown. Thus, we hypothesized that a reduction of Hsp10 in hypothalamic neurons will impair mitochondrial function and impact brain insulin action. Therefore, we investigated the role of chaperone Hsp10 by introducing a lentiviral-mediated Hsp10 knockdown (KD) in the hypothalamic cell line CLU-183 and in the arcuate nucleus (ARC) of C57BL/6N male mice. We analyzed mitochondrial function and insulin signaling utilizing qPCR, Western blot, XF96 Analyzer, immunohistochemistry, and microscopy techniques. We show that Hsp10 expression is reduced in T2D mice brains and regulated by leptin in vitro. Hsp10 KD in hypothalamic cells induced mitochondrial dysfunction with altered fatty acid metabolism and increased mitochondria-specific oxidative stress resulting in neuronal insulin resistance. Consequently, the reduction of Hsp10 in the ARC of C57BL/6N mice caused hypothalamic insulin resistance with acute liver insulin resistance. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1165 KW - brain insulin signaling KW - mitochondria KW - oxidative stress KW - fatty acid metabolism Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-522985 SN - 1866-8372 IS - 5 ER - TY - JOUR A1 - Wardelmann, Kristina A1 - Rath, Michaela A1 - Castro, José Pedro A1 - Blümel, Sabine A1 - Schell, Mareike A1 - Hauffe, Robert A1 - Schumacher, Fabian A1 - Flore, Tanina A1 - Ritter, Katrin A1 - Wernitz, Andreas A1 - Hosoi, Toru A1 - Ozawa, Koichiro A1 - Kleuser, Burkhard A1 - Weiß, Jürgen A1 - Schürmann, Annette A1 - Kleinridders, André T1 - Central acting Hsp10 regulates mitochondrial function, fatty acid metabolism and insulin sensitivity in the hypothalamus JF - Antioxidants N2 - Mitochondria are critical for hypothalamic function and regulators of metabolism. Hypothalamic mitochondrial dysfunction with decreased mitochondrial chaperone expression is present in type 2 diabetes (T2D). Recently, we demonstrated that a dysregulated mitochondrial stress response (MSR) with reduced chaperone expression in the hypothalamus is an early event in obesity development due to insufficient insulin signaling. Although insulin activates this response and improves metabolism, the metabolic impact of one of its members, the mitochondrial chaperone heat shock protein 10 (Hsp10), is unknown. Thus, we hypothesized that a reduction of Hsp10 in hypothalamic neurons will impair mitochondrial function and impact brain insulin action. Therefore, we investigated the role of chaperone Hsp10 by introducing a lentiviral-mediated Hsp10 knockdown (KD) in the hypothalamic cell line CLU-183 and in the arcuate nucleus (ARC) of C57BL/6N male mice. We analyzed mitochondrial function and insulin signaling utilizing qPCR, Western blot, XF96 Analyzer, immunohistochemistry, and microscopy techniques. We show that Hsp10 expression is reduced in T2D mice brains and regulated by leptin in vitro. Hsp10 KD in hypothalamic cells induced mitochondrial dysfunction with altered fatty acid metabolism and increased mitochondria-specific oxidative stress resulting in neuronal insulin resistance. Consequently, the reduction of Hsp10 in the ARC of C57BL/6N mice caused hypothalamic insulin resistance with acute liver insulin resistance. KW - brain insulin signaling KW - mitochondria KW - oxidative stress KW - fatty acid metabolism Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/antiox10050711 SN - 2076-3921 VL - 10 IS - 5 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - THES A1 - Riedel, Simona T1 - Characterization of Mitochondrial ABC Transporter Homologues in Rhodobacter capsulatus T1 - Charakterisierung von Homologen zu mitochondrialen ABC Transportern in Rhodobacter capsulatus N2 - ABC-Transporter (ABC abgeleitet von ATP-Binding Cassette) gehören zur Klasse der Transmembran-Proteine und kommen in allen drei Domänen des Lebens vor. Ihr struktureller Aufbau ist dabei stets ähnlich, wohingegen konservierte Proteinsequenzen selten vorkommen. Die Transporter sind aus zwei lipophilen, membran-durchspannenden Domänen, welche auch TMDs (abgeleitet von Transmembrane spanning Domains) genannt werden, und zwei hydrophilen Domänen, die auch NBDs (abgeleitet von Nucleotide Binding Domains) genannt werden, aufgebaut. Die Vielzahl der durch ABC-Transporter beförderten Moleküle erklärt dabei die enorme Anzahl diverser TMDs. In den Mitochondrien des Menschen findet man vier ABC-Transporter (ABCB6, ABCB7, ABCB8 und ABCB10) mit funktionellen Homologen in Hefen und Pflanzen. In Bakterien hingegen können, mit Ausnahme von Rickettsiae und verwandten Bakterien, keine Homologen zu mitochondrialen ABC-Transportern identifiziert werden. Die transportierten Moleküle sowie die damit verbundenen Funktionen sind im Einzelnen bislang weitgehend unbekannt. ABCB7 und die entsprechenden Homologen in Hefen (Atm1) und in Pflanzen (ATM3) konnten mit der cytosolischen Eisen-Schwefel-Cluster-Biosynthese in Zusammenhang gebracht werden. Eine schwefelhaltige Verbindung der mitochondrialen Matrix wird mit Hilfe dieses Transporters der cytosolischen Eisen-Schwefel-Cluster-Assemblierung zur Verfügung gestellt. Die 2014 publizierten Kristallstrukturen von Atm1 (Hefe) und Atm1 aus Novosphingobium aromaticivorans offenbarten dabei eine hoch konservierte Glutathion-Bindetasche innerhalb der TMDs für ABCB7 Homologe. In der Modellpflanze Arabidopsis thaliana konnte ATM3 zusätzlich mit der Biosynthese des Molybdän-Cofaktors in Verbindung gebracht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde das α-Proteobacterium Rhodobacter capsulatus als Modellorganismus genutzt, um mitochondriale ABC-Transporter Homologe zu untersuchen. Das Bakterium enthält zwei ABC-Transporter-Gene, rcc03139 und rcc02305, die mit den humanen mitochondrialen Transportern große Sequenzübereinstimmungen aufweisen (rcc03139: 41 % respektive 38 % Identität mit ABCB8 und ABCB10, rcc02305: 47 % identisch mit ABCB7 und ABCB6). Mit Hilfe erzeugter Interposon-Mutanten (Δrcc02305I und Δrcc03139I) konnte erstmals gezeigt werden, dass bakterielle Transporter funktionell sehr ähnliche Aufgaben wie die mitochondrialen ABC-Transporter übernehmen. Beispielsweise akkumulierten beide Interposon-Mutanten reaktive Sauerstoff-Spezies (ROS) ohne gleichzeitige Akkumulation von Glutathion oder Eisen. Weiterhin konnten wir zeigen, dass, ähnlich wie bereits für ATM3 postuliert, die Biosynthese des Molybdän-Cofaktors in Δrcc02305I verändert ist. Mit Hilfe einer lebensfähigen Doppelmutante, in der beide ABC-Transporter-Gene gleichzeitig deletiert wurden, konnten wir ausschließen, dass die beiden bakteriellen ABC-Transporter grundsätzlich redundante Funktionen haben. Durch die Analyse des Proteoms von Δrcc03139I im Vergleich zu der des Wildtyps, konnte eine extreme Beeinflussung der Tetrapyrrol Biosynthese sowie entsprechender Zielproteine identifiziert werden. Dies konnte zusätzlich durch die Quantifizierung einzelner Zwischenprodukte der Biosynthese bestätigt werden. Im Gegensatz dazu konnte anhand der Analyse des Proteoms in Verbindung mit analytischen Methoden in Δrcc02305I ein Ungleichgewicht in der Schwefelverteilung identifiziert werden. Zusammen mit der Entdeckung einer Pyridoxalphosphat (PLP) Bindestelle in Rcc02305 und anderen ABCB7-artigen Transportern, welche direkt mit dem Walker-A-Motiv der NBD überlappt, ermöglichte dies eine völlig neue Theorie, wie die schwefelhaltige Verbindung transportiert werden kann. Wir gehen davon aus, dass an PLP zunächst ein Persulfid produziert wird, welches unmittelbar mit dem Glutathion der transmembranen Bindetasche zu einem gemischten Polysulfid reagiert. Im Anschluss daran wird die ATP-Bindestelle frei und die Hydrolyse des ATPs löst eine Konformationsänderung aus, welche das gemischte Polysulfid ins Periplasma bzw. in den intermembranen Raum freigibt. N2 - ATP-binding cassette (ABC) transporters are present in all kingdoms of life and enable active transport of various different molecules across biological membranes. They all share an overall architecture of two lipophilic transmembrane spanning domains (TMDs) traversing the membrane and two hydrophilic nucleotide binding domains (NBDs) usually lacking sequence identity. The multiplicity in transported molecules is accompanied by extreme diversity in TMDs. Human mitochondria harbor four ABC transporters, namely ABCB6, ABCB7, ABCB8 and ABCB10 with functional homologues in yeast and plants. Except the ones found in Rickettsiae and related bacteria mitochondrial ABC transporters are absent in bacteria. In addition to converting energy mitochondria are important platforms for biosynthesizing various cofactors as iron sulfur clusters, molybdenum cofactor (Moco) or heme. ABCB7 (Atm1 in yeast) has been shown to connect mitochondrial with cytosolic iron sulfur cluster assembly by exporting a yet unknown sulfur containing molecule. In addition, TMDs of Atm1 display a glutathione binding pocket accessible from the matrix which has been identified in all ABCB7-like transporters and also exists in a bacterial ABC transporter homologue of Atm1 in Novosphingobium aromaticivorans. In addition, ATM3, a plant mitochondrial homologous ABC transporter to human ABCB7, has been associated with biosynthesizing Moco. In this study we used the α-proteobacterium Rhodobacter capsulatus as a model organism to characterize mitochondrial ABC transporter homologues. R. capsulatus contains two homologues to mitochondrial ABC transporters with the corresponding gene loci rcc03139 and rcc02305. They share 38 to 47 % sequence identities to human mitochondrial ABC transporters ABCB8/ABCB10 and ABCB7/ABCB6, respectively. We created interposon mutants lacking either rcc03139 or rcc02305, analyzed the physiological effects on R. capsulatus and compared the findings especially to eukaryotic deletion studies. A viable bacterial double mutant strain lacking both mitochondrial ABC transporters was constructed to investigate possible overlapping functions. Both R. capsulatus single mutants showed a severe accumulation of intracellular reactive oxygen species (ROS) in comparison to ∆nifDK which revealed to be additive in the double mutant. In the proteome of ∆rcc03139I abundancies of tetrapyrrole related proteins were significantly increased in comparison to the proteome of parental strain, which was further validated by reduced amounts of tetrapyrrole intermediates in ∆rcc03139. In contrast, in ∆rcc02305I total glutathione (GSH) was elevated when endogenous GSH biosynthesis was inhibited. In conjunction with proteomic studies we uncovered misbalanced sulfur distribution in ∆rcc02305I. Furthermore, strains lacking Rcc02305 accumulated cyclic pyranopterin monophosphate (cPMP), an intermediate of Moco biosynthesis, as it was already shown for the deletion strain of the eukaryotic counterpart ATM3 in plants. In contrast single mutant strain Δrcc03139I neither accumulated cPMP nor glutathione. Bioinformatic analysis of the amino acid sequence of Rcc02305 revealed a pyridoxal 5´phosphate (PLP) binding site which overlaps with Walker A within the NBDs of Rcc02305 and other ABCB7-like transporters. The PLP cofactor is well studied in C-DES (L-cysteine/cystine lyase from Synechocystis) for persulfide production and in L-cysteine desulfurases such as IscS and NFS1 for its role in formation of protein-bound persulfides. Based on our findings we are able to propose a new modality for the transport of the sulfur containing molecule: first of all, the transporter produces a highly reactive persulfide which is then subsequently trapped by glutathione polysulfide, already bound within the binding pocket in TMDs. Walker A becomes accessible for ATP and after hydrolysis the mixed polysulfide is released. Based on our studies we are convinced that both mitochondrial ABC transporter homologues fulfil distinct roles in R. capsulatus: Rcc02305 is a representative of Atm1/ABCB7-like transporters and important for proper sulfur distribution by exporting persulfides. In contrast Rcc03139 is a representative of ABCB6/ABCB10 related transporters and involved in biosynthesizing tetrapyrroles. KW - Rhodobacter capsulatus KW - ABC Transporter KW - ABCB7 KW - Mitochondrien KW - PLP-Walker A-Überlagerung KW - Rhodobacter capsulatus KW - ABC transporter KW - ABCB7 KW - mitochondria KW - PLP-Walker A-overlap Y1 - 2019 ER - TY - JOUR A1 - Westbury, Michael V. A1 - Dalerumb, Fredrik A1 - Noren, Karin A1 - Hofreiter, Michael T1 - Complete mitochondrial genome of a bat-eared fox (Otocyon megalotis), along with phylogenetic considerations JF - Mitochondrial DNA. Part B N2 - The bat-eared fox, Otocyon megalotis, is the only member of its genus and is thought to occupy a basal position within the dog family. These factors can lead to challenges in complete mitochondrial reconstructions and accurate phylogenetic positioning. Here, we present the first complete mitochondrial genome of the bat-eared fox recovered using shotgun sequencing and iterative mapping to three distantly related species. Phylogenetic analyses placed the bat-eared fox basal in the Canidae family within the clade including true foxes (Vulpes) and the raccoon dog (Nyctereutes) with high support values. This position is in good agreement with previously published results based on short fragments of mitochondrial and nuclear genes, therefore adding more support to the basal positioning of the bat-eared fox within Canidae. KW - Phylogenetics KW - mitochondria KW - iterative mapping KW - Canidae Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1080/23802359.2017.1331325 SN - 2380-2359 VL - 2 IS - 1 SP - 298 EP - 299 PB - Routledge, Taylor & Francis Group CY - London ER - TY - THES A1 - Nerlich, Annika T1 - Die Rolle der Phosphatidylserin Decarboxylase für die mitochondriale Phospholipid-Biosynthese in Arabidopsis thaliana T1 - Role of phosphatidylserine decarboxylase in mitochondrial phospholipid biosynthesis of Arabidopsis thaliana N2 - Die durch Phosphatidylserin Decarboxylase (PSD) katalysierte Decarboxylierung von Phosphatidylserin (PS) zu Phosphatidylethanolamin (PE) ist für Mitochondrien in Hefe und Mäusen von essentieller Bedeutung. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde erstmals die Rolle dieses PE-Syntheseweges in Pflanzen untersucht. Die drei in Arabidopsis identifizierten PSD Gene atPSD1, atPSD2, atPSD3 codieren für Enzyme, die in Membranen der Mitochondrien (atPSD1), der Tonoplasten (atPSD2) und des Endoplasmatischen Retikulums (atPSD3) lokalisiert sind. Der Beitrag der einzelnen PSDs zur PE-Synthese wurde anhand von psd Null-Mutanten untersucht. Dabei stellte sich atPSD3 als das Enzym mit der höchsten Aktivität heraus. Alternativ zum PSD-Weg wird in Arabidopsis PE auch mittels Aminoalkohol-phosphotransferase synthetisiert. Der Verlust der gesamten PSD-Aktivität, wie es in der erzeugten psd Dreifachmutante der Fall ist, wirkt sich ausschließlich auf die Lipidzusammensetzung in der Mitochondrienmembran aus. Demzufolge wird extramitochondriales PE hauptsächlich über die Aminoalkoholphosphotransferase synthetisiert. Die veränderte Lipidzusammensetzung der Mitochondrienmembran hatte jedoch keinen Einfluss auf die Anzahl, Größe und Ultrastruktur der Mitochondrien sowie auf das ADP/ATP-Verhältnis und die Respiration. Neben der Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten beeinflusst die Funktionalität der Mitochondrien auch die Bildung von Blüten- und Staubblättern. Diese Blütenorgane waren in der psd Dreifachmutante stark verändert, und der Blütenphänotyp ähnelte der APETALA3-Mutante. Dieses homöotische Gen ist für die Ausbildung von Blüten- und Staubblättern verantwortlich. Für die Erzeugung der Mutanten psd2-1 und psd3-1 wurde ein T-DNA Vektor verwendet, der den Promotor des APETALA3 Gens enthielt, welcher in den Mutanten psd2-1, psd3-1 sowie psd2-1psd3-1 und der psd1psd2-1psd3-1 Dreifachmutante eine vergleichbare Co-Suppression des APETALA3 Gens hervorruft. Der Blütenphänotyp trat jedoch nur in der psd Dreifachmutante auf, da nur in ihr die Kombination von geringen Funktionstörungen der Mitochondrien, hervorgerufen durch veränderte Lipidzusammensetzung, mit der Co-Suppression von APETALA3 auftritt. N2 - Decarboxylation of phosphatidylserine (PS) to form phosphatidylethanolamine (PE) catalyzed by phosphatidylserine decarboxylase (PSD) is an essential reaction for mitochondria in yeast and mice. This dissertation describes the role of this biosynthesis pathway in plants for the first time. Three PSD genes were identified in Arabidopsis, atPSD1, atPSD2, atPSD3. The gene products localize to mitochondria (atPSD1), tonoplast (atPSD2) and endoplasmatic retikulum (atPSD3). Contribution to PE-synthesis of each PSD was analyzed using T-DNA insertion mutants. Thereby, atPSD3 was found to be the most active isoform. Alternatively, PE is also synthesized by the action of aminoalcohol phosphotransferase. Complete loss of PSD activity, like in the psd triple mutant, resulted in changes in lipid composition of mitochondria membranes exclusively. In conclusion the bulk of PE is synthesized by aminoalcohol phosphotransferase. Changed lipid composition of mitochondria did not result in changes of mitochondria number, structure, ADP/ATP ratio and respiration. Mitochondria functionality was formerly shown to effect formation of petals and stamens. These flower organs were drastically morphologically changed in psd triple mutants and showed strong similarities to APETALA3 mutants. APETALA3 is a homeotic gene responsible for specifying petals and stamens. Mutants psd2-1 and psd3-1 used for crossing psd double and triple mutants contained a T-DNA vector which include the promoter for APETALA3. This promoter caused co-suppression of the endogenous APETALA3 gene in all mutants isolated from the Arabidopsis Knockout Facility, whereas changed flower morphology occurred only in the triple mutant concluding a combined effect of co-suppression and a reduced functionality of mitochondria, caused by changed lipid composition. KW - Phospholipide KW - Phosphatidylserin Decarboxylase KW - Phosphatidylserin KW - Phosphatidylethanolamin KW - Mitochondrien KW - phospholipids KW - phosphatidylserine decarboxylase KW - phosphatidylserine KW - phosphatidylethanolamine KW - mitochondria Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14522 ER - TY - THES A1 - Thierbach, René T1 - Identifikation des mitochondrialen Proteins Frataxin als stoffwechselmodulierenden Tumorsuppressor N2 - Die Krebsentstehung wurde vor rund 80 Jahren auf veränderten zellulären Energiestoffwechsel zurückgeführt. Diese Hypothese konnte bisher weder experimentell bewiesen noch widerlegt werden. Durch den Einsatz zweier Modellsysteme mit unterschiedlicher Expression des mitochondrialen Proteins Frataxin konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass der mitochondriale Energiestoffwechsel einen Einfluss auf die Tumorentstehung zu besitzen scheint. Eine Reduktion des mitochondrialen Energiestoffwechsels wurde durch die hepatozytenspezifische Ausschaltung des mitochondrialen Proteins Frataxin in Mäusen erreicht. Der durch das Cre-/loxP-Rekombinasesystem erreichte organspezifische Knock-out wurde auf Transkriptions- und Translationsebene nachgewiesen. Anhand verminderter Aconitaseaktivität, geringeren Sauerstoffverbrauches und reduzierten ATP-Gehaltes im Lebergewebe wurde ein signifikant verminderter Energiestoffwechsel dargestellt. Zwar entsprach die Genotypenverteilung in den Versuchsgruppen der erwarteten Mendelschen Verteilung, dennoch war die mittlere Lebenserwartung der Knock-out-Tiere mit ca. 30 Wochen stark reduziert. Bereits in jungem Alter war bei diesen Tieren die Ausbildung von präneoplastischen Herden zu beobachten. Mit proteinbiochemischen Nachweistechniken konnte in Lebergewebe 4-8 Wochen alter Tiere eine verstärkte Aktivierung des Apoptosesignalweges (Cytochrom C im Zytosol, verstärkte Expression von Bax) sowie eine Modulation stressassoziierter Proteine (geringere Phosphorylierungsrate p38-MAPK, vermehrte Expression HSP-25, verminderte Expression HSP-70) aufgezeigt werden. Im inversen Ansatz wurde eine Steigerung des mitochondrialen Energiestoffwechsels durch stabile transgene Frataxinüberexpression in zwei Kolonkarzinomzelllinien erreicht. Diese Steigerung zeigte sich durch erhöhte Aconitaseaktivität, erhöhten Sauerstoffverbrauch, gesteigertes mitochondriales Membranpotenzial und erhöhten ATP-Gehalt in den Zellen. Die frataxinüberexprimierenden Zellen wuchsen signifikant langsamer als Kontrollzellen und zeigten im Soft-Agar-Assay und im Nacktmausmodell ein deutlich geringeres Potenzial zur Ausbildung von Kolonien bzw. Tumoren. Mittels Immunoblot war hier eine vermehrte Phosphorylierung der p38-MAPK festzustellen. Die zusammenfassende Betrachtung beider Modelle zeigt, dass ein reduzierter mitochondrialer Energiestoffwechsel durch Regulation der p38-MAPK und apoptotischer Signalwege ein erhöhtes Krebsrisiko zu verursachen vermag. N2 - Eigthy years ago, it was suggested that impaired energy metabolism might cause cancer. Compelling experimental evidence for this hypothesis is lacking. By use of two different model systems here we show that impaired expression of the mitochondrial protein frataxin leading to impaired mitochondrial energy metabolism appears to be inversely related to tumour growth. To generate mice with reduced mitochondrial energy metabolism the expression of mitochondrial protein frataxin was disrupted in a hepatocyte-specific manner by using the cre/loxP-system. Presence, efficiency and specificity of disruption were shown at transcriptional and translational levels. Decreased activity of aconitase, reduced oxygen consumption and diminished ATP level in the liver revealed diminished energy metabolism. Although knock-out mice were born in the expected Mendelian frequency, they exhibited a significantly decreased life expectancy. Young mice exhibited hepatic preneoplasia. The use of proteinbiochemical techniques revealed activation of apoptotic pathways (cytochrome c in the cytosol, increased expression of bax) and modulation of stress-associated cascades (decreased phosphorylation of p38-MAPK, increased expression of HSP-25 and diminished expression of HSP-70). Inversely, transgenic overexpression of frataxin in colon cancer cell lines lead to increased mitochondrial energy metabolism as demonstrated by elevated activity of aconitase, increased oxygen consumption, elevated mitochondrial membrane potential and increased ATP levels. Frataxin-overexpressing colon cancer cells exhibit a concurrent decrease in replication rate. The colony forming capacity in soft-agar-assay and tumour formation in nude mice were clearly decreased. Immunoblotting revealed elevated phosphorylation of p38-MAPK. Taken together, these models suggest that reduced mitochondrial energy metabolism may promote cancer through regulation of p38-MAPK and apoptotic pathways. T2 - Identifikation des mitochondrialen Proteins Frataxin als stoffwechselmodulierenden Tumorsuppressor KW - Energiestoffwechsel KW - Krebs KW - Frataxin KW - Knock-out KW - Zelllinien KW - Tumor KW - Mitochondrien KW - metabolism KW - cancer KW - frataxin KW - knock-out KW - cell line KW - tumor KW - energy KW - mitochondria Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001943 ER - TY - JOUR A1 - Schell, Mareike A1 - Chudoba, Chantal A1 - Leboucher, Antoine A1 - Alfine, Eugenia A1 - Flore, Tanina A1 - Ritter, Katrin A1 - Weiper, Katharina A1 - Wernitz, Andreas A1 - Henkel, Janin A1 - Kleinridders, André T1 - Interplay of Dietary Fatty Acids and Cholesterol Impacts Brain Mitochondria and Insulin Action JF - Nutrients N2 - Overconsumption of high-fat and cholesterol-containing diets is detrimental for metabolism and mitochondrial function, causes inflammatory responses and impairs insulin action in peripheral tissues. Dietary fatty acids can enter the brain to mediate the nutritional status, but also to influence neuronal homeostasis. Yet, it is unclear whether cholesterol-containing high-fat diets (HFDs) with different combinations of fatty acids exert metabolic stress and impact mitochondrial function in the brain. To investigate whether cholesterol in combination with different fatty acids impacts neuronal metabolism and mitochondrial function, C57BL/6J mice received different cholesterol-containing diets with either high concentrations of long-chain saturated fatty acids or soybean oil-derived poly-unsaturated fatty acids. In addition, CLU183 neurons were stimulated with combinations of palmitate, linoleic acid and cholesterol to assess their effects on metabolic stress, mitochondrial function and insulin action. The dietary interventions resulted in a molecular signature of metabolic stress in the hypothalamus with decreased expression of occludin and subunits of mitochondrial electron chain complexes, elevated protein carbonylation, as well as c-Jun N-terminal kinase (JNK) activation. Palmitate caused mitochondrial dysfunction, oxidative stress, insulin and insulin-like growth factor-1 (IGF-1) resistance, while cholesterol and linoleic acid did not cause functional alterations. Finally, we defined insulin receptor as a novel negative regulator of metabolically stress-induced JNK activation. KW - cholesterol KW - insulin signaling KW - mitochondria KW - brain KW - inflammation KW - fatty acids KW - JNK KW - insulin receptor Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.3390/nu12051518 SN - 2072-6643 VL - 12 IS - 5 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - GEN A1 - Schell, Mareike A1 - Chudoba, Chantal A1 - Leboucher, Antoine A1 - Alfine, Eugenia A1 - Flore, Tanina A1 - Ritter, Katrin A1 - Weiper, Katharina A1 - Wernitz, Andreas A1 - Henkel, Janin A1 - Kleinridders, André T1 - Interplay of Dietary Fatty Acids and Cholesterol Impacts Brain Mitochondria and Insulin Action T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Overconsumption of high-fat and cholesterol-containing diets is detrimental for metabolism and mitochondrial function, causes inflammatory responses and impairs insulin action in peripheral tissues. Dietary fatty acids can enter the brain to mediate the nutritional status, but also to influence neuronal homeostasis. Yet, it is unclear whether cholesterol-containing high-fat diets (HFDs) with different combinations of fatty acids exert metabolic stress and impact mitochondrial function in the brain. To investigate whether cholesterol in combination with different fatty acids impacts neuronal metabolism and mitochondrial function, C57BL/6J mice received different cholesterol-containing diets with either high concentrations of long-chain saturated fatty acids or soybean oil-derived poly-unsaturated fatty acids. In addition, CLU183 neurons were stimulated with combinations of palmitate, linoleic acid and cholesterol to assess their effects on metabolic stress, mitochondrial function and insulin action. The dietary interventions resulted in a molecular signature of metabolic stress in the hypothalamus with decreased expression of occludin and subunits of mitochondrial electron chain complexes, elevated protein carbonylation, as well as c-Jun N-terminal kinase (JNK) activation. Palmitate caused mitochondrial dysfunction, oxidative stress, insulin and insulin-like growth factor-1 (IGF-1) resistance, while cholesterol and linoleic acid did not cause functional alterations. Finally, we defined insulin receptor as a novel negative regulator of metabolically stress-induced JNK activation. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 946 KW - cholesterol KW - insulin signaling KW - mitochondria KW - brain KW - inflammation KW - fatty acids KW - JNK KW - insulin receptor Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-470773 SN - 1866-8372 IS - 946 ER - TY - THES A1 - Fischer, Axel T1 - Investigating the impact of genomic compartments contributing to non-Mendelian inheritance based on high throughput sequencing data T1 - Untersuchungen zum Einfluss genomischer Kompartimente auf Nicht-Mendelsche Vererbung unter Nutzung von Hochdurchsatz-Sequenzierungsdaten N2 - More than a century ago the phenomenon of non-Mendelian inheritance (NMI), defined as any type of inheritance pattern in which traits do not segregate in accordance with Mendel’s laws, was first reported. In the plant kingdom three genomic compartments, the nucleus, chloroplast, and mitochondrion, can participate in such a phenomenon. High-throughput sequencing (HTS) proved to be a key technology to investigate NMI phenomena by assembling and/or resequencing entire genomes. However, generation, analysis and interpretation of such datasets remain challenging by the multi-layered biological complexity. To advance our knowledge in the field of NMI, I conducted three studies involving different HTS technologies and implemented two new algorithms to analyze them. In the first study I implemented a novel post-assembly pipeline, called Semi-Automated Graph-Based Assembly Curator (SAGBAC), which visualizes non-graph-based assemblies as graphs, identifies recombinogenic repeat pairs (RRPs), and reconstructs plant mitochondrial genomes (PMG) in a semiautomated workflow. We applied this pipeline to assemblies of three Oenothera species resulting in a spatially folded and circularized model. This model was confirmed by PCR and Southern blot analyses and was used to predict a defined set of 70 PMG isoforms. With Illumina Mate Pair and PacBio RSII data, the stoichiometry of the RRPs was determined quantitatively differing up to three-fold. In the second study I developed a post-multiple sequence alignment algorithm, called correlation mapping (CM), which correlates segment-wise numbers of nucleotide changes to a numeric ascertainable phenotype. We applied this algorithm to 14 wild type and 18 mutagenized plastome assemblies within the Oenothera genus and identified two genes, accD and ycf2 that may cause the competitive behavior of plastid genotypes as plastids can be biparental inherited in Oenothera. Moreover, lipid composition of the plastid envelope membrane is affected by polymorphisms within these two genes. For the third study, I programmed a pipeline to investigate a NMI phenomenon, known as paramutation, in tomato by analyzing DNA and bisulfite sequencing data as well as microarray data. We identified the responsible gene (Solyc02g0005200) and were able to fully repress its caused phenotype by heterologous complementation with a paramutation insensitive transgene of the Arabidopsis thaliana orthologue. Additionally, a suppressor mutant shows a globally altered DNA methylation pattern and carries a large deletion leading to a gene fusion involving a histone deacetylase. In conclusion, my developed and implemented algorithms and data analysis pipelines are suitable to investigate NMI and led to novel insights about such phenomena by reconstructing PMGs (SAGBAC) as a requirement to study mitochondria-associated phenotypes, by identifying genes (CM) causing interplastidial competition as well by applying a DNA/Bisulfite-seq analysis pipeline to shed light in a transgenerational epigenetic inheritance phenomenon. N2 - Vor mehr als einem Jahrhundert wurde über das Phänomen der Nicht-Mendelschen Vererbung (NMI), welche als jede Art von Vererbungsmuster definiert wird, in denen Eigenschaften nicht nach dem Mendelschen Gesetzen segregieren, zum ersten Mal berichtet. Im Pflanzenkönigreich können drei Zellkompartimente mit ihrem eigenen Erbgut, Nukleus, Chloroplast, und Mitochondrium, an einem solchen Phänomen beteiligt sein. Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologien (HTS) stellen nachweislich eine Schlüsseltechnologie dar, um NMI Phänomene durch die Assemblierung und/oder Resequenzierung von ganzen Genomen zu untersuchen. Jedoch bleibt die Generierung, Analyse sowie die Interpretation solcher Datensätze durch die vielschichtige biologische Komplexität weiterhin eine Herausforderung. Um unser Wissen über NMI zu erweitern habe ich drei Studien durchgeführt in denen unterschiedliche HTS Technologien involviert waren und zwei neue Algorithmen implementiert um sie zu analysieren. In der ersten Studie habe ich eine neue Postassemblierungspipeline mit dem Namen Semi-Automated Graph-Based Assembly Curator (SAGBAC) entwickelt, welche nicht Graphen-basierte Genomassemblierungen als Graphen visualisiert, rekombinierende Repeatpaare (RRP) identifiziert, und pflanzliche mitochondrielle Genome (PMG) in einem halb-automatisierten Prozess rekonstruiert. Wir haben diese Pipeline auf Assemblierungen von drei Oenothera Spezies angewandt, was in gefalteten zirkularisierten Modellen resultierte. Dieses Modell wurde durch PCR und Southern Blot Analysen bestätigt, sowie verwendet, um einen definierten Satz von 70 PMG Isoformen vorherzusagen. Mit Illumina Mate Pair und PacBio RSII Daten wurde die Stöchiometrie der RRPs quantitativ bestimmt, die sich bis zu dreifach unterscheiden. In der zweiten Studie habe ich einen post-Multiples Sequenzalignment Algorithmus mit dem Namen Correlation Mapping (CM) entwickelt, der eine segmentweise Anzahl von Nukleotidaustauschen mit numerisch erfassbaren Phänotypen korreliert. Wir haben diesen Algorithmus auf 14 Wildtypen und 18 mutagenisierte Plastomassemblierungen aus der Gattung Oenothera angewandt und konnten zwei Gene, accD und ycf2 identifizieren, welche für das kompetitive Verhalten von Plastid Genotypen verantwortlich ist. Weiterhin wird die Lipidkomposition der Plastid-Hüllmembranen durch Polymorphismen in den beiden Genen beeinflusst. Für die dritte Studie habe ich eine Pipeline programmiert, um ein NMI Phänomen, bekannt als Paramutation, in der Tomate mit Hilfe von DNA- und Bisulfitsequenzierungsdaten sowie Microarray Daten zu analysieren. Wir haben das verantwortliche Gen (Solyc02g005200) identifiziert und waren in der Lage den verursachenden Phänotyp durch eine heterologe Komplementation eines paramutationsinsensitiven Transgens des Orthologs aus Arabidopsis thaliana vollständig zu unterdrücken. Weiterhin konnten wir zeigen, dass eine Suppressormutante ein global verändertes DNA-Methylierungsmuster aufweist und es durch eine große Deletion zu einer Genfusion gekommen ist, an der eine Histon-Deacetylase beteiligt ist. Zusammenfassend sind meine entwickelten und implementierten Algorithmen und Datenanalysen geeignet, um NMI zu untersuchen und haben wie folgt zu neuen Einsichten über solche Phänomene verholfen: (a) durch die Rekonstruktion von PMGs (SAGBAC) als Voraussetzung um Mitochondrien-assoziierte Phänotypen zu studieren, (b) durch die Identifizierung von Genen (CM), welche interplastidäre Kompetition auslösen sowie (c) durch Anwendung einer DNA-/Bisulfit-seq Analysepipeline zur Beantwortung der Ursache eines transgenerational epigenetischen Vererbungsphänomens. KW - non-Mendelian inheritance KW - de novo assembly KW - mitochondria KW - chloroplasts KW - paramutation KW - next generation sequencing KW - bisulfite sequencing KW - plant research KW - Bisulfit Sequenzierung KW - Chloroplasten KW - De novo Assemblierung KW - Mitochondrien KW - Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation KW - nicht-Mendelsche Vererbung KW - Paramutation KW - Pflanzenforschung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549001 ER - TY - THES A1 - Igual Gil, Carla T1 - Role of the GDF15-GFRAL pathway under skeletal muscle mitochondrial stress T1 - Funktion des GDF15-GFRAL Signaltransduktionsweges bei mitochondrialem Stress im Skelettmuskel N2 - Growth differentiation factor 15 (GDF15) is a stress-induced cytokine secreted into the circulation by a number of tissues under different pathological conditions such as cardiovascular disease, cancer or mitochondrial dysfunction, among others. While GDF15 signaling through its recently identified hindbrain-specific receptor GDNF family receptor alpha-like (GFRAL) has been proposed to be involved in the metabolic stress response, its endocrine role under chronic stress conditions is still poorly understood. Mitochondrial dysfunction is characterized by the impairment of oxidative phosphorylation (OXPHOS), leading to inefficient functioning of mitochondria and consequently, to mitochondrial stress. Importantly, mitochondrial dysfunction is among the pathologies to most robustly induce GDF15 as a cytokine in the circulation. The overall aim of this thesis was to elucidate the role of the GDF15-GFRAL pathway under mitochondrial stress conditions. For this purpose, a mouse model of skeletal muscle-specific mitochondrial stress achieved by ectopic expression of uncoupling protein 1 (UCP1), the HSA-Ucp1-transgenic (TG) mouse, was employed. As a consequence of mitochondrial stress, TG mice display a metabolic remodeling consisting of a lean phenotype, an improved glucose metabolism, an increased metabolic flexibility and a metabolic activation of white adipose tissue. Making use of TG mice crossed with whole body Gdf15-knockout (GdKO) and Gfral-knockout (GfKO) mouse models, this thesis demonstrates that skeletal muscle mitochondrial stress induces the integrated stress response (ISR) and GDF15 in skeletal muscle, which is released into the circulation as a myokine (muscle-induced cytokine) in a circadian manner. Further, this work identifies GDF15-GFRAL signaling to be responsible for the systemic metabolic remodeling elicited by mitochondrial stress in TG mice. Moreover, this study reveals a daytime-restricted anorexia induced by the GDF15-GFRAL axis under muscle mitochondrial stress, which is, mechanistically, mediated through the induction of hypothalamic corticotropin releasing hormone (CRH). Finally, this work elucidates a so far unknown physiological outcome of the GDF15-GFRAL pathway: the induction of anxiety-like behavior. In conclusion, this study uncovers a muscle-brain crosstalk under skeletal muscle mitochondrial stress conditions through the induction of GDF15 as a myokine that signals through the hindbrain-specific GFRAL receptor to elicit a stress response leading to metabolic remodeling and modulation of ingestive- and anxiety-like behavior. N2 - Der Wachstum- und Differenzierungsfaktor 15 (GDF15) ist ein stressinduziertes Zytokin, dass bei u.a. Krebs, kardiovaskulären oder mitochondrialer Erkrankungen in den betroffenen Geweben stark induziert und ins Blut sekretiert werden kann. Die endokrine Funktion von GDF15 sowie die Bedeutung des kürzlich identifizierten und spezifisch im Hirnstamm exprimierten GDF15-Rezeptors GFRAL (GDNF family receptor alpha-like) unter chronischen Stressbedingungen ist jedoch noch unzureichend verstanden. Mitochondrialer Stress ist durch eine Fehlfunktion der oxidativen Phosphorylierung (OXPHOS) charakterisiert, was eine ineffiziente ATP-Synthese und eine gestörte zelluläre Energiehomöostase zur Folge hat. Ziel der Doktorarbeit war es, die biologische Funktion des GDF15-GFRAL-Signalwegs unter mitochondrialen Stressbedingungen aufzuklären. Zu diesem Zweck wurde das etablierte transgene HSA-Ucp1-Mausmodel (TG) untersucht, welches durch eine chronisch verringerte OXPHOS-Effizienz spezifisch im Skelettmuskel sowie eine systemische Anpassung des Energiestoffwechsels charakterisiert ist. Dabei konnte in dieser Arbeit zunächst zeigt werden, dass mitochondrialer Stress im Skelettmuskel zell-autonom eine integrierte Stressantwort (ISR) induziert, wodurch die Expression und Sekretion von GDF15 in den Blutkreislauf als Myokin (muskelinduziertes Zytokin) stark erhöht wird. Zudem konnte erstmalig eine tageszeitliche Schwankung der muskulären Gdf15 Genexpression und der im Blut zirkulierenden GDF15-Level bei TG Mäusen identifiziert werden. Durch weiterführende Zuchtkreuzungen der TG-Mäuse mit konstitutiven Knockout-Mäusen (KO) zur Inaktivierung der Gene Gdf15 (GdKO) oder Gfral (GfKO), konnte zudem gezeigt werden, dass sowohl durch das zirkulierende GDF15 als auch die Aktivierung der GFRAL-Signalachse eine Tageszeit-abhängige Anorexie sowie die systemische Anpassung des Energiestoffwechsels im TG Mausmodell vermittelt werden. Mechanistisch konnte dabei erstmalig eine GFRAL-abhängige Induktion von Corticotropin-releasing Hormone (CRH) im Hypothalamus sowie ein erhöhtes, GFRAL-abhängiges Angstverhalten in TG Mäuse beschrieben werden. Zusammenfassend unterstreichen die Ergebnisse die systemische Rolle von GDF15 als Myokin und die Bedeutung der endokrinen Kommunikation zwischen Skelettmuskel und Gehirn, vermittelt durch GDF15-GFRAL Signalachse, für die Energiehomöostase bei mitochondrialer Fehlfunktion. Die gewonnen Erkenntnisse dieser Doktorarbeit können somit zur Entwicklung neuer Therapieansätze für Patienten mit einer mitochondrialen bzw. Stoffwechselerkrankung beitragen. KW - GDF15 KW - mitochondria KW - physiology KW - metabolism KW - GDF15 KW - Stoffwechsel KW - Mitochondrien KW - Physiologie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-554693 ER -