Kassel, Univ., Diss., 2002. / Dateien im PDF-Format

Stuttgart, Univ., Diss., 2002.

Thesis (doctoral)--Berlin, 1983.

Würzburg, Univ., Diss., 2008. / Zsfassung in engl. Sprache.

In rho0-Zellen, die über keine mitochondriale DNA (mtDNA) mehr verfügen, entstehen während der Kultivierung Megamitochondrien durch endogene Milchsäure-Azidifizierung des Kulturmediums. Diese Riesenorganellen bilden sich dabei durch mitochondriale Fusionsereignisse und/oder eine Hemmung der Fission. In Zellen mit mitochondrialem Genom ist es ebenso möglich Megamitochondrien durch artifizielles Ansäuern des Kulturmediums zu induzieren. Diese Erkenntnisse wurden im Rahmen dieser Arbeit als Werkzeug verwendet, um Einblicke in mitochondriale Fusions- und Fissionsereignisse zu erlangen. Zunächst wurde die Fusion mitochondrialer Matrixkompartimente mithilfe der photoaktivierbaren Variante des grünen fluoreszierenden Proteins (PA-GFP) untersucht. Hiermit konnte gezeigt werden, dass das Vermischen der Matrixkompartimente nach der Fusion ein sehr schneller Prozess ist. Die Analyse der Bildung und Rückbildung der Megamitochondrien erfolgte sowohl konfokal- als auch elektronenmikroskopisch, wobei sich zeigte, dass die Matrix der Riesenorganellen kaum mehr Cristae beinhaltet. Die Rückbildung der Megamitochondrien zum normalen Netzwerk ist ein sehr schneller Prozess, bei dem schon nach 15 min keine vergrößerten Organellen mehr sichtbar sind. Dies indiziert, dass der Rückbildungsprozess wahrscheinlich durch Veränderungen von verfügbaren Proteinen durchgeführt wird, ohne die Induzierung von Proteinneusynthese. Untersuchungen auf ultrastruktureller Ebene zeigten, dass es während der Rückbildung zur Formation von drei unterschiedlichen Mitochondrientypen kam, die sich in ihrer Morphologie stark unterschieden. Weiterhin wurden vergleichende Studien zur Bildung der Megamitochondrien durchgeführt, bei denen der Einfluss von Atmungsketten-Inhibitoren auf die Bildung von Milchsäure-induzierten Riesenorganellen untersucht wurde. Die Resultate deuten für die Megamitochondrieninduktion auf eine Abhängigkeit auf ein intaktes Membranpotential hin. Immunzytochemisch wurde die endogene Lokalisation der mitochondrialen Fusions- und Fissionsproteine Mitofusin 2, hFis1 und Drp1/DNM1L am Modellsystem der Megamitochondrieninduktion aufgeklärt. Es zeigte sich, dass diese Proteine punktförmig an der äußeren Membran der Riesenorganellen lokalisieren Um das Modellsystem an lebenden Zellen zu nutzen, wurden Vektoren konstruiert, die fluoreszenzmarkierte Proteine der mitochondrialen Fusions- und Fissionsmaschinerie exprimierten. Hiermit konnte einerseits die Lokalisation von Mitofusin 1, Mitofusin 2, hFis1 und Drp1/DNM1L in lebenden Zellen nach Induktion der Megamitochondrien analysiert werden und andererseits der Einfluss der Überexpression dieser Proteine auf die Bildung der Riesenorganellen dokumentiert werden. Die Ergebnisse machten deutlich, dass nur die Überepxression von hFis1 die Bildung der Megamitochondrien verhinderte. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag in der Visualisierung und Dynamik mitochondrialer Nucleoids in lebenden Zellen. Nucleoids sind Protein-DNA-Komplexe, in denen mitochondriale Genome organisiert sind. Mit dem Farbstoff PicoGreen gelang es mtDNA in lebenden Zellen zu färben und Dynamikstudien der punktförmigen Strukturen mikroskopisch festzuhalten. Während sich mtDNA im mitochondrialen Netzwerk nur marginal aufgrund stattfindender Fusions- und Fissionsereignisse bewegte kam es in den Milchsäure-induzierten Megamitochondrien zu einer extensiven und extrem schnellen Bewegung von mitochondrialer DNA. In anschließenden Versuchen wurde der mitochondriale Transkriptions- und Verpackungsfaktor TFAM als fluoreszentes Fusionsprotein in Zellen transfiziert und Kolokalisationsstudien zeigten, dass das Fusionsprotein mit mtDNA kolokalisiert. In den Riesenorganellen präsentierten punktförmige TFAM-gefärbte Nucleoids ein sehr dynamisches Verhalten mit schneller Bewegung. In rho0-Zellen ohne mitochondriale DNA war die TFAM-Fluoreszenz hingegen gleichmäßig verteilt. Ein weiterer Nucleiodbestandteil ist das mitochondriale DNA-Einzelstrangbindeprotein SSBP1, welches in Megamitochondrien ebenso ein sehr dynamisches Verhalten aufwies. Eine mitochondrial-zielgesteuerte und EGFP-markierte Restriktionsendonuklease wies ebenfalls das typische, punktförmige Nucleoidmuster im mitochondrialen Netzwerk auf, was auf eine Interaktion mit der mtDNA schließen lässt. In rho0-Zellen ohne mtDNA kam es jedoch zur gleichmäßigen Verteilung des Konstruktes in den Mitochondrien. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit sowohl Einblicke in die Biologie der Megamitochondrien gewonnen, als auch Erkenntnisse über die Dynamik mitochondrialer Protein-DNA-Komplexe, wobei der Schwerpunkt hierbei auf einer Analyse mit Hilfe optischer Methoden lag. / During the cultivation of rho0 cells, which are devoid of mitochondrial DNA (mtDNA), excessive endogenous lactic acid production during the fermentation process drives the development of megamitochondria. These giant organelles are formed by mitochondrial fusion events and/or the repression of fission. Megamitochondria formation is inducible in cells containing mtDNA by an artificial acidification of the culture medium by lactic acid. This work exploits these findings in order to investigate mitochondrial fusion and fission events. Fusion of mitochondrial matrix compartments was examined with the aid of the photoactivatable variant of the green fluorescent protein (PA-GFP), showing that the mixing of matrix components after fusion is an extremely fast process. Formation and reversion of megamitochondria was analyzed by confocal and electron microscopy, revealing that the matrix of giant organelles contains only rudiment structures of cristae organization. Reversion of the megamitochondria to a normal network displays fast kinetic characteristics. This indicates that the restoration process most likely is performed by alterations of novel protein expression. Additional assessment on an ultrastructural level displayed the occurrence of three different types of mitochondria during the reversion, which strongly differed in their morphology. To gain insights into the mechanism of megamitochondria formation and reversion comparative studies were performed with various inhibitors of the respiratory chain. The results indicated a dependence on an intact membrane potential for the induction of megamitochondria. Localization of the endogenous mitochondrial fusion and fission proteins mitofusin 1, hFis1 and Drp1/DNM1L were analyzed in megamitochondria by immunocytochemistry, demonstrating that these proteins localize foci-like to the outer membrane of the giant organelles. Fluorescently tagged proteins of the mitochondrial fusion and fission apparatus (mitofusin 1, mitofusin 2, hFis1 and Drp1/DNM1L) were used in localization and overexpression experiments in living cells by transient transfection. The results revealed that only the overexpression of hFis1 inhibited the formation of megamitochondria. Another main focus of this thesis was the visualization and dynamics of mitochondrial nucleoids in living cells. Nucleoids are protein-DNA complexes representing organizational units for the mitochondrial genomes The dye PicoGreen was used to stain mtDNA in living cells and the dynamics of nucleoid movement was analyzed by fluorescent and confocal microscopy. While mitochondrial DNA showed only marginal movements due to ongoing fusion and fission events in a mitochondrial network, an extensive and extremely fast movement in the lactic acid-induced megamitochondria could be observed. In subsequent experiments the mitochondrial transcription and packaging factor TFAM was fluorescently tagged and transfected into cells. Colocalization studies showed that this fusion protein colocalizes with mitochondrial DNA. In the giant organelles foci-like TFAM-stained nucleoids displayed a very dynamic performance with fast movement. However, in rho0 cells without mitochondrial DNA the TFAM-fluorescence was uniformly distributed. An additional nucleoid constituent and marker for mitochondrial DNA is the mitochondrial single-stranded DNA-binding protein SSBP1, and it could be shown that SSBP1 also exhibits very dynamic characteristics in megamitochondria. A mitochondrial-targeted and EGFP-tagged restriction endonuclease also exhibited the typical, punctual nucleoid pattern in the mitochondrial network, suggesting an mtDNA interaction. In rho0 cells, however, the construct was uniformly distributed in the mitochondrial matrix. In summary, in the present thesis optical and mechanistic insights into the biology of megamitochondria were obtained. This approach was further exploited to study the dynamics of mitochondrial protein-DNA complexes with optical methods.

1994 wurde von Gründemann et al. der erste organische Kationentransporter, der rOCT1 beschrieben. Es wurden bereits einige Aminosäuren identifiziert, die bei der Bindung kationischer Substanzen beteiligt sind. Hierbei handelt es sich um Phenylalanin 160 der zweiten Transmembrandomäne, Tryptophan 218, Tyrosin 222 und Threonin 226 der vierten Transmembrandomäne, um Arginin 440, Leucin 447, Glutamin 448 der zehnten und um Aspartat 475 der elften Transmembrandomäne. Hintergrund der Versuche dieser Arbeit war das im Jahre 2005 von Sturm et al. identifizierte Cystein 451. Es liegt zwischen der zehnten und elften Transmembrandomäne. Cystein 451 ist wahrscheinlich auf Grund seiner Lage im Strukturmodell nicht direkt an der Bindung von Substraten beteiligt. Es wird vermutet, dass die Mutation des Cysteins 451 die Positionen von Aminosäuren in der Bindungsstelle verändert. Daher wurden die Mutante C451M, die Doppelmutanten L447F/C451M, L447Y/C451M und die Dreifachmutante Y222F/L447F/C451M mittels Tracer-Fluxexperimenten hinsichtlich der Hemmung der Tetraethylammonium-Aufnahme durch Kortikosteron und durch Tetrabutylammonium untersucht. Die Mutation C451M steigert verglichen mit dem rOCT1-Wildtyp die Affinität für Kortikosteron, jedoch sinkt bei dieser Mutante die TBuA-Affinität. Man nimmt nun aufgrund dieser Mutageneseversuche und den bereits zuvor generierten Modellen des rOCT1 an, dass aufgrund seiner Lage Cystein 451 nicht direkt an der Bindung von Substraten beteiligt ist, sondern einen indirekten Effekt auf die Substratbindungsregion des Transporters ausübt. Weiterhin wurde festgestellt, dass die Mutanten L447Y/C451M und L447F/C451M gegensätzliche Affinitäten für TBuA und Kotikosteron haben. Tauscht man das Leucin an Position 447 gegen ein Tyrosin aus, so wird der Transporter weniger affin für Kortikosteron, jedoch steigt die TBuA-Affinität. Tauscht man das Leucin gegen ein Phenylalanin aus, verhält es sich gegensätzlich. Die Position 222 scheint weder an der TBuA-Bindung, noch an der Bindung von Kortikosteron maßgeblich beteiligt zu sein. / In 1994 Gründemann et al. described the first organic cation transporter, called rOCT1. Several previous studies revealed some amino acids, which are critical for substrate binding. In 2005 Sturm et al. identified the cysteine on position 451. It is located between the tenth and eleventh TMH. Because of its position in the structure model cysteine 451 might not be directly involved in substrate binding. However it is postulated, that mutation of C451 alters the position of amino acids in the substrate binding region. The mutation on C451 is the basis for this work. Concerning the inhibition of the TEA uptake by corticosterone or TBuA the mutants C451M, L447F/C451M, L447Y/C451M and Y222F/L447F/C451M were analyzed by tracer uptake measurements. The TEA uptake measurements showed that the replacement of cysteine 451 by methionine resulted in an increased affinity for corticosterone and a decreased affinity for TBuA. The present work together with the proposed localization of cysteine 451 in the tertiary structure of rOCT1 further support the idea that cysteine 451 is not directly-involved in ligand binding, but it seems to exert an indirect effect on the substrate binding region of the transporter, which alters its affinity for TBuA and corticosterone. The affinity for corticosterone and TBuA of the mutants L447F/C451M and L447Y/C451M was opposed. When L447 was replaced by a tyrosine the affinity for corticosterone was decreased, but the affinity for TBuA was increased. Though, when leucine was replaced by phenylalanine the affinity for corticosterone was increased and the affinity for TBuA was decreased. The position 222 seems to be unimportant concerning the linkage of corticosterone and TBuA

München, Techn. Universiẗat, Diss., 2007.

Konstanz, Univ., Diss., 2006.

Ulm, Univ., Diss., 2008.

Diss. Hels. Med. / Acta chirurgica scandinavica. Suppl. 200. [E.U. 1346-56].