Protein phosphorylation is one of the major post-translational modifications to allow for signal transmission and fine tuning of metabolism on the cellular proteomic level. As such it is “one of the last instances” to modulate the activity of enzymes and hence to impact the cellular life irrespective of the basic conditions provided by the genome – and epigenome– controlled gene expression. The evolutionary increase in cellular complexity is reflected by highly sophisticated regulatory networks in multicellular eukaryotes based on the transfer of phosphate mostly onto the side chains of serine, threonine and tyrosine residues. Nature has chosen phosphate for inter- and intracellular communication, which is also an integral component of nucleic acids and can be regarded as the molecule of choice for life. Currently, life science is interested to unravel the network of reversible protein phosphorylation that is catalyzed by two antagonistic enzyme classes: the protein kinases and protein phosphatases. We are currently in the era of proteomics and enormously benefit from the progress of mass-spectrometry methods. This is documented by a huge number of “proteomic studies” that mostly provide a simple inventory of the existence of proteins – and/or their phosphorylated forms – under more or less defined conditions. So far, the physiological correlations could be established only in a few cases, e.g. by comparing two physiological conditions. Another strategy, which was addressed in this work, is the systematic screening of mutants defective in genes encoding either protein kinases or protein phosphatases. This approach benefits from the ease to predict these enzymes due to the presence of characteristic protein motifs. In combination with the major goal of this work – to shed light on the impact of protein phosphorylation in the mitochondrial (mt) compartment – the yeast Saccharomyces cerevisiae was chosen as a model system because of its respiro-fermentative metabolism, that allows for the maintenance of respiratory defective mutants. Indeed, this reverse genetic approach successfully revealed two kinases (Pkp1p, Pkp2p) and two phosphatases (Ppp1p, Ppp2p) as the key components regulating the pyruvate dehydrogenase complex by phosphorylation of serine 313 of its α- subunit Pda1p. In addition, evidence is provided that Pkp1p has an additional role in the assembly process of the PDH complex. Also, the effect of the deletion of the COQ8 gene (gene engaged in coenzyme Q synthesis; originally named ABC1) leading to respiratory deficiency, could be correlated with the phosphorylation of subunit Coq3p of the mitochondrial ubiquinone biosynthesis complex. Finally, in the case of the kinase Sat4p (protein involved in salt tolerance), overexpression of the enzyme was used as an alternative approach to unravel the molecular basis of the originally observed salt sensitivity of sat4 mutants. The data suggest that Sat4p has a direct or indirect role in the late steps of iron-sulfur (Fe/S) cluster assembly of the so-called “aconitase-type” enzymes in mitochondria, accompanied by a strongly reduced steady state concentration of the Fe/S-cluster protein aconitase. Interestingly, a secondary phenotype became apparent upon overexpression of Sat4p: the abundance of the lipoic acid containing mitochondrial proteome was markedly reduced. Most likely this phenotype is due to the fact that the synthesis and/or attachment of lipoic acid depend on a Fe/S-cluster bearing enzyme. In the course of the work it became clear that the regulatory (mt) protein phosphorylation network of yeast evolved to meet the criteria of a life adapted to the ecological niche on temporarily available sugar rich sources. Clearly, the transfer of the respective data to higher eukaryotes is limited. However, it shows that yeast is primarily an excellent model system for the principal molecular reactions shared with higher eukaryotes. / Phosphorylierungen von Aminosäuren ist eine der verbreitetsten post-translationalen Modifikationen für zelluläre Signalübertragungswege und zur Regulation des Metabolismus auf Proteom-Ebene. Mit der reversiblen Protein-Phosphorylierung eng verbunden ist die unabhängige Modulation der Aktivität von Enzymen ungeachtet der Genom- und Epigenom-basierten Genexpression. Die evolutionäre Zunahme der zellularen Komplexität äußert sich in zunehmend komplexeren Regulations-Netzwerken in mehrzelligen eukaryotischen Organismen basierend auf dem Transfer von Phosphatgruppen vorzugsweise auf die Aminosäuren Serin, Threonin und Tyrosin. Die Natur hat evolutionär als Baustein der inter- und intrazellulären Kommunikation Phosphat gewählt, welches auch ein integraler Bestandteil der Nukleinsäuren ist und somit als das „Molekül der Wahl“ für das Leben bezeichnet werden darf. Die Lebenswissenschaften sind gegenwärtig daran interessiert das Netzwerk der Proteinphosphorylierung aufzuklären, welches durch zwei antagonistisch wirkende Enzymklassen, die Proteinkinasen und Proteinphosphatasen charakterisiert ist. Dabei profitieren wir gegenwärtig von den Fortschritten der „Proteomics-Ära“ auf dem Gebiet der massenspektrometrischen Proteinidentifizierung. Ausdruck dessen ist eine Vielzahl von Proteom-Studien, die jedoch meist nur eine einfache Inventarisierung der unter mehr oder weniger gut definierten zellulären Bedingungen existierenden Proteine in ihrer Phosphat-modifizierten oder unphosphorylierten Form darstellen. Die beteiligten Enzyme werden dabei kaum berücksichtigt. Insbesondere gilt dies für extra-cytoplasmatische Ereignisse. Bisher gelang es nur in wenigen Fällen eine Korrelation der physiologischen Rolle dieser Proteinmodifikation, z.B. durch den Vergleich der Phospho-Proteome unter zwei unterschiedlichen physiologischen Bedingungen, herzustellen. Eine andere Strategie, die auch Gegenstand dieser Arbeit ist, sieht ein Screening von Mutanten vor, die durch Deletionen von Genen, die für Proteinkinasen bzw. –phosphatasen kodieren, gekennzeichnet sind. Dieser Ansatz profitiert von der Existenz und leichten bioinformatischen Vorhersagbarkeit charakteristischer Kinase- bzw. Phosphatase- Sequenzmotive. In Kombination mit dem Hauptziel der Arbeit – Licht ins Dunkel der Proteinphosphorylierung im mitochondrialen Kompartiment zu bringen – wurde die Hefe Saccharomyces cerevisiae als Modellsystem gewählt, insbesondere vor dem Hintergrund ihres fermentativen Metabolismus. Als Beleg der prinzipiellen Funktionalität des vorgeschlagenen Ansatzes konnten zwei Kinasen (Pkp1p, Pkp2p) und zwei Phosphatasen (Ppp1p, Ppp2p) als Schlüsselkomponenten der Regulation des Pyruvatdehydrogenase (PDH) Komplexes identifiziert und charakterisiert werden. Darüber hinaus konnte sowohl das Zielprotein der Phosphorylierung, Pda1p, die α-Untereinheit des Komplexes, als auch die modifizierte Aminosäure (Serin 313) experimentell bestätigt werden. Ferner konnte der Atmungsdefekt von Stämmen mit einer nicht-funktionellen Abc1p-Kinase mit dem Phosphorylierungszustand der Untereinheit Coq3p des Ubiquinon-Biosynthese Komplexes und dem Ausfall der Ubiquinonsynthese korreliert werden. Eine alternative Herangehensweise, die Überexpression einer Kinase, führte zur Identifizierung möglicher Zielproteine von Sat4p. Vergleichende Analysen des 2D-gelelektrophoretisch separierten mitochondrialen Genoms mit dem des Wildtyps legen die Vermutung nahe, dass Sat4p eine direkte oder indirekte Rolle bei der Regulation der „Aconitase-Typ“ Eisen-Schwefel (Fe/S) Proteine besitzt. Der darüber hinaus beobachtete Effekt einer Abnahme von Liponsäure-tragenden mitochondrialen Enzymen, ist wahrscheinlich sekundärer Natur und kann durch die Zugehörigkeit der Liponsäure-Synthase zur oben erwähnten Gruppe der „Aconitase-Typ“ -Fe/S-Proteine erklärt werden. Im Verlauf der Arbeit wurde deutlich, dass das regulatorische Netzwerk der Proteinphosphorylierung der Hefe eher den Kriterien einer evolutionären Adaptation an eine spezifische ökologische Nische – der temporären Verfügbarkeit zuckerreicher Substanzen – entsprechen. Das schränkt die Übertragbarkeit der gewonnen Einsichten in die Regulation des mitochondrialen Metabolismus auf höhere Eukaryonten ein. Es zeigt jedoch, dass Hefe in erster Linie ein exzellentes Modellsystem für die prinzipiellen molekulare Mechanismen ist, die sie mit den höheren Eukaryonten teilt.

Protein phosphorylation is one of the major post-translational modifications to allow for signal transmission and fine tuning of metabolism on the cellular proteomic level. As such it is “one of the last instances” to modulate the activity of enzymes and hence to impact the cellular life irrespective of the basic conditions provided by the genome – and epigenome– controlled gene expression. The evolutionary increase in cellular complexity is reflected by highly sophisticated regulatory networks in multicellular eukaryotes based on the transfer of phosphate mostly onto the side chains of serine, threonine and tyrosine residues. Nature has chosen phosphate for inter- and intracellular communication, which is also an integral component of nucleic acids and can be regarded as the molecule of choice for life. Currently, life science is interested to unravel the network of reversible protein phosphorylation that is catalyzed by two antagonistic enzyme classes: the protein kinases and protein phosphatases. We are currently in the era of proteomics and enormously benefit from the progress of mass-spectrometry methods. This is documented by a huge number of “proteomic studies” that mostly provide a simple inventory of the existence of proteins – and/or their phosphorylated forms – under more or less defined conditions. So far, the physiological correlations could be established only in a few cases, e.g. by comparing two physiological conditions. Another strategy, which was addressed in this work, is the systematic screening of mutants defective in genes encoding either protein kinases or protein phosphatases. This approach benefits from the ease to predict these enzymes due to the presence of characteristic protein motifs. In combination with the major goal of this work – to shed light on the impact of protein phosphorylation in the mitochondrial (mt) compartment – the yeast Saccharomyces cerevisiae was chosen as a model system because of its respiro-fermentative metabolism, that allows for the maintenance of respiratory defective mutants. Indeed, this reverse genetic approach successfully revealed two kinases (Pkp1p, Pkp2p) and two phosphatases (Ppp1p, Ppp2p) as the key components regulating the pyruvate dehydrogenase complex by phosphorylation of serine 313 of its α- subunit Pda1p. In addition, evidence is provided that Pkp1p has an additional role in the assembly process of the PDH complex. Also, the effect of the deletion of the COQ8 gene (gene engaged in coenzyme Q synthesis; originally named ABC1) leading to respiratory deficiency, could be correlated with the phosphorylation of subunit Coq3p of the mitochondrial ubiquinone biosynthesis complex. Finally, in the case of the kinase Sat4p (protein involved in salt tolerance), overexpression of the enzyme was used as an alternative approach to unravel the molecular basis of the originally observed salt sensitivity of sat4 mutants. The data suggest that Sat4p has a direct or indirect role in the late steps of iron-sulfur (Fe/S) cluster assembly of the so-called “aconitase-type” enzymes in mitochondria, accompanied by a strongly reduced steady state concentration of the Fe/S-cluster protein aconitase. Interestingly, a secondary phenotype became apparent upon overexpression of Sat4p: the abundance of the lipoic acid containing mitochondrial proteome was markedly reduced. Most likely this phenotype is due to the fact that the synthesis and/or attachment of lipoic acid depend on a Fe/S-cluster bearing enzyme. In the course of the work it became clear that the regulatory (mt) protein phosphorylation network of yeast evolved to meet the criteria of a life adapted to the ecological niche on temporarily available sugar rich sources. Clearly, the transfer of the respective data to higher eukaryotes is limited. However, it shows that yeast is primarily an excellent model system for the principal molecular reactions shared with higher eukaryotes.:1 SUMMARY 1 ZUSAMMENFASSUNG 3 2 INTRODUCTION 5 2.1 Why phosphate? 5 2.2 Protein phosphorylation in prokaryotes 6 2.3 Protein phosphorylation in mitochondria 7 2.4 Regulation of mammalian pyruvate dehydrogenase complex (PDH) by phosphorylation 9 2.5 Mammalian cytochrome c oxidase (COX) 10 2.6 Protein phosphorylation in yeast mitochondria 11 3 AIM OF THIS WORK 13 4 PROLOG 14 4.1 Critical evaluation of tools for phosphoproteomics 14 4.2 Introducing a new method for in gel profiling of phospho-proteins 17 4.3 In-gel screening of phosphorus of yeast mitochondrial proteins by LA-ICP-MS 20 4.4 Detection of phosphorylated subunits of ATPase 22 5 RESULTS 23 5.1 YIL042c and YOR090c encode the kinase and phosphatase of the Saccharomyces cerevisiae pyruvate dehydrogenase complex 28 5.2 Yeast Pyruvate Dehydrogenase Complex Is Regulated by a Concerted Activity of Two Kinases and Two Phosphatases 29 5.3 Proteomic analysis reveals a novel function of the kinase Sat4p in yeast mitochondria 30 5.4 Ubiquinone biosynthesis in Saccharomyces cerevisiae: the molecular organization of O –methylase Coq3p depends on Abc1p/Coq8p 53 6 DISCUSSION AND PERSPECTIVES 54 6.1 Mitochondrial phosphorylation in yeast 54 6.1.1 An evolutionary view 54 6.1.2 The yeast ABC1-kinase family 55 6.1.3 Regulation of yeast pyruvate dehydrogenase (PDH) complex 57 6.1.4 Regulation of iron sulfur cluster biogenesis 60 6.2 Challenges to investigate the network of (mt) protein phosphorylation 62 6.2.1 When is a kinase a mitochondrial kinase? 64 6.2.2 Epilog 66 7 LITERATURE 69 8 APPENDIX 78 8.1 Related publications 78 8.2 List of publications 80 8.3 ERKLÄRUNGEN 82 / Phosphorylierungen von Aminosäuren ist eine der verbreitetsten post-translationalen Modifikationen für zelluläre Signalübertragungswege und zur Regulation des Metabolismus auf Proteom-Ebene. Mit der reversiblen Protein-Phosphorylierung eng verbunden ist die unabhängige Modulation der Aktivität von Enzymen ungeachtet der Genom- und Epigenom-basierten Genexpression. Die evolutionäre Zunahme der zellularen Komplexität äußert sich in zunehmend komplexeren Regulations-Netzwerken in mehrzelligen eukaryotischen Organismen basierend auf dem Transfer von Phosphatgruppen vorzugsweise auf die Aminosäuren Serin, Threonin und Tyrosin. Die Natur hat evolutionär als Baustein der inter- und intrazellulären Kommunikation Phosphat gewählt, welches auch ein integraler Bestandteil der Nukleinsäuren ist und somit als das „Molekül der Wahl“ für das Leben bezeichnet werden darf. Die Lebenswissenschaften sind gegenwärtig daran interessiert das Netzwerk der Proteinphosphorylierung aufzuklären, welches durch zwei antagonistisch wirkende Enzymklassen, die Proteinkinasen und Proteinphosphatasen charakterisiert ist. Dabei profitieren wir gegenwärtig von den Fortschritten der „Proteomics-Ära“ auf dem Gebiet der massenspektrometrischen Proteinidentifizierung. Ausdruck dessen ist eine Vielzahl von Proteom-Studien, die jedoch meist nur eine einfache Inventarisierung der unter mehr oder weniger gut definierten zellulären Bedingungen existierenden Proteine in ihrer Phosphat-modifizierten oder unphosphorylierten Form darstellen. Die beteiligten Enzyme werden dabei kaum berücksichtigt. Insbesondere gilt dies für extra-cytoplasmatische Ereignisse. Bisher gelang es nur in wenigen Fällen eine Korrelation der physiologischen Rolle dieser Proteinmodifikation, z.B. durch den Vergleich der Phospho-Proteome unter zwei unterschiedlichen physiologischen Bedingungen, herzustellen. Eine andere Strategie, die auch Gegenstand dieser Arbeit ist, sieht ein Screening von Mutanten vor, die durch Deletionen von Genen, die für Proteinkinasen bzw. –phosphatasen kodieren, gekennzeichnet sind. Dieser Ansatz profitiert von der Existenz und leichten bioinformatischen Vorhersagbarkeit charakteristischer Kinase- bzw. Phosphatase- Sequenzmotive. In Kombination mit dem Hauptziel der Arbeit – Licht ins Dunkel der Proteinphosphorylierung im mitochondrialen Kompartiment zu bringen – wurde die Hefe Saccharomyces cerevisiae als Modellsystem gewählt, insbesondere vor dem Hintergrund ihres fermentativen Metabolismus. Als Beleg der prinzipiellen Funktionalität des vorgeschlagenen Ansatzes konnten zwei Kinasen (Pkp1p, Pkp2p) und zwei Phosphatasen (Ppp1p, Ppp2p) als Schlüsselkomponenten der Regulation des Pyruvatdehydrogenase (PDH) Komplexes identifiziert und charakterisiert werden. Darüber hinaus konnte sowohl das Zielprotein der Phosphorylierung, Pda1p, die α-Untereinheit des Komplexes, als auch die modifizierte Aminosäure (Serin 313) experimentell bestätigt werden. Ferner konnte der Atmungsdefekt von Stämmen mit einer nicht-funktionellen Abc1p-Kinase mit dem Phosphorylierungszustand der Untereinheit Coq3p des Ubiquinon-Biosynthese Komplexes und dem Ausfall der Ubiquinonsynthese korreliert werden. Eine alternative Herangehensweise, die Überexpression einer Kinase, führte zur Identifizierung möglicher Zielproteine von Sat4p. Vergleichende Analysen des 2D-gelelektrophoretisch separierten mitochondrialen Genoms mit dem des Wildtyps legen die Vermutung nahe, dass Sat4p eine direkte oder indirekte Rolle bei der Regulation der „Aconitase-Typ“ Eisen-Schwefel (Fe/S) Proteine besitzt. Der darüber hinaus beobachtete Effekt einer Abnahme von Liponsäure-tragenden mitochondrialen Enzymen, ist wahrscheinlich sekundärer Natur und kann durch die Zugehörigkeit der Liponsäure-Synthase zur oben erwähnten Gruppe der „Aconitase-Typ“ -Fe/S-Proteine erklärt werden. Im Verlauf der Arbeit wurde deutlich, dass das regulatorische Netzwerk der Proteinphosphorylierung der Hefe eher den Kriterien einer evolutionären Adaptation an eine spezifische ökologische Nische – der temporären Verfügbarkeit zuckerreicher Substanzen – entsprechen. Das schränkt die Übertragbarkeit der gewonnen Einsichten in die Regulation des mitochondrialen Metabolismus auf höhere Eukaryonten ein. Es zeigt jedoch, dass Hefe in erster Linie ein exzellentes Modellsystem für die prinzipiellen molekulare Mechanismen ist, die sie mit den höheren Eukaryonten teilt.:1 SUMMARY 1 ZUSAMMENFASSUNG 3 2 INTRODUCTION 5 2.1 Why phosphate? 5 2.2 Protein phosphorylation in prokaryotes 6 2.3 Protein phosphorylation in mitochondria 7 2.4 Regulation of mammalian pyruvate dehydrogenase complex (PDH) by phosphorylation 9 2.5 Mammalian cytochrome c oxidase (COX) 10 2.6 Protein phosphorylation in yeast mitochondria 11 3 AIM OF THIS WORK 13 4 PROLOG 14 4.1 Critical evaluation of tools for phosphoproteomics 14 4.2 Introducing a new method for in gel profiling of phospho-proteins 17 4.3 In-gel screening of phosphorus of yeast mitochondrial proteins by LA-ICP-MS 20 4.4 Detection of phosphorylated subunits of ATPase 22 5 RESULTS 23 5.1 YIL042c and YOR090c encode the kinase and phosphatase of the Saccharomyces cerevisiae pyruvate dehydrogenase complex 28 5.2 Yeast Pyruvate Dehydrogenase Complex Is Regulated by a Concerted Activity of Two Kinases and Two Phosphatases 29 5.3 Proteomic analysis reveals a novel function of the kinase Sat4p in yeast mitochondria 30 5.4 Ubiquinone biosynthesis in Saccharomyces cerevisiae: the molecular organization of O –methylase Coq3p depends on Abc1p/Coq8p 53 6 DISCUSSION AND PERSPECTIVES 54 6.1 Mitochondrial phosphorylation in yeast 54 6.1.1 An evolutionary view 54 6.1.2 The yeast ABC1-kinase family 55 6.1.3 Regulation of yeast pyruvate dehydrogenase (PDH) complex 57 6.1.4 Regulation of iron sulfur cluster biogenesis 60 6.2 Challenges to investigate the network of (mt) protein phosphorylation 62 6.2.1 When is a kinase a mitochondrial kinase? 64 6.2.2 Epilog 66 7 LITERATURE 69 8 APPENDIX 78 8.1 Related publications 78 8.2 List of publications 80 8.3 ERKLÄRUNGEN 82