Menschliche Mitochondrien enthalten etwa 1500 bis 2000 Proteine. Die meisten dieser Proteine werden im Zellkern kodiert und im Zytoplasma synthetisiert, und müssen daher über eine spezielle Maschinerie in die Mitochondrien transportiert werden. Obwohl mittlerweile viele Details über die Wirkungsweise dieser Proteinschleusen bekannt sind, wurden einige wichtige Aspekte des Proteinimports noch nicht ausreichend untersucht. Zum einen ist nicht bekannt, ob die einzelnen Importkomplexe einen Einfluss auf die mitochondrienvermittelte Apoptose haben. Weiterhin ist offen, welche genaue Rolle der Mitochondrienimport in der Pathogenese von Neisseria gonorrhoeae spielt. Außerdem ist unklar, ob Faktoren des Importapparates für die Aufrechterhaltung der mitochondrialen Morphologie notwendig sind. Um diese Fragestellungen zu untersuchen, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit permanente Zelllinien hergestellt, in denen die Expression einzelner am Mitochondrienimport beteiligter Proteine mittels RNA-Interferenz (RNAi) inhibiert werden kann. Mithilfe dieser Zelllinien wurde getestet, ob die proapoptotischen Proteine Bax und Bak die Importmaschinerie benötigen, um in die äußere Mitochondrienmembran zu gelangen. Die Präsenz der beiden proapoptotischen Proteine in Mitochondrien während der Apoptose ist sehr entscheidend, da Bax und Bak in den Mitochondrien oligomerisieren und damit weitere Schritte der Apoptose einleiten. Im Widerspruch zu früheren Publikationen konnte hier gezeigt werden, dass die Translokation von Bax und Bak in die äußere Mitochondrienmembran unabhängig von Proteinimportfaktoren erfolgt. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss mitochondrialer Importproteine auf die Pathogenese von Neisseria gonorrhoeae. Das Neisserienprotein PorB transloziert während der Infektion in die Mitochondrien der Wirtszelle und induziert Apoptose. Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit von PorB zu bestimmten Proteinen der äußeren Mitochondrienmembran wurde bisher angenommen, dass PorB diesen endogenen Proteinen auf ihrem Importweg in die äußere Mitochondrienmembran folgt. Überraschenderweise wurde im Rahmen dieser Arbeit entdeckt, dass PorB nicht von allen Komplexen der Importmaschinerie in den Mitochondrien erkannt wird. Infolgedessen transloziert es in die innere Mitochondrienmembran und wirkt dadurch toxisch auf die Wirtszelle. In einem weiteren Projekt wurde untersucht, welche Rolle die Proteinimportkomplexe der äußeren mitochondrialen Membran in der Aufrechterhaltung der Mitochondrienmorphologie spielen. Unter Verwendung der beschriebenen Zelllinien wurde entdeckt, dass in Abwesenheit des SAM (sorting and assembly) Importkomplexes die Struktur der inneren Mitochondrienmembran derangiert ist. Es wurden zudem Hinweise darauf gefunden, dass die Ursache für diesen Befund in einer Unterbrechung von Kontaktstellen zwischen den beiden Mitochondrienmembranen liegen könnte, für deren Aufrechterhaltung möglicherweise der SAM-Komplex verantwortlich ist. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse erlauben neue Einblicke in verschiedene Aspekte des Proteinimports in Mitochondrien. Zudem wurde mit der Entwicklung der stabilen Zelllinien ein neues Model geschaffen, anhand dessen in Zukunft weitere Detail des mitochondrialen Proteinimports erforscht werden können. / Human mitochondria comprise about 1500 to 2000 proteins. While only 13 proteins are encoded by the mitochondrial DNA the vast majority of mitochondrial proteins is encoded in the nucleus, synthesized in the cytosol, and translocated into mitochondria by a special protein import machinery. Although many details are now known about its function several important aspects of protein import in mitochondria were not unraveled yet. To begin with, the influence of the different mitochondrial import complexes on apoptosis is not known. Further, the exact role of the protein import machineries in mitochondria in the pathogenesis of Neisseria gonorrhoeae has not been clarified yet. Moreover, the question whether factors involved in protein import are required for the maintenance of the mitochondrial morphology is still unsolved. In order to address these open issues, permanent cell lines were generated within the frame of the present thesis in which the expression of single proteins implicated in mitochondrial import can be inhibited via RNA interference (RNAi). Using these cell lines, it was investigated whether the proapoptotic proteins Bax and Bak require the import machinery in order to gain access to the outer mitochondrial membrane. The presence of both proapoptotic proteins in mitochondria is essential during apoptosis as Bax and Bak oligomerize in the outer mitochondrial membrane leading to the execution of apoptosis. In contrast to earlier publications, results presented here prove that the translocation of Bax and Bak into the outer mitochondrial membrane occurs independent of its import machineries. The second part of this thesis explores the influence of mitochondrial import proteins on the pathogenesis of Neisseria gonorrhoeae. The neisserial protein PorB translocates into the mitochondria of host cells during infection and induces apoptosis. Because of structural similarities of PorB to a certain class of proteins in the outer mitochondrial membrane, it was assumed that PorB would follow the import pathway of these endogenous proteins into the outer mitochondrial membrane. Surprisingly, it was found within the present study that PorB is not recognized by all complexes implicated in this import pathway. As a consequence, it translocates into the inner mitochondrial membrane to exert its toxic effect on the host cell. In a further project, the role of import complexes of the outer mitochondrial membrane in the maintenance of the mitochondrial morphology was investigated. Using the described cell lines, it was found that in the absence of the SAM (sorting and assembly) import device, the structure of the inner mitochondrial membrane was disrupted. Further, evidence was found that the reason for this phenotype could be an interruption of contact sites between the two mitochondrial membranes, whose preservation possibly requires the SAM complex. The results presented here allow new insights into different aspects of mitochondrial protein import. Further, with the development of the stable cell lines a new model was generated that will allow future investigations on details about mitochondrial protein import.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Transkription mitochondrialer Gene durch die kernkodierten Phagentyp-RNA-Polymerasen RpoTm und RpoTmp der Pflanze Arabidopsis untersucht. Im Mitochondriengenom von Arabidopsis wurden f r 12 Gene Promotoren bestimmt. Diese zeigten verschiedene Sequenzelemente und wichen meist von der f r Dikotyle publizierten Konsensussequenz ab. F r die Mehrheit der Gene wurden multiple Promotoren identifiziert. Es wurden weiterhin Promotoren nachgewiesen, welche die Transkription vermutlich nicht funktioneller Sequenzen aktivieren. Architektur, Lokalisation und Nutzung mitochondrialer Promotoren implizieren eine wenig stringente Kontrolle der Transkriptionsinitiation in Arabidopsis-Mitochondrien. Zur Analyse der Funktionen von RpoTm und RpoTmp wurde ein in vitro-Transkriptionssystem entwickelt. Da RpoT-Enzyme m”glicherweise Kofaktoren ben”tigen, wurde in Arabidopsis nach Genen potentieller mitochondrialer Transkriptionsfaktoren gesucht. Als mitochondriales Protein mit Žhnlichkeit zu mtTFB, einem essentiellen Transkriptionsfaktor in Hefemitochondrien, wurde MetA identifiziert. In in vitro-Assays initiierte RpoTm an verschiedenen Promotoren die Transkription, w„hrend RpoTmp keine signifikante Promotorspezifit„t zeigte. Die spezifische Promotornutzung durch RpoTm erforderte superhelikale DNA. Weder RpoTm noch RpoTmp wurde durch MetA stimuliert. Eine mtTFB-„hnliche Funktion von MetA ist daher unwahrscheinlich. F r MetA wurde ausserdem eine engere phylogenetische Beziehung zu nukle„ren rRNA-Dimethylasen als zu mtTFB ermittelt. Die hier vorgestellten Studien belegen die Transkription mitochondrialer Gene in Arabidopsis durch RpoTm; f r RpoTmp ist eine nicht-redundante Transkriptionsfunktion denkbar. Die Kofaktor-unabh„ngige Spezifit„t von RpoTm f r verschiedene Promotoren und die wenig stringente Initiationskontrolle in vivo legen nahe, dass eine individuelle Regulation mitochondrialer Gene in Arabidopsis auf Transkriptionsebene nicht erfolgt. / Mitochondria depend on a nucleus-encoded transcription machinery to express their genome. The present study examined the transcription of mitochondrial genes by two nucleus-encoded phage-type RNA polymerases, RpoTm and RpoTmp, in the plant Arabidopsis. For selected mitochondrial genes in Arabidopsis, transcription initiation sites were determined. Most genes were found to possess multiple promoters. The identified promoters displayed diverse sequence elements and mostly deviated from a nonanucleotide consensus derived previously for dicot mitochondrial promoters. Several promoters were detected that activate transcription of presumably non-functional sequences. Promoter architecture, distribution and utilization suggest a non-stringent control of transcription initiation in Arabidopsis mitochondria. An in vitro transcription system was set up to elucidate the roles of RpoTm and RpoTmp. Since RpoT enzymes possibly require auxiliary factors, the Arabidopsis genome was screened for potential cofactors of phage-type RNA polymerases. A mitochondrial protein (MetA) with similarity to mtTFB, an essential transcription factor in yeast mitochondria, was identified. In in vitro transcription studies, RpoTm recognized various promoters whereas RpoTmp displayed no significant promoter specificity. Promoter recognition by RpoTm depended on supercoiled DNA templates. Transcription initiation by RpoTm or RpoTmp was not affected by MetA, indicating that MetA is not functionally equivalent to mtTFB. Besides, MetA was found to be more closely related to non-mitochondrial rRNA dimethylases than to mtTFB. The present study establishes RpoTm to transcribe mitochondrial genes; RpoTmp may have a non-overlapping transcriptional role in mitochondria. The cofactor-independent promoter specificity of RpoTm and the apparently non-stringent control of transcription initiation in vivo imply that mitochondrial genes in Arabidopsis may not be regulated individually at the transcriptional level.

Das mitochondriale Genom der Pflanze weist mit einer heterogenen Population linearer, häufig auch verzweigten und zusätzlichen kleineren, zirkulären Molekülen eine komplexe Struktur auf. Um Einblicke in die mitochondrialen Genkopienzahl und deren Regulation sowohl unter normalen als auch unter Stressbedingungen zu erhalten, wurde die Kopienzahl pro Zelle vier repräsentativer Gene mittels qRT-PCR und Durchflusszytometrie ermittelt. Die Bestimmung der mitochondrialen Genkopienzahl in unterschiedlichen Spezies sowie in Organen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zeigte, dass die Kopienzahl mitochondrialer Gene sich nicht nur in den unterschiedlichen Spezies, sondern auch zwischen den unterschiedlichen Organen unterschied, wobei die höchsten Werte in der Wurzelspitze erreicht wurden. In Arabidopsis Keimlingen, welche zur Unterdrückung der plastidären Translation auf Spectinomycin-haltigem Medium angezogen wurden, wurde im Vergleich zu Kontrollpflanzen ein dreifacher Anstieg der Genkopienzahl festgestellt. Dieser Effekt erwies sich als spezifisch für Blatt- bzw. Kotyledonengewebe und warr unabhängig vom Licht. Mutanten mit Defekten in der Respiration zeigten ebenfalls erhöhte Genkopienzahlen, die durch Anzucht der Pflanzen auf Spectinomycin noch erhöht werden konnten. Dieses Ergebnis legt ein komplexes, regulatorisches Netzwerk nahe, in welchem sowohl Respiration als auch Photosynthese die Aufrechterhaltung einer stabilen Genkopienzahl innerhalb der Pflanzenzelle beeinflussen. Die Untersuchungen einer Spectinomycin-behandelter mt-GFP Arabidopsis Pflanzenlinie mittels CLSM zeigten einen Stillstand der Motilität der Mitochondrien in den epidermalen Zellen der weißen Kotyledonen, obwohl eine TEM Analyse eine normale, interne Morphologie ergab. Weitere Untersuchungen führten zu der Schlussfolgerung, dass es auch hier die Stärke der plastidären Beeinträchtigung, welche zu einem gelb-weißen Phänotyp führt, für den Arrest der Mobilität verantwortlich ist. / The plant mitochondrial genome has a complex structure. It exists in the form of a heterogeneous population of linear, often branched molecules with smaller than genome-size circular molecules being present in low abundance. In order to study the mitochondrial genome abundance and its regulation in plants under both standard and stress conditions, we determined the gene copy number of four representative mitochondrial genes using quantitative real-time PCR and flow-cytometry. Determination of mitochondrial gene copy number in different plant species and in organs of the model plant Arabidopsis thaliana showed that the copy number of the four investigated genes varied between species and also between different organs, having the highest values in the root tips. The growth of Arabidopsis seedlings on MS medium containing spectinomycin (a plastid translation inhibitor) led to a three-fold increase in the copy number in white versus green seedlings, an effect that is leaf/cotyledon specific and light-independent. Respiration deficient mutants also showed an increase in the gene copy number, this effect being further amplified when the mutants were grown on spectinomycin. The data suggest a complex regulatory network in which both photosynthesis and respiration influence the maintenance of a stable mitochondrial gene copy number within plant cells. CLSM investigations of a spectinomycin-treated mt-GFP line showed that in epidermal cells of white cotyledons most of the mitochondria are not motile with TEM analysis presenting normal internal morphology. Further investigations led to the conclusion that the threshold level of chloroplast impairment that leads to a motility arrest is represented by the appearance of a yellow-white cotyledon phenotype. These results point to a new regulatory mechanism of mitochondrial dynamics that is directly influenced by impaired chloroplast development under standard growth conditions.

Die Infektionskrankheit Malaria wird von einzelligen Parasiten der Gattung Plasmodium verursacht und stellt vor allem im südlichen Afrika eine große Herausforderung dar. Die Zellen der Parasiten enthalten zwei endosymbiontische Organellen, den Apicoplast und das Mitochondrium. Beide Organellen besitzen ein reduziertes Genom. Die Struktur des mitochondrialen Genoms ist ungewöhnlich. Mit nur 6 kb gehört es zu den kleinsten beschriebenen Genomen und enthält neben drei proteinkodierende Gene auch 34 kleine rRNA-Gene. Um das Genom zu exprimieren wird eine Vielzahl von kernkodierten Faktoren benötigt. Die Regulation der Expression, die Prozessierung der polycistronischen Primärtranskripte und die Regulation des RNA-Metabolismus des Mitochondriums ist jedoch weitestgehend unbekannt. In dieser Arbeit konnten kurze RNAs in den Mitochondrien von P. falciparum mittels Hochdurchsatzsequenzierung identifiziert werden. Solche RNA-Akkumulationen an Transkriptenden werden in den Organellen höherer Pflanzen durch PPR-Proteine (Pentatricopeptide repeat) verursacht. Um zu untersuchen, ob in P. falciparum PPR-ähnliche, helikale Proteine vorhanden sind, wurde genomweit nach Proteinen mit repetitiven, helikalen Elementen gesucht. Dabei konnte eine vorher unbekannte Proteinfamilie identifiziert werden, die aufgrund ihrer 37 Aminosäure langen Motive Heptatricopeptide repeat Proteine (HPR) genannt wurde. In P. berghei konnte für 7 HPR-Proteine eine mitochondriale Lokalisation betätigt werden. Außerdem zeigten Deletionsversuche, dass die meisten HPR-Proteine in den Blutstadien essentiell sind. In vitro RNA-Bindestudien konnte für ein rekombinantes HPR-Protein eine unspezifische Interaktion mit mitochondrialen Transkripten nachgewiesen werden, während keine Bindung an DNA erfolgt. Eine breite Suche in verschiedenen phylogenetischen Gruppen zeigte, dass HPR-Proteine in verschiedensten eurkaryotischen Taxa vorhanden sind, mithin früh in der Evolution der eukaryotischen Zelle entstanden sind. / Malaria is caused by a single celled parasite of the genus Plasmodium. Especially in Sub-Saharan Africa, -this disease is a huge challenge for the health system. The cells of the parasites contain two organelles of endosymbiotic origin, the apicoplast and the mitochondrion. Both organelles still contain a reduced genome. For the expression of the genome, the organelles depends on a large set of nuclear encoded proteins. The mitochondrial genome has a unique structure. With only 6 kb it is one of the smallest genomes discovered to date and it contains only three protein coding genes along with 34 small ribosomal genes. The regulation of expression, the processing of the polycistronic primary transcript and the regulation of the RNA metabolism in the mitochondria of Plasmodium remains largely unknown. Through high-throughput sequencing of cellular RNA, we discovered a population of small RNAs originating in the mitochondria of P. falciparum. Similar RNA accumulations can be detected in the organelles of higher plants and are caused by helical-hairpin repeat proteins like PPR proteins (pentatricopeptide repeat). To search for plant-like RNA binding proteins similar to PPR proteins we scanned the nuclear genome of P. falciparum for helical-hairpin repeat proteins. We found a novel protein family with repetitive helical elements of 37 amino acid length we termed heptatricopeptide repeat (HPR) proteins. In the rodent Malaria parasite P. berghei, the mitochondrial localization for 7 HPR-Proteins was verified. In knockout studies, we also showed that almost all HPR proteins are essential for blood stages of P. berghei. In RNA-binding assays, one recombinant HPR protein showed unspecific interaction with mitochondrial transcripts but not with DNA. By broadening the search, we discovered that HPR proteins are found in multiple eukaryotic taxa.