Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem mitochondrialen Sco1-Protein der Hefe Saccharomyces cerevisiae sowie mit weiteren Vertretern der Sco-Proteinfamilie. Sco1p ist essenziell für die Assemblierung der Cytochrom c Oxidase (COX), dem terminalen Komplex der Atmungskette. Aufgrund von genetischen Daten wurde angenommen, dass es an der Insertion von Cu-Ionen in den COX-Komplex beteiligt ist. Dabei existieren zwei unterschiedliche Vorstellungen über seine Wirkweise: Einerseits könnte Sco1p als Cu-Chaperon selbst Cu-Ionen binden und anschließend auf die Cu-tragenden COX-Untereinheiten Cox1p und/oder Cox2p übertragen. Andererseits könnte es als Disulfidreduktase die in die Cu-Bindung involvierten Cysteinreste von Cox2p reduzieren und somit die Voraussetzung für eine Cu-Anheftung an Cox2p schaffen. In beiden Fällen wird den unter den Sco-Proteinen konservierten Aminosäuren Cystein(148), Cystein(152) und Histidin(239) eine Schlüsselrolle zugedacht. Es wurde gezeigt, dass diese Aminosäuren tatsächlich essenziell für die Funktion von Sco1p sind. Die Daten dieser Arbeit sprechen dafür, dass Sco1p als Cu-Chaperon fungiert: Sco1p zeigt keine Aktivität als Disulfidreduktase. Außerdem interagiert Sco1p mit Cox17p - dem Protein, das Cu-Ionen in die Mitochondrien importiert - und geht mit Cox2p eine Wechselwirkung ein. Im Rahmen der Interaktionsanalysen wurde weiterhin gezeigt, dass Sco1p homomere Komplexe ausbildet. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag in Untersuchungen zum homologen Sco2p aus Saccharomyces cerevisiae, das im Gegensatz zu Sco1p nicht essenziell für eine funkionsfähige COX ist. Trotz seiner großen Ähnlichkeit ist Sco2p nicht in der Lage, die Funktion von Sco1p zu erfüllen. Im Rahmen dieser Arbeit konnt aber demonstriert werden, dass Sco2p zumindest teilweise Sco1p ersetzen kann. Somit kann für beide Proteine angenommen werden, dass sie überlappende Funktionen besitzen. Übereinstimmend wurde nachgewiesen, dass Sco2p - wie Sco1p - in der Lage ist, mit Cox17p und mit Cox2p zu interagieren und außerdem heteromere Komplexe mit Sco1p formiert. Es wurde ein Modell zur Wirkweise von Sco1p und Sco2p entwickelt.

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The two related putative cytochrome c oxidase (COX) assembly factors HCC1 and HCC2 from Arabidopsis thaliana are Homologs of the yeast Copper Chaperones Sco1p and Sco2p. The hcc1 null mutation was previously shown to be embryo lethal while the disruption of the HCC2 gene function had no obvious effect on plant development, but increased the expression of stress-responsive genes. Both HCC1 and HCC2 contain a thioredoxin domain, but only HCC1 carries a Cu-binding motif also found in Sco1p and Sco2p. In order to investigate the physiological implications suggested by this difference, various hcc1 and hcc2 mutants were generated and analyzed. The lethality of the hcc1 knockout mutation was rescued by complementation with the HCC1 gene under the control of the embryo-specific promoter ABSCISIC ACID INSENSITIVE 3. However, the complemented seedlings did not grow into mature plants, underscoring the general importance of HCC1 for plant growth. The HCC2 homolog was shown to localize to mitochondria like HCC1, yet the function of HCC2 is evidently different, because two hcc2 knockout lines developed normally and exhibited only mild growth suppression compared with the wild type (WT). However, hcc2 knockouts were more sensitive to UV-B treatment than the WT. Complementation of the hcc2 knockout with HCC2 rescued the UV-B-sensitive phenotype. In agreement with this, exposure of wild-type plants to UV-B led to an increase of HCC2 transcripts. In order to corroborate a function of HCC1 and HCC2 in COX biogenesis, COX activity of hcc1 and hcc2 mutants was compared. While the loss of HCC2 function had no significant effect on COX activity, the disruption of one HCC1 gene copy was enough to suppress respiration by more than half compared with the WT. Therefore, we conclude that HCC1 is essential for COX function, most likely by delivering Cu to the catalytic center. HCC2, on the other hand, seems to be involved directly or indirectly in UV-B-stress responses.

Um die Kontraktion einer Herzmuskelzelle durch den Kalziumeinstrom zu ermöglichen, ist die Kopplung von Erregung und Kontraktion (ECC) von zentraler Bedeutung. Durch das elektrische Signal einer Nachbarzelle wird die Depolarisation des Sarkolemmas verursacht, wodurch sich die L-Typ-Kalziumkanäale (LKK) öffnen und der Amplifizierungsprozess eingeleitet wird. Letzterer ist bekannt als Kalzium induzierte Kalzium Freisetzung (CICR). Durch die LKK wird ein Kalziumeinstrom in die Zelle ermöglicht, welcher zur Öffnung der Ryanodinrezeptoren (RyR) des Sarkoplasmatischen Retikulums (SR) führt. Durch die Kalziumfreisetzung des SR wird dieses im Cytoplasma akkumuliert. Modelle für diese Prozesse werden seit mehreren Jahrzenten entwickelt. Bisher fehlte jedoch die Kombination aus räumlich aufgelösten Kalziumkonzentrationen der dyadischen Spalte mit stochastischen Simulationen der einzelnen Kalziumkanäle und die Kalziumdynamiken in der ganzen Zelle mit einem Elektrophysiologiemodell einer ganzen Herzmuskelzelle. In dieser Arbeit entwickleten wir ein neues Modell, in welchem die Konzentrationsgradienten von einzelnen Kanälen bis zum Ganzzelllevel räumlich aufgelöst werden. Es wurde der quasistatische Ansatz und die Finite-Elemente-Methode zur Integration partieller Differentialgleichungen verwendet. Es wurden Simulationen mit unterschiedlichen RyR Markow-Kette-Modellen, verschiedenen Parametern für die Bestandteile des SR, verschiedenen Konditionen des Natrium-Kalzium-Austauschers und unter Einbindung der Mitochondrien durchgeführt. Ziel war es, das physiologische Verhalten einer Kaninchen-Herzmuskelzelle zu simulieren. In dem neu entwickelten Multiskalenmodell wurden Hochleistungsrechner verwendet, um detaillierte Informationen über die Verteilung, die Regulation und die Relevanz von den im ECC involvierten Komponenten aufzuzeigen. Zukünftig soll das entwickelte Modell Anwendung bei der Untersuchung von Herzkontraktionen und Herzmuskelversagen finden. / Excitation contraction coupling (ECC) is of central importance to enable the contraction of the cardiac myocyte via calcium in ux. The electrical signal of a neighbouring cell causes the membrane depolarization of the sarcolemma and L-type Ca2+ channels (LCCs) open. The amplifcation process is initiated. This process is known as calcium-induced calcium release (CICR). The calcium in ux through the LCCs activates the ryanodine receptors (RyRs) of the sarcoplasmic reticulum (SR). The Ca2+ release of the SR accumulates calcium in the cytoplasm. For many decades models for these processes were developed. However, previous models have not combined the spatially resolved concentration dynamics of the dyadic cleft including the stochastic simulation of individual calcium channels and the whole cell calcium dynamics with a whole cardiac myocyte electrophysiology model. In this study, we developed a novel approach to resolve concentration gradients from single channel to whole cell level by using quasistatic approximation and finite element method for integrating partial differential equations. We ran a series of simulations with different RyR Markov chain models, different parameters for the SR components, sodium-calcium exchanger conditions, and included mitochondria to approximate physiological behaviour of a rabbit ventricular cardiac myocyte. The new multi-scale simulation tool which we developed makes use of high performance computing to reveal detailed information about the distribution, regulation, and importance of components involved in ECC. This tool will find application in investigation of heart contraction and heart failure.

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The two related putative cytochrome c oxidase (COX) assembly factors HCC1 and HCC2 from Arabidopsis thaliana are Homologs of the yeast Copper Chaperones Sco1p and Sco2p. The hcc1 null mutation was previously shown to be embryo lethal while the disruption of the HCC2 gene function had no obvious effect on plant development, but increased the expression of stress-responsive genes. Both HCC1 and HCC2 contain a thioredoxin domain, but only HCC1 carries a Cu-binding motif also found in Sco1p and Sco2p. In order to investigate the physiological implications suggested by this difference, various hcc1 and hcc2 mutants were generated and analyzed. The lethality of the hcc1 knockout mutation was rescued by complementation with the HCC1 gene under the control of the embryo-specific promoter ABSCISIC ACID INSENSITIVE 3. However, the complemented seedlings did not grow into mature plants, underscoring the general importance of HCC1 for plant growth. The HCC2 homolog was shown to localize to mitochondria like HCC1, yet the function of HCC2 is evidently different, because two hcc2 knockout lines developed normally and exhibited only mild growth suppression compared with the wild type (WT). However, hcc2 knockouts were more sensitive to UV-B treatment than the WT. Complementation of the hcc2 knockout with HCC2 rescued the UV-B-sensitive phenotype. In agreement with this, exposure of wild-type plants to UV-B led to an increase of HCC2 transcripts. In order to corroborate a function of HCC1 and HCC2 in COX biogenesis, COX activity of hcc1 and hcc2 mutants was compared. While the loss of HCC2 function had no significant effect on COX activity, the disruption of one HCC1 gene copy was enough to suppress respiration by more than half compared with the WT. Therefore, we conclude that HCC1 is essential for COX function, most likely by delivering Cu to the catalytic center. HCC2, on the other hand, seems to be involved directly or indirectly in UV-B-stress responses.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Cbs1p und Cbs2p, zwei spezifische Translationsaktivatoren der COB-mRNA. Im Mittelpunkt standen sowohl die weitere molekularbiologische und biochemische Charakterisierung von Cbs1p als auch ein Screening von Interaktionskandidaten, die mit Cbs1p und/oder Cbs2p physikalisch wechselwirken könnten. Cbs1p liegt als peripheres Membranprotein fest mit der inneren Mitochondrienmembran matrixseitig assoziiert vor. Dabei spielen möglicherweise hydrophobe und/oder Protein-Protein-Wechselwirkungen mit integralen Membranproteinen eine essentielle Rolle bei der Membranverankerung von Cbs1p. Durch die Identifizierug von atmungsdefekten Cbs1p-Mutanten, deren Mutationen in Bereichen mit Homologie zu RNA-bindenden Proteinen liegt, verstärken sich die Hinweise zur Beteiligung von Cbs1p an der direkten physikalischen Wechselwirkung mit dem 5´-leader der COB-mRNA. Darüber hinaus konnte gezeigt werden,, dass die abspaltbare Präsequenz nicht notwendig für einen mitochondrialen Import ist. Die Ergebnisse präzisieren und erweitern das vorliegende Modell der Wirkungsweise der Translationsaktivatoren Cbs1p und Cbs2p (Michaelis, 1991). Aufgrund der Membranverankerung von Cbs1p wird auch die gebundene COB-mRNA in räumlicher Nähe zur Membran gebracht. Darüber hinaus definiert Cbs1p damit möglicherweise auch den Ort der Insertion des nascierenden Apocytochrom b in die Membran. Cbs2p vermittelt die Bindung zur kleinen Untereinheit der mitochondrialen Ribosomen und könnte seinerseits ebenfalls in Interaktionen mit Untereinheiten des bc1-Komplexes involviert sein.

Der erste Teil dieser Arbeit beschreibt die Durchführung eines quantitativen Ansatzes zur Detektion von Protein-Protein-Interaktionen (PPI) mit einem Schwerpunkt für Proteine, die in vier häufigen neurodegenerativen Krankheiten eine Rolle spielen: die Alzheimer-, Parkinson- und Huntington-Krankheit, sowie die spinozerebelläre Ataxie Typ 1 (SCA1). Die Interaktionsstudie kombiniert die stabile Isotopen-Markierung von Aminosäuren in der Zellkultur mit der Affinitätsaufreinigung von Proteinen und hochauflösender Massenspektrometrie. Dieser Ansatz zielt darauf ab, systematisch die Interaktionspartner von gesunden und krankheitsassoziierten Proteinvarianten zu identifizieren und zu quantifizieren. Darüber hinaus wurde das quantitative Interaktionsverfahren genutzt, um zu prüfen ob PPI durch krankheitsassoziierte Mutationen beeinträchtigt werden. Neben der Validierung möglicher Nebeneffekte, sowie dem Vergleich mit Informationen über PPI aus der Literatur, wurde ein Teil der identifizierten Interaktoren durch zusätzliche Koimmunopräzipitations-Experimente in zwei verschiedenen Zelllinien bestätigt. Mit Hilfe von Drosophila SCA1-Krankheitsmodellen und in Kombination mit RNAi-basierter Stummschaltung identifizierter Interaktoren wurde festgestellt, dass ein großer Teil der Kandidaten Neurodegeneration in vivo beeinflusst. Zusätzlich wurden die Alzheimer-spezifischen PPI-Daten auf genomweite Assoziationsstudien übertragen. Bemerkenswerterweise waren Polymorphismen in einzelnen Nukleotiden in den Genen zugehöriger Interaktoren wahrscheinlicher mit solchen Genen assoziiert, die eine Prädisposition für die Alzheimer-Krankheit haben, als mit zufällig ausgewählten Genen. Schlussendlich konnten Folgeexperimente für zwei ausgewählte Interaktionspartner den Nachweis für eine bislang unbekannte Rolle der N-Glykosylierung und einen neuen Zusammenhang zwischen dem RNA-bindenden Protein LRPPRC und mitochondrialer Dysfunktion in der Alzheimer-Krankheit vorlegen. / The first part of the present thesis describes the establishment of a quantitative protein-protein interaction (PPI) screen with a focus on proteins involved in four common neurodegenerative diseases (NDDs): Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD), Huntington’s disease (HD) and spinocerebellar ataxia type 1 (SCA1). The interaction screen combines stable-isotope labeling by amino acids in cell culture (SILAC) with protein affinity purification and high-resolution mass spectrometry. This approach aims to systematically identify and quantify interaction partners of normal and known disease-associated variants of proteins involved in NDDs. Moreover, the quantitative interaction screen was employed to study how PPIs are affected by disease-associated mutations. Along with validation of possible off-target effects and comparison of the data with literature-reported PPIs, a subset of identified interactors was validated by additional co-immunoprecipitation experiments in two different cell lines. Utilizing Drosophila models for SCA1 in combination with RNAi-mediated silencing of identified interactors, a large fraction of candidates was observed to also affect neurodegeneration in vivo. In addition, AD-specific PPI data was mapped to patient cohort data obtained from genome-wide associations studies. Notably, single-nucleotide polymorphisms in the genes of interactors of the disease-associated protein variants were more likely associated with susceptibility to AD than randomly selected genes. Finally, functional follow-ups for two selected interaction partners provided evidence for a yet unreported role of N-linked glycosylation in AD, and a novel link to mitochondrial dysfunction in AD by means of the RNA-binding protein LRPPRC.

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