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.

Cytochrome c oxidase (COX) is one of two known Cu-containing enzymes in mitochondria. Delivery and insertion of copper into COX are very complex processes that require multiple steps and involve a large number of assisting factors. One of the involved components is Cox11p, a copper binding protein in the inner mitochondrial membrane that is conserved from prokaryotes to eukaryotes. Cox11p is essential for respiratory growth and implicated in the assembly of the CuB site located in subunit Cox1p of COX. In the thesis the topology of Cox11p was determined and evidence for its association with the mitochondrial translation machinery is provided. The interaction of Cox11p with mitoribosomes is mediated by its single evolutionary conserved transmembrane segment and appears to be indirect and mediated by another conserved membrane protein(s). A model is proposed in which the CuB site is co-translationally formed by a transient interaction between Cox11p and the nascent Cox1p in the mitochondrial intermembrane space. In addition the genetic and biochemical characterization of S. pombe Cox11p homologue was performed. Two versions of cox11+ gene are detected in a haploid S. pombe genome. Cells lacking either of the cox11+ copies remain respiratory competent, whereas deletion of both S. pombe cox11+ alleles appears to result in either spore lethality or in severe decrease of spores viability. Thus, both versions of SpCox11p are functional and important. In S. pombe Cox11p exists as a tandem with the mitoribosomal protein Rsm22p. This precursor protein is cleaved during mitochondrial import into two mature protein species corresponding to Rsm22p- and Cox11p-like moieties.

Die Genexpressionsmaschinerie in Chloroplasten und Mitochondrien und die ihrer prokaryotischen Vorläufer sind konserviert. Innerhalb eines bakteriellen Grundgerüsts entwickelte sich darüber hinaus ein komplexer RNA-Metabolismus. In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Klasse kleiner RNAs (15-50nt) mit plastidärem und mitochondrialen Ursprung beschrieben. Diese kurzen RNAs überlappen mit Bindestellen von RNA-bindenden Proteinen, die mRNAs gegen exonukleolytischen Verdau beschützen. Diese stabilisierende Funktion wird vermutlich hauptsächlich von PPR (Pentatricopeptid repeat) Proteinen und verwandten Proteine bewerkstelligt. Die kleinen RNAs repräsentieren dabei minimale nuklease-resistente Bereiche, sogenannte RNA-Bindeprotein footprints. Solche footprints finden sich in fast jedem intergenischen Bereich, der Prozessierung aufweist. Durch transkriptomweite Untersuchungen von kleinen RNAs in Mutanten von RNA-Bindeproteinen konnte für diese eine Reihe von Bindestellen identifiziert werden. Nuklease-resistente kleine RNAs fehlen in entsprechenden Mutanten. Der Vergleich neu identifizierter Ziele einzelner RNA-Bindeproteine führte dabei zu neuen Erkenntnissen über den Mechanismus der RNA-Erkennung durch PPR Proteine. Im Gegensatz zu Plastiden befinden sich kleine RNAs in Mitochondrien überwiegend an den 3‘ Enden von Transkripten, deren Stabilität vermutlich maßgeblich von diesen RNA-Bindeproteinen beeinflusst wird. Für das chloroplastidäre Ribonukleoprotein CP31A konnte gezeigt werden, dass es an der Stabilisierung der ndhF mRNA beteiligt ist. Die Interaktion mit der ndhF mRNA, die eine zentrale Komponente des NDH-Komplexes kodiert, wird dabei über die 3‘ untranslatierte Region vermittelt. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass CP31A die Stabilität einiger antisense Transkripte beeinflusst. Weiterhin wurden zehn neue Cytidin Desaminierungungen durch die Analyse von RNA-Seq Datensätzen in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana identifiziert. / Chloroplasts and mitochondria are of endosymbiotic origin. Their basic gene expression machineries are retained from their free-living prokaryotic progenitors. On top of this bacterial scaffold, a number of organelle-specific RNA processing steps evolved. In this thesis, a novel class of organelle-specific short (15-50nt) RNAs is described on a transcriptome-wide scale. The small RNAs are found at binding sites of PPR (Pentatricopeptide repeat) and PPR-like proteins, which protect mRNAs against exonucleolytic decay. The small RNAs represent minimal nuclease resistant RNAs, so called PPR footprints. Small RNAs were identified in almost every intergenic region subjected to intergenic processing. This finding suggests that accumulation of processed transcripts in plastids is mostly due to protection by highly specific RNA-binding proteins. Small RNA sequencing identified a number of nuclease insensitive sites missing in mutants of RNA-binding proteins. Analysis of multiple small RNAs representing target sites of single PPR proteins expands the knowledge of target specificity. In mitochondria, accumulations of small RNAs predicts that at least two thirds of mitochondrial mRNAs are stabilized by RNA-binding proteins binding in their 3’UTR. In sum, small organellar RNAs turned out to be instrumental in elucidating the hitherto enigmatic intercistronic processing of organellar RNAs and allowed novel insights into the function of the dominant family of organellar RNA binding proteins, the PPR proteins. A chloroplast ribonucleoprotein CP31A is shown to be involved in stabilization of an mRNA for a central component of the NDH-complex by interaction with its 3’UTR. In addition, CP31A represents the first factor described that influences the accumulation of chloroplast antisense transcripts. Finally, ten novel plastid C to U RNA-editing sites were identified in the model plant Arabidopsis thaliana, using a novel RNA-Seq based approach.

Als Kapazitation bezeichnet man den im weiblichen Reproduktionstrakt stattfindenden Reifungsschritt, der Spermien das volle Fertilisierungspotential verleiht. Die molekularbiologischen Grundlagen dieses für eine erfolgreiche natürliche oder auch artifizielle Befruchtung essenziellen Prozesses sind bis heute nur unvollständig verstanden. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden die mit der Kapazitation einhergehenden funktionellen und strukturellen spermalen Veränderungen untersucht. Die kapazitative Stimulation führte zu einer gesteigerten Motilität bis hin zur Hyperaktivierung, zu einer vermehrt induzierten Akrosomenreaktion und zu einer deutlich reduzierten Apoptoseaktivität. Anhand von Inhibitionsexperimenten wurde die Rolle der potentiellen Signaltransduktoren Caspase-1, Calpain und Calmodulin analysiert. Dabei wies die Calmodulinantagonisierung auf eine ausgeprägte Calciumabhängigkeit aller untersuchten kapazitationsassoziierten Prozesse hin. Die Hemmung von Caspase-1 und Calpain führte zu einer Beeinträchtigung der Motilität und der Akrosomenreaktion ohne das Ausmaß der Apoptoseinduktion zu beeinflussen. Die vorstehend genannten Erkenntnisse wurden zur Evaluation verschiedener Ejakulataufbereitungsprotokolle genutzt. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Kombination des modernen Verfahrens der immunomagnetische Zellseparation mit der etablierten Methode der Dichtegradientenzentrifugation dem einfachen Standard in Bezug auf die Anreicherung hochmotiler Spermien mit minimaler Apoptoseaktivität aus frischen wie auch aus kryokonservierten Ejakulaten deutlich überlegen war. Bedeutsam im Hinblick auf eine mögliche pratische Anwendung der immunomagnetischen Zellseparation erscheint der Befund, dass die durch das kombinierte Anreicherungsverfahren erhaltene Spermatozoensubpopulation im Hamsteroozytenpenetrationstest ein signifikant höheres Fertilisierungspotential zeigte.

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.

Bis heute ist die Ätiopathogenese der Parkinson Krankheit noch nicht geklärt. Verschiedene Abweichungen im Stoffwechsel von Betroffenen konnten zwar detektiert werden (z.B. Komplex I-Mangel, erhöhte Eisen- und 8-OHdG Werte im Gehirn), aber bis heute gibt es keine eindeutigen Hinweise, wodurch es zur Entstehung der Krankheit kommt. Da es am wahrscheinlichsten ist, dass die Krankheit multifaktoriell bedingt ist, könnten auch Mutationen der mitochondrialen DNA eine wichtige Rolle spielen. Entscheidende Hinweise darauf lieferten Experimente mit Cybrid–Zellen. Bisherige Screeninguntersuchungen des mitochondrialen Genoms konnten allerdings noch keine eindeutigen krankheitsspezifischen Mutationen nachweisen. Die Theorie, dass oxidativer Stress in Verbindung mit der Parkinsonschen Krankheit stehen könnte, fand Unterstützung, als signifikant erhöhte Produkte der Lipidperoxidation (Malondialdehyd, Lipidhydroperoide) in der Substantia nigra (Dexter et al., 1989 b, 1994) und ein abnormaler Eisenstoffwechsel in den Basalganglien des Gehirns (Dexter et al., 1987; Dexter et al., 1989a; Cadet, 2001; Hirsch et al., 1991) einiger Patienten nachgewiesen worden. Erhöhte Eisenwerte in Neuromelaninaggregationen, sowie verringerte Ferritinspiegel unterstützen diese Untersuchungen (Cadet, 2001; Dexter et al., 1987, 1989b; Riederer et al., 1989; Sofic et al., 1988). Besonders anfällig für reaktive Sauerstoffverbindungen im Gehirn ist die Substantia nigra. Zum einen kommt es während des Dopaminstoffwechsels zur Freisetzung von Wasserstoffperoxid, des weiteren enthält sie Neuromelanin, welches selektiv Metalle (z.B. Eisen) bindet. Reduziertes Eisen kann mit Wasserstoffperoxid via Fentonreaktion reagieren und das äußerst schädliche Hydroxylradikal bilden (Klein & Ackerman, 2003). Die Menge der in den Mitochondrien frei werdenden Radikale ist von einer Reihe von verschiedenen Faktoren abhängig. Umwelteinflüsse und Ernährungsfaktoren spielen dabei eine ebenso wichtige Rolle, wie der mitochondriale Stoffwechsel selbst (Adachi et al., 1993; Simic, 1991; Menegon et al., 1997). Als ein Biomarker für den oxidativen Stress hat sich in den letzten Jahren 8-Hydroxy-2’-deoxyguanosin (8-OHdG) etabliert, welches als Folge von Angriffen des Hydroxyl-Radikals auf die Doppelbindungen der DNA-Basen am häufigsten gebildet wird (Simic, 1991; Dizdaroglu et al., 1991, Kasai, 1997). 8-OHdG ist in der Lage sich mit Adenin zu paaren (ca. 1% der Fälle), was wiederum bei der nächsten Replikation zu einer Transversion von Guanin zu Thymin führt (Richter, 1992; Croteau & Bohr, 1997).

Als Kapazitation bezeichnet man den im weiblichen Reproduktionstrakt stattfindenden Reifungsschritt, der Spermien das volle Fertilisierungspotential verleiht. Die molekularbiologischen Grundlagen dieses für eine erfolgreiche natürliche oder auch artifizielle Befruchtung essenziellen Prozesses sind bis heute nur unvollständig verstanden. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden die mit der Kapazitation einhergehenden funktionellen und strukturellen spermalen Veränderungen untersucht. Die kapazitative Stimulation führte zu einer gesteigerten Motilität bis hin zur Hyperaktivierung, zu einer vermehrt induzierten Akrosomenreaktion und zu einer deutlich reduzierten Apoptoseaktivität. Anhand von Inhibitionsexperimenten wurde die Rolle der potentiellen Signaltransduktoren Caspase-1, Calpain und Calmodulin analysiert. Dabei wies die Calmodulinantagonisierung auf eine ausgeprägte Calciumabhängigkeit aller untersuchten kapazitationsassoziierten Prozesse hin. Die Hemmung von Caspase-1 und Calpain führte zu einer Beeinträchtigung der Motilität und der Akrosomenreaktion ohne das Ausmaß der Apoptoseinduktion zu beeinflussen. Die vorstehend genannten Erkenntnisse wurden zur Evaluation verschiedener Ejakulataufbereitungsprotokolle genutzt. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Kombination des modernen Verfahrens der immunomagnetische Zellseparation mit der etablierten Methode der Dichtegradientenzentrifugation dem einfachen Standard in Bezug auf die Anreicherung hochmotiler Spermien mit minimaler Apoptoseaktivität aus frischen wie auch aus kryokonservierten Ejakulaten deutlich überlegen war. Bedeutsam im Hinblick auf eine mögliche pratische Anwendung der immunomagnetischen Zellseparation erscheint der Befund, dass die durch das kombinierte Anreicherungsverfahren erhaltene Spermatozoensubpopulation im Hamsteroozytenpenetrationstest ein signifikant höheres Fertilisierungspotential zeigte.