In mitochondria, ATP is generated by oxidative phosphorylation (OXPHOS), a process that requires five multimeric enzyme complexes. Electrons are passed along the first four enzyme complexes (complex I-IV) that make up the mitochondria respiratory chain, releasing energy that is stored in the form of a proton gradient across the mitochondrial inner membrane, and is subsequently used by the ATP synthase (complex V) to produce ATP. Complex IV or cytochrome c oxidase (COX) is the terminal enzyme in the mitochondrial respiratory chain, catalyzing the oxidation of cytochrome c by molecular oxygen. It contains 13 structural subunits in mammals, 3 of which are encoded by mitochondrial DNA. Cytochrome c oxidase deficiencies can be caused by mutations in either mitochondrial or nuclear DNA. COX deficiency can result from mutations in the structural subunits or factors necessary for the assembly of the enzyme complex. In this thesis, two novel genes mutated in two subjects with COX deficiency have been identified. First, we identified a specific defect in the synthesis of the mtDNA-encoded COX subunit 1 (COX I) in a pedigree segregating late-onset Leigh Syndrome and COX deficiency. We mapped the defect to chromosome 17q by microcell-mediated chromosome transfer and identified a homozygous single base pair insertion causing a premature stop in CCDC44, renamed TACO1 for translational activator of COX I. TACO1 is a member of a large family of hypothetical proteins containing a conserved DUF28 domain that localizes to the mitochondrial matrix. Expression of the wild-type cDNA restored TACO1 protein and rescued the translation defect. TACO1 is the first specific mitochondrial translational activator identified in mammals. Respiratory competence, mitochondrial translation and COX activity were normal in yeast strain deleted for the orthologue YGR021w, suggesting that TACO1 has evolved a novel function in mammalian mitochondrial translation. Secondly, we studied a family in which the subject presented with severe congenital lactic acidosis and dysmorphic features associated with a COX assembly defect and a specific decrease in the synthesis of COX I. Using a combination of microcell mediated chromosome transfer, homozygosity mapping, and transcript profiling we mapped the gene defect to chromosome 12, and identified a homozygous missense mutation causing an amino acid change from methionine to isoleucine in C12orf62, a gene apparently restricted to the vertebrate lineage. Expression of the wild-type cDNA restored C12orf62 protein levels, and rescued the COX I synthesis and COX assembly defect. C12orf62 is a very small (6 kDa), uncharacterized, single transmembrane protein that localizes to mitochondria. COX I, II and IV subunits co-immunoprecipitated with an epitope-tagged version of C12orf62, and 2D BN-PAGE analysis of newly synthesized mitochondrial COX subunits in subject fibroblasts showed that COX assembly was impaired, and the nascent enzyme complex unstable. We conclude that C12orf62 is required for coordinating the early steps of COX assembly with the synthesis of COX I. / Dans les mitochondries, l'ATP est généré par la phosphorylation oxydative (PHOSOX), un processus qui nécessite cinq complexes enzymatiques multimériques. Le transport des électrons le long des quatre premiers complexes enzymatiques (complexes I-IV) libère l'énergie qui est stockée sous la forme d'un gradient de protons à travers la membrane interne mitochondriale et est ensuite utilisée par l'ATP synthétase (complexe V) pour produire de l'ATP. Le complexe IV ou cytochrome C oxydase (COX) est l'enzyme terminale de la chaîne respiratoire mitochondriale, catalysant l'oxydation du cytochrome c par l'oxygène moléculaire. Il contient 13 sous-unités structurelles chez les mammifères, dont 3 sont codées par l'ADN mitochondriale. Les déficiences en cytochrome C oxydase peuvent être causées par des mutations dans l'ADN mitochondriale ou l'ADN nucléaire. Les carences en COX peuvent être liées à des mutations dans les sous-unités structurelles ou à des mutations dans des facteurs nécessaires à l'assemblage du complexe enzymatique. Dans cette thèse, deux nouveaux gènes mutés ont été identifiés et caractérisés dans deux patients présentant un déficit en COX. Premièrement, nous avons identifié un défaut spécifique dans la synthèse de la sous-unité COX 1 de l'ADN mitochondriale (COX I) dans un pedigree présentant une apparition tardive du syndrome de Leigh et une carence en COX. Nous avons cartographié le défaut génétique au chromosome 17q par la technique de transfert de chromosomes à médiation microcellulaire. Nous avons, par la suite, identifié une mutation homozygote, une insertion d'une base causant l'apparition prématurée d'un codon stop qui entraîne l'arrêt de la synthèse de la protéine CCDC44, renommé TACO1 pour activateur de la traduction de la COX I. TACO1 est membre d'une famille de protéines contenant un domaine conservé à fonction inconnue, nommé DUF28, qui se localise à la matrice mitochondriale. L'expression de l'ADN complémentaire de type sauvage de TACO1 compense le défaut de traduction de COX I. TACO1 est le premier activateur spécifique de la traduction mitochondriale à être identifié chez les mammifères. Il a été observé que l'absence (knock-down) du gène codant l'orthologue de TACO1 chez la levure, le YGR021w, ne perturbait pas la compétence des voies respiratoires, la traduction mitochondriale, ni l'activité de COX. Ceci suggère que TACO1 a évolué et a acquérit une nouvelle fonction dans la traduction mitochondriale chez les mammifères. Deuxièmement, nous avons étudié une famille dans laquelle le sujet présentait une acidose lactique congénitale et dysmorphie associée à un défaut d'assemblage et une diminution de l'activité enzymatique de la COX due à un défaut spécifique dans la traduction de COX I. En utilisant une combinaison de techniques dont le transfert de chromosomes à médiation microcellulaire, la cartographie d'homozygotie et le profilage de transcription, nous avons cartographié le gène défectueux sur le chromosome 12. Nous avons identifié une mutation faux sens à l'état homozygote provoquant un changement d'acide aminé de méthionine en isoleucine dans le gène C12orf62, un gène qui semble restreint à la lignée des vertébrés. L'expression de l'ADN complémentaire de type sauvage de C12orf62 a restauré la synthèse de COX I et le défaut d'assemblage de la COX. C12orf62 est une très petite protéine transmembranaire (6 kDa), non caractérisée, qui se localise aux mitochondries. Les sous-unités COX I, II et IV co-immunoprécipitent avec un épitope marqué de la protéine C12orf62. Les analyses de bleu d'électrophorèse sur gel de polyacrylamide natif (BN-PAGE) en deux dimensions pour les sous-unités nouvellement synthétisées de la COX mitochondriale ont démontré que la COX assemblée est altérée et que le complexe enzymatique naissant est instable dans les fibroblastes du patient atteint. Nous concluons que C12orf62 est nécessaire pour coordonner les étapes précoces de l'assemblage de la COX et de la synthèse de COX I.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.107626 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Weraarpachai, Woranontee |
| Contributors | Eric Alan Shoubridge (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Human Genetics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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