Biogenesis of respiratory chain: Rcf1 and Rcf2 as a novel assembly factors
Biogenese der Atmungskette: Rcf1 und Rcf2 als neue Assemblierungsfaktoren
by Milena Vukotic
Date of Examination:2012-06-07
Date of issue:2012-07-04
Advisor:Prof. Dr. Peter Rehling
Referee:Prof. Dr. Peter Rehling
Referee:Prof. Dr. Gerhard Braus
Referee:Prof. Dr. Dirk Görlich
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Abstract
English
The mitochondrial respiratory chain consists of four membrane-embedded electron transport complexes (complexes I – IV) and the ATP synthesizing F1F0ATPase. Within the inner mitochondrial membrane these complexes assemble into supercomplexes, forming so-called respirasomes. Although understanding the biogenesis and function of these higher oligomeric structures has been the subject of intense research for many years it still remains largely enigmatic. The aim of this work was to obtain novel insights into respirasome formation and their cellular relevance. Using an affinity chromatography based strategy respiratory supercomplexes from yeast, S. cerevisiae mitochondria were purified and novel factors identified and characterized. Rcf1 and Rcf2 are reported to be complex IV components. While Rcf2 is present only among the yeast species, Rcf1 is a conserved subunit and has two human homologs, RCF1a and RCF1b. Yeast cells lacking Rcf1 are affected in cytochrome oxidase activity and display reduced growth efficiency, especially pronounced during hypoxia. Both mutants, rcf1∆ and rcf2∆, show increased ROS production. Rcf1 mediates oligomerization of respiratory complexes, specifically for the formation of oligomers consisting of complex III dimer and two complex IV monomers. Additionally, Rcf1 is necessary for efficient assembly of subunits Cox13 and Rcf2 into the cytochrome oxidase complex. The identification of Rcf1 revealed that mitochondria possess a heterogenous cytochrome oxidase population. The various forms of cytochrome oxidase complexes differ in their subunit composition. At least two cytochrome oxidase subpopulations can be distinguished, one containing Cox13 and one that lacks the Cox13 subunit. Selective loss of the Cox13-containing form was observed in rcf1∆ mitochondria. Both forms are able to incorporate into supercomplexes, thus generating distinct forms of supercomplexes.
Keywords: respiratory chain; assembly factors; mitochondria; respiratory complexes; respirasomes; hypoxia
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Die mitochondriale Atmungskette besteht
aus vier Membranproteinkomplexen für den Elektronentransport
(Komplex I-IV) und der ATP synthetisierenden F1F0ATPase. Diese
Komplexe bilden in der inneren mitochondrialen Membrane
Superkomplexes, so genannte Respirasomen. Trotz intensiver
Bemühungen seit vielen Jahren die Biogenese und Funktion dieser
Strukturen zu verstehen ist, sind viele Fragen noch ungeklärt. Das
Ziel dieser Arbeit war es neue Erkenntnisse zur Respirasombildung
und deren Rolle für die Zelle zu gewinnen. Mit Hilfe von
Affinitätschromatographie wurden die Superkomplexe der Atmungskette
aus S. cerevisiae Mitochondrien gereinigt, und neue Faktoren
identifiziert und charakterisiert. Rcf1 und Rcf2 wurden als Komplex
IV Untereinheiten identifiziert. Während Rcf2 nur in Hefearten
gefunden wurde, ist Rcf1 eine konservierte Untereinheit mit zwei
humanen Homologen, RCF1a und RCF1b. Hefezellen ohne Rcf1 haben eine
reduzierte Cytochrom-c-Oxidase Aktivität und reduziertes Wachstum,
vor allem in Hypoxie. Beide Mutanten, rcf1∆ und rcf2∆, haben eine
erhöhte Produktion reaktiver Sauerstoffspezies. Rcf1 vermittelt die
Oligomerisierung der Atmungskettenkomplexe, im besonderen die
Oligomere bestehend aus einem Komplex III Dimer und zwei Komplex IV
Monomeren. Des Weiteren wird Rcf1 für die effektive Assemblierung
von Cox13 und Rcf2 in die Cytochrom-c-Oxidase benötigt. Die
Identifizierung von Rcf1 hat auch gezeigt, dass in Mitochondrien
eine heterogene Cytochrom-c-Oxidase Population vorliegt. Die
verschiedenen Cytochrom-c-Oxidase Formen unterscheiden sich in der
Zusammenstellung der Untereinheiten. Wenigstens zwei Populationen
können unterschieden werden: eine Cox13 enthaltende und eine ohne
Cox13. Der Verlust der Cox13-enthaltenden Form wurde in rcf1∆
Mitochondrien beobachtet. Beide Formen können in
Atmungskettensuperkomplexe integrieren und damit verschiedene
Superkomplexe bilden.
Schlagwörter: Atmungskette; Assemblierungsfaktoren; Mitochondria; Atmungskettenkomplexe; Respirasome; Hypoxie