Dokument: Die Rolle des Sirtuins SIRT4 in mitochondrialer Funktion und Qualitätskontrolle, zellulärer Seneszenz und Alterung
| Titel: | Die Rolle des Sirtuins SIRT4 in mitochondrialer Funktion und Qualitätskontrolle, zellulärer Seneszenz und Alterung | |||||||
| Weiterer Titel: | The role of sirtuin SIRT4 in mitochondrial function and quality control, cellular senescence and aging | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=45710 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20180417-080305-6 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | M.Sc. Lang, Alexander [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Ahmadian, Reza [Gutachter] Prof. Dr. Martin, William [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | sirtuin 4, SIRT4, aging, Alterung, Mitochondrien, Mitophagie, Autophagie, zelluläre Seneszenz | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Das Sirtuin SIRT4 ist ein metabolischer, NAD+-abhängiger Regulator des mitochondrialen Energiemetabolismus, fungiert als Tumorsuppressor und ist involviert in die zelluläre Alterung. Diese Arbeit umfasst die Charakterisierung von SIRT4 als Modulator der Alterung in der mitochondrialen Qualitätskontrolle, der mitochondrialen Dysfunktion sowie der möglichen extramitochondrialen Kontrolle der Mikrotubulifunktion/-dynamik und mitotischen Zellteilung. Die seneszenz- und alterungsabhängige Zunahme der SIRT4-Expression wurde in verschiedenen Alterungsmodellen, im Besonderen in humanen dermalen Fibroblasten und lichtgealterter Haut gezeigt. Hierbei wurde die regulatorische MikroRNA miR-15b identifiziert, die die Expression von SIRT4 auf mRNA- und Proteinebene reguliert. Die Zunahme der SIRT4-Expression durch Inhibition von miR-15b zeigte eine Modulation des Seneszenz-assoziierten sekretorischen Phänotyps (SASP), aber auch eine Reduktion der mRNA-Mengen nukleär kodierter Proteine, die die mitochondriale Biogenese (TFAM), antioxidative Antwort (NRF1) und Atmungskettenfunktion (Cytochrom C) steuern. Des Weiteren konnte eine erhöhte mitochondriale Aggregation/Fusion, Reduktion des mitochondrialen Membranpotentials und eine verstärkte Produktion von mitochondrialen reactive oxygen species (ROS) in Abhängigkeit der SIRT4-Zunahme gezeigt werden. Die Überexpression von SIRT4-eGFP förderte die Zunahme der langen, aktiven Form der GTPase Optic Atrophy 1 (L-OPA1), die für die Fusion von Mitochondrien verantwortlich ist. Hierbei wurde eine (direkte oder indirekte) Interaktion von SIRT4-eGFP mit L-OPA1 beobachtet. Die Zunahme von L-OPA1 relativ zu short (S)-OPA1 verschob das Gleichgewicht von der mitochondrialen Trennung zur Fusion, so dass ein verstärktes mitochondriales Netzwerk entstand. Ein stabileres Netzwerk reduzierte zugleich die Funktion der Mitophagie, einem Prozess zur Qualitätssicherung der Mitochondrien. Schließlich zeichnete sich die SIRT4-Überexpression durch eine inhibierende Wirkung auf die mitochondriale Atmungskette aus mit einem reduzierten O2-Verbrauch. Massenspektrometrische Analysen des SIRT4-Interaktoms zeigten, dass SIRT4 mit Proteinen der Atmungskette (Komplex I und Komplex V) interagiert. Eine Interaktion von SIRT4 mit bereits bekannten Bindungspartnern, wie der Glutamatdehydrogenase, validierten diese Analyse. Zudem konnten neue mögliche Funktionen von SIRT4 basierend auf dessen Interaktion mit Regulatoren der Proteinqualität (Chaperonen), der mitochondrialen tRNA-Beladung/Aminosäureaktivierung (tRNA-Aminoacylierung), der mitochondrialen Organisation (OPA1), aber auch der Mikrotubulifunktion (alpha/beta-Tubulin, gamma-Tubulin, GCP2, HDAC6) und Zellzyklusregulation (CDK1) bestätigt bzw. neu gefunden werden.
Schließlich konnten Befunde bzgl. einer neuartigen C-terminalen Prozessierung von mitochondrialem SIRT4 erhoben werden, deren physiologische Bedeutung im Gegensatz zur N-terminalen Prozessierung (mitochondrialer Import) derzeit unklar ist. Insgesamt kann in dieser Arbeit die Funktion von stressinduziertem SIRT4 als alterungsfördernd beschrieben werden, indem SIRT4 mitochondriale Dysfunktionen (ROS, Senkung des mitochondrialen Membranpotentials, erniedrigte mitochondriale Qualitätskontrolle) bewirkt und möglicherweise auch extramitochondriale Veränderungen (Zellzyklusderegulation, Malmitose) nach sich zieht.The Sirtuin SIRT4 is a NAD+-dependent regulator of cellular energy metabolism in mitochondria. SIRT4 acts as a metabolic tumor suppressor and is associated with cellular senescence and aging. This work focused on the characterization of SIRT4 as a modulator of aging in mitochondrial quality control and mitochondrial dysfunction as well in microtubule function and mitotic cell division, the latter consistent with a potential extra-mitochondrial function of SIRT4. The stress-dependent increase in SIRT4 expression was demonstrated in various aging models, especially in human dermal fibroblasts and photo-aged skin. At the same time, the regulatory microRNA miR-15b was identified as an inhibitor of SIRT4 expression at the mRNA and protein level. The increase in SIRT4 expression by inhibition of miR-15b resulted not only in a modulation of the senescence-associated secretory phenotype (SASP), but caused also a reduction in the mRNA levels of nuclear-encoded mitochondrial regulators involved in mitochondrial biogenesis (TFAM), anti-oxidative response (NRF1), and mitochondrial respiratory chain function (cytochrome C). Furthermore, increased mitochondrial aggregation/fusion, reduction of the mitochondrial membrane potential, and increased production of mitochondrial reactive oxygen species (ROS) were demonstrated as a consequence of SIRT4 increase. Stable overexpression of SIRT4-eGFP at a low level in HEK293 cells promoted stabilization of the long, active form of the GTPase optic atrophy protein 1 (L-OPA1), which is a major regulator of mitochondrial fusion. This stabilization of L-OPA1 could be explained by an (direct or indirect) interaction between SIRT4 and OPA1. The relative increase of L-OPA1 vs. the short isoform S-OPA1 shifted the equilibrium from mitochondrial separation to fusion, resulting in an enhanced mitochondrial network. A more stable network also reduced clearance by mitophagy, a constant quality control process for damaged mitochondria. SIRT4 overexpression could also be characterized by an inhibitory effect on the mitochondrial respiratory chain as measured by a reduced O2 consumption. Mass spectrometric analyses of the SIRT4 interactome indicated that SIRT4 interacts with several proteins of the respiratory chain (complex I and complex V). The interaction with previously known interactors, such as glutamate dehydrogenase, validated this analysis. In addition, novel putative functions of SIRT4 were revealed given that SIRT4 interacted with regulators of protein quality (chaperones), mitochondrial tRNA ligases / amino acid activation (tRNA-aminoacylation), mitochondrial organization (OPA1), and possibly extra-mitochondrial functions through interaction with mitotic spindle associated proteins (gamma-tubulin, alpha-tubulin, GCP2, HDAC6) and the cell cycle regulator CDK1 (cyclin-dependent kinase 1). Finally, findings were obtained in favour for a novel C-terminal processing of SIRT4 in mitochondria, of which the physiological significance, in contrast to the N-terminal processing (mitochondrial import), remains to be determined. Overall, the function of stress-induced SIRT4 can be characterized as aging promoting by causing mitochondrial dysfunction (ROS increase, inhibition of the mitochondrial membrane potential, altered mitochondrial quality control and mitophagy) and also potentially leading to extra-mitochondrial changes in proliferation (cell cycle deregulation, malmitosis). | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Medizinische Fakultät » Institute » Institut für Biochemie und Molekularbiologie II | |||||||
| Dokument erstellt am: | 17.04.2018 | |||||||
| Dateien geändert am: | 17.04.2018 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 13.10.2014 | |||||||
| Datum der Promotion: | 28.02.2018 |
