Proteome and metabolome changes associated with mitochondrial diseases

Abstract

Mitochondrial diseases are a group of metabolic disorders with heterogeneous phe-notypes that are frequently characterized by anomalies of oxidative phosphorylation (OXPHOS). To date, hundreds of mutations affecting the nuclear and mitochondrial DNA (mtDNA) have been associated with mitochondrial disease, but with little in-vestigation of the underlying pathogenic mechanisms. This thesis presents a holistic view of regulatory mechanisms in mitochondrial diseases by integrating quantitative metabolome and proteome data derived from a cell line with a complex I deficiency induced by rotenone and a cell line lacking mtDNA (ρ0 cells). In rotenone treated cells, energy producing pathways such as the respiratory chain, glycolysis, the pen-tose phosphate pathway (PPP), the galactose metabolism and the tricarboxylic acid (TCA) cycle were down-regulated. A protein-protein interaction (PPI) and pathway analysis revealed that proteins involved in cell division processes were increased, while proteins related to the cytoskeleton were decreased. Furthermore, a deficiency of complex I causes a disruption in the iron-sulfur (Fe-S) cluster assembly, resulting in an impairment of redox reactions. In cells lacking mtDNA, mitochondrial energy pathways were down-regulated as well, but data integration revealed that ρ0 cells perform anaerobic glycolysis for sufficient energy supply. Furthermore, a remarka-ble de-ubiquitination was observed, especially of proteins involved in the cytoskele-ton, cytosolic ribosomal proteins and solute carrier (SLC) amino acid transporters. Signaling pathways were significantly up-regulated on the proteome level, which was further supported by a dephosphorylation of proteins involved in GTPase signal-ing and the cytoskeleton organization. Perturbation of the mitochondrial energy me- tabolism could cause an activation of the mitochondrial retrograde response, as ob-served by proteome data and phosphorylation patterns of GTPase signaling pathways in ρ0 cells. In conclusion, the integrated omics approach revealed possible regulato-ry mechanisms and features of mitochondrial diseases in order to adapt to the changed energy metabolism.

Mitochondriale Erkrankungen sind heterogene metabolische Erkrankungen, welche häufig durch Anomalien der oxidativen Phosphorylierung (OXPHOS) charakterisiert werden. Bisher konnten hunderte Mutationen der nukleären und mitochondrialen DNA (mtDNA) mit ihnen in Verbindung gebracht werden, jedoch ist wenig über zu Grunde liegende pathogene Mechanismen bekannt. Um ein einheitliches Bild regu-latorischer Mechanismen in mitochondrialen Erkrankungen zu erhalten, wurden quantitative Daten aus Metabolom- und Proteomexperimenten integriert. Hierfür wurden eine Zelllinie mit einer Rotenon-induzierten Komplex I-Defizienz und eine Zelllinie ohne mtDNA (ρ0 cells) untersucht. In mit Rotenon behandelten Zellen wa-ren Energie produzierende Stoffwechselwege wie die Atmungskette, die Glykolyse, der Pentosephosphatweg, der Galaktosestoffwechsel und der Citratzyklus runterregu- liert. Eine Analyse der Protein-Protein Interaktionen (PPI) und Stoffwechselwege offenbarte niedrigere Zytoskelettproteinkonzentrationen, wohingegen an Zelltei-lungsprozessen beteiligte Proteine abundanter in Komplex I defizienten Zellen wa-ren. Weiterhin führte eine Komplex I-Defizienz zu einer Synthesestörung der Eisen-Schwefel (Fe-S) Cluster, welche wiederum Redoxreaktionen beeinträchtigen könnte. Zellen ohne mtDNA wiesen ebenfalls einen verminderten Energiestoffwechsel auf. Jedoch zeigte die Datenintegration, dass ρ0 Zellen anaerobe Glykolyse betreiben um ihren Energiebedarf zu decken. Weiterhin wurde eine auffallende De-Ubiquitinylierung von Zytoskelettproteinen, zytosolischen ribosomalen Proteinen und solute carrier (SLC) Aminosäuretransportern beobachtet. Signalwege waren in ρ0 Zellen signifikant hochreguliert, was durch die Dephosphorylierung von Protei-nen, beteiligt an GTPase Signalwegen und der Organisation des Zytoskeletts, unter- stützt wurde. Störungen des mitochondrialen Energiestoffwechsels könnten die Akti-vierung der mitochondrialen retrograden Antwort begünstigen. Diese Hypothese wird weiterhin durch Proteomdaten und Phosphorylierungsmuster von GTPase Sig-nalwegen in ρ0 Zellen unterstützt. Diese Arbeit präsentiert mögliche regulatorische Mechanismen und Eigenschaften mitochondrialer Erkrankungen, um sich an den veränderten Energiestoffwechsel anzupassen.