Biochemische und zellbiologische Analyse mutanter Varianten der OPA1 GTPase

Abstract

Die Optikus Atrophie 1 (OPA1) ist ein mitochondriales Protein, das zwischen der inneren und äußeren Mitochondrienmembran lokalisiert ist. Mutationen im OPA1-Gen wurden in Patienten mit autosomal dominanter Optikus Atrophie (adOA) gefunden. Die adOA ist die am häufigsten auftretende erbliche optische Neuropathie. Die Erkrankung zeichnet sich durch zunehmenden Verlust der Sehschärfe, zunehmendes Skotom, Farbfehlsichtigkeit und eine bilateral temporale Sehnervatrophie aus (Alexander et. al., 2000). Der zu Grunde liegende Pathomechanismus für adOA ist bislang unklar. Zugleich häufen sich Beobachtungen, die Mutationen im OPA1-Gen mit Symptomen weiterer Enzephalomyopathien als auch anderer Erkrankungen assoziieren. In dieser Arbeit stand die Analyse verschiedener, Patienten-relevanter Mutationen der OPA1 GTPase Domäne im Mittelpunkt. Erstmals wurde der Einfluss derartiger OPA1 Mutanten biochemisch auf die Veränderungen der GTPase Aktivität und zellbiologisch auf Änderungen der Mitochondrienmorphologie untersucht. Außerdem wurde die Auswirkung der OPA1 Mutanten Expression auf die Mitochondrienmorphologie in HeLa und in kürzlich etablierten OPA1(-/-) MEF Zellen (Song et al., 2007) analysiert. Zusätzlich wurde die Mitochondrienmorphologie und Respirationskapazität in Lyphoblastoiden-Zellen von adOA Patienten untersucht. Die stärksten Verluste der GTPase-Aktivität wurde für die OPA1 Mutante 300GTP gemessen. In Zellkultur exprimiert zeigte das OPA1G300E Protein eine fehlende Fusionskompetenz, so dass OPA1G300E nicht in der Lage war die wildtyp Mitochondrienmorphologie in OPA1(-/-) Zellen wiederherzustellen. Stattdessen verblieben die Mitochondrien vesikulär. Dem gegenüber war der Effekt von OPA1R270T vergleichbar dem exogen exprimierten wildtyp OPA1 in OPA1(-/-) Zellen. So ermöglichte OPA1R270T mit 95% GTP- Hydrolyse-Aktivität eine Wiederherstellung der wildtyp-artigen tubulären Mitochondrienmorphologie. Diese Ergebnisse zeigten tendenziell eine starke Korrelation zwischen der OPA1 GTPase Aktivität und der Länge sowie Erscheinungsform von Mitochondrien. Die Analyse der Patientenlymphozyten ergab, dass eine signifikante Veränderung der Mitochondrienmorphologie vorlag, aber ein Verlust an Respirationskapazität nicht einheitlich nachweisbar war. Zusammenfassend konnten die Ergebnissen nachweisen, dass die Aktivität der OPA1 GTPase Domäne essentiell für die korrekte OPA1 Funktion in der Zelle ist. Dabei stellt die Regulierung der Mitochondrienstruktur eine primäre Funktion des OPA1 Proteins dar. Weitere Einflüsse auf Mitochondrienfunktionen, wie die zum Teil beobachtete Beeinträchtigung der Zellrespiration, resultieren höchstwahrscheinlich aus diesem Primäreffekt.

The Opticus Atrophy 1 (OPA1) is a mitochondrial protein localised between the inner and outer membrane. Mutations in the OPA1 gene were found in autosomal dominant opticus atrophy (adOA) patients. AdOA is the most frequent inherited optic neuropathy. The disease is characterised by a loss of visual acuity, progressive scotoma, colour vision failure and temporal optic nerve atrophy (Alexander et al., 2000). The pathomechanism behind adOA is still unknown. Recent observations suggest a connection between OPA1 mutations and further diseases. This work is focused on studying different, patient-relevant mutations localised in the OPA1 GTPase domain. For the first time the influence of such OPA1 mutants was analysed biochemically on GTPase activity changes and cell-biologically on mitochondrial morphology alterations. The effects that OPA1 mutant expression had on mitochondrial morphology in HeLa and in newly made OPA1(-/-) MEF cells (Song et al., 2007) were analysed. In addition mitochondrial morphology and respiration activity were measured in lymphocytes of adOA patients. The most severe loss of GTPase activity was measured for the OPA1 mutant 300GTP. The OPA1G300E protein expressed in cell culture leads to fusion incompetence of mitochondria. This results in an inability to rescue the mitochondrial morphology to a wild type appearance in OPA1(-/-) cells. Instead of this the mitochondria remained vesicular. On the other hand OPA1R270T showed a comparable effect to exogenously expressed wild type OPA1 in OPA1(-/-) cells. Therefore OPA1R270T was able to rescue mitochondrial morphology to wild type-like, tubular structures owing a GTP- hydrolysis-activity of 95 %. These results reflect that OPA1 GTPase activity strongly tends to correlate with length and appearance of mitochondria. The analysis of patient´s lymphocytes revealed a significant change in mitochondrial morphology but no consistent indication for a lost respiratory capacity. Summarising results it could be proven that the activity of OPA1 GTPase domain plays an essential role for proper OPA1 function in cells. Thereby the regulation of mitochondrial morphology represents a primary function of OPA1 protein. Additional effects on mitochondrial function, as partially seen in affected respiration, most commonly arise out of the primary effect.