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ER-to-Peroxisome tethering and Membrane Rearrangement during Peroxisome Maintenance
Johannes- Paul Maximilian Koch
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Betreuer*in
Cécile Brocard
DOI
10.25365/thesis.18461
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30292.68612.553362-1
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Peroxisomen sind essentielle Organellen in eukaryontischen Zellen. Sie nehmen an vielen metabolischen Prozessen teil, vor allem im Lipidstoffwechsel und in der Entgiftung von ROS. Ihr Verlust führt zu schweren cerebrohepatorenalen Krankheiten, wie zB dem Zellweger Syndrom, die bereits kurz nach der Geburt zum Tod führen. Daher ist das Verständnis der molekularen Mechanismen, mit denen Zellen ihre Peroxisomen erhalten, notwendig.
Peroxisomen vermehren sich durch Wachstum und Teilung von existierenden Peroxisomen, und können auch de novo vom ER generiert werden. Die in der Proliferation involvierten Proteine heißen Peroxine (PEX).
Diese Arbeit untersucht die molekularen Mechanismen der Peroxisomen-Biogenese in Hefe und Humanzellen. Wir analysierten Protein der PEX11 und PEX30 Familie, die beide für die Regulation der Anzahl und Form der Peroxisomen verantwortlich sind. Die beiden Mechanismen der Peroxisomenbildung sind nicht unabhängig voneinander. Strenge Regulation muss existieren, um einen ordnungsgemäßen Transfer von Lipiden und Membranproteinen vom ER zu Peroxisomen zu gewährleisten. Basierend auf unseren Studien am Pex30p Protein in S. cerevisiae schlagen wir vor, dass ein großer Membranproteinkomplex inklusive Pex30p als Andockstelle für Peroxisomen am ER dient, und zusammen mit ER-morphogenen Proteinen, spezifische Stellen am ER markiert sowohl für de novo Generierung und als Kontaktstelle für existierende Peroxisomes markiert.
Weiters analysierten wir die PEX11 Protein Familie in S. cerevisiae und zeigen, dass während Pex11p eher in der Teilung von existierenden Peroxisomen involviert ist, Pex25p für die Wiedereinführung von Peroxisomen vom ER verantwortlich ist. Hierbei arbeitet Pex30p unterhalb von Pex25p und unabhängig von Pex11p.
In unseren Studien in humanen, Hefe- und Pflanzenzellen etablierten wir die PEX11 Proteine als Membranelongationsfaktoren, die die peroxisomale Teilung durch ein Herausstülpen der peroxisomalen Membran koordinieren. Wir zeigten, dass der Matrixproteininhalt während der Peroxisomenteilung segregiert und schlagen dies als Qualitätskontrollmechanismus vor. Schließlich, basierend auf unseren detaillierten Analysen des Zusammenspiels der humanen PEX11 Proteine und Faktoren der Teilungsmaschinerie, zeigten wir einen möglichen Mechanismus der peroxisomal Teilung in humanen Zellen.
Unsere Daten über verschiedene Aspekte der peroxisomalen Proliferation tragen zum Verständnis des Wechselspiels zwischen ER und Peroxisomen bei, und ergeben neue Sichtweisen auf den molekularen Mechanismus der Peroxisomenerhaltung.
Abstract
(Englisch)
Peroxisomes are essential organelles present in every eukaryotic cell. They participate in many metabolic processes including lipid metabolism and ROS detoxification. Their absence correlates with the occurrence of severe cerebrohepatorenal diseases, such as the Zellweger syndrome, leading to death early after birth. Thus, understanding the molecular mechanisms by which cells maintain their pool of peroxisomes is critical.
Peroxisomes multiply by growth and division of pre-existing peroxisomes, and they can be generated de novo from the ER. The proteins involved in the proliferation of peroxisomes are called peroxins (PEX).
This work investigated the molecular mechanisms governing peroxisome biogenesis in yeast and human cells. We analyze proteins of the PEX11 and the PEX30 family, both responsible for regulating peroxisomal number and shape. The two mechanisms of peroxisome formation are not independent. Tight regulation must exist to ensure proper transfer of lipids and membrane proteins from the ER to peroxisomes. Based on our studies of the Pex30p protein in S. cerevisiae we propose that large membrane protein complexes including Pex30p act as hub for peroxisomes to the ER and, together with ER morphogenic proteins, designate specific ER sites for both, de novo formation and contact sites for existing peroxisomes.
Furthermore, we analyzed proteins of the PEX11 family in S. cerevisiae and showed that while Pex11p is involved in the fission of pre-existing peroxisomes, Pex25p is required for the reintroduction of peroxisomes from the ER. Here, we also demonstrated that Pex30p acted downstream of Pex25p and independently of Pex11p.
In further studies in yeast, plant and human cells, we established the PEX11 proteins as membrane elongation factors that coordinate peroxisome fission by protruding the peroxisomal membrane. We showed that the matrix protein content segregated during peroxisome fission and proposed this as quality control mechanism. Finally, based on our detailed analysis of the interplay between the human PEX11 proteins and factors of the fission machinery, we suggested a mechanism for peroxisome fission in human cells.
Our data on multiple aspects of peroxisome proliferation contribute to the understanding of ER-to-peroxisome crosstalk and provide new insights on peroxisomal maintenance at the molecular level.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Peroxisome Proliferation Membrane Remodeling Membrane Elongation Factors PEX11 PEX30 organellar fission
Schlagwörter
(Deutsch)
Peroxisomenproliferation Membranremodellierung Membranelongationsfaktoren PEX11 PEX30 Organellenteilung
Autor*innen
Johannes- Paul Maximilian Koch
Haupttitel (Englisch)
ER-to-Peroxisome tethering and Membrane Rearrangement during Peroxisome Maintenance
Paralleltitel (Deutsch)
ER-zu-Peroxisome Anhaftung und Membranerearrangements während der Peroxisomenerhaltung
Publikationsjahr
2011
Umfangsangabe
190 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Marc Fransen ,
Ewald Hettema
AC Nummer
AC09038315
Utheses ID
16543
Studienkennzahl
UA | 091 | 490 | |