Assembly, regulation and molecular architecture of mitochondrial cristae organising systems

Abstract

Mitochondria are double-membrane bound organelles with a plethora of metabolic and signalling functions, which are facilitated by their complex micro-architecture. The mitochondrial inner membrane possesses an intricate ultrastructure and is divided into a boundary membrane and specialized membrane invaginations, termed cristae, which are optimised for oxidative phosphorylation and a universal structural feature of aerobic eukaryotes. Several protein machineries help to shape cristae. Dimers of the ATP synthase create membrane curvature to stabilise cristae tips and rims, while the mitochondrial contact site and cristae organising system (MICOS) stabilises crista junctions and links inner and outer membrane. In addition, dynamin-like GTPases of the OP A1/Mgm1 family dynamically remodel cristae shape by a poorly characterised mechanism. The work described in this thesis further elucidates the assembly mechanisms of MICOS and Mgm1 using a combination of genetic and biochemical approaches in yeast and human cell lines. Studies in yeast reveal that the MICOS core subunits Mic10 and Mic60 are essential for the efficient adaptation to respiratory metabolism. A moonlighting function of Mic10 in modulating ATP synthase assembly appears to be particularly important for this process. The assembly of Mic10 can be regulated by the two paralogous MICOS subunits Mic26 and Mic27 in an antagonistic manner, possibly to coordinate Mic10 functions. The second core subunit Mic60 forms stable supercomplexes with the β-barrel biogenesis machinery of the outer membrane in human cells. A detailed analysis of knockout cell lines revealed that a lack of Mic60 leads to protein biogenesis defects and that a J-protein of the outer membrane interacts with MICOS to spatially coordinate protein biogenesis at import sites. The dynamic remodelling of cristae membranes is mostly mediated by proteins of the Mgm1/OPA1 family. The crystal structure of Mgm1 described here revealed a tetrameric assembly and cryo-electron tomography reconstructions of membrane-bound Mgm1 showed that these tetramers assemble into helical filaments on the inside and outside of membrane tubes. Mgm1 yeast mutants demonstrated that the assembly of Mgm1 into dimers and tetramers is essential for the maintenance of cristae architecture and respiratory growth. The work described here shed light on the assembly of MICOS and Mgm1, which are two major cristae organising systems. A structural biology approach combined with data from yeast mutants revealed how Mgm1 filaments can remodel cristae membranes. A comparative approach in yeast and human cells showed that MICOS organisation is evolutionarily conserved and that both core subunits affect distinct mitochondrial pathways. While Mic60 is directly involved in protein biogenesis of outer membrane proteins, Mic10 affects the assembly of inner membrane complexes such as the ATP synthase. Future work will have to dissect how the membrane-shaping protein machineries of the inner membrane coordinate their activities to control cristae shape in a regulated manner.

Mitochondrien sind von zwei Membranen umschlossene Organellen aller eukaryotischen Zellen mit einer Vielzahl an Funktionen im zellulären Metabolismus und in Signalwegen. Die innere Membran formt Einstülpungen oder Cristae mit einer für die zelluläre Atmung optimierten Form. Ein großer Proteinkomplex (MICOS; mitochondrial contact site and cristae organising system) formt die Verbindung zwischen Cristae und dem Rest der Innenmembrane und verbindet außerdem Außen- und Innenmembran. Dimere der ATP-Synthase stabilisieren die Membrankrümmung in Cristae. Zusätzlich können Cristae durch die Dynamin-ähnliche GTPase Mgm1 verformt werden. Mit Hilfe genetischer und biochemischer Ansätze in Hefen und humanen Zelllinien konnten in dieser Arbeit detaillierte Modelle der Assemblierung von MICOS und Mgm1 erstellt werden. Experimente in Hefe zeigen, dass die zentralen MICOS Untereinheiten Mic10 und Mic60 in der Anpassung an respiratorischen Metabolismus beteiligt sind. Eine Zusatzfunktion von Mic10, welches auch die Assemblierung der ATP-Synthase beeinflusst, scheint hier besonders wichtig zu sein. Die Assemblierung von Mic10 wird auch aus diesem Grund von zwei anderen MICOS Untereinheiten, den paralogen Proteinen Mic26 und Mic27, in einer antagonistischen Weise reguliert. Die zweite zentrale Untereinheit Mic60 bildet in humanen Zellen sehr stabile Kontakte mit der β-barrel Proteinbiogenesemaschinerie der Außenmembran und koordiniert, zusammen mit einem hier charakterisiertem J-Protein, die Proteinbiogenese auf der Mitochondrienoberfläche. Die dynamische Veränderung der Cristaestruktur wird hauptsächlich durch die Dynamin- ähnliche GTPase Mgm1 vollzogen. Basierend auf einer Mgm1 Kristallstruktur und Kryo- Elektronen-Tomographie Daten konnte ein modularer Aufbau in Dimere, Tetramere und helikale Filamente auf der Außen- und Innenseite von Membranröhrchen gezeigt werden. Die hier beschriebenen Experimente mit Hefe Mgm1 Mutanten konnten zeigen, dass dieser modulare Aufbau essenziell für die Aufrechterhaltung der Cristaestruktur ist. Die hier dargestellten Arbeiten beschreiben neue Details des Aufbaus von MICOS und Mgm1. Mittels einer Kombination aus strukturbiologischen Daten und genetischen Ansätzen in Hefe konnte gezeigt werden wie Mgm1-Filamente Cristae verformen können. Ein Vergleich des molekularen Aufbaus des MICOS Komplexes in Hefe- und Säugerzellen offenbarte, dass MICOS hochkonserviert ist und dass die zentralen MICOS Untereinheiten unterschiedliche Prozesse in Mitochondrien beeinflussen. Während Mic60 die Biogenese mitochondrialer Außenmembranproteine steuert, hat Mic10 einen Einfluss auf die Assemblierung von Innenmembrankomplexen, wie zum Beispiel der ATP-Synthase. Zukünftige Studien müssen versuchen, das Zusammenspiel der verschiedenen cristaeverformenden Proteinkomplexe besser zu verstehen.