Alexandra Kukat

• Viele Funktionen der Mitochondrien basieren auf Prozessen, an denen sowohl mitochondriale wie auch kernkodierte Genprodukte beteiligt sind. Durch zahlreiche Interaktionen ist der Einfluss dieser Einzelkomponenten auf das zelluläre System oftmals nur schwierig erkennbar. Mit Hilfe von rho0 -Zellen, deren Mitochondrien über kein eigenes Genom mehr verfügen, kann die mitochondriale Genkomponente ausgeschlossen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zunächst die metabolischen, proliferativen und morphologischen Eigenschaften einer rho0-ZelllinieViele Funktionen der Mitochondrien basieren auf Prozessen, an denen sowohl mitochondriale wie auch kernkodierte Genprodukte beteiligt sind. Durch zahlreiche Interaktionen ist der Einfluss dieser Einzelkomponenten auf das zelluläre System oftmals nur schwierig erkennbar. Mit Hilfe von rho0 -Zellen, deren Mitochondrien über kein eigenes Genom mehr verfügen, kann die mitochondriale Genkomponente ausgeschlossen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zunächst die metabolischen, proliferativen und morphologischen Eigenschaften einer rho0-Zelllinie 143B.TK-K7 untersucht, welche durch die Expression einer mitochondrial zielgesteuerten Restriktionsendonuklease hergestellt wurde. Während der Kultivierung bilden sich im Zytoplasma der 143B.TK-K7-Zellen mit fortlaufender Kultivierungszeit und zunehmenden Azidifizierung des Mediums Mega-Mitochondrien. Diese entstehen sowohl durch zahlreiche Fusionsereignisse als auch einem Schwellen durch vermehrten Wassereinfluss in die Mitochondrienmatrix. Alle Mitochondrien liegen dann als große kugelförmige Strukturen in der Zelle vor und nehmen somit die geringste Oberfläche zu einem vorhandenen Volumen ein. Die Entstehung der Mega-Mitochondrien ist dabei abhängig von einer hohen Protonenkonzentration zusätzlich zu einer ausreichend großen Menge an Laktat im Medium (Milchsäure). Zudem zeigt sich, dass auch in Zellen, welche noch ein mitochondriales Genom besitzen, durch diese Bedingungen die Bildung von Mega-Mitochondrien induziert werden kann. Bei der Entstehung der Mega-Mitochondrien handelt es sich zunächst nicht um apoptotische Vorgänge, da durch den Austausch des aziden Mediums eine äußerst schnelle Rückbildung in ein, den rho0-Zellen ähnliches Mitochondriennetzwerk erfolgt. Metabolische Untersuchungen zeigen, dass für die Rückbildung der Mega-Mitochondrien zu einem Netzwerk ausschließlich die im Medium vorhandene Protonenkonzentration ausreichend gering sein muss. Durch immunzytochemische Untersuchungen wurde deutlich, dass sowohl das mitochondriale Fusionsprotein MFN2 wie auch das Fissionsprotein DNM1L während der Entstehung und auch Rückbildung der Mega-Mitochondrien in punktförmigen Bereichen an der äußeren Mitochondrienmembran lokalisieren. Um zu überprüfen, ob die Bildung der Mega-Mitochondrien durch einer Überexpression von Proteinen der Fissionsmaschinerie verhindert wird, wurden PAGFP- bzw. EGFP-Fusionsproteine mit hFis1 und DNM1L hergestellt und in die 143B.TK-K7-Zellen transfiziert. Dabei führt eine verstärkte Expression von hFis1 zu aggregierten Mitochondrien, welche zwar anschwellen, nach einem Mediumwechsel jedoch trotzdem bestehen bleiben. Eine Überexpression von DNM1L hat keinen Einfluss auf die Entstehung und Rückbildung der Mega-Mitochondrien. Durch Inhibierung des Tubulin- bzw. Aktin-Zytoskeletts, konnte gezeigt werden, dass eine Zerstörung des Tubulin-Zytoskeletts auf die Entstehung und Rückbildung der Mega-Mitochondrien keine Auswirkungen hat. Die Untersuchungen zu dem Einfluss des Aktin-Zytoskeletts zeigen, dass die Mega-Mitochondrien ringförmig von dem Aktin-Zytoskelett umgeben sind. Mit Hilfe von Fluoreszenzprotein-Markern für die äußere und innere Mitochondrienmembran wurden die Mega-Mitochondrien als Modellsystem für mitochondriale Fusions- und Fissionsstudien verwendet. Somit konnte in der vorliegenden Arbeit mitochondriale Fusion und Fission zum ersten Mal an lebenden Zellen direkt beobachtet werden und führte nachfolgend zu der Einteilung von Fusionsvorgängen der Mitochondrien in einen Modus 1, bei dem eine zeitlich gekoppelte vollständige Fusion von sowohl äußerer wie auch innerer Membran geschieht und einen Modus 2, bei dem die Fusion der äußeren Membranen ohne die Fusion der inneren Membranen erfolgt. In ähnlicher Weise kann die Fission von Mitochondrien unterteilt werden. In einem als Modus 1 bezeichneten Mechanismus beginnt die Rückbildung der Mega-Mitochondrien zunächst mit einer Tubulierung der Mitochondrien hin zu langen Mitochondrienschläuchen, die einen nur geringen Durchmesser besitzen. Erst dann treten vermehrt zeitlich sehr schnell ablaufende Fissionsvorgänge auf. Zusätzlich wurde ein Modus 2-Mechanismus der Fission beobachtet, welcher aus einer unvollständigen Fusion resultiert, bei dem die inneren Membranen noch nicht miteinander verschmolzen sind. Auf elektronenmikroskopischer Ebene finden während der Mega-Mitochondrien-Bildung drastische Veränderung von zwiebelringartigen Cristae hin zu einer Abnahme von inneren Membranstrukturen und der elektronendichte im Matrixraum statt. Somit ist im Rahmen dieser Arbeit zum ersten Mal eine optische Beobachtung sowohl dieser Bewegungen wie auch von Fusions- und Fissionsprozessen und deren zeitlich Auflösung in vivo mit Hilfe der Mega-Mitochondrien gelungen.…
• A variety of mitochondrial features are based on processes involving mitochondrially encoded as well as nuclear encoded gene products. By means of these manifold interactions it is difficult to discern the influences of the single components. One effort to overcome these difficulties was the development of cells devoid of endogenous mtDNA (so called rho0 cells) and therefore to exclude the mitochondrial genetic component. The aim of this thesis was the investigation of the metabolic, proliferative and morphologic characteristics of a rho0 cellA variety of mitochondrial features are based on processes involving mitochondrially encoded as well as nuclear encoded gene products. By means of these manifold interactions it is difficult to discern the influences of the single components. One effort to overcome these difficulties was the development of cells devoid of endogenous mtDNA (so called rho0 cells) and therefore to exclude the mitochondrial genetic component. The aim of this thesis was the investigation of the metabolic, proliferative and morphologic characteristics of a rho0 cell line (143B.TK-K7) based on a 143B.TK- background. This cell line was developed by the expression of a mitochondrially targeted restriction endonuclease. During the cultivation and proceeding acidification of the culture medium by lactic acid megamitochondria developed in the cytoplasm of the 143B.TK-K7 cells. These megamitochondria form both by multiple fusion events and an additional increase in water influx into the matrix. All mitochondria then exist as large spherical structures with diameters of up to 7 µm and therefore receive the smallest surface area to a given volume. The formation of megamitochondria is dependent on a high proton production level additional to a sufficient amount of lactate (lactic acid) in the medium. Furthermore it is possibly to induce megamitochondria in cells still possessing a mitochondrial genome by these conditions. The formation of megamitochondria is not a sign of apoptotic processes per se, because the back-formation of the megamitochondria into a rho0-like network can be induced very fast by the exchange of the acidulated medium. Initial deformations of the megamitochondria are followed by tubulation in progressive mitochondria tubules and numerous fission events. Metabolic analyses show that this backformation only depends on a sufficient low concentration of protons in the medium. When the given threshold is not being traversed the megamitochondria persist. Immunocytological investigations both of the fusion protein MFN2 and the protein of the fission machinery DNM1L demonstrate a constant mitochondrial distribution in focal regions of the outer mitochondrial membrane during formation as well as back-formation of megamitochondria. By overexpressing the fission proteins hFis1 and DNM1L respectively in 143B.TK-K7 cells, it should be tested whether or not megamitochondria develop. The enhanced expression of hFis1 led to the formation of aggregated mitochondria that indeed swell but persist after changing the medium. The overexpression of DNM1L has no influence on the formation as well as the back-formation of the megamitochondria. Incubation of the cells with inhibitors for the tubulin respectively actin cytoskeleton evidenced that the destruction of the tubulin cytoskeleton has no consequence for the formation and back-formation of megamitochondria. Unclear results were obtained with inhibitors of the actin cytoskeleton probably due to secondary effects of the inhibitors to the cells. However the findings showed that the megamitochondria are embedded into the actin cytoskeleton. Additionally the megamitochondria were used as a model system for mitochondrial fusion and fission events. For this purpose fluorescent protein markers for the inner and outer mitochondrial membrane were created. With these tools it was possible to observe directly mitochondrial fusion and fission in living cells by confocal microscopy. Furthermore this led to the classification of fusion processes of the mitochondria in a mode 1 with temporally coupled fusion of outer and inner membrane and a mode 2 where the fusion of outer membrane occurs independent of the inner membrane fusion. In a similar way the fission of mitochondria can be sub-classified: mode 1 is featured during the back-formation of megamitochondria by increasing tubulation events in long mitochondrial tubules with thin diameters. Only at this point very fast fission events could be observed. Furthermore in a fission mode 2 that results from an incomplete fusion of inner mitochondrial membranes, the outer membrane invaginates from one side along the unfused inner membranes until two separate mitochondrial units exist. During the megamitochondria formation on electron microscopic level drastic changes occur from fuzzy onion like structures to a decrease of inner membranes and electron density in the matrix. Additionally inversions and inclusions consisting of one membrane and also double membranes are evident. Comparisons with confocal microscopy images show that these inclusions apparently accomplish undirected movements with high velocity. In the present thesis it was possible to observe for the first time these movements as well as mitochondrial fusion and fission in living cells with an outstanding optical and temporal resolution.…