The peroxisome-mitochondria connection : identification and characterization of novel membrane proteins shared by both organelles

Abstract

Peroxisomes and mitochondria are known to act in concert, sharing a growing number of proteins and cellular functions. This connection includes metabolic cooperations and cross-talk (e.g. in fatty acid β-oxidation), a novel putative vesicular trafficking pathway from mitochondria to peroxisomes, an overlap in key components of their fission machinery as well as in signalling events leading to antiviral defence. These findings indicate that these organelles exhibit a closer interrelationship than previously expected. Thus, peroxisome alterations in metabolism, biogenesis, dynamics and proliferation can potentially influence mitochondrial functions, and vice versa, and might contribute to the onset of diseases. There is currently great interest in the identification and characterization of other proteins shared by peroxisomes and mitochondria. The leading candidates are a class of integral membrane proteins with diverse cellular functions, known as tail-anchored (TA) proteins. The main focus of this project was thus to identify and characterize novel TA proteins that are dually targeted to peroxisomes and mitochondria. For this, an antibody/expression-based screening approach was followed which resulted in the identification of new shared components. Our results show that Miro proteins are not only present on peroxisomes and mitochondria but also affect peroxisome motility. This effect is, in principle, due to the interaction of Miro proteins with kinesin motors, promoting anterograde transport of organelles. Furthermore, mutations in the calcium-binding domains of these proteins induce peroxisome aggregation within the cells and near the nucleus, suggesting an unknown function for calcium in the regulation of peroxisome dynamics. As organelle positioning and transport are crucial for cellular functions, especially in neurons, these findings are highly relevant for the study of peroxisome functions in health and disease. Additionally, a bioinformatics analysis of the Ustilago maydis proteome was initiated in order to identify putative tail-anchored proteins. This model organism shares many important processes (e.g. long-distance microtubule transport, polarized growth) and high protein sequence similarity with human cells, while providing the technical advantages of yeast cells.

Os peroxisomas e as mitocôndrias partilham um número crescente de proteínas e funções celulares. As ligações entre estes dois organelos passam por uma cooperação metabólica e crosstalk (e.g. na β-oxidação de ácidos gordos), uma nova via de transporte de vesículas das mitocôndrias para os peroxisomas e a partilha de componentes da maquinaria de fissão e da via de sinalização que promove a defesa antiviral. Estas características mostram que os peroxisomas e as mitocôndrias exibem uma relação mais próxima do que a prevista. Assim, alterações no metabolismo, biogénese, dinâmica e proliferação dos peroxisomas poderão influenciar as funções das mitocôndrias, e vice-versa, e contribuir para o desenvolvimento de doenças. Actualmente existe um grande interesse na identificação e caracterização de novas proteínas partilhadas pelos peroxisomas e mitocôndrias. Os principais candidatos são uma classe de proteínas membranares com diversas funções celulares conhecidas como proteínas tail-anchored (TA). Desta forma, o principal objectivo deste projecto foi a identificação e caracterização de novas proteínas TA presentes em ambos os organelos. Para tal, seguiu-se uma abordagem baseada na análise da localização destas proteínas com anticorpos ou por expressão destas proteínas, que resultou na identificação de novos componentes partilhados por estes dois organelos. Os nossos resultados mostram que as proteínas Miro não só estão presentes nos peroxisomas e nas mitocôndrias, como também afectam a mobilidade dos peroxisomas. Este efeito dever-se-á, em princípio, a uma interacção entre as proteínas Miro e as cinesinas, promovendo o transporte anterógrado de organelos. Para além disso, mutações destas proteínas nos domínios de ligação a cálcio induziram a formação de agregados de peroxisomas na célula, sugerindo uma função até agora desconhecida para o cálcio na regulação da dinâmica dos peroxisomas. Tendo em conta que a posição e o transporte de organelos são cruciais para as funções celulares, especialmente em neurónios, estas descobertas são de elevada importância para o estudo dos peroxisomas na saúde e doença. Adicionalmente, uma análise bioinformática do proteoma do fungo Ustilago maydis foi iniciada de modo a identificar proteínas TA putativas. Este modelo de estudo partilha vários processos importantes com as células humanas (e.g. transporte de longa distância por microtúbulos, crescimento polarizado) e elevada homologia ao nível proteico, permitindo assim tirar partido das várias vantagens técnicas de trabalhar com fungos.