Regulating mitochondrial function: The roles of SIRT3 as a mitochondrial protein deacetylase and the functions of the Twinkle helicase in mitochondrial DNA maintenance

Abstract

Valtaosa solun energiasta tuotetaan mitokondrioissa, erilaistuneissa soluelimissä. Energian tuotannon säätely muuttuvissa olosuhteissa on keskeistä solun ja koko kehon normaalille toiminnalle. Säätely on monitasoista ja siihen osallistuu lukuisia entsyymejä ja pieniä välittäjämolekyylejä. SIR-entsyymit vaikuttavat kohdeproteiiniensa toimintaan poistamalla niistä kemiallisia asetyyli-ryhmiä. Tämä muokkaaminen voi vaikuttaa esim. proteiinin entsymaattisen aktiivisuuteen tai sen kykyyn kiinnittyä muihin molekyyleihin. Toimiakseen SIR-entsyymit tarvitsevat NAD-nimistä molekyyliä, jonka määrä heijastaa solun energiatasapainoa. SIRT-entsyymien toiminta riippuu siis energiatasoista, ja vaikuttaa siltä, että niitä tarvitaan välittämään tietoa esim. muutoksista ravintoaineiden läsnäolosta energian tuotantoon osallistuville proteiineille.

SIR-entsyymit ovat säilyneet muuttumattomina evoluutiossa ja ainakin alemmissa eukaryooteissa ne on yhdistetty stressivasteeseen ja eliniän pidentämiseen. Ihmisellä on seitsemän SIR:n kaltaista entsyymiä, sirtuinia, joista kolme toimii mitokondrioissa. Näistä etenkin SIRT3:n on osoitettu säätelevän useita aineenvaihduntaan ja energian tuotantoon osallistuvia proteiineja. Tämä väitöskirjatutkimus vahvisti SIRT3:n roolia energian tuotannon säätelyssä sekä liitti sen erityisesti rasvahappojen pilkkomiseen mitokondrioissa. SIRT3:lla ja muilla sirtuineilla voi olla vaikutusta aineenvaihduntasairauksien kuten tyypin 2 diabeteksen ja metabolisen oireyhtymän kehittymisessä tai niitä voitaisiin mahdollisesti käyttää niiden hoidossa. Aikaisemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että ruokavaliota muuttamalla sekä poistamalla SIRT3:n saadaan aikaan muutoksia hiirten mitokondriaalisten proteiinien asetylaatiossa sekä mitokondrioiden kyvyssä tuottaa energiaa. Tässä tutkimuksessa vahvistettiin myös ihmisen ja hiiren SIRT3:n samankaltaisuus sekä niiden kohdentuminen mitokondrioihin. Näillä havainnoilla on merkitystä hiirillä saatujen tulosten soveltamiseen ihmisen soluissa tehtäviin tutkimuksiin.

Mitokondrioiden erityispiirre on niiden oma DNA, renkaan muotoinen genomi, jota on useita kopioita yhdessä mitokondriossa. Mutaatiot mitokondrion DNA:ssa aiheuttavat energianpuutostiloja, sillä mitokondrion DNA ohjaa energian tuottamiseen tarvittavien proteiinien valmistamista. Mitokondriaalisen DNA:n mutaatioiden taustalla on toisinaan virheellinen DNA:n kopiointi, joka johtuu mutaatioista DNA:ta kahdentavissa entsyymeissä. Twinkle -helikaasin mutaatiot johtavat mitokondriaalisen DNA:n häviämiin. Potilaat kärsivät eriasteisesta lihasheikkoudesta ja neurologisista ongelmista. Tutkimuksessa toisessa osassa havaittiin, että Twinklen mutaatiot heikentävät entsyymin kykyä sitoa ja avata DNA-juosteita, mikä pysäyttää DNA:n kahdentamisen ennenaikaisesti soluviljelymallissa. Näin saatiin siis uutta tietoa häviämien syntymekanismista sekä mitokondriaaliseen DNA:han liittyvien entsyymien toiminnasta. Tulokset myös osoittivat, että solu- ja eläinmallit soveltuvat mitokondriaalisten sairauksien tutkimiseen molekyylitasolla.

Mitochondria are responsible for producing the majority of cellular energy. The events leading to energy production are regulated at several levels and require the action of many enzymes and small molecules. A recent discovery on the acetylation of mitochondrial proteins suggests that acetylation/deacetylation mediated control is an important way of influencing mitochondrial protein function. This notion is further supported by the presence of at least three mitochondrial SIR2-deacetylases, sirtuins (SIRT3-5). These enzymes are dependent on NAD and have been shown to influence the action of metabolic proteins. In general, these highly conserved deacetylases have been associated with the control of metabolism and cell survival in response to nutrient levels in several organisms. This thesis work further elucidates the role of SIRT3 as a mitochondrial deacetylase and its potential to target energy producing pathways, and presents evidence on the hSIRT3 mediated control of mitochondrial fatty-acid oxidation. Due to their influences on metabolic control sirtuins have been proposed to influence the development of metabolic conditions such as type 2 diabetes and/or could be used as targets for treatment. Earlier studies have shown that diet and SIRT3 levels can influence the acetylation of mitochondrial proteins and levels of energy production in mice. This work also addressed the sequence similarity and sub-cellular location of human and mouse SIRT3. The two proteins were found to be highly homologous, which cleared controversial claims on their length and targeting. This observation also warrants the extrapolation of results obtained in mouse models to situations in humans.

Mitochondrial function is dependent on its DNA (mtDNA), which codes for components of the energy producing electron transport chain. The mitochondrial genome in turn is dependent on nuclear genes for its maintenance. Mutations to mtDNA maintenance proteins cause disorders, which involve impaired energy production. The second part of the thesis examines the molecular properties of various disease causing mutants of the mtDNA helicase Twinkle. These mutations cause autosomal progressive dominant opthalmoplegia (adPEO), which is a neuromuscular disease characterised by multiple mtDNA deletions in the post-mitotic tissues of patients. The results show that Twinkle adPEO mutants are compromised in various biochemical properties including their ability to bind and unwind DNA. Expression of the mutants in human cells and mouse tissues resulted in a replication stalling phenotype. These studies shed light on the molecular mechanisms of mtDNA maintenance in health and disease.