Mitochondrial ATP synthase deficiencies of a nuclear genetic origin

Abstract

ATP syntáza je klíčový enzym buněčného metabolismu a defekty ATP syntázy patří k nejzávažnějším mitochondriálním onemocněním postihujícím dětskou populaci. Cílem této práce bylo identifikovat genetické defekty a popsat patogenní mechanismy narušení biosyntézy ATP syntázy, které vedou k izolované deficienci tohoto enzymu a projevují se jako mitochondriální encefalomyopatie s nástupem v novorozeneckém věku. Studie skupiny 25 pacientů vedla k identifikaci dvou jaderných genů zodpovědných za deficienci ATP syntázy. První postižený gen byl TMEM70 kódující neznámý mitochondriální protein. Tento protein byl popsán jako nový asemblační faktor ATP syntázy, první specifický pro vyšší eukaryota. Jeho velikost je 21 kDa, nachází se ve vnitřní mitochondriální membráně a není přítomný v tkáních pacientů. Mutace v TMEM70 genu byla nalezena u 23 pacientů a ukázala se být nejčastější příčinou deficience ATP syntázy. Studie na buněčných kulturách ukázaly, že defekt enzymu vede ke kompenzačně-adaptačnímu zvýšení komplexů IV a III respiračního řetězce způsobenému posttranskripční regulací jejich biosyntézy. Druhým postiženým genem byl ATP5E, který kóduje malou strukturní epsilon podjednotku ATP syntázy. Záměna konzervovaného Tyr12 za Cys způsobuje významný pokles obsahu ATP syntázy, ale zároveň akumulaci hydrofobní...

ATP synthase represents the key enzyme of cellular energy provision and ATP synthase disorders belong to the most deleterious mitochondrial diseases affecting pediatric population. The aim of this thesis was to identify nuclear genetic defects and describe the pathogenic mechanism of altered biosynthesis of ATP synthase that leads to isolated deficiency of this enzyme manifesting as an early onset mitochondrial encephalo-cardiomyopathy. Studies in the group of 25 patients enabled identification of two new disease-causing nuclear genes responsible for ATP synthase deficiency. The first affected gene was TMEM70 that encodes an unknown mitochondrial protein. This protein was identified as a novel assembly factor of ATP synthase, first one specific for higher eukaryotes. TMEM70 protein of 21 kDa is located in mitochondrial inner membrane and it is absent in patient tissues. TMEM70 mutation was found in 23 patients and turned to be the most frequent cause of ATP synthase deficiency. Cell culture studies also revealed that enzyme defect leads to compensatory-adaptive upregulation of respiratory chain complexes III and IV due to posttranscriptional events. The second affected gene was ATP5E that encodes small structural epsilon subunit of ATP synthase. Replacement of conserved Tyr12 with Cys caused...