Quantitative aspects of mitochondrial genome in cancer and diabetes

Abstract

Mitochondria are cellular powerhouses and physiological regulators with many features resembling their prokaryotic ancestors. They maintain their own mitochondrial DNA (mtDNA) encoding 13 inner mitochondrial membrane proteins of oxidative phosphorylation machinery, 22 transfer RNAs and two ribosomal RNAs. Healthy mitochondria in normal cells form a dynamic network consisting of highly interconnected tubules. The mitochondrial disorders are very heterogeneous and difficult to diagnose and cure. It is due to combining products of two genomes, the complexity of mitochondrial structure and due to insufficiency of current state of knowledge. To understand the mitochondrial nucleic acid species distribution, we have developed and established new techniques to visualize mitochondrial network, nucleoids and different RNA species together with qPCR techniques for monitoring the mitochondrial intactness. We determined nucleoid distribution and mtDNA amount following rotenone mediated respiratory inhibition or following degeneration of the electrical component of the protonmotive force by valinomycin treatment. Native mitochondria were mostly tubular with average nucleoid spacing 1.1 +/- 0.2µm which we termed as a nucleoid code. Subsequently induced fission resulted in mitochondrial network fragmentation and each...

Mitochondrie se původně vyvinuly z alfa-proteobakteriálního předka a nyní fungují v eukaryotických buňkách jako hlavní zdroj energie, tedy ATP. Jsou to semiautonomní organely s vlastní DNA, která nese genetickou informaci pro 13 proteinů oxidativní fosforylace, 22 transferových RNA a dvě ribosomální RNA. Za normálních podmínek tvoří mitochondrie síť tubulů, které mohou mezi sebou rovnovážně fúzovat a zase se rozpadat. Mitochondriální poruchy jsou velmi heterogenní skupinou nemocí, které je obtížné jak diagnostikovat, tak léčit. To je dáno především složitostí mitochondriální genetiky, která musí kombinovat produkty dvou genomů, složitostí mitochondriální architektury a stále ještě nedostatečnou úrovní dnešního poznání. V této práci byly zavedeny metody vizualizace mitochondriální sítě, nukleoidů, mitochondriální DNA (mtDNA) různých typů mtRNA a metody pro kvantifikaci mtRNA a mtDNA. Tyto metody byly použity k detekci kvality mitochondriálních nukleových kyselin. Měřili jsme úroveň rozpadu mitochondriální sítě, distribuci nukleoidů a množství mtDNA po inhibici respirace rotenonem nebo po degradaci elektrické složky proton-motivní síly valinomycinem. Na základě našich experimentů jsme vytvořili modely pro indukci dezintegrace mitochondriální sítě. Mitochondrie v kontrolních buňkách měly převážně tubulární...