The role of tissue specific isoforms of subunit 4 in assembly and function of cytochrome c oxidase

Abstract

Oxidative phosphorylation apparatus (OXPHOS) is responsible for production of majority of ATP in mammalian organisms. This process, occurring in the inner mitochondrial membrane, is partly regulated by nuclear-encoded subunits of cytochrome c oxidase (COX), the terminal enzyme of electron transport chain. Cox4 subunit, participating in OXPHOS regulation, is an early-assembly state subunit, which is necessary for incorporation of Cox2 catalytic subunit, thus for assembly of catalytically functional COX enzyme. Moreover, regulated expression of two isoforms (Cox4i1, Cox4i2) of Cox4 subunit is hypothesized to optimize respiratory chain function according to tissue oxygen supply. However, the functional impact of the isoform switch for mammalian tissues and cells is still only partly understood. In the present thesis, unique HEK293 cell line-based model with complete absence of subunit Cox4 (knock-out, KO) was prepared employing novel CRISPR CAS9-10A paired nickase technology and further characterized. Knock-out of both isoforms Cox4i1 and Cox4i2 (COX4i1/4i2 KO clones) showed general decrease of majority of Cox subunits resulting in total absence of fully assembled COX. Moreover, detected Complex I subunits as well as the content of assembled Complex I were decreased in COX4i1/4i2 KO clones. On the...

Systém oxidační fosforylace (OXPHOS) je zodpovědný za produkci naprosté většiny ATP v savčích organismech. Tento proces, lokalizovaný ve vnitřní mitochondriální membráně, je mimo jiné regulován jaderně kódovanými podjednotkami cytochrom c oxidázy (COX), která je terminálním enzymem elektron transportního řetězce. Podjednotka Cox4 se účastní regulace OXPHOS systému a spolu s podjednotkou Cox1 utváří první intermediát v sestavování COX. Není-li tento intermediát správně sestaven, nedojde následně ke vložení Cox2 katalytické podjednotky a tím k maturaci katalyticky funkčního COX enzymu. Mimo to je Cox4 podjednotka přítomna ve dvou izoformách (Cox4i1, Cox4i2), které hypoteticky slouží k optimalizaci funkce respiračního řetězce během změn v zásobování tkání kyslíkem. Funkční dopad výměny izoforem nebyl nicméně doposud v savčích tkáních a buňkách podrobně prozkoumán. V rámci této práce byly pomocí CRISPR CAS9-10A párující nikázy připraveny jedinečné modely HEK293 buněk s úplnou absencí (knock-out, KO) podjednotky Cox4, a byly dále charakterizovány. Vyřazení funkce obou izoforem Cox4i1 a Cox4i2 (COX4i1/4i2 KO klony) vedlo ke generalizovanému snížení COX podjednotek spojenému s úplnou absencí sestavené COX. Množství detekovaných podjednotek komplexu I, stejně jako obsah sestaveného komplexu I, byly sníženy...