Mitochondrial genome segregation dynamics and quality control in S. cerevisiae

Roussou, Rodaria (2024): Mitochondrial genome segregation dynamics and quality control in S. cerevisiae. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie

Abstract

Mitochondrial DNA (mtDNA), present as multiple copies within cells, encodes crucial subunits of the mitochondrial respiratory chain and is essential for ATP generation. Within individual cells, mtDNA copies can vary in sequence, leading to a state known as heteroplasmy. Dynamic changes in heteroplasmy are not well understood due to the challenge of real-time monitoring. We employ mtDNA-based fluorescent markers, microfluidics, and automated cell tracking to observe mtDNA variants in live heteroplasmic yeast populations at the single-cell level. This method, combined with direct mtDNA tracking and data-driven mathematical modeling, reveals that asymmetric partitioning of mtDNA copies during cell division and limited mitochondrial fusion and fission frequencies are critical for mtDNA variant segregation and homoplasmy establishment. Mutations in mtDNA can lead to cellular energy shortages and numerous mitochondrial diseases, and the mechanisms by which cells maintain mtDNA integrity over generations remain unclear. By using S. cerevisiae, we investigated whether cells can intracellularly distinguish between functional and defective mtDNA. Our findings indicate that mother cells promote the generation of daughter cells with healthier mtDNA content. Purifying selection for functional mtDNA occurs within a continuous mitochondrial network and relies on stable mitochondrial subdomains and intact cristae morphology. We suggest that cristae-dependent proximity of mtDNA and its encoded proteins creates a spatial ’sphere of influence,’ linking lack of functional fitness to the clearance of defective mtDNA. These comprehensive approaches offer new insights into mtDNA heteroplasmy dynamics and the role of mitochondrial architecture and essential mechanisms in mtDNA quality control.

Abstract

Die mitochondriale DNA (mtDNA), die in Form von mehreren Kopien in Zellen vorhanden ist, kodiert wichtige Untereinheiten der mitochondrialen Atmungskette und ist für die ATP-Erzeugung unerlässlich. Innerhalb einzelner Zellen können die mtDNA-Kopien in ihrer Sequenz variieren, was zu einem Zustand führt, der als Heteroplasmie bekannt ist. Die dynamischen Veränderungen in der Heteroplasmie sind aufgrund der Schwierigkeit der Echtzeitbeobachtung nicht gut verstanden. Wir setzen mtDNA-basierte Fluoreszenzmarker, Mikrofluidik und automatisierte Zellverfolgung ein, um mtDNA Varianten in lebenden heteroplasmatischen Hefepopulationen auf Einzelzellniveau zu beobachten. Diese Methode, kombiniert mit direkter mtDNA-Analyse und datengetriebener mathematischer Modellierung, zeigt, dass die asymmetrische Aufteilung der mtDNA Kopien während der Zellteilung und die begrenzten mitochondrialen Fusions- und Fissions- frequenzen für die Segregation der mtDNA Varianten und die Etablierung der Homoplasmie entscheidend sind. Mutationen in der mtDNA können zu zellulärem Energiemangel und zahlreichen mitochondrialen Krankheiten führen, und die Mechanismen, durch die die Zellen die Integrität der mtDNA über Generationen hinweg aufrechterhalten, sind noch unklar. Mit Hilfe von S. cerevisiae haben wir untersucht, ob Zellen intrazellulär zwischen funktioneller und defekter mtDNA unterscheiden können. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Mutterzellen die Erzeugung von Tochterzellen mit gesünderem mtDNA Gehalt fördern. Die Selektion auf funktionelle mtDNA findet innerhalb eines kontinuierlichen mitochondrialen Netzwerks statt und hängt von stabilen mitochondrialen Subdomänen und einer intakten Cristae Morphologie ab. Wir vermuten, dass die cristae-abhängige Nähe von mtDNA und den kodierten Proteinen eine räumliche "Einflusssphäre" schafft, die einen Mangel an funktioneller Fitness mit der Beseitigung defekter mtDNA verbindet. Diese umfassenden Ansätze bieten neue Einblicke in die Dynamik der mtDNA Heteroplasmie sowie in die Rolle der mitochondrialen Architektur und der wesentlichen Mechanismen bei der Qualitätskontrolle der mtDNA.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Mitochondrial Genome, quality control, heteroplasmy, yeast
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
• Fakultäten: Fakultät für Biologie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 6. Dezember 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Osman, Christof