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Analysis of dehydrogenase-independent functions of HSD17B10 in humans and animal models

Rauschenberger, Katharina

German Title: Analyse von Dehydrogenase-unabhängigen Funktionen von HSD17B10 im Mensch und Tiermodell

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Abstract

Deficiency of the mitochondrial enzyme 2-methyl-3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase involved in isoleucine metabolism causes an organic aciduria with an atypical progressive neurodegenerative disease course (Zschocke et al, 2000). The symptoms in HSD10 deficiency patients are not correlated with residual dehydrogenase activity of mutated HSD10. LOF and rescue experiments in Xenopus embryos showed that a knock-down of HSD10 caused apoptosis. The dehydrogenase activity of HSD10 was not required for cell survival suggesting that HSD10 has additional functions. The pathogenetic basis of HSD10 deficiency has so far remained elusive but the symptoms observed in patients are likely related to defects in general mitochondrial function. Therefore, the effect of HSD10 LOF on mitochondrial structural and functional integrity was investigated. Embryonic Xenopus cells displayed severe disruption of mitochondrial morphology and function when translation of HSD10 mRNA was blocked. Similar effects on mitochondria were observed in cells derived from conditional HSD10 knock-out mice and in fibroblasts from patients with a severe clinical phenotype. In Xenopus overexpression of two HSD10 mutations, R130C and D86G, associated with severe disease in humans, strongly induced apoptosis in a dominant-negative manner which was not due to the unfolded protein response that is occasionally triggered by overexpression of (mutated) proteins. In contrast, wildtype HSD10 and the Q165H mutation had little effect on apoptosis. Expression analysis of apoptosis-associated genes in HSD10 depleted cells or cells carrying different HSD10 mutations demonstrated that no specific apoptotic pathway was activated. This indicated that intrinsic as well as extrinsic apoptosis signals contribute to cell death when HSD10 function is perturbed. Symptoms in patients usually develop after metabolic stress situations. Therefore the stress response behaviour of fibroblasts carrying HSD10 mutations was studied under different stress conditions. In contrast to control cells, fibroblasts from patients were not able to stimulate tRNA transcription upon oxidative stress. Interestingly cells with the R130C mutation could cope with stress just like the Q165H mutation. This was unexpected, since the R130C mutation causes a severe clinical phenotype whereas the Q165H mutation has been found in neurologically normal boys. In order to understand the mechanisms behind the physiological function of HSD10 a search for its binding partners was performed. In a homology based BLAST in yeast as well as in an IMAC approach putative HSD10-interacting proteins were identified. Unfortunately none of these candidates were directly connected to mitochondrial function or apoptosis. In a previously performed yeast-2-hybrid screen several HSD10 interaction partners had been identified. One of those binding proteins, UXT, was tested for a functional interaction with HSD10 in Xenopus embryos. Co-expression of HSD10 and UXT enhanced the induction of apoptosis. The mechanism of this functional interaction remains to be investigated. HSD10 is a component of the RNAseP complex which is essential for the 5’ processing of mitochondrial tRNAs. Therefore I tested the function of RNaseP in HSD10 deficiency in patient fibroblast and in a rescue experiment in HSD10 depleted cells. The rescue experiment, in which wildtype HSD10 function was substituted by the mutations R130C, D86G and Q165H indicated that all mutations still have RNaseP activity. This held also true for patient fibroblasts where no tRNA precursor accumulation or inhibition of mitochondrial translation was detected. Experiments with cells that are depleted of mitochondrial DNA and hence do not require mitochondrial transcription or mtRNaseP function revealed that these cells still become apoptotic upon HSD10 knock-down. Therefore, the apoptosis phenotype upon HSD10 LOF is not dependent on RNaseP function. Taken together, these experiments indicate that clinical symptoms in HSD10 deficiency are not fully explained by an impairment of RNaseP function.

Translation of abstract (German)

Ein Mangel des mitochondrialen Enzyms 2-Methyl-3-Hydroxybutyryl-CoA-Dehydrogenase, das eine Rolle im Isoleucin Metabolismus spielt, ist die Ursache einer organischen Azidurie mit einem atypischen progressiven neurodegenerativen Verlauf (Zschocke et al, 2000). Die Symptome des HSD10-Mangels sind nicht mit der Dehydrogenase Restaktivität der mutierten HSD10 Proteine korreliert. LOF und Rettungsexperimente in Xenopus zeigten, dass ein knock-down von HSD10 Apoptose verursacht. Die Dehydrogenase Aktivität von HSD10 ist nicht ausschlaggebend für das Überleben der Zelle, was darauf hindeutet, dass HSD10 über zusätzliche Funktionen verfügt. Die pathogenetische Grundlage des HSD10-Mangels ist bisher unbekannt, aber den Symptomen der Patienten liegt wahrscheinlich eine allgemeine Störung der Mitochondrienfunktion zu Grunde. Daher wurde der Effekt eines HSD10 LOF auf die mitochondriale Struktur und Funktion untersucht. Xenopus Zellen, in denen die Translation von HSD10 mRNA blockiert war, wiesen eine schwere Störung der mitochondrialen Morphologie und Funktion auf. Ähnliche Effekte auf die Mitochondrien wurden in Zellen von konditionalen HSD10 knock-out Mäusen und in Fibroblasten von Patienten mit schwerem klinischen Phänotyp beobachtet. In Xenopus hatte die Überexpression der beiden mit einem schweren Krankheitsverlauf assoziieren HSD10 Mutationen, R130C und D86G, einen dominant-negativen Effekt auf den Anstieg der Apoptose, was nicht mit der „unfolded protein response", die gelegentlich durch die Überexpression von (mutierten) Proteinen ausgelöst wird, zusammenhing. Im Gegensatz dazu hatten wildtyp HSD10 und die Mutation Q165H wenig Einfluss auf die Apoptose. Expressionsanalysen von Apoptose-assoziierten Genen in HSD10 depletierten Zellen oder in Zellen mit HSD10 Mutationen zeigten, dass kein spezifischer Apoptoseweg aktiviert wurde. Intrinsische wie auch extrinsische Signale führen zum Zelltod, wenn die HSD10 Funktion gestört ist. In der Regel entwickeln Patienten Symptome nach metabolischen Stresssituationen. Deshalb wurde das Verhalten von Fibroblasten mit HSD10 Mutationen unter verschiedenen Stressbedingungen untersucht. Im Unterschied zu Kontrollzellen waren Fibroblasten von Patienten nicht in der Lage die Transkription von mitochondrialen tRNAs zu stimulieren. Interessanterweise konnten Zellen mit der R130C Mutation Stress ebenso gut bewältigen wie die Mutation Q165H. Dies war unerwartet, da die R130C Mutation einen schweren klinischen Phänotyp verursacht, während die Mutation Q165H in neurologisch normalen Jungen gefunden wurde. Um die Mechanismen der physiologischen Funktion von HSD10 zu verstehen wurde nach Bindungspartnern des Proteins gesucht. In einem BLAST in Hefe sowie in einem IMAC Ansatz wurden potentielle Interaktionspartner von HSD10 identifiziert. Leider hatte keiner dieser Kandidaten eine direkte Verbindung zu Mitochondrien oder Apoptose. In einem yeast-2-hybrid Screen waren einige Interaktionspartner identifiziert worden. Eines dieser Proteine, UXT, wurde auf eine funktionelle Interaktion mit HSD10 in Xenopus getestet. Co-Expression von HSD10 und UXT verstärkt die Induktion von Apoptose. Der Mechanismus dieser funktionellen Interaktion ist bisher nicht bekannt. HSD10 ist eine Komponente des RNAseP Komplexes, der die 5’ Prozessierung von mitochondrialen tRNAs durchführt. Deshalb wurde die Rolle der RNaseP Funktion im HSD10-Mangel an Fibroblasten von Patienten und in einem Rettungsexperiment in HSD10 depletierten Zellen getestet. Das Rettungsexperiment, in dem die wildtyp HSD10 Funktion durch die Mutationen R130C, D86G und Q165H ersetzt wurde, deutete darauf hin, dass alle Mutationen RNaseP Aktivität haben. Dies galt ebenfalls für Patienten Fibroblasten. Zellen, die keine mitochondriale DNA enthalten und somit die mtRNaseP Funktion nicht benötigen, reagieren dennoch mit Apoptose auf einen HSD10 knock-down. Der Apoptose-Phänotyp im HSD10 LOF ist demnach nicht abhängig von der RNaseP Funktion von HSD10. Diese Experimente zeigen, dass die Symptome des HSD10-Mangels nicht vollständig durch eine Beeinträchtigung der RNaseP erklärt werden können.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Steinbeisser, Prof. Dr. Herbert
Date of thesis defense: 25. February 2011
Date Deposited: 16. May 2011 13:18
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Apoptosis, Aminoacyl-tRNS, Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase <3>, Endoribonuklease P, Mitochondrium
Uncontrolled Keywords: HSD10 , ERAB , neurodegeneration , organic aciduria
Additional Information: Teile in: EMBO Mol Med 2(2): 51-62
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