title: Functional defects of the human proteins ISCA1, ISCA2 and IBA57 impair the maturation of mitochondrial Fe/S proteins and cause mitochondrial diseases
title: Funktionelle Defekte der humanen Proteine ISCA1, ISCA2 und IBA57 beeinträchtigen die Reifung mitochondrialer Fe/S-Proteine und führen zu mitochondrialen Erkrankungen
Creators: name: Stümpfig, Claudia
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Liponsäuresynthese
mitochondria
Eisen-Schwefel-Cluster Biogenese
encephalomyopathy
ISC-machinery
Naturwissenschaften
iron-sulfur protein maturation
mitochondriale Erkrankung
IBA57
Enzephalomyopathie
ISCA1
ISCA2
lipoic acid synthase

description: Eisen-Schwefel- (Fe/S-) Cluster
      sind anorganische Proteinkofaktoren und für das Leben
      essenziell. Diese Kofaktoren üben in der Zelle verschiedenste
      Funktionen aus. Manche Fe/S-Cluster vermitteln den Transport
      von Elektronen, andere werden für die Katalyse enzymatischer
      Reaktionen benötigt. Es gibt Fe/S-Proteine, die als
      Sauerstoffsensoren agieren oder an der Regulation der
      Genexpression bestimmter Proteine beteiligt sind. Außerdem
      spielen Fe/S-Cluster eine entscheidende Rolle für die
      Stabilität mancher Proteine. Die Synthese aller zellulären
      Fe/S-Proteine unterliegt einem komplexen, hochkonservierten
      Mechanismus und ist abhängig von den Mitochondrien. In diesem
      Organell ist die Fe/S-Cluster- (ISC)
      Assemblierungsmaschinerie lokalisiert. Der zentrale Teil der
      ISC-Assemblierungs-maschinerie wird für die Biogenese
      mitochondrialer [2Fe-2S]-Proteine und aller
      cytosolischen/nukleären Fe/S-Proteine benötigt. Für die
      Reifung mitochondrialer [4Fe-4S]-Proteine sind weitere
      ISC-Mitglieder erforderlich. Zu diesen spät-agierenden
      Faktoren gehören u.a. die sogenannten A-Typ Proteine und das
      Protein Iba57. Die Funktion dieser Proteine konnte durch
      diverse Studien in Bakterien und Hefe aufgeklärt werden. Zu
      ihren humanen Homologen, den A-Typ Proteinen ISCA1 und ISCA2,
      sowie IBA57 lagen hingegen zu Beginn dieser Arbeit kaum
      funktionelle Untersuchungen vor. Die vorliegende Arbeit hatte
      daher als erstes Ziel, die Rolle der humanen Proteine ISCA1,
      ISCA2 und IBA57 für die zelluläre Fe/S-Proteinbiogenese
      aufzuklären. Hierfür wurden die drei Proteine in humaner
      Zellkultur depletiert und der jeweilige Depletionsphänotyp
      biochemisch und molekularbiologisch untersucht. Es zeigte
      sich, dass alle drei Proteine ausschließlich an der Reifung
      mitochondrialer [4Fe-4S]-Proteine beteiligt sind. Im
      Gegensatz dazu spielen sie keine Rolle für die Maturierung
      mitochondrialer [2Fe-2S]-Proteine und cytosolischer/nukleärer
      Fe/S-Proteine. Damit konnte die konservierte Funktion der
      ISCA Proteine und des IBA57 Proteins in der mitochondrialen
      [4Fe-4S]-Proteinbiogenese bestätigt werden. Als zweites
      Projekt dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Mutationen im
      IBA57-Gen untersucht, die zu zwei unterschiedlichen
      Krankheitsbildern im Menschen führten. So war im ersten Fall
      das Krankheitsbild durch eine schwere Form der Myopathie und
      Enzephalopathie gekennzeichnet, die nach der Geburt zum
      baldigen Tode führte. Im zweiten Fall litten die Patienten an
      einer besonderen Form der erblichen spastischen Paraplegie,
      die mit optischer Atrophie und peripherer Neuropathie
      einhergeht, genannt SPOAN. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit
      wurden zunächst die jeweiligen Mutationen in IBA57
      hinsichtlich ihres Einflusses auf die Expression des Proteins
      analysiert. Im Krankheitsfall 1 zeigte sich, dass eine
      Punktmutation in IBA57 zu einem nahezu vollständigen Verlust
      des Proteins führte. Im Krankheitsfall 2 hingegen bewirkte
      eine Spleißmutation in IBA57 die Bildung eines anormalen,
      verkürzten Spleißprodukts, welches nicht translatiert wurde.
      Zusätzlich verblieb eine gewisse Menge des normalen
      IBA57-Spleißprodukts, was zu einer geringfügigen Proteinmenge
      in den Patientenzellen führte. Im Anschluss an die
      molekulargenetischen Untersuchungen wurde der biochemische
      Phänotyp der Patientenzellen untersucht. Hierdurch sollte die
      Frage beantwortet werden, ob Mutationen in IBA57 ursächlich
      für die beschriebenen Krankheitsbilder sein können. Durch
      Analyse von Patientenmaterial zeigte sich in beiden Fällen,
      dass die Reifung mitochondrialer [4Fe-4S]-Proteine gestört
      war, wohingegen die Maturierung mitochondrialer
      [2Fe-2S]-Proteine und cytosolischer/nukleärer Fe/S-Proteine
      normal verlief. Dabei wiesen Patientenzellen der Gruppe 1,
      die nahezu kein IBA57 Protein besaßen, eine stärkere
      Beeinträchtigung der Fe/S-Proteinbiogenese auf als Zellen der
      Gruppe 2. Der biochemische Phänotyp in IBA57-defizienten
      Patientenzellen deckt sich mit den funktionellen Daten, die
      durch Depletion von IBA57 im Modellorganismus Hefe oder in
      humaner Zellkultur gewonnen wurden. Daher ist davon
      auszugehen, dass die identifizierten Mutationen in IBA57
      tatsächlich ursächlich für die zwei vorliegenden
      Krankheitsbilder sind. Die graduellen biochemischen
      Unterschiede sind sehr wahrscheinlich auf die
      unterschiedlichen IBA57-Proteinlevel in beiden
      Patientengruppen zurückzuführen. Dieser
      Expressionsunterschied spielt womöglich eine Rolle für die
      Entwicklung zweier so unterschiedlicher klinischer
      Erscheinungsbilder. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit
      gezeigt werden, dass die drei humanen ISC-Faktoren ISCA1,
      ISCA2 und IBA57 essenziell für die Reifung mitochondrialer
      [4Fe-4S]-Proteine sind. Ihre Rolle als spät-agierende
      ISC-Assemblierungsfaktoren ist demnach von Bakterien bis hin
      zum Menschen konserviert. Darüber hinaus konnte die in
      Modellsystemen postulierte Funktion von IBA57 durch
      Untersuchungen an IBA57-defizienten Patientenzellen bestätigt
      werden.
description: Iron-sulfur- (Fe/S-) clusters are
      inorganic protein cofactors and are essential for life. These
      cofactors perform various tasks within a cell. For instance,
      Fe/S clusters of some proteins are required for the transport
      of electrons, whereas others mediate enzyme catalysis.
      Additionally, Fe/S proteins can act as oxygen sensors or
      participate in the regulation of gene expression. Finally,
      Fe/S clusters are necessary for the stability of several
      proteins. Synthesis of all cellular Fe/S proteins requires a
      complex and highly conserved mechanism, and is dependent on
      mitochondria. In this organelle the so-called Fe/S-cluster-
      (ISC) assembly machinery is localised. The core part of the
      ISC-assembly machinery mediates biogenesis of both
      mitochondrial [2Fe-2S]-proteins and all cytosolic/nuclear
      Fe/S proteins. Maturation of mitochondrial [4Fe-4S]-proteins
      requires additional ISC members. These late-acting ISC
      factors include the so-called A-type proteins and Iba57. The
      function of these proteins was elucidated via several studies
      in bacteria and yeast. However, functional data on the human
      homologues ISCA1, ISCA2 and IBA57 were missing at the
      beginning of this work. The first part of the present work
      aimed to clarify the role of human ISCA1, ISCA2 and IBA57 in
      cellular Fe/S protein biogenesis. To this end, all three
      proteins were depleted in human cell culture in order to
      analyse the depletion phenotype via various biochemical and
      molecular biological methods. These analyses showed that
      ISCA1, ISCA2 and IBA57 exclusively participate in the
      maturation of mitochondrial [4Fe-4S]-proteins. In contrast,
      biogenesis of mitochondrial [2Fe-2S]-proteins and
      cytosolic/nuclear Fe/S proteins was independent of these
      three ISC proteins. Collectively, these data showed the
      conserved role of the human ISCA proteins and IBA57 in
      mitochondrial [4Fe-4S]-protein biogenesis. In the second part
      of this work, the biochemical consequences of two different
      pathogenic mutations in IBA57 were investigated. These
      mutations were linked to two distinct human diseases. The
      first case was characterized by severe myopathy and
      encephalopathy, and was lethal in early infancy. In contrast,
      patients suffering from the second mutation developed a rare
      form of hereditary spastic paraplegia combined with optic
      atrophy and peripheral neuropathy, called SPOAN. Initially,
      the impact of these mutations on the expression of IBA57
      protein was measured. In the first case a point mutation in
      IBA57 caused a decrease in protein below physiologically
      critical levels, whereas in the second case a splice mutation
      generated an aberrant truncated splice product which was not
      translated. However, in that case a minor portion of normally
      spliced IBA57 mRNA remained in the patients’ cells leading to
      the production of minute amounts of wild-type IBA57. Finally,
      it was evaluated if mutations in IBA57 were causative for the
      disease phenotypes. Analysis of cell material derived from
      both patient groups revealed an impaired maturation of
      mitochondrial [4Fe-4S]-proteins. In contrast, formation of
      mitochondrial [2Fe-2S]-proteins and cytosolic/nuclear Fe/S
      proteins was normal. Interestingly, the effect on Fe/S
      protein biogenesis was stronger in patient cells of the first
      group lacking IBA57 protein. The biochemical phenotype of the
      patient cells reflects functional data achieved by IBA57
      depletion in yeast and human cell culture. Thus, the
      identified mutations in IBA57 are likely causative for the
      two presented diseases. The biochemical variations in both
      patient groups are probably a result of the differences in
      IBA57 protein expression. In all likelihood, these expression
      differences contribute to the development of the two
      completely different disease phenotypes. In summary, the
      human ISC factors ISCA1, ISCA2 and IBA57 are essential for
      the formation of mitochondrial [4Fe-4S]-proteins. The
      function as late-acting ISC assembly factors is conserved
      from Bacteria to man. The hypothesized role of IBA57 in
      mitochondrial [4Fe-4S]-protein biogenesis was verified by
      analysis of IBA57-deficient patient cells.