Friedreich’s ataxia is the most common recessive ataxia in the Caucasian population. It is caused by a defect in the expression of the mitochondrial protein frataxin and leads to
neurodegeneration. The main role of frataxin lies in iron-sulphur cluster biosynthesis and loss of the protein results in mitochondrial iron accumulation and diminished energy production within the cell. Although ...
Abstract (English)
Friedreich’s ataxia is the most common recessive ataxia in the Caucasian population. It is caused by a defect in the expression of the mitochondrial protein frataxin and leads to
neurodegeneration. The main role of frataxin lies in iron-sulphur cluster biosynthesis and loss of the protein results in mitochondrial iron accumulation and diminished energy production within the cell. Although mitochondrial function is severely affected, little is known about the influence of frataxin deficiency on mitochondrial dynamics and homeostasis.
In this work, I utilized previously established Drosophila melanogaster RNAi models of Friedreich’s ataxia. To unravel the effects of frataxin depletion on the mitochondrial network,
I focused on glia and muscle tissue, since these RNAi lines are not very efficient in neurons. I could show that mitochondrial morphology is disturbed, in agreement with the compromised
membrane potential and energy production. Through the use of autophagy markers like p62, GFP-Atg8a and the newly established mtRosella, I performed a detailed analysis of
mitochondrial degradation in frataxin deficient flies. I could demonstrate that damaged mitochondria are successfully targeted for degradation via mitophagy and promoting autophagy slightly improves Friedreich’s ataxia phenotypes.
To analyse potential genetic interactions between frataxin and genes involved in mitochondrial homeostasis, I carried out a forward genetic screen. This screen identified knockdown of Marf, the Drosophila homologue of Mitofusin, as a suppressor of Friedreich’s ataxia phenotypes in glia. Since Marf has been described to play a pivotal role in mitochondrial fusion, mitophagy and the interface between mitochondria and the ER, I examined how Marf silencing affects all three pathways in a frataxin deficient background. Interestingly, I could show that loss of frataxin triggers the ER stress response and identified ER stress as a key factor in the disease. Whereas mitochondrial morphology and degradation were unaffected by Marf silencing, it suppressed ER stress in frataxin-deficient cells and this was sufficient to improve locomotion, brain degeneration and lipid dyshomeostasis. Furthermore, application of the chemical TUDCA, a known attenuator of ER stress, was also able to partially rescue Friedreich’s ataxia phenotypes.
These results suggest that the protection mediated by Marf knockdown is linked to its role in mitochondrial-ER contacts instead of mitochondrial fusion or degradation. Furthermore, ER stress appears to play a crucial role in the aetiology of the disease.
Translation of the abstract (German)
Die Friedreich-Ataxie ist die häufigste rezessive Ataxie bei Weißen. Sie wird durch einen Defekt in der Expression des mitochondriellen Proteins Frataxin hervorgerufen und führt zu Neurodegeneration. Die Hauptrolle von Frataxin liegt in der Biogenese von Eisen-Schwefel-Clustern, wobei der Verlust des Proteins zu Eisenakkumulation in Mitochondrien und verringerter Energieproduktion führt. Obwohl ...
Translation of the abstract (German)
Die Friedreich-Ataxie ist die häufigste rezessive Ataxie bei Weißen. Sie wird durch einen Defekt in der Expression des mitochondriellen Proteins Frataxin hervorgerufen und führt zu Neurodegeneration. Die Hauptrolle von Frataxin liegt in der Biogenese von Eisen-Schwefel-Clustern, wobei der Verlust des Proteins zu Eisenakkumulation in Mitochondrien und verringerter Energieproduktion führt. Obwohl die Funktion der Mitochondrien stark beeinträchtigt ist, ist nur wenig über den Einfluss von Frataxinverlust auf die mitochondrielle Dynamik und Homöostase bekannt.
In dieser Arbeit habe ich bereits etablierte RNAi-Modelle der Friedreich-Ataxie in Drosophila verwendet. Um den Einfluss von Frataxinverlust auf das mitochondrielle Netzwerk zu untersuchen, habe ich mich auf Glia und Muskeln spezialisiert, da die RNAi-Linien ineffizient in Neuronen sind. Ich konnte zeigen, dass die mitochondrielle Morphologie verändert ist, was mit einem verminderten Membranpotential und Energieproduktion einhergeht. Mit Hilfe der Autophagymarker p62, GFP-Atg8a und dem neu etablierten mtRosella habe ich eine detaillierte Analyse des mitochondriellen Abbaus durchgeführt. Dabei konnte ich zeigen, dass beschädigte Mitochondrien erfolgreich für den Abbau mittels Mitophagie markiert werden und ebenso, dass sich die beschriebenen Phänotypen durch Fördern dieses Signalwegs leicht verbessern.
Um potentielle genetische Interaktionen zwischen Frataxin und Genen der mitochondriellen Homöostase zu analysieren, habe ich einen vorwärtsgenetischen Screen durchgeführt. In diesem Screen konnte gezeigt werden, dass die Runterregulierung von Marf, dem Drosophila-Homolog von Mitofusin, die Phänotypen der Friedreich-Ataxie in Glia unterdrückt. Da Marf eine wichtige Rolle in mitochondrieller Fusion, Mitophagie und der Schnittstelle von ER und Mitochondrien spielt, habe ich analysiert, inwiefern Marf-Runterregulierung diese Signalwege beeinflusst, wenn Frataxin abwesend ist. Dabei konnte ich zeigen, dass Frataxinverlust die ER-Stressantwort auslöst und ER-Stress als Schlüsselkomponente der Krankheit identifizieren. Während mitochondrielle Morphologie und Mitophagie nicht von Marf-Runterregulierung beeinflusst wurden, wurde ER-Stress erfolgreich unterdrückt. Dies reichte aus, um die Lokomotion, Gehirndegeneration und Verlust der Lipid-Homöostase zu verbessern. Ebenso konnte durch Zugabe von TUDCA, einer Chemikalie die ER-Stress vermindert, eine teilweise Verbesserung erreicht werden.
Insgesamt zeigen meine Resultate, dass Marf-Runterregulierung über seine Funktion in der Mito-ER-Schnittstelle und nicht über mitochondrielle Funktion oder Mitophagie wirkt. Zudem scheint ER-Stress eine Schlüsselrolle in der Ätiologie der Krankheit zuzukommen.
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