Mechanism and Function of the Mitochondrial tRNA m3C-Methyltransferase METTL8

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	9 February 2022
Referee:	Prof. Dr. Gunter Meister and Prof. Dr. Remco Sprangers
Date of exam:	3 February 2022
Institutions:	Biology, Preclinical Medicine > Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie > Lehrstuhl für Biochemie I > Prof. Dr. Gunter Meister
Keywords:	METTL8; RNA modification; m(3)C; mt-tRNA; translation
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 500 Natural sciences & mathematics 500 Science > 570 Life sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	51597

Abstract (English)

Mitochondria are the cell`s powerhouse with their own transcription and translation systems. The circular double-stranded DNA genome transcribes for two ribosomal RNAs (rRNAs), 22 transfer RNAs (tRNAs) and 13 messenger RNAs (mRNAs). The mt-mRNAs encode for 13 subunits of the respiratory chain embedded in the inner membrane. The inner and outer membrane of the mitochondrion form two internal ...

Abstract (English)

Mitochondria are the cell`s powerhouse with their own transcription and translation systems. The circular double-stranded DNA genome transcribes for two ribosomal RNAs (rRNAs), 22 transfer RNAs (tRNAs) and 13 messenger RNAs (mRNAs). The mt-mRNAs encode for 13 subunits of the respiratory chain embedded in the inner membrane. The inner and outer membrane of the mitochondrion form two internal compartments, the internal matrix and intermembrane space. For translation of the 13 mt-mRNAs mitochondria provide a complete und functional set of 22 mitochondrial encoded tRNAs (mt-tRNA). During their maturation from pre-tRNAs to their mature forms, mt-tRNAs undergo post-transcriptional modifications. Here, we identified the nuclear-encoded methyltransferase like 8 (METTL8) protein as a mitochondrial modifying enzyme that catalyzes m3C32 methylation of mt-tRNASer(UCN) and mt-tRNAThr. Upregulating of METTL8 enhances respiratory activity, while it is reduces when METTL8 is lost. This dynamic regulation of METTL8 correlates with overall patient survival rates primarily in pancreatic cancer. Mitochondrial mitoribosomal profiling uncovered the
molecular function of the METTL8-mediated m3C32 methylation, which triggers mitoribosome stalling on mt-tRNASer(UCN) and mt-tRNAThr codons flanked by purine nucleotides. Proteomic analysis of respiratory chain complex I composition revealed that m3C32 methylation balances the mitochondrial translation system by mostly affecting the mitochondrial encoded complex I subunits ND1 and ND6. Our data suggest that ND1 and ND6 levels may directly affect respiratory chain organization and thus its activity.

Translation of the abstract (German)

Mitochondrien produzieren über ihr oxidatives Phosporylierungssytem (OXPHOS) Energie in Form von ATP. Die meisten Atmungskettenkomponenten sind Kern-codierte Proteine, 13 Untereinheiten sind jedoch mitochondrialen Ursprungs. Die zirkuläre doppelsträngige mitochondriale DNA codiert insgesamt für 2 ribosomale (rRNA), 22 transfer (tRNA) und 13 messenger RNAs (mRNA). Um ihre vollständige Funktion ...

Translation of the abstract (German)

Mitochondrien produzieren über ihr oxidatives Phosporylierungssytem (OXPHOS) Energie in Form von ATP. Die meisten Atmungskettenkomponenten sind Kern-codierte Proteine, 13 Untereinheiten sind jedoch mitochondrialen Ursprungs. Die zirkuläre doppelsträngige mitochondriale DNA codiert insgesamt für 2 ribosomale (rRNA), 22 transfer (tRNA) und 13 messenger RNAs (mRNA). Um ihre vollständige Funktion einnehmen zu können, müssen die 22 mitochondrialen tRNAs (mt-tRNA) post-transkriptionell modifiziert werden. Dieser Arbeit charakterisiert die Funktion des METTL8-Proteins, eine RNA-spezifische Methyltransferase, die über ihre N-terminale Importsequenz ins Mitochondrium transportiert wird. Im Mitochondrium methyliert METTL8 die beiden mitochondrialen tRNAs mt-tRNASer(UCN) und mt-tRNAThr post-transkriptionell an der Anticodonschleifenposition 32. Physiologische Analysen zeigten, dass METTL8 die Atmungskettenfunktion beeinflusst. Zellen ohne jegliche METTL8-Expression haben eine verminderte Atmungskettenaktivität, Zellen mit erhöhter METTL8-Expression verzeichnen eine gesteigerte Atmungskettenaktivität. Eine erhöhte METTL8-Expression korreliert mitunter der Überlebensrate von Patienten, die an Bauchspeicheldrüsenkrebs leiden. Die molekulare Funktion dahinter konnte mittels Ribosome Profiling analysiert werden. Es stellte sich heraus, dass eine extreme METTL8-Expression bzw. eine fehlregulierte m3C32 Methylierung das mitochondriale Ribosom pausieren lässt, wenn bestimmte mt-tRNASer(UCN) und mt-tRNAThr Codons erkannt werden. Eine weitere Analyse des Atmungskettenkomplex I ergab, dass eine fehlregulierte m3C32-Methylierung das mitochondriale Translationssystem bzw. die Translation der ND1- und ND6-Untereinheiten beeinflusst. Dadurch kann sich ein Translationsgleichgewicht zwischen den 13 mitochondrial-codierten Proteinen einstellen, dass die Atmungskettenkomposition und Atmungskettenaktivität verbessert.

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