UB
Ulrich Brandt
Author with expertise in Mitochondrial Dynamics and Reactive Oxygen Species Regulation
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
23
(83% Open Access)
Cited by:
5,088
h-index:
80
/
i10-index:
180
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Cardiolipin Stabilizes Respiratory Chain Supercomplexes

Kathy Pfeiffer et al.Dec 1, 2003
Cardiolipin stabilized supercomplexes of Saccharomyces cerevisiae respiratory chain complexes III and IV (ubiquinol:cytochrome c oxidoreductase and cytochrome c oxidase, respectively), but was not essential for their formation in the inner mitochondrial membrane because they were found also in a cardiolipin-deficient strain. Reconstitution with cardiolipin largely restored wild-type stability. The putative interface of complexes III and IV comprises transmembrane helices of cytochromes b and c1 and tightly bound cardiolipin. Subunits Rip1p, Qcr6p, Qcr9p, Qcr10p, Cox8p, Cox12p, and Cox13p and cytochrome c were not essential for the assembly of supercomplexes; and in the absence of Qcr6p, the formation of supercomplexes was even promoted. An additional marked effect of cardiolipin concerns cytochrome c oxidase. We show that a cardiolipin-deficient strain harbored almost inactive resting cytochrome c oxidase in the membrane. Transition to the fully active pulsed state occurred on a minute time scale. Cardiolipin stabilized supercomplexes of Saccharomyces cerevisiae respiratory chain complexes III and IV (ubiquinol:cytochrome c oxidoreductase and cytochrome c oxidase, respectively), but was not essential for their formation in the inner mitochondrial membrane because they were found also in a cardiolipin-deficient strain. Reconstitution with cardiolipin largely restored wild-type stability. The putative interface of complexes III and IV comprises transmembrane helices of cytochromes b and c1 and tightly bound cardiolipin. Subunits Rip1p, Qcr6p, Qcr9p, Qcr10p, Cox8p, Cox12p, and Cox13p and cytochrome c were not essential for the assembly of supercomplexes; and in the absence of Qcr6p, the formation of supercomplexes was even promoted. An additional marked effect of cardiolipin concerns cytochrome c oxidase. We show that a cardiolipin-deficient strain harbored almost inactive resting cytochrome c oxidase in the membrane. Transition to the fully active pulsed state occurred on a minute time scale. Cardiolipin is an anionic phospholipid consisting of two phosphatidyl residues that are linked by a glycerol moiety (1LeCocq J. Ballou C.E. Biochemistry. 1964; 3: 976-980Crossref PubMed Scopus (153) Google Scholar). In non-photosynthetic eukaryotic cells, it is almost exclusively found in mitochondrial membranes (2Schlame M. Rua D. Greenberg M.L. Prog. Lipid Res. 2000; 39: 257-288Crossref PubMed Scopus (665) Google Scholar), where it serves specific roles in mitochondrial structure and function that can be grouped into two categories: stabilization of physical properties of membranes and specific interactions with proteins and modulation of their functions (2Schlame M. Rua D. Greenberg M.L. Prog. Lipid Res. 2000; 39: 257-288Crossref PubMed Scopus (665) Google Scholar, 3Hoch F.L. Biochim. Biophys. Acta. 1992; 1113: 71-133Crossref PubMed Scopus (546) Google Scholar). Cardiolipin deficiency leads to alteration in the fluidity and stability of mitochondrial membranes. Osmotic stability of mitochondrial membranes is impaired, as apparent from inefficient energy transformation by oxidative phosphorylation, swelling of mitochondria, decreased ATP/oxygen ratio concomitant with increased state 4 respiration, and reduced membrane potential (4Halestrap A. Biochim. Biophys. Acta. 1989; 973: 355-382Crossref PubMed Scopus (371) Google Scholar, 5Koshkin V. Greenberg M.L. Biochem. J. 2002; 364: 317-322Crossref PubMed Scopus (113) Google Scholar). Specific effects of cardiolipin on oxidative phosphorylation enzymes have been primarily studied using bovine mitochondrial proteins. Cardiolipin binding is essential for the function of the ADP-ATP translocator (6Jiang F. Ryan M.T. Schlame M. Zhao M. Zhiming G. Klingenberg M. Pfanner N. Greenberg M.L. J. Biol. Chem. 2000; 275: 22387-22394Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (331) Google Scholar, 7Drees M. Beyer K. Biochemistry. 1988; 27: 8584-8585Crossref PubMed Scopus (33) Google Scholar, 8Beyer K. Nuscher B. Biochemistry. 1996; 35: 15784-15790Crossref PubMed Scopus (93) Google Scholar), for the stability of respiratory complex III (ubiquinol:cytochrome c oxidoreductase or cytochrome c reductase) (9Yu C.A. Yu L. Biochemistry. 1980; 19: 5715-5720Crossref PubMed Scopus (57) Google Scholar, 10Schägger H. Hagen T. Roth B. Brandt U. Link T.A. von Jagow G. Eur. J. Biochem. 1990; 190: 123-130Crossref PubMed Scopus (80) Google Scholar, 11Hayer-Hartl M. Schägger H. von Jagow G. Beyer K. Eur. J. Biochem. 1992; 209: 423-430Crossref PubMed Scopus (43) Google Scholar, 12Gomez B. Robinson N.C. Biochemistry. 1999; 38: 9031-9038Crossref PubMed Scopus (130) Google Scholar), and for the stability of respiratory complex IV (cytochrome c oxidase) (13Robinson N.C. Zborowski J. Talbert L.H. Biochemistry. 1990; 29: 8962-8969Crossref PubMed Scopus (111) Google Scholar, 14Sedlák E. Robinson N.C. Biochemistry. 1999; 38: 14966-14972Crossref PubMed Scopus (132) Google Scholar). Coupled to the electron transport reactions of complexes III and IV, these respiratory chain complexes generate an electrochemical proton gradient across the mitochondrial inner membrane, which is then used to synthesize ATP by complex V, the mitochondrial F1F0-ATP synthase (15Eble K.S. Coleman W.B. Hantgan R.R. Cunningham C.C. J. Biol. Chem. 1990; 265: 19434-19440Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar). Cardiolipin binds tightly to bovine complex V, which seems to influence considerably the catalytic and structural properties of this multiprotein complex (16Laird D.M. Parce J.W. Montgomery R.I. Spach P.I. Cunningham C.C. J. Biol. Chem. 1986; 261: 14851-14856Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar). Cardiolipin appears also to be involved in the membrane attachment of cytochrome c (2Schlame M. Rua D. Greenberg M.L. Prog. Lipid Res. 2000; 39: 257-288Crossref PubMed Scopus (665) Google Scholar, 17Rytöomaa M. Kinnunen P.K.J. J. Biol. Chem. 1994; 269: 1770-1774Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar). Decreased cardiolipin synthesis corresponds to cytochrome c release in palmitate-induced cardiomyocyte apoptosis (18Ostrander D.B. Sparagna G.C. Amoscato A.A. McMillin J.B. Dowhan W. J. Biol. Chem. 2001; 276: 38061-38067Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (78) Google Scholar). Some integral membrane proteins have been crystallized, and the binding sites of tightly bound lipids have been localized (19Fyfe P.K. McAuley K.E. Roszak A.W. Isaacs N.W. Cogdell R.J. Jones M.R. Trends Biochem. Sci. 2001; 26: 106-112Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (92) Google Scholar, 20McAuley K.E. Fyfe P.K. Ridge J.P. Isaacs N.W. Cogdell R.J. Jones M.R. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1999; 96: 14706-14711Crossref PubMed Scopus (207) Google Scholar, 21Mizushima T. Yao M. Inoue N. Aoyama H. Yamashita E. Yamaguchi H. Tsukihara T. Nakashima R. Shinzawa-Itoh K. Yaono R. Yoshikawa S. Acta Crystallogr. Sect. A. 1999; 55 (P06.04.069)Google Scholar). In the structure of yeast complex III, a total of six lipid molecules including one cardiolipin have been detected (22Lange C. Nett J.H. Trumpower B.L. Hunte C. EMBO J. 2001; 20: 6591-6600Crossref PubMed Scopus (366) Google Scholar, 23Palsdottir H. Lojero G.C. Trumpower B.L. Hunte C. J. Biol. Chem. 2003; 278: 31303-31311Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (163) Google Scholar). This cardiolipin molecule is bound tightly in a cavity formed by transmembrane helices of cytochromes b and c1, with the head group of cardiolipin residing in close proximity to the internal site of quinone reduction (Qi) and to the entrance of the cardiolipin/lysine (CL/K) proton conduction pathway. It was suggested that this cardiolipin may have a specific function for the activity of complex III (22Lange C. Nett J.H. Trumpower B.L. Hunte C. EMBO J. 2001; 20: 6591-6600Crossref PubMed Scopus (366) Google Scholar). In eukaryotic mitochondria, cardiolipin is synthesized from the precursors phosphatidylglycerol and phosphatidyl-CMP by the cardiolipin synthase Crd1p (24Jiang F. Rizavi H.S. Greenberg M.L. Mol. Microbiol. 1997; 26: 481-491Crossref PubMed Scopus (155) Google Scholar, 25Tuller G. Hrastnik C. Achleitner G. Schiefthaler U. Klein F. Daum G. FEBS Lett. 1998; 421: 15-18Crossref PubMed Scopus (124) Google Scholar, 26Chang S.-C. Heacock P.N. Mileykovskaya E. Voelker D. Dowhan W. J. Biol. Chem. 1998; 273: 14933-14941Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (171) Google Scholar). The Saccharomyces cerevisiae null mutant Δcrd1 does not contain cardiolipin. The level of the precursor phosphatidylglycerol is elevated when cells are grown on non-fermentable carbon sources, but only a slight increase is evident on glucose (6Jiang F. Ryan M.T. Schlame M. Zhao M. Zhiming G. Klingenberg M. Pfanner N. Greenberg M.L. J. Biol. Chem. 2000; 275: 22387-22394Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (331) Google Scholar, 25Tuller G. Hrastnik C. Achleitner G. Schiefthaler U. Klein F. Daum G. FEBS Lett. 1998; 421: 15-18Crossref PubMed Scopus (124) Google Scholar). Using the Δcrd1 null mutant and the isogenic wild-type strain under appropriate growth conditions therefore allows discrimination between specific cardiolipin, phosphatidylglycerol, and general lipid effects (6Jiang F. Ryan M.T. Schlame M. Zhao M. Zhiming G. Klingenberg M. Pfanner N. Greenberg M.L. J. Biol. Chem. 2000; 275: 22387-22394Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (331) Google Scholar). Cardiolipin-deficient strains are viable under fermenting and non-fermenting conditions, except at elevated temperature, indicating that cardiolipin is nonessential for oxidative phosphorylation. However, almost complete uncoupling and shut down of oxidative phosphorylation at 40 °C have been described (27Koshkin V. Greenberg M.L. Biochem. J. 2000; 347: 687-691Crossref PubMed Scopus (110) Google Scholar). In humans, reduced cardiolipin and defective cardiolipin remodeling due to mutations in the tafazzin gene cause Barth syndrome, which is characterized by dilated cardiomyopathy, neutropenia, skeletal myopathy, and abnormal mitochondria (28Vreken P. Valianpour F. Nijtmans L.G. Grivell L.A. Plecko B. Wanders R.J.A. Barth P.G. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2000; 279: 378-382Crossref PubMed Scopus (310) Google Scholar). Recently, the oxidative phosphorylation enzymes in the mitochondrial membrane of S. cerevisiae were found to be organized into supramolecular assemblies. Respiratory chain complexes III and IV assemble into small and large supercomplexes (29Boumans H. Grivell L.A. Berden J.A. J. Biol. Chem. 1998; 273: 4872-4877Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (142) Google Scholar, 30Cruciat C.M. Brunner S. Baumann F. Neupert W. Stuart R.A. J. Biol. Chem. 2000; 275: 18093-18096Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (215) Google Scholar, 31Schägger H. Pfeiffer K. EMBO J. 2000; 19: 1777-1783Crossref PubMed Scopus (1049) Google Scholar), which comprise dimeric complex III and one or two copies of complex IV, respectively. The major functional role of these supramolecular assemblies or “respirasomes” seems to be substrate channeling of the substrate cytochrome c that enhances the overall quinol oxidase rate (29Boumans H. Grivell L.A. Berden J.A. J. Biol. Chem. 1998; 273: 4872-4877Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (142) Google Scholar, 31Schägger H. Pfeiffer K. EMBO J. 2000; 19: 1777-1783Crossref PubMed Scopus (1049) Google Scholar, 32Schägger H. Biochim. Biophys. Acta. 2002; 1555: 154-159Crossref PubMed Scopus (309) Google Scholar). Complex V (ATP synthase) was found to exist as a dimer in yeast (33Arnold I. Pfeiffer K. Neupert W. Stuart R.A. Schägger H. EMBO J. 1998; 17: 7170-7178Crossref PubMed Scopus (367) Google Scholar). The dimeric form seems to be essential for the control of biogenesis of the inner mitochondrial membrane and for generating mitochondrial crista morphology (34Paumard P. Vaillier J. Coulary B. Schaeffer J. Soubannier V. Mueller D.M. Brèthes D. di Rago J.-P. Velours J. EMBO J. 2002; 21: 221-230Crossref PubMed Scopus (601) Google Scholar). The state of activity of monomeric and dimeric complex V is controversial. Paumard et al. (34Paumard P. Vaillier J. Coulary B. Schaeffer J. Soubannier V. Mueller D.M. Brèthes D. di Rago J.-P. Velours J. EMBO J. 2002; 21: 221-230Crossref PubMed Scopus (601) Google Scholar) showed comparable ATP hydrolysis activities for the monomeric and dimeric forms of yeast complex V, whereas Tomasetig et al. (35Tomasetig L. DiPancrazio F. Harris D.A. Mavelli I. Lippe G. Biochim. Biophys. Acta. 2002; 1556: 133-141Crossref PubMed Scopus (60) Google Scholar) reported active monomeric and inactive dimeric forms of bovine complex V. The availability of a Δcrd1 null mutant provided the opportunity to elucidate the specific functions of cardiolipin for the assembly and stability of these oxidative phosphorylation supercomplexes and for the enzymatic properties of the individual complexes. Previously published preliminary results seem to indicate that cardiolipin is essential for the formation of respiratory chain supercomplexes from complexes III and IV (32Schägger H. Biochim. Biophys. Acta. 2002; 1555: 154-159Crossref PubMed Scopus (309) Google Scholar, 36Zhang M. Mileykovskaya E. Dowhan W. J. Biol. Chem. 2002; 277: 43553-43556Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (509) Google Scholar). The detailed analysis performed in this work reveals a more complex situation and provides insight into the interaction between complexes III and IV: cardiolipin is not essential for the formation of respiratory chain supercomplexes and dimeric ATP synthase in the mitochondrial membrane. However, it stabilizes respiratory chain supercomplexes as well as the individual complexes and is required to prevent formation of the resting state of cytochrome c oxidase in the membrane. Yeast Strains—The yeast strains used in this study were as follows: Δcrd1 (FGY2) and the corresponding parental strain FGY3 (6Jiang F. Ryan M.T. Schlame M. Zhao M. Zhiming G. Klingenberg M. Pfanner N. Greenberg M.L. J. Biol. Chem. 2000; 275: 22387-22394Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (331) Google Scholar), wild-type W303-1A (37Rothstein R.J. Sherman F. Genetics. 1980; 94: 871-889Crossref PubMed Google Scholar), Δqcr6 (38Schmitt M.E. Trumpower B.L. J. Biol. Chem. 1990; 265: 17005-17011Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar), Δqcr9 (39Phillips J.D. Graham L.A. Trumpower B.L. J. Biol. Chem. 1990; 268: 11727-11736Abstract Full Text PDF Google Scholar), Δqcr10 (40Brandt U. Uribe S. Schägger H. Trumpower B.L. J. Biol. Chem. 1994; 269: 12947-12953Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar), Δcox12 (41LaMarche A.E. Abate M.I. Chan S.H. Trumpower B.L. J. Biol. Chem. 1992; 267: 22473-22480Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar), and Δcox13 (42Follmann K. Arnold S. Ferguson-Miller S. Kadenbach B. Biochem. Mol. Biol. Int. 1998; 45: 1047-1055PubMed Google Scholar). Δcox8 was constructed by replacing the COX8 open reading frame with the HIS3 gene according to Wach et al. (43Wach A. Brachat A. Pohlmann R. Philippsen P. Yeast. 1994; 13: 1793-1808Crossref Scopus (2241) Google Scholar). Electrophoresis and Western Blotting—Mitochondria from S. cerevisiae strains were isolated and processed for first dimension blue native (BN) 1The abbreviations used are: BNblue nativeCNcolorless native. PAGE as described (33Arnold I. Pfeiffer K. Neupert W. Stuart R.A. Schägger H. EMBO J. 1998; 17: 7170-7178Crossref PubMed Scopus (367) Google Scholar, 44Schägger H. Cramer W.A. von Jagow G. Anal. Biochem. 1994; 217: 220-230Crossref PubMed Scopus (1043) Google Scholar), except that the detergent/protein ratios indicated below were used. Staining, quantification of gels, and electroblotting were performed as described (33Arnold I. Pfeiffer K. Neupert W. Stuart R.A. Schägger H. EMBO J. 1998; 17: 7170-7178Crossref PubMed Scopus (367) Google Scholar, 45Schägger H. Electrophoresis. 1995; 16: 763-770Crossref PubMed Scopus (70) Google Scholar). Colorless native (CN) PAGE followed the standard protocol (44Schägger H. Cramer W.A. von Jagow G. Anal. Biochem. 1994; 217: 220-230Crossref PubMed Scopus (1043) Google Scholar), except that acrylamide gradient gels containing no detergent were used. Monoclonal antibodies against S. cerevisiae Cox1p, Cox2p, and Cox3p (Molecular Probes, Inc.) and enhanced chemiluminescence reagent (ECL, Amersham Biosciences) were used for protein detection. blue native colorless native. Phospholipid Determination—Yeast strains were grown in the presence of 10 μCi of 32P/ml of culture at 30 °C to early stationary phase. Cells were then washed and digested by zymolyase to yield spheroplasts. Total (whole cell) phospholipids were extracted (46Folch J. Lees M. Sloane Stanley G.H. J. Biol. Chem. 1957; 226: 497-509Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar), separated by one-dimensional thin layer chromatography (47Leray C. Pelletier X. Hemmendinger S. Cazenave J.P. J. Chromatogr. 1987; 420: 411-416Crossref PubMed Scopus (105) Google Scholar), and analyzed by phosphorimaging. Incorporation of radiolabeled [32P]orthophosphate into individual phospholipids is expressed as a percentage of the total radiolabel incorporated into phospholipids. Reconstitution with Cardiolipin—Aliquots of sedimented yeast mitochondria (400 μg of protein) were suspended in 40 μl of 50 mm NaCl and 50 mm imidazole HCl (pH 7.0). Cardiolipin (2 μl) from a stock solution (20 mg/ml in 5% digitonin and 50% ethanol) and 1 μl of digitonin (10% in water) were added to set a cardiolipin/protein ratio of 1:10 (g/g) and a digitonin/protein ratio of 0.5 (g/g). Sample preparation for BN-PAGE was as follows. After a 2-h incubation on ice, 10 μl of digitonin (10% stock solution in water) was added to obtain a digitonin/protein ratio of 3 (g/g), which is sufficient for quantitative solubilization. Following centrifugation for 10 min at 100,000 × g, the supernatant was applied to a 1.6 × 10-mm sample well for BN-PAGE. Sample preparation for catalytic activity measurements was similar. After a 2-h incubation on ice, digitonin or dodecyl maltoside was added to obtain detergent/protein ratios of 1, 2, 3, and 4 (g/g) and 0.3, 0.6, 0.9, and 1.2 (g/g), respectively. The samples were used directly without centrifugation. Enzyme Activities—Ubiquinol:cytochrome c oxidoreductase (complex III) and cytochrome c oxidase (complex IV) were measured by the antimycin-sensitive reduction and cyanide-sensitive oxidation of cytochrome c, respectively (550-540 nm; ϵ = 19 mm-1 cm-1) in the presence of 70 μm yeast cytochrome c. Decylbenzoquinol (75 μm) was used as substrate for complex III. Yeast mitochondrial membranes were suspended in 150 mm NaCl and 75 mm imidazole HCl (pH 7.0) at 2.8 mg/ml protein and solubilized by dodecyl maltoside (1 g/g of protein) or digitonin (3 g/g of protein). Quinol oxidase (coupled activities of complexes III and IV) was determined by the cyanide-sensitive oxidation of 75 μm decylbenzoquinol (280-290 nm; ϵ = 4.2 mm-1 cm-1) in the presence of 1 μm yeast cytochrome c. The ATP hydrolysis activity of complex V was probed by in-gel lead phosphate precipitation. The original protocol (48Zerbetto E. Vergani L. Dabbeni-Sala F. Electrophoresis. 1997; 18: 2059-2064Crossref PubMed Scopus (255) Google Scholar) was modified to obtain fast and inhibitor-sensitive ATP hydrolysis rates. After CN-PAGE, gels were incubated for 3 h at room temperature in 35 mm Tris and 270 mm glycine (pH 7.8) with or without addition of 5 μg/ml oligomycin. The buffer was then replaced with 35 mm Tris, 270 mm glycine, 14 mm MgSO4, 0.2% Pb(NO3)2, and 8 mm ATP (pH 7.8). Lead phosphate precipitation was usually detected after ∼10-30 min and continued for 1-3 h. ATP hydrolysis on CN gels was ∼10 times faster than on BN gels and was oligomycin-sensitive in contrast to BN gels. Cardiolipin Effects on Respiratory Chain Supercomplexes and Dimeric ATP Synthase—The cardiolipin-deficient (Δcrd1) and parental strains were grown on glucose, lactate, and glycerol/ethanol. Mitochondria were solubilized by digitonin, and the sizes of solubilized complexes were compared after separation by BN-PAGE (Fig. 1A). In the parental strain, complexes III and IV were found assembled into small and large supercomplexes, which contained dimeric complex III and one or two copies of complex IV, respectively. The ratio of the two supercomplexes varied with the growth conditions as described previously (31Schägger H. Pfeiffer K. EMBO J. 2000; 19: 1777-1783Crossref PubMed Scopus (1049) Google Scholar). Upon analysis of the Δcrd1 strain by BN-PAGE, we could detect individual complexes III and IV, but almost no supercomplexes under all growth conditions. Detection of minor amounts of supercomplexes required resolution by SDS-PAGE in the second dimension, as exemplified in Fig. 2. Quantification of complex III on two-dimensional gels from the Δcrd1 mutant revealed that individual complex III was the predominant form and that minor amounts of complex III assembled with complex IV to form supercomplexes. This either could reflect the situation that formation of supercomplexes in the inner membrane of Δcrd1 mitochondria was reduced or may merely indicate that assembled supercomplexes were less stable compared with the parental strain and therefore prone to dissociation under BN-PAGE conditions. For protein solubilization in BN-PAGE, a neutral detergent and the negatively charged dye Coomassie Blue are used. This combination can mimic some properties of an anionic detergent and may lead to dissociation of proteins or complexes. Therefore, we used two additional experimental approaches to look for supercomplexes in solubilized Δcrd1 mitochondria. During gel filtration in the presence of digitonin, major amounts of complexes III and IV (500 and 200 kDa, respectively, for the individual complexes) coeluted with dimeric complex V (1250 kDa) (data not shown). This seemed to indicate that complexes III and IV were still assembled in supercomplexes and that digitonin (in the absence of the anionic dye Coomassie Blue) did not dissociate the supercomplexes of Δcrd1 mitochondria. Similar results were obtained using CN-PAGE. This method follows the protocol for BN-PAGE, except that Coomassie Blue is omitted from the sample and cathode buffers. In contrast to the results obtained with BN-PAGE, significant amounts of respiratory chain supercomplexes from Δcrd1 mitochondria were retained following CN-PAGE (Fig. 1B). SDS-PAGE in the second dimension (data not shown) indicated that major amounts of complex III were assembled in supercomplexes, and minor amounts were found as individual complex III (Table I). We concluded that mitochondrial membranes lacking cardiolipin still contained supercomplexes, but that these were significantly less stable than supercomplexes in the parental strain. Other phospholipids that are increased in the mutant, including phosphatidylethanolamine and phosphatidylglycerol (Table II), could not substitute for cardiolipin and could not prevent dissociation of supercomplexes under BN-PAGE conditions (Fig. 1A).Fig. 2Stabilization of respiratory chain supercomplexes by addition of cardiolipin. Mitochondria from parental wild-type (WT) and Δcrd1 strains grown on glycerol/ethanol were used directly (-CL) or after supplementation with cardiolipin (+CL) for BN-PAGE and two-dimensional SDS-PAGE. Boxes indicate the expected locations of the large (L) and small (S) supercomplexes, individual complex III (III), and individual complex IV (IV) on the Coomassie Blue-stained two-dimensional gels (upper panels). A, mitochondria from the control parental strain (WT -CL); B, mitochondria from the wild-type strain supplemented with additional cardiolipin (WT +CL); C, mitochondria from the cardiolipin-deficient Δcrd1 strain (Δcrd1 -CL); D, mitochondria from the Δcrd1 strain reconstituted with cardiolipin (Δcrd1 +CL). Supplementation with cardiolipin reduced the amounts of individual complexes III and IV and correspondingly increased the amounts of large and small supercomplexes (see Table III for quantification). The assignment of subunits of complexes III and IV is as follows: band 1, Qcr1p; band 2, Qcr2p; band 3, Cox1p; band 4, cytochrome b + Cyc1p; band 5, Cox2p; band 6, Rip1p; band 7, Cox3p; band 8, Cox4p; band 9, Cox5Ap; band 10, Qcr7p; band 11, Cox13p; band 12, Cox6p; band 13, Qcr8p; band 14, Qcr10p; band 15, Qcr9p; band 16, Cox7p + Cox9p; band 17, Cox8p. Antibodies against cytochrome c oxidase subunits 1-3 (Cox1, Cox2, and Cox3, respectively) were used for visualization of complex IV in the corresponding Western blots (Lower panels). VM and VD, monomeric and dimeric complex V, respectively.View Large Image Figure ViewerDownload Hi-res image Download (PPT)Table IPartitioning of total complex III to large and small supercomplexes and individual complex III following BN-PAGE and CN-PAGELarge complexSmall complexIndividual complex III%%%WT, glucoseBN-PAGE394615CN-PAGE364420Δcrd 1, glucoseBN-PAGE01585CN-PAGE274033WT, lactateBN-PAGE89110CN-PAGE87130Δcrd 1, lactateBN-PAGE222850CN-PAGE71290WT, glycerol/ethanolBN-PAGE473617CN-PAGE523612Δcrd 1, glycerol/ethanolBN-PAGE122365CN-PAGE314524 Open table in a new tab Table IIPhospholipid composition of the Δcrd 1 and isogenic parental strains grown in different media expressed as a percentage of total radiolabeled 32P incorporated into phospholipids (n ≥ 4)LactateGlucoseGlycerol/ethanolWTaWT, wild-type strain; CL, cardiolipin; PA, phosphatidic acid; PE, phosphatidylethanolamine; PG, phosphatidylglycerol; PS, phosphatidylserine; PI, phosphatidylinositol; PC, phosphatidylcholine; ND, not detectable.Δcrd 1WTΔcrd 1WTΔcrd 1%%%CL7.13 ± 0.64ND5.92 ± 1.25ND7.42 ± 1.61NDPA8.59 ± 1.848.22 ± 0.724.88 ± 0.514.96 ± 0.457.55 ± 1.955.64 ± 2.86PE8.73 ± 1.2516.19 ± 1.0613.60 ± 1.7716.59 ± 1.3014.26 ± 0.7722.99 ± 2.86PG0.31 ± 0.126.70 ± 0.44ND3.29 ± 0.160.19 ± 0.087.27 ± 0.35PS1.88 ± 0.591.77 ± 0.414.94 ± 1.266.35 ± 0.613.14 ± 0.374.05 ± 0.46PI20.46 ± 1.4717.19 ± 1.7716.81 ± 4.7916.60 ± 4.2522.61 ± 1.8617.20 ± 1.03PC44.02 ± 3.8342.72 ± 1.9948.05 ± 2.4246.43 ± 2.4141.58 ± 4.6338.96 ± 2.68a WT, wild-type strain; CL, cardiolipin; PA, phosphatidic acid; PE, phosphatidylethanolamine; PG, phosphatidylglycerol; PS, phosphatidylserine; PI, phosphatidylinositol; PC, phosphatidylcholine; ND, not detectable. Open table in a new tab Individual complex III from the Δcrd1 strain seemed slightly smaller than free complex III from the parental strain (Fig. 1A, lanes 1 and 2). We assign this mass difference to the absence of bound cardiolipin because the subunit composition of complex III was found to be identical in the parental and Δcrd1 strains. In contrast, the lack of cardiolipin had no detectable effect on the size of monomeric and dimeric ATP synthases following BN-PAGE. However, an additional faint band just below the dimeric ATP synthase was usually observed in mitochondria from the Δcrd1 strain (Fig. 1A). This additional band contained subunits of ATP synthase as identified by two-dimensional SDS-PAGE (data not shown), but not all subunits could be detected due to the small protein amounts. This additional band was not detected by CN-PAGE (Fig. 1B). We concluded that the lack of cardiolipin had little effect on the stability of dimeric ATP synthase compared with the significant effect on the stability of respiratory chain supercomplexes. The ATP hydrolysis activities of monomeric and dimeric ATP synthases from the wild-type and Δcrd1 strains were similar, as estimated by in-gel lead phosphate precipitation, which correlated with ATP hydrolysis rates (Fig. 1C). This indicates that dimeric ATP synthase is not an inactive form of complex V, as was recently described for the bovine enzyme (35Tomasetig L. DiPancrazio F. Harris D.A. Mavelli I. Lippe G. Biochim. Biophys. Acta. 2002; 1556: 133-141Crossref PubMed Scopus (60) Google Scholar). An ∼10-30-min incubation with ATP was sufficient to observe strong lead phosphate precipitation on gels following CN-PAGE. ATP hydrolysis by monomeric and dimeric complex V from the wild-type and Δcrd1 strains was almost completely oligomycin-sensitive (data not shown). Following BN-PAGE, a comparable precipitation intensity required >10 h of incubation and could not be inhibited by oligomycin. Stabilization of Respiratory Chain Supercomplexes by Addition of Cardiolipin—Mitochondria from Δcrd1 and parental strains grown on glycerol/ethanol were supplemented with cardiolipin and analyzed by BN-PAGE and two-dimensional electrophoresis (Fig. 2). In mitochondria from the parental strain, only small amounts of free individual complex IV, which required immunological techniques for detection (Fig. 2A), were found not to be associated with complex III. Upon addition of cardiolipin, this minor amount of individual complex IV was further reduced (Fig. 2B and Table III). Addition of cardiolipin to Δcrd1 mitochondria had a pronounced effect. Using Δcrd1 mitochondria directly, major amounts of complex IV were found as free individual complex IV (Fig. 2C). However, after addition of cardiolipin, a large fraction of this individual complex IV was found assembled with complex III (Fig. 2D). The band of individual complex III was significantly reduced, and the amounts of both supercomplexes containing one and two copies of complex IV, respectively, were significantly increased (Table III). Cardiolipin addition did not affect the ratio of dimeric and monomeric ATP synthases.Table IIICardiolipin-dependent partitioning of total complex III to supercomplexes and individual complex III after BN-PAGEComplex IIIWTWT + CLΔcrd1Δcrd1 + CL%%%%In large
0

Amyloid-β and tau synergistically impair the oxidative phosphorylation system in triple transgenic Alzheimer's disease mice

Virginie Rhein et al.Nov 7, 2009
Alzheimer's disease (AD) is characterized by amyloid-beta (Aβ)-containing plaques, neurofibrillary tangles, and neuron and synapse loss. Tangle formation has been reproduced in P301L tau transgenic pR5 mice, whereas APP sw PS2 N141I double-transgenic APP152 mice develop Aβ plaques. Cross-breeding generates triple transgenic ( triple AD) mice that combine both pathologies in one model. To determine functional consequences of the combined Aβ and tau pathologies, we performed a proteomic analysis followed by functional validation. Specifically, we obtained vesicular preparations from triple AD mice, the parental strains, and nontransgenic mice, followed by the quantitative mass-tag labeling proteomic technique iTRAQ and mass spectrometry. Within 1,275 quantified proteins, we found a massive deregulation of 24 proteins, of which one-third were mitochondrial proteins mainly related to complexes I and IV of the oxidative phosphorylation system (OXPHOS). Notably, deregulation of complex I was tau dependent, whereas deregulation of complex IV was Aβ dependent, both at the protein and activity levels. Synergistic effects of Aβ and tau were evident in 8-month-old triple AD mice as only they showed a reduction of the mitochondrial membrane potential at this early age. At the age of 12 months, the strongest defects on OXPHOS, synthesis of ATP, and reactive oxygen species were exhibited in the triple AD mice, again emphasizing synergistic, age-associated effects of Aβ and tau in perishing mitochondria. Our study establishes a molecular link between Aβ and tau protein in AD pathology in vivo, illustrating the potential of quantitative proteomics.
0

Mitochondrial dysfunction: An early event in Alzheimer pathology accumulates with age in AD transgenic mice

Susanne Hauptmann et al.Mar 6, 2008
Recent evidence suggests mitochondrial dysfunction as a common early pathomechanism in Alzheimer's disease integrating genetic factors related to enhanced amyloid-beta (Ass) production and tau-hyperphosphorylation with aging, as the most relevant sporadic risk factor. To further clarify the synergistic effects of aging and Ass pathology, we used isolated mitochondria of double Swedish and London mutant APP transgenic mice and of non-tg littermates. Pronounced mitochondrial dysfunction in adult Thy-1 APP mice, such as a drop of mitochondrial membrane potential and reduced ATP-levels already appeared at 3 months when elevated intracellular but not extracellular Ass deposits are present. Mitochondrial dysfunction was associated with higher levels of reactive oxygen species, an altered Bcl-xL/Bax ratio and reduction of COX IV activity. We observed significant decreases in state 3 respiration and FCCP-uncoupled respiration in non-tg mice after treatment with extracellular Ass. Similar deficits were seen only in aged Thy-1 APP mice, probably due to compensation within the respiratory chain in young animals. We conclude that Ass dependent mitochondrial dysfunction starts already at 3 months in this AD model before extracellular deposition of Ass and progression accelerates substantially with aging.
0

Proteomic and Functional Analyses Reveal a Mitochondrial Dysfunction in P301L Tau Transgenic Mice

Della David et al.Apr 15, 2005
Transgenic mice overexpressing the P301L mutant human tau protein exhibit an accumulation of hyperphosphorylated tau and develop neurofibrillary tangles. The consequences of tau pathology were investigated here by proteomics followed by functional analysis. Mainly metabolism-related proteins including mitochondrial respiratory chain complex components, antioxidant enzymes, and synaptic proteins were identified as modified in the proteome pattern of P301L tau mice. Significantly, the reduction in mitochondrial complex V levels in the P301L tau mice revealed using proteomics was also confirmed as decreased in human P301L FTDP-17 (frontotemporal dementia with parkinsonism linked to chromosome 17) brains. Functional analysis demonstrated a mitochondrial dysfunction in P301L tau mice together with reduced NADH-ubiquinone oxidoreductase activity and, with age, impaired mitochondrial respiration and ATP synthesis. Mitochondrial dys-function was associated with higher levels of reactive oxygen species in aged transgenic mice. Increased tau pathology as in aged homozygous P301L tau mice revealed modified lipid peroxidation levels and the up-regulation of antioxidant enzymes in response to oxidative stress. Furthermore, P301L tau mitochondria displayed increased vulnerability toward β-amyloid (Aβ) peptide insult, suggesting a synergistic action of tau and Aβ pathology on the mitochondria. Taken together, we conclude that tau pathology involves a mitochondrial and oxidative stress disorder possibly distinct from that caused by Aβ. Transgenic mice overexpressing the P301L mutant human tau protein exhibit an accumulation of hyperphosphorylated tau and develop neurofibrillary tangles. The consequences of tau pathology were investigated here by proteomics followed by functional analysis. Mainly metabolism-related proteins including mitochondrial respiratory chain complex components, antioxidant enzymes, and synaptic proteins were identified as modified in the proteome pattern of P301L tau mice. Significantly, the reduction in mitochondrial complex V levels in the P301L tau mice revealed using proteomics was also confirmed as decreased in human P301L FTDP-17 (frontotemporal dementia with parkinsonism linked to chromosome 17) brains. Functional analysis demonstrated a mitochondrial dysfunction in P301L tau mice together with reduced NADH-ubiquinone oxidoreductase activity and, with age, impaired mitochondrial respiration and ATP synthesis. Mitochondrial dys-function was associated with higher levels of reactive oxygen species in aged transgenic mice. Increased tau pathology as in aged homozygous P301L tau mice revealed modified lipid peroxidation levels and the up-regulation of antioxidant enzymes in response to oxidative stress. Furthermore, P301L tau mitochondria displayed increased vulnerability toward β-amyloid (Aβ) peptide insult, suggesting a synergistic action of tau and Aβ pathology on the mitochondria. Taken together, we conclude that tau pathology involves a mitochondrial and oxidative stress disorder possibly distinct from that caused by Aβ.
0

The Mechanism of Mitochondrial Superoxide Production by the Cytochrome bc1 Complex

Stefan Dröse et al.Jun 4, 2008
Production of reactive oxygen species (ROS) by the mitochondrial respiratory chain is considered to be one of the major causes of degenerative processes associated with oxidative stress. Mitochondrial ROS has also been shown to be involved in cellular signaling. It is generally assumed that ubisemiquinone formed at the ubiquinol oxidation center of the cytochrome bc(1) complex is one of two sources of electrons for superoxide formation in mitochondria. Here we show that superoxide formation at the ubiquinol oxidation center of the membrane-bound or purified cytochrome bc(1) complex is stimulated by the presence of oxidized ubiquinone indicating that in a reverse reaction the electron is transferred onto oxygen from reduced cytochrome b(L) via ubiquinone rather than during the forward ubiquinone cycle reaction. In fact, from mechanistic studies it seems unlikely that during normal catalysis the ubisemiquinone intermediate reaches significant occupancies at the ubiquinol oxidation site. We conclude that cytochrome bc(1) complex-linked ROS production is primarily promoted by a partially oxidized rather than by a fully reduced ubiquinone pool. The resulting mechanism of ROS production offers a straightforward explanation of how the redox state of the ubiquinone pool could play a central role in mitochondrial redox signaling.
0

Mitochondrial Telomerase Reverse Transcriptase Binds to and Protects Mitochondrial DNA and Function From Damage

Judith Haendeler et al.Mar 6, 2009
Objective— The enzyme telomerase and its catalytic subunit the telomerase reverse transcriptase (TERT) are important for maintenance of telomere length in the nucleus. Recent studies provided evidence for a mitochondrial localization of TERT. Therefore, we investigated the exact localization of TERT within the mitochondria and its function. Methods and Results— Here, we demonstrate that TERT is localized in the matrix of the mitochondria. TERT binds to mitochondrial DNA at the coding regions for ND1 and ND2. Binding of TERT to mitochondrial DNA protects against ethidium bromide–induced damage. TERT increases overall respiratory chain activity, which is most pronounced at complex I and dependent on the reverse transcriptase activity of the enzyme. Moreover, mitochondrial reactive oxygen species are increased after genetic ablation of TERT by shRNA. Mitochondrially targeted TERT and not wild-type TERT revealed the most prominent protective effect on H 2 O 2 -induced apoptosis. Lung fibroblasts from 6-month-old TERT −/− mice (F2 generation) showed increased sensitivity toward UVB radiation and heart mitochondria exhibited significantly reduced respiratory chain activity already under basal conditions, demonstrating the protective function of TERT in vivo. Conclusion— Mitochondrial TERT exerts a novel protective function by binding to mitochondrial DNA, increasing respiratory chain activity and protecting against oxidative stress–induced damage.
0

Mitochondrion-Derived Reactive Oxygen Species Lead to Enhanced Amyloid Beta Formation

Kristina Leuner et al.Jan 9, 2012
Aims: Intracellular amyloid beta (Aβ) oligomers and extracellular Aβ plaques are key players in the progression of sporadic Alzheimer's disease (AD). Still, the molecular signals triggering Aβ production are largely unclear. We asked whether mitochondrion-derived reactive oxygen species (ROS) are sufficient to increase Aβ generation and thereby initiate a vicious cycle further impairing mitochondrial function. Results: Complex I and III dysfunction was induced in a cell model using the respiratory inhibitors rotenone and antimycin, resulting in mitochondrial dysfunction and enhanced ROS levels. Both treatments lead to elevated levels of Aβ. Presence of an antioxidant rescued mitochondrial function and reduced formation of Aβ, demonstrating that the observed effects depended on ROS. Conversely, cells overproducing Aβ showed impairment of mitochondrial function such as comprised mitochondrial respiration, strongly altered morphology, and reduced intracellular mobility of mitochondria. Again, the capability of these cells to generate Aβ was partly reduced by an antioxidant, indicating that Aβ formation was also ROS dependent. Moreover, mice with a genetic defect in complex I, or AD mice treated with a complex I inhibitor, showed enhanced Aβ levels in vivo. Innovation: We show for the first time that mitochondrion-derived ROS are sufficient to trigger Aβ production in vitro and in vivo. Conclusion: Several lines of evidence show that mitochondrion-derived ROS result in enhanced amyloidogenic amyloid precursor protein processing, and that Aβ itself leads to mitochondrial dysfunction and increased ROS levels. We propose that starting from mitochondrial dysfunction a vicious cycle is triggered that contributes to the pathogenesis of sporadic AD. Antioxid. Redox Signal. 16, 1421–1433.
Load More