Universidad Autónoma De Madrid Programa De Doctorado En Biociencias Moleculares
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Universidad Autónoma de Madrid Programa de Doctorado en Biociencias Moleculares IMPACT OF COX7A2L IN THE BIOGENESIS OF HUMAN MITOCHONDRIAL RESPIRATORY CHAIN SUPERCOMPLEXES Tesis Doctoral Teresa Lobo Jarne Madrid 2018 DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA FACULTAD DE MEDICINA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRID IMPACT OF COX7A2L IN THE BIOGENESIS OF HUMAN MITOCHONDRIAL RESPIRATORY CHAIN SUPERCOMPLEXES Memoria presentada por la Licenciada en Biotecnología Teresa Lobo Jarne para optar al grado de Doctor por la Universidad Autónoma de Madrid Directora de Tesis: Dra. Cristina Ugalde Bilbao Instituto de Investigación Hospital 12 de Octubre (i+12) DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA FACULTAD DE MEDICINA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRID Doña Cristina Ugalde Bilbao, Doctora en Ciencias, como Directora de Tesis, CERTIFICA: Que Doña Teresa Lobo Jarne, con DNI 72996109-C, licenciada en Biotecnología, ha realizado bajo mi dirección en el Instituto de Investigación Hospital 12 de Octubre (i+12) de Madrid, el trabajo titulado: IMPACT OF COX7A2L IN THE BIOGENESIS OF HUMAN MITOCHONDRIAL RESPIRATORY CHAIN SUPERCOMPLEXES Una vez supervisado el trabajo, considero que cumple con éxito todos los requisitos necesarios en cuanto a originalidad y calidad para ser presentado como Tesis Doctoral con el objeto de optar al título de Doctor por la Universidad Autónoma de Madrid. Madrid, a 25 de Enero del 2018 Dra. Cristina Ugalde Bilbao Directora de Tesis Laboratorio de Enfermedades Raras: Mitocondriales y Neuromusculares Instituto de Investigación Hospital 12 de Octubre (i+12) Avenida de Córdoba s/n 28041 Madrid Esta tesis doctoral ha sido realizada gracias a la concesión de una ayuda del Instituto de Investigación Hospital 12 de Octubre (i+12) para la incorporación de becarios a proyectos de investigación; de un Contrato de Formación en Investigación del Fondo de Investigaciones Sanitarias / Instituto de Salud Carlos III / fondos FEDER asignado a Doña Teresa Lobo Jarne con cargo al proyecto de investigación FIS 14-00209; así como por el proyecto del National Institute of General Medical Sciences (NIGMS-NIH, número 1R01GM105781-01) concedidos a la Dra. Cristina Ugalde Bilbao. A todos los que eché de menos, en especial a mis padres y a mi hermana AGRADECIMIENTOS Este trabajo no hubiera sido posible sin el interés y ánimo de muchas personas. A todos, gracias de corazón. Gracias a mi directora de tesis, la Dra. Cristina Ugalde Bilbao, por haberme dado la oportunidad de realizar mi doctorado en su grupo de investigación. Y por la formación científica que me ha brindado. Gracias al director del grupo de Enfermedades Raras, Mitocondriales y Neuromusculares el Dr. Miguel Ángel Casanueva y al director de la institución el Dr. Joaquín Arenas Barbero, por su cercanía y apoyo y por permitirme formar parte del Instituto de Investigación del Hospital 12 de Octubre de Madrid. Gracias a la Dra. María Morán y al Dr. Francisco Martínez, por su disposición a contestarme a las tantas preguntas experimentales y teóricas durante todo este tiempo y siempre con una sonrisa. Gracias a la Dra. Esther Gallardo, por su eficaz ayuda en la tutorización de este trabajo y por los buenos consejos que me ha dado. Gracias a Alberto Blázquez, por su ayuda con los análisis genéticos y a Inés García, por su ayuda proteómica con buen sentido del humor. Gracias a Pilar, Vicky, Sara y Charo, por sus buenos consejos tanto profesionales como personales. Sin ellas el laboratorio no sería lo mismo. Gracias a Pablo, Adrián y Guille, por las charlas de pasillo y de cultivos celulares. Gracias a Miguel, Dani, Vero, Patri, Javi y Gabriel, por sacarme una sonrisa cuando la he necesitado. Por los geniales momentos en el laboratorio, en la cafetería y fuera del trabajo. Gracias a Xandra, Gaba y Elena, por acogerme, escucharme, apoyarme y consolarme. Ellas han estado en los grandes momentos, en tantas risas, anécdotas y confesiones. Porque las fiestitas, las cañas, las películas y las charlas de ciencia y no-ciencia en el laboratorio hicieron el día a día mucho más fácil. Gracias a Laura, por todo lo que ha hecho por mí. Por las horas midiendo cadena respiratoria mitocondrial que se recompensaban con cines domingueros. Porque siempre ha estado para mí en cualquier circunstancia, amiga y consejera, dentro y fuera del laboratorio. Porque ella y David me han adoptado a la madrileña, y han hecho que mi experiencia en la gran ciudad haya sido genial. Gracias de todo corazón, porque me llevo dos grandes amigos. Gracias a Ana, por su sincera amistad. Por su sentido del humor, su capacidad de trabajo y su ayuda cuando la he necesitado, tanto experimental como personal. Gracias a Alberto y Rafa, esos monstruos monstruosos. Gracias por estar ahí siempre, serenos y guardianes. Por su enorme ayuda experimental, por aguantar mi organización de laboratorio y por sus palabras de consuelo, alegría y templanza siempre que las he necesitado. En especial a Rafa por las discusiones científicas, las hipótesis, las estrategias experimentales y toda su valiosa ayuda en el desarrollo de este trabajo. Gracias a David, por enseñarme durante mi primer año de tesis, por darme el testigo de la blue-native, por escuchar y entender y por seguir compartiendo buenos momentos. Y a Javi, también por escucharme. Gracias a la Dra. Erika Fernández-Vizarra, por su confianza en mí cuando era una estudiante de máster. Porque aquel año fue estupendo y aprendí mucho. Gracias al Dr. Antoni Barrientos y a todo su equipo del laboratorio de Mitochondrial Biogenesis in Health, Disease and Aging de la Universidad de Miami, por haberme acogido tan bien en su grupo y haberme enseñado nuevas técnicas experimentales y una forma diferente de trabajar en un laboratorio de investigación. Gracias a Marta, el destino nos volvió a unir. Gracias por todas las tardes de cañas sin alcohol con limón, de paseos, de Malasaña, de compras y de teatros. Por haber sido mi confidente, porque “en la calle pasábamos las horas… has estado ahí por encima de todas las cosas”. Y a Alfonso, por su gran interés por mi trabajo. Gracias a Carolina y Ana, por ser las mejores compañeras de piso que una puede tener. Gracias por ayudarme siempre que lo he necesitado. Gracias a Marina, por llevarme una vez a la semana a un mundo melódico lleno de notas, acordes y arpegios, donde las pipetas se sustituían por guitarras. Gracias a mis círculas, a Yoli, Ana M, Diana, Ana G, Mariaje y Belén, por apoyarme en cualquier circunstancia. Juntas desde los inicios biotec y desde cualquier punto del mundo. Gracias por los consejos, confidencias y desahogos circulares; los vídeos, correos y skype circulares; las fiestas, celebraciones y viajes circulares; las alegrías, risas y lloros circulares. Y gracias a los círculos Jordi N, Miguel, Jordi P y Tomás por animarme siempre y porque sin ellos el círculo no sería del todo circular. Gracias a Guillermo y Diana, por haber estado conmigo desde el principio. Porque para mí, Zaragoza son ellos. Y pase el tiempo que pase, están para escucharme. Gracias a toda mi familia, por su apoyo, ánimo y empuje en el desarrollo de este doctorado. En especial a mi tío Adolfo y a mi tito Antonio, por siempre preguntarme por mi tesis y darme buenos consejos. Y a mi yayo, por ser tan curioso y siempre estar dispuesto a aprender cosas de “aquello llamado mitocondria”. Estés donde estés, gracias yayo. Gracias a Romà, por ser paciente y comprensivo. Porque me conoce y me entiende, porque ha vivido esta tesis como si fuera suya. Gracias por animarme siempre, ser mi más sincero confidente y por haber hecho mucho más fácil esta aventura. Y gracias a su familia también, por su interés y ánimo en todo momento. Gracias a mi hermana Laura, por su gran ayuda en la maquetación y en la revisión gramatical de este trabajo. Por ser mi cómplice en cada nueva experiencia y por escucharme siempre. Gracias por darle el toque divertido, musical y artístico a mi vida. Gracias a mis padres Manuel y Maruxa, porque a ellos les debo todo. Gracias por vuestro apoyo, exigencia, dedicación y cariño en cada nueva etapa. Por todos los buenos consejos que me dais, por enseñarme tanto y siempre estar para mí. SUMMARY / RESUMEN SUMMARY / RESUMEN Mitochondrial respiratory chain (MRC) complexes I, III and IV are associated in large supramolecular structures termed supercomplexes (SCs) and respirasomes, whose biogenesis and functional and pathophysiological relevance remain unclear. Such superstructures originate interdependences between the individual OXPHOS complexes, with major biomedical implications for the diagnosis of mitochondrial disorders because combined deficiencies of these complexes can be attributed to a genetic defect of a single MRC complex. Furthermore, the functional implication of the mitochondrial protein COX7A2L / COX7RP / SCAFI in the biogenesis of SCs is a subject of intense and controversial debate. To elucidate the role of COX7A2L in the structural organization of human MRC, blue native electrophoresis, proteomic analyses and COX7A2L downregulation assays were performed in control and mutant transmitochondrial cybrids lacking one of each MRC complexes. Our results showed that human COX7A2L binds primarily to the SC-unbound complex III dimer (CIII2) and to a minor extent to free complex IV, to specifically promote the stabilization of the SC III2+IV without affecting the respirasomes formation. Further analyses in TALEN-mediated COX7A2L knockout (COX7A2L-KO) HEK293T cells demonstrated that the lack of COX7A2L prevents SC III2+IV formation without affecting de novo complex IV biogenesis, enhances the biogenetic rates of CIII2, and delays the formation of the complex III-containing respirasomes that, nonetheless, accumulate to control steady-state levels. Functional substrate competition assays revealed that, upon the induction of complex I deficiency, COX7A2L-KO cells significantly favour electron flux through complex II. Altogether, our data suggest that COX7A2L establishes a regulatory checkpoint for the biogenesis of CIII2 and complex III-containing SCs that limits succinate oxidation when complex I activity is compromised, and that independent regulatory mechanisms co-exist for the biogenesis of SC III2+IV and the respirasomes.