Regulation of Mitochondrial Function by Orphan Protein Phosphatases

项目摘要 线粒体是新陈代谢的中心，其活动需要校准以满足不断变化的细胞需求。 这些细胞器的一般功能障碍与许多常见的人类疾病有关，包括帕金森氏症， 阿尔茨海默氏症、各种癌症、代谢综合征、2型糖尿病（T2 D）、肥胖、非酒精性脂肪肝 疾病（NAFLD）和心力衰竭，最常见的是通过不明确的方式。定义致病性线粒体 改变，有助于这些代谢紊乱，并制定新的治疗策略，以纠正他们 代表了线粒体医学的主要挑战。这种功能障碍的一个潜在因素是异常的 线粒体内蛋白磷酸化--一个被认为是丙酮酸脱氢酶关键的过程 监管超过50年，但相对未被探索。我们实验室最近的努力， 其他人现在已经揭示了线粒体蛋白质充满了动态磷酸化， 在健康和疾病状态之间可重复，磷酸化可以改变蛋白质的活性， 参与核心代谢途径。 我们现在还将选择性磷酸化事件与不良的 特征的基质蛋白磷酸酶，从而开始建立一个机制框架， 了解线粒体蛋白磷酸化及其对代谢活动的影响。 鉴于这些 这项研究的前提是，可逆的磷酸化可能在 校准线粒体代谢，其管理不善可能导致 线粒体相关疾病。严谨的新努力揭示了磷酸化如何影响线粒体蛋白 功能和确定靶向每个位点的磷酸酶可能最终实现新的治疗策略 专注于线粒体磷酸化网络的操作。这里提出的工作旨在 为实现这些目标迈出重要步伐。 特别是，我们的努力的贡献将是1）定义 Pptc 7的生理功能和直接生化底物，一种特征不佳的线粒体基质 磷酸酶，其破坏导致严重脂肪酸氧化（FAO）-类脂肪酸酶紊乱和新生儿死亡，2） 为了确定磷酸化对假定的Pptc 7底物的重要作用机制， 3）开始系统地连接全套孤儿线粒体 磷酸酶的候选底物和代谢过程，从而开辟了一个很大程度上尚未开发的领域， 线粒体代谢调节总而言之，通过一种综合方法， 生理学、组学--细胞水平的分析和严格的生物化学，我们的目标是在以下方面建立明确的联系： 线粒体磷酸酶及其底物，建立了一个广泛的框架，了解这一作用， 翻译后修饰校准线粒体活动，并最终铺平了道路， 治疗策略，以纠正线粒体功能障碍。

PROJECT SUMMARY  Mitochondria are centers of metabolism whose activities need to be calibrated to meet changing cellular needs.  General dysfunction of these organelles is implicated in many common human disorders, including Parkinson’s,  Alzheimer’s,  various  cancers,  metabolic  syndrome,  type  2  diabetes  (T2D),  obesity,  non-­alcoholic  fatty  liver  disease (NAFLD), and heart failure, most often through unclear means. Defining the pathogenic mitochondrial  alterations that contribute to these metabolic disorders and devising new therapeutic strategies to rectify them  represent principal challenges in mitochondrial medicine. A potential contributor to this dysfunction is aberrant  intra-­mitochondrial  protein  phosphorylation—a  process  recognized  as  critical  for  pyruvate  dehydrogenase  regulation for more than 50 years, but relatively unexplored otherwise. Recent efforts from our laboratories and  others  have  now  revealed  that  mitochondrial  proteins  are  replete  with  dynamic  phosphorylation  that  changes  reproducibly between healthy and diseased states, and that phosphorylation can alter the activities of proteins  involved  in  core  metabolic  pathways.  We  have  also  now  connected  select  phosphorylation  events  to  poorly  characterized  matrix  protein  phosphatases,  thereby  beginning  to  establish  a  mechanistic  framework  for  understanding  mitochondrial  protein  phosphorylation  and  its  effects  on  metabolic  activities.  Given  these  emerging  findings,  the  premise  of  this  project  is  that  reversible  phosphorylation  may  be  widely  important  in  calibrating  mitochondrial  metabolism,  and  that  its  mismanagement  could  contribute  to  the  pathophysiology  of  mitochondria-­related disorders. Rigorous new efforts to reveal how phosphorylation affects mitochondrial protein  function and to define the phosphatases that target each site may ultimately enable a new therapeutic strategy  focused on manipulation of the mitochondrial phosphorylation network. The work proposed here is designed to  take  significant  steps  toward  these  goals.  In  particular,  the  contributions  of  our  efforts  will  be  1)  to  define  the  physiological functions and direct biochemical substrates of Pptc7, a poorly characterized mitochondrial matrix  phosphatase whose disruption causes a severe fatty acid oxidation (FAO)-­like disorder and neonatal death, 2)  to establish the mechanistic effects of phosphorylation on putative Pptc7 substrates of outstanding importance  to  FAO  and  protein  import,  and  3)  to  begin  systematically  connecting  the  full  set  of  orphan  mitochondrial  phosphatases to candidate substrates and metabolic processes, thereby opening up a largely untapped area of  mitochondrial metabolic regulation. Altogether, through a comprehensive approach that combines mammalian  physiology,  omics-­level  analyses,  and  rigorous  biochemistry,  we  aim  to  make  definitive  connections  between  mitochondrial phosphatases and their substrates, establish a broad framework for understanding the role of this  post-­translation  modification  in  calibrating  mitochondrial  activities,  and  ultimately  pave  the  way  for  a  new  therapeutic strategy to rectify mitochondrial dysfunction.