Regulation of Mitochondrial Function by Orphan Protein Phosphatases

点击翻译按钮获取中文摘要

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.