Mitochondrial to nuclear gene transfer via synthetic evolution

通过合成进化从线粒体到核基因转移

基本信息

  • 批准号:
    9269097
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 32.81万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2015
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2015-05-01 至 2019-04-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Mitochondria, the centers of cellular energy production, have transferred the majority of their own genetic material to the nuclear genome during evolution. Yet a handful of genes remain in all mitochondrial genomes, despite their susceptibility to damaging metabolic byproducts and mutations. The consequences of mtDNA mutations are significant: they are implicated in a range of severe diseases, and the mutations accumulated during a lifetime are believed to lead to neurodegenerative disorders and the ageing process itself. This raises the question of why the mitochondrial genome still exists, despite the potentially severe consequences on fitness in all eukaryotes, and what are the cellular processes that limit or support mitochondrial gene expression from the nucleus? These questions can be answered by synthetic 'allotopic' expression of these genes from the protected environment of the nucleus. Recent studies have suggested that the lack of success with this strategy is due to the need for adaptations not only in the allotopic protein, but also in several cellular processes. The goal of this project is to systematically study allotopic expression in yeast using a combination of high-throughput and mechanistic biochemical approaches. Yeast is uniquely suited to study this problem because it is one of few organisms where mtDNA can be manipulated, and is amenable to genomic and synthetic biology techniques. Allotopic expression of the 4 yeast genes that have not been experimentally transferred thus far, each of which have been implicated in disease, will be tested in multiple versions by exploiting cost-effective, next-generation oligonucleotide synthesis technology. Applying the power of genetic screens, weakly successful allotopic strains will be used to discover genetic suppressors that improve allotopic expression through genomic screens and in-lab evolution, revealing pathways involved in nuclear gene transfer and mitochondrial biogenesis. These discoveries will be used to produce 'superhost' yeast strains whose backgrounds strongly favour allotopic expression. To discover the roadblocks that prevent allotopic expression and test competing hypotheses for why mtDNA genes have been retained, protein localization, trafficking, susceptibility to degradation, and mitochondrial transport will be tracked. These rewired strains will be characterized at the transcriptomic, bioenergetic, and mechanistic levels. Finally, the allotopically expressed genes will be combined stepwise to generate a strain with a minimal mitochondrial genome. This work will be carried out by leading groups in functional genomics, mitochondrial bioenergetics, and evolution. It will reveal obstacles facing nuclear transfer of mitochondrial genes during evolution, how mitochondrial gene products are expressed and processed, and build a systematic understanding of the key factors in mitochondrial biogenesis. This project will also open new avenues for studying the role of mtDNA in ageing and neurodegenerative disorders.
线粒体是细胞能量生产的中心,已经转移了自身的大部分遗传信息 进化过程中核基因组的物质。然而,所有线粒体基因组中都保留了少数基因, 尽管它们容易受到破坏性代谢副产物和突变的影响。线粒体DNA的后果 突变是重要的:它们与一系列严重疾病有关,并且突变积累 人们认为在一生中会导致神经退行性疾病和衰老过程本身。这引发了 尽管线粒体基因组可能对人类造成严重后果,但为什么它仍然存在? 所有真核生物的适应性,以及限制或支持线粒体基因的细胞过程是什么 来自细胞核的表达?这些问题可以通过这些的合成“同位素”表达来回答 来自细胞核受保护环境的基因。最近的研究表明,缺乏成功 采用这种策略是因为不仅需要在同位素蛋白中进行适应,而且还需要在多种细胞中进行适应 流程。该项目的目标是使用组合系统地研究酵母中的同位素表达 高通量和机械生化方法。酵母非常适合研究这个问题 因为它是少数可以操纵 mtDNA 的生物体之一,并且适合基因组和 合成生物学技术。 4个尚未进行实验的酵母基因的同位素表达 迄今为止转移的每一个都与疾病有关,将在多个版本中进行测试 利用具有成本效益的下一代寡核苷酸合成技术。运用遗传的力量 筛选后,不太成功的同位素菌株将被用来发现改善同位素的基因抑制因子 通过基因组筛选和实验室进化表达,揭示核基因涉及的途径 转移和线粒体生物发生。这些发现将用于生产“超级宿主”酵母菌株 其背景强烈支持同位素表达。发现阻止同位素的障碍 表达并测试关于为什么 mtDNA 基因被保留、蛋白质定位、 将跟踪贩运、降解敏感性和线粒体运输。这些重新连接的菌株将 在转录组、生物能和机制水平上进行表征。最后,同位素表达 基因将逐步组合以产生具有最小线粒体基因组的菌株。这项工作将是 由功能基因组学、线粒体生物能量学和进化领域的领先小组进行。它将揭示 线粒体基因核转移在进化过程中面临的障碍,线粒体基因产物如何 表达和加工,并建立对线粒体生物发生关键因素的系统理解。 该项目还将为研究 mtDNA 在衰老和神经退行性疾病中的作用开辟新途径 失调。

项目成果

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