Molekulare Mechanismen und Regulation des Imports hydrophober Transportproteine vom Cytosol in die mitochondriale Innenmembran
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die zellulären Kraftwerke (Mitochondrien) besitzen mehrere hundert verschiedene Membranproteine, die als Vorstufen im Cytosol synthetisiert und durch Transportmaschinen (Translokasen) zu ihrem Bestimmungsort transportiert werden. In diesem Projekt sollten molekulare Mechanismen und Regulationsprozesse der Translokasen für den Transport hydrophober Proteine vom Cytosol bis zur mitochondrialen Innenmembran charakterisiert werden. Durch eine Kombination biochemischer, molekularbiologischer, genetischer und zellbiologischer experimenteller Ansätze wurden die Transportprozesse im nativen mitochondrialen System in organello analysiert. Wir entdeckten eine Zellzyklus-abhängige Regulation der mitochondrialen Eintrittspforte für Vorstufenproteine (TOM-Komplex) und klärten die molekulare Reaktionskette auf. Wir fanden ein neues Prinzip der spezifischen Rekrutierung von cytosolischen Co-Chaperonen der J-Klasse durch TOM-Rezeptoren zur Förderung des Imports hydrophober Proteine. Die absoluten Mengen der Proteintranslokasen wurden erstmalig bestimmt und eine quantitative Einordnung der Proteinimport-Maschinerie im Vergleich zu anderen mitochondrialen Funktionseinheiten wurde erreicht. Durch Aminosäure-spezifische Quervernetzungsexperimente in organello konnte der Weg hydrophober Vorstufenproteine durch Translokasen der Außen- und Innenmembran verfolgt und spezifischen Bereichen von Transportkanälen zugeordnet werden. Wir fanden neue Substrate für die Transportwege und entdeckten, dass die Innenmembran-Insertase OXA eine zentrale Rolle für die Membraninsertion hydrophober Proteine und den Zusammenbau der TIM22-Translokase für Metabolittranslokatoren spielt. Schließlich zeigten wir eine unerwartete Funktion des Metabolitkanals Porin der Außenmembran für die Kopplung des Proteintransportes zur Innenmembran. Damit wurde ein neues Modell für die Regulation des Transportes hydrophober Metabolittranslokatoren der Mitochondrien aufgestellt. Zusammengefasst lieferten die Arbeiten dieses Projektes wichtige neue und überraschende Einblicke in den lebensnotwendigen Transport von hydrophoben Vorstufenproteinen in die Mitochondrien und zeigen eine enge Vernetzung und Regulation der beteiligten Proteinmaschinerien auf.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2014). Cell cycle-dependent regulation of mitochondrial preprotein translocase. Science 346, 1109-1113
Harbauer, A.B., Opalinska, M., Gerbeth, C., Herman, J.S., Rao, S., Schönfisch, B., Guiard, B., Schmidt, O., Pfanner, N., and Meisinger, C.
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Ieva, R., Schrempp, S.G., Opalinski, L., Wollweber, F., Höß, P., Heißwolf, A.K., Gebert, M., Zhang, Y., Guiard, B., Rospert, S., Becker, T., Chacinska, A., Pfanner, N., and van der Laan, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.molcel.2014.10.010) - (2015). Central role of Mic10 in the mitochondrial contact site and cristae organizing system. Cell Metab. 21, 747-755
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(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cmet.2015.04.007) - (2015). Molecular architecture of the active mitochondrial protein gate. Science 349, 1544-1548
Shiota, T., Imai, K., Qiu, J., Hewitt, V.L., Tan, K., Shen, H.H., Sakiyama, N., Fukasawa, Y., Hayat, S., Kamiya, M., Elofsson, A., Tomii, K., Horton, P., Wiedemann, N., Pfanner, N., Lithgow, T., and Endo, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.aac6428) - (2016). Mitochondrial OXA translocase plays a major role in biogenesis of innermembrane proteins. Cell Metab. 23, 901-908
Stiller, S.B., Höpker, J., Oeljeklaus, S., Schütze, C., Schrempp, S.G., Vent-Schmidt, J., Horvath, S.E., Frazier, A.E., Gebert, N., van der Laan, M., Bohnert, M., Warscheid, B., Pfanner, N., and Wiedemann, N.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cmet.2016.04.005) - (2017). Definition of a highconfidence mitochondrial proteome at quantitative scale. Cell Rep. 19, 2836-2852
Morgenstern, M., Stiller, S.B., Lübbert, P., Peikert, C.D., Dannenmaier, S., Drepper, F., Weill, U., Höß, P., Feuerstein, R., Gebert, M., Bohnert, M., van der Laan, M., Schuldiner, M., Schütze, C., Oeljeklaus, S., Pfanner, N., Wiedemann, N., and Warscheid, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.celrep.2017.06.014) - (2017). Mitochondrial machineries for protein import and assembly. Annu. Rev. Biochem. 86, 685-714
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(Siehe online unter https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-060815-014352) - (2018). Membrane protein insertion through a mitochondrial β-barrel gate. Science 359, eaah6834
Höhr, A.I.C., Lindau, C., Wirth, C., Qiu, J., Stroud, D.A., Kutik, S., Guiard, B., Hunte, C., Becker, T., Pfanner, N., and Wiedemann, N.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.aah6834)
