Strukturelle und funktionelle Untersuchungen des Imports und Intermembranraumtransfers von mitochondrialen Membranproteinen

• Antragsteller: Professor Dr. Nils Wiedemann
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406757425

Mitochondrien sind essentiell für die Biogenese von Eisen-Schwefel-Zentren, entscheidend beteiligt an der Apoptose, zahlreichen Stoffwechselwegen und sind für ihre Rolle für die ATP-Synthese bekannt. All diese Prozesse hängen von beta-Barrel-Kanälen in der äußeren Membran und alpha-helikalen Metabolit-Transportern in der inneren Membran ab. Ähnlich wie die überwiegende Mehrheit der mitochondrialen Proteine ​​sind all diese Kanäle und Transporter im Zellkern kodiert und werden von zytosolischen Ribosomen synthetisiert. Klassische mitochondriale Vorstufenproteine ​​enthalten eine N-terminale Präsequenz, die für die Zielsteuerung und Import erforderlich und ausreichend ist, die danach abgespalten wird, um das reife Protein zu produzieren. Das Ziel dieses Projektes ist eine umfassende Beschreibung des Imports von mitochondrialen Membranvorstufenproteinen mit internen Zielsteuerungs-Signalen. Nach der Rezeptorbindung durch die Translokase der äußeren Membran (TOM) und Translokation werden diese hydrophoben Vorstufenproteine durch den wässrigen Intermembranraum sortiert. Anschließend werden beta-Barrel-Vorstufenproteine mit Hilfe der Sortierungs- und Assemblierungsmaschine (SAM) in die äußere Membran, und alpha-helikale Metaboliten-Transporter durch die Carrier-Translokase (TIM22) in die innere Membran eingebaut. Wichtige offene Fragen sind die spezifischen Funktion der drei Tom-Rezeptoren für Membranproteine ​​mit internen Zielsteuerungs-Signalen, der Mechanismus des TIM-Chaperon-Systems im Intermembranraum und der Transfer zu den spezifischen Membraninsertionskomplexen.Durch einen integrierten strukturbiologischen und biochemischen Ansatz werden wir den Beitrag der verschiedenen redundanten Tom-Rezeptoren für Zielsteuerung von beta-Barrel-Proteinen und Metabolittransportern untersuchen. Darüber hinaus werden wir den Mechanismus des Membranproteintransfers durch das TIM-Chaperon-System vom TOM-Komplex über den wässrigen Intermembranraum zu den SAM- und TIM22-Komplexen bestimmen. Wir werden die spezifischen Interaktionsstellen, die Struktur und Bindungsaffinitäten der Komplexe der Membranprotein-Vorstufenproteine und Chaperonen bzw Rezeptoren durch einen integrativen Strukturbiologie-Ansatz ermitteln, basierend auf NMR, SAXS und komplementären biophysikalischen Methoden, sowie den Transfer auf die Sam50-POTRA-Domäne und den Tim54-Rezeptor des TIM22-Komplexes strukturell charakterisieren. Diese biophysikalischen Experimente werden durch die Erzeugung ortsspezifischer Punktmutanten der Rezeptor- und Chaperonproteine ​​und ihre in-vivo- und in-vitro-Analyse durch Wachstumstests und Import-Experimente in isolierten Mitochondrien ergänzt. Zusammenfassend werden wir das Wissen über den Import der klassischen mitochondrialen Vorstufenproteine ​​durch eine detaillierte Beschreibung des Imports der beiden häufigsten Membranproteinklassen der Mitochondrien ergänzen. Dies wird auch wichtige Prinzipien für Chloroplasten und Gram-negative Bakterien aufzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Beate Bersch; Professor Dr. Paul Schanda, Ph.D.