Molekulare Mechanismen und Regulation des Imports hydrophober Transportproteine vom Cytosol in die mitochondriale Innenmembran

• Antragsteller: Professor Dr. Nikolaus Pfanner
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 244743982

• Erstellungsjahr: 2018

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.
  
• (2014). Mgr2 functions as lateral gatekeeper for preprotein sorting in the mitochondrial inner membrane. Mol. Cell 56, 641-652
  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.
  
• (2015). Central role of Mic10 in the mitochondrial contact site and cristae organizing system. Cell Metab. 21, 747-755
  Bohnert, M., Zerbes, R.M., Davies, K.M., Mühleip, A.W., Rampelt, H., Horvath, S.E., Boenke, T., Kram A., Perschil, I., Veenhuis, M., Kühlbrandt, W., van der Klei, I.J., Pfanner, N., and van der Laan, M.
  
• (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.
  
• (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.
  
• (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.
  
• (2017). Mitochondrial machineries for protein import and assembly. Annu. Rev. Biochem. 86, 685-714
  Wiedemann, N., and Pfanner, N.
  
• (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.