Molecular mechanisms and regulation of the import of hydrophobic transport proteins from the cytosol into the mitochondrial inner membrane
Final Report Abstract
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.
Publications
- (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.
(See online at https://doi.org/10.1126/science.1261253) - (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.
(See online at 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
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.
(See online at 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.
(See online at 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.
(See online at 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.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.celrep.2017.06.014) - (2017). Mitochondrial machineries for protein import and assembly. Annu. Rev. Biochem. 86, 685-714
Wiedemann, N., and Pfanner, N.
(See online at 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.
(See online at https://doi.org/10.1126/science.aah6834)
