Regulation der mitochondrialen Biogenese durch cytosolische Kinasen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Großteil des mitochondrialen Proteoms wird durch Import kernkodierter und im Cytosol translatierter Vorstufenproteine aufgebaut. Dies wird durch verschiedene hochmolekulare Translokasen in der äußeren bzw. inneren Mitochondrienmembran ausgeführt, welche für lange Zeit als konstitutiv aktive Proteinmaschinerien angesehen wurden. Wir konnten jedoch zeigen, dass die zentrale Eintrittspforte, der TOM-Komplex durch reversible Phosphorylierung in seiner Biogenese und auch Importaktivität reguliert wird und somit die mitochondriale Proteomzusammensetzung an das zelluläre Geschehen angepasst werden kann. Im Rahmen dieses Projektes wurden neue Verknüpfungen zwischen zellulären Signalsystemen und der mitochondrialen Proteinbiogenese untersucht. Erstmalig konnte eine direkte Verbindung zwischen einer Zellzyklus-abhängigen Kinase und dem TOM-Komplex aufgezeigt werden. Dieser Regulationsmechanismus stellt die optimale Energieversorgung für die Zellteilungsphase sicher. Während diese Arbeiten am Modellsystem der Bäckerhefe durchgeführt wurden, haben wir im Rahmen dieses Projektes die Untersuchungen zur Phosphorylierung der mitochondrialen Importmaschinerie, wie von einem der Gutachter vorgeschlagen, auch auf Säugersysteme ausgeweitet. Dabei konnte an einem Caseinkinase 2 Mausmodel bereits eine Rolle für zwei Phosphorylierungsstellen des Importrezeptors TOM22 bei der Autophagie im Skelettmuskel aufgezeigt werden. Darüberhinaus konnten nach einem initialen Profiling humaner TOM Phosphorylierungsstellen erste Kinasekandidaten des Importrezeptors TOM70 identifiziert werden. Für mehrere Phosphorylierungsstellen des humanen TOM Komplexes fanden wir eine differentielle Regulierung nach Umschalten der metabolischen Bedingungen sowie nach Induktion onkogener Signalwege. Insbesondere die Rolle onkogener Signalwege auf die Regulation der mitochondrialen Importmaschinerie stellt eine völlig unerwartete Entdeckung dar und wird künftig ein Schwerpunkt unserer Arbeiten sein. Desweiteren konnten wir die PhosTag Gelelektrophorese-Technik so verfeinern, dass auch bislang nicht sichtbare Phosphorylierungsstellen an Proteinen nun detektiert und sogar semi-quantitativ bestimmt werden können. Die Umstellung unserer experimentellen Ansätze auf Säugermodelle führte zunächst zu Verzögerungen, da diese zuerst etabliert werden mussten. Auch mussten neue Antikörper, insbesondere phosphospezifische Antikörper, hergestellt werden, die zuvor nicht zur Verfügung standen und die entsprechenden Zelllinien getestet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(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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(2015). A respiratory chain controlled signal transduction cascade in the mitochondrial intermembrane space mediates H2O2 signaling. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112, E5679-5688
Patterson, H.C., Gerbeth, C., Thiru, P., Vögtle, F.N., Knoll, M., Shahsafaei, A., Samocha, K.E., Huang, C.X., Harden, M.M., Song, R., Chen, C., Kao, J., Shi, J., Salmon, W., Shaul, Y.D., Stokes, M.P., Silva, J.C., Bell, G.W., MacArthur, D.G., Ruland, J., Meisinger, C., and Lodish, H.F.
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(2015). Metabolic control via the mitochondrial protein import machinery. Curr. Opin. Cell Biol. 33, 42-48
Opalińska, M. and Meisinger, C.
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(2018). Advanced tools for the analysis of protein phosphorylation in yeast mitochondria. Anal. Biochem. 554, 23-27
Walther, C., Gonczarowska-Jorge, H., Sickmann, A., Zahedi, R.P., Meisinger, C., and Schmidt, O.
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(2018). In mammalian skeletal muscle, phosphorylation of TOMM22 by protein kinase CSNK2/CK2 controls mitophagy. Autophagy 14, 311-335
Kravic, B., Harbauer, A.B., Romanello, V., Simeone, L., Vögtle, F.N., Kaiser, T., Straubinger, M., Huraskin, D., Böttcher, M., Cerqua, C., Martin, E.D., Poveda-Huertes, D., Buttgereit, A., Rabalski, A.J., Heuss, D., Rudolf, R., Friedrich, O., Litchfield, D., Marber, M., Salviati, L., Mougiakakos, D., Neuhuber, W., Sandri, M., Meisinger, C., and Hashemolhosseini, S.
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(2018). Tuning the mitochondrial protein import machinery by reversible phosphorylation: from metabolic switches to cell cycle regulation. Curr. Opin. Physiol. 3, 49-56
Matic, S., Muders, V., and Meisinger, C.
