Decodierung der molekularen Mechanismen der Zielsteuerung und Integration von Membranproteinen

• Antragsteller: Professor Dr. Hans-Georg Koch
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263098192

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die räumliche und zeitliche Koordinierung von Proteintransportprozessen ist essenziell für allen lebenden Zellen und besonders wichtig für zur Aggregation neigende Membranproteine. Die Kopplung von Proteinsynthese an Proteintransport ist eine elegante Lösung dieses Problems und ein solcher co-translationaler Transport wird sowohl in Eu- als auch Prokaryonten durch das Signal-Erkennungs Partikel (SRP) ermöglicht. Wir konnten mit unseren Daten allerdings zeigen, dass die Fähigkeit von SRP zum co-translationalen Proteintransport beschränkt ist auf (1) Proteine, die aus mindestens 50 Aminosäuren bestehen; (2) eine N-terminal lokalisierte Signal-Anker Sequenz tragen; und (3) auf Proteintransportvorgänge während der exponentiellen Wachstumsphase, i.e. wenn die Konzentrationen der Alarmone pppGpp und ppGpp niedrig ist. Es müssen daher alternative Strategien zur Membranproteininsertion existieren und wir konnten zeigen, dass eine cotranslationale Zielsteuerung auch durch die ATPase SecA möglich ist. Wir konnten ebenfalls zeigen, dass SRP kleine Membranproteine auch post-translational erkennen kann und weiterhin, dass über eine mRNA Zielsteuerung Membranproteine auch unabhängig von SRP in die Membran eingebaut werden können. Das SecYEG-Translocon oder die YidC-Insertase werden sowohl für die SRP-abhängige als auch -unabhängige Membranproteinintegration benötigt und wir konnten deren Interaktome weiter charakterisieren sowie die Mechanismen der Insertion weiter aufklären. In einem kollaborativen Projekt wurden diese Analysen auch auf den Proteintransport in Mitochondrien ausgedehnt. Insgesamt konnten wir in den beiden Förderperioden die enorme Plastizität bakterieller Proteintransport-Strategien beleuchten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Dynamic Interaction of the Sec Translocon with the Chaperone PpiD. Journal of Biological Chemistry, 289(31), 21706-21715.
  Sachelaru, Ilie; Petriman, Narcis-Adrian; Kudva, Renuka & Koch, Hans-Georg
  
• Einblicke in die Funktionsweise komplexer Transportmaschinerien. BIOspektrum, 21(7), 696-698.
  Petriman, Narcis-Adrian; Jauß, Benjamin & Koch, Hans-Georg
  
• Ribosome binding induces repositioning of the signal recognition particle receptor on the translocon. Journal of Cell Biology, 211(1), 91-104.
  Kuhn, Patrick; Draycheva, Albena; Vogt, Andreas; Petriman, Narcis-Adrian; Sturm, Lukas; Drepper, Friedel; Warscheid, Bettina; Wintermeyer, Wolfgang & Koch, Hans-Georg
  
• Targeting and Insertion of Membrane Proteins. EcoSal Plus, 7(2).
  Kuhn, Andreas; Koch, Hans-Georg & Dalbey, Ross E.
  
• The Sec61/SecY complex is inherently deficient in translocating intrinsically disordered proteins. Journal of Biological Chemistry, 292(52), 21383-21396.
  Gonsberg, Anika; Jung, Sebastian; Ulbrich, Sarah; Origi, Andrea; Ziska, Anke; Baier, Michael; Koch, Hans-Georg; Zimmermann, Richard; Winklhofer, Konstanze F. & Tatzelt, Jörg
  
• The signal recognition particle contacts uL23 and scans substrate translation inside the ribosomal tunnel. Nature Microbiology, 2(4).
  Denks, Kärt; Sliwinski, Nadine; Erichsen, Veronika; Borodkina, Bogdana; Origi, Andrea & Koch, Hans-Georg
  
• YidC and SecYEG form a heterotetrameric protein translocation channel. Scientific Reports, 7(1).
  Sachelaru, Ilie; Winter, Lukas; Knyazev, Denis G.; Zimmermann, Mirjam; Vogt, Andreas; Kuttner, Roland; Ollinger, Nicole; Siligan, Christine; Pohl, Peter & Koch, Hans-Georg
  
• Co-translational protein targeting in bacteria. FEMS Microbiology Letters, 365(11).
  Steinberg, Ruth; Knüpffer, Lara; Origi, Andrea; Asti, Rossella & Koch, Hans-Georg
  
• The interaction network of the YidC insertase with the SecYEG translocon, SRP and the SRP receptor FtsY. Scientific Reports, 8(1).
  Petriman, Narcis-Adrian; Jauß, Benjamin; Hufnagel, Antonia; Franz, Lisa; Sachelaru, Ilie; Drepper, Friedel; Warscheid, Bettina & Koch, Hans-Georg
  
• Molecular Mimicry of SecA and Signal Recognition Particle Binding to the Bacterial Ribosome. mBio, 10(4).
  Knüpffer, Lara; Fehrenbach, Clara; Denks, Kärt; Erichsen, Veronika; Petriman, Narcis-Adrian & Koch, Hans-Georg
  
• Noncompetitive binding of PpiD and YidC to the SecYEG translocon expands the global view on the SecYEG interactome in Escherichia coli. Journal of Biological Chemistry, 294(50), 19167-19183.
  Jauss, Benjamin; Petriman, Narcis-Adrian; Drepper, Friedel; Franz, Lisa; Sachelaru, Ilie; Welte, Thomas; Steinberg, Ruth; Warscheid, Bettina & Koch, Hans-Georg
  
• Yet another job for the bacterial ribosome. Microbial Cell, 6(11), 524-526.
  Origi, Andrea; Natriashivili, Ana; Knüpffer, Lara; Fehrenbach, Clara; Denks, Kärt; Asti, Rosella & Koch, Hans-Georg
  
• Eeyarestatin 24 impairs SecYEG‐dependent protein trafficking and inhibits growth of clinically relevant pathogens. Molecular Microbiology, 115(1), 28-40.
  Steenhuis, Maurice; Koningstein, Gregory M.; Oswald, Julia; Pick, Tillman; O’Keefe, Sarah; Koch, Hans‐Georg; Cavalié, Adolfo; Whitehead, Roger C.; Swanton, Eileithyia; High, Stephen & Luirink, Joen
  
• Posttranslational insertion of small membrane proteins by the bacterial signal recognition particle. PLOS Biology, 18(9), e3000874.
  Steinberg, Ruth; Origi, Andrea; Natriashvili, Ana; Sarmah, Pinku; Licheva, Mariya; Walker, Princess M.; Kraft, Claudine; High, Stephen; Luirink, Joen; Shi, Wei. Q.; Helmstädter, Martin; Ulbrich, Maximilian H. & Koch, Hans-Georg
  
• SecY-mediated quality control prevents the translocation of non-gated porins. Scientific Reports, 10(1).
  Jung, Sebastian; Bader, Verian; Natriashvili, Ana; Koch, Hans-Georg; Winklhofer, Konstanze F. & Tatzelt, Jörg
  
• The Dynamic SecYEG Translocon. Frontiers in Molecular Biosciences, 8.
  Oswald, Julia; Njenga, Robert; Natriashvili, Ana; Sarmah, Pinku & Koch, Hans-Georg
  
• The largely unexplored biology of small proteins in pro‐ and eukaryotes. The FEBS Journal, 288(24), 7002-7024.
  Steinberg, Ruth & Koch, Hans‐Georg
  
• A common evolutionary origin reveals fundamental principles of protein insertases. PLOS Biology, 20(3), e3001558.
  Vögtle, F.-Nora; Koch, Hans-Georg & Meisinger, Chris
  
• Inhibition of SRP-dependent protein secretion by the bacterial alarmone (p)ppGpp. Nature Communications, 13(1).
  Czech, Laura; Mais, Christopher-Nils; Kratzat, Hanna; Sarmah, Pinku; Giammarinaro, Pietro; Freibert, Sven-Andreas; Esser, Hanna Folke; Musial, Joanna; Berninghausen, Otto; Steinchen, Wieland; Beckmann, Roland; Koch, Hans-Georg & Bange, Gert
  
• Central role of Tim17 in mitochondrial presequence protein translocation. Nature, 621(7979), 627-634.
  Fielden, Laura F.; Busch, Jakob D.; Merkt, Sandra G.; Ganesan, Iniyan; Steiert, Conny; Hasselblatt, Hanna B.; Busto, Jon V.; Wirth, Christophe; Zufall, Nicole; Jungbluth, Sibylle; Noll, Katja; Dung, Julia M.; Butenko, Ludmila; von der Malsburg, Karina; Koch, Hans-Georg; Hunte, Carola; van der Laan, Martin & Wiedemann, Nils
  
• Coping with stress: How bacteria fine-tune protein synthesis and protein transport. Journal of Biological Chemistry, 299(9), 105163.
  Njenga, Robert; Boele, Julian; Öztürk, Yavuz & Koch, Hans-Georg
  
• mRNA targeting eliminates the need for the signal recognition particle during membrane protein insertion in bacteria. Cell Reports, 42(3), 112140.
  Sarmah, Pinku; Shang, Wenkang; Origi, Andrea; Licheva, Mariya; Kraft, Claudine; Ulbrich, Maximilian; Lichtenberg, Elisabeth; Wilde, Annegret & Koch, Hans-Georg
  
• YidC from Escherichia coli Forms an Ion-Conducting Pore upon Activation by Ribosomes. Biomolecules, 13(12), 1774.
  Knyazev, Denis G.; Winter, Lukas; Vogt, Andreas; Posch, Sandra; Öztürk, Yavuz; Siligan, Christine; Goessweiner-Mohr, Nikolaus; Hagleitner-Ertugrul, Nora; Koch, Hans-Georg & Pohl, Peter
  
• Control of a Chemical Chaperone by a Universally Conserved Atpase.
  Jiang, Hong; Milanov, Martin; Jüngert, Gabriela; Angebauer, Larissa; Flender, Clara; Smudde, Eva; Gather, Fabian; Vogel, Tanja; jessen, henning & Koch, Hans-Georg
  
• The contribution of mRNA targeting to spatial protein localization in bacteria. The FEBS Journal, 291(21), 4639-4659.
  Shang, Wenkang; Lichtenberg, Elisabeth; Mlesnita, Andreea Mihaela; Wilde, Annegret & Koch, Hans‐Georg