Struktur, Biogenese und Funktion des mitochondrialen Komplex I

• Antragsteller: Professor Dr. Volker Zickermann
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 283326566

NADH:Ubichinon Oxidoreduktase (respiratorischer Komplex I) ist ein sehr großer Membranproteinkomplex mit einer zentralen Funktion im aeroben Energiestoffwechsel. Komplex I ist eine Protonenpumpe, die durch den Elektronentransfer von NADH auf Ubichinon angetrieben wird und so am Aufbau der protonenmotorischen Triebkraft für die ATP Synthase beteiligt ist. Eine Dysfunktion von Komplex I wird mit einer Reihe von neuromuskulären und neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht.Wir haben die Röntgenstruktur des Komplex I aus der aeroben Hefe Yarrowia lipolytica mit einer Auflösung von 3.6 -3.9 Å bestimmt. Dabei konnten wir neue Erkenntnisse zur Funktion von Komplex I gewinnen, die zu einem besseren Verständnis der Energieumwandlung und Energietransmission in dem sehr großen Proteinkomplex beitragen.Eine vollständige und tiefergehende Beschreibung der molekularen Vorgänge bei der Redox-gekoppelten Protonentranslokation kann nur auf der Basis besserer Strukturinformationen erfolgen. Wir schlagen deshalb verschiedene Strategien vor, um durch den Einsatz von Antikörperfragmenten und Fusionsproteinen eine Verbesserung der Kristallqualität oder auch eine Kristallisation in alternativen Kristallformen zu erreichen.Bereiche des hydrophilen peripheren Arms weisen bislang die geringste Qualität in unseren Elektronendichtekarten auf. Wir haben ein Verfahren entwickelt, um den gesamten peripheren Arm vom Membranarm zu trennen und effizient aufzureinigen. Wir planen, den löslichen peripheren Arm separat zu kristallisieren und seine Struktur zu bestimmen.Unsere Hypothese zum Mechanismus der Redox-getriebenen Protonentranslokation basiert auf der Annahme konzertierter Strukturänderungen, die an die Reduktion des Ubichinons gekoppelt sind. Wir planen die Kristallisation von Komplex I mit gezielt eingeführten Mutationen im aktiven Zentrum um die strukturelle Basis für die Bedeutung zentraler Aminosäurereste im katalytischen Zyklus besser zu verstehen. Die akzessorische NUEM Untereinheit von Komplex I gehört zur Familie der "short-chain dehydrogenases" und enthält eine NADPH Bindungsstelle. Unser Ziel ist es die bisher unbekannte Funktion von NUEM im mitochondrialen Stoffwechsel aufzuklären. Insbesondere interessiert uns, ob es eine funtionelle Interaktion mit einer "acyl-carrier protein" Untereinheit von Komplex I gibt.Die Biogenese von Komplex I ist ein komplizierter, mehrstufiger Prozess. Wir konnten ein Assemblierungsintermediat aufreinigen und charakterisieren, in dem die feste Bindung des Assemblierungsfaktors N7BML (Mensch: NDUFAF2) nicht aufgehoben wird, weil das Gen für die akzessorsiche NUMM Untereinheit deletiert wurde. Unsere Analyse führte zu der Hypothese, dass N7BML Komplex I in einem Zustand hält, der die Insertion von Eisen-Schwefel Zentren erlaubt, bevor der Aufbau des peripheren Arms abgeschlossen ist. Wir schlagen vor, die Struktur des Assemblierungsintermediates durch hochauflösende Elektronenmikroskopie zu bestimmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen