Die Rolle der mitochondrialen Proteine Bol1 und Bol2 bei der Eisen-Schwefel-Cluster Insertion in verschiedene Empfängerproteine

• Antragsteller: Professor Dr. Roland Lill
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Strukturbiologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 311061741

Die mitochondriale Eisen-Schwefel (Fe/S) Proteinbiogenese wird durch die konservierte ISC Maschinerie katalysiert und kann in drei Hauptschritte zerlegt werden. Zuerst wird ein [2Fe-2S] Cluster auf dem Gerüstprotein Isu1 durch den Schwefeldonor Nfs1-Isd11-Acp1 und vier weiteren ISC-Faktoren de novo synthetisiert. Zweitens wird der Fe/S Cluster von Isu1 durch ein spezielles Hsp70 Chaperonsystem freigesetzt und über das Monothiol-Glutaredoxin Grx5 auf [2Fe-2S] Zielproteine übertragen. Drittens wird ein transient an Grx5-gebundener [2Fe-2S] Cluster von den Isa1-Isa2-Iba57 Proteinen in einen [4Fe-4S] Cluster umgewandelt, der dann transient an die spezifischen ISC Zielfaktoren Nfu1 und Ind1 bindet, um schließlich in [4Fe-4S] Zielproteine eingebaut zu werden. Bisherige Arbeiten in diesem Projekt konnten die beiden mitochondrialen Proteine Bol1 und Bol3 aus Hefe als weitere ISC Zielfaktoren identifizieren, die kooperativ die spezifische Reifung der Lipoylsynthase und des Atmungskettenkomplexes II bewerkstelligen. Das humane BOLA3 (Bol3 Homolog), nicht aber BOLA1, übt eine ähnliche Funktion aus. Die 3D NMR Struktur der beiden BOLA Proteine wurde in Zusammenarbeit mit L. Banci gelöst. Biochemische Studien zeigten stark unterschiedliche Affinitäten der beiden BOLA Proteine zu [2Fe-2S]-gebundenem GLRX5 (humanes Grx5 Homolog), jedoch blieb die physiologische Bedeutung dieser Unterschiede unklar. Eine Mutationsstudie ergab, dass der [2Fe-2S] Cluster im BOLA1-GLRX5 Komplex unabhängig von drei konservierten Histidinresten im BOLA1 gebunden wird, was dringend die Aufklärung der genauen Architektur des Holokomplexes nötig macht. Unsere Arbeit hat die wichtige Frage aufgeworfen, warum ein [2Fe-2S] Cluster-haltiger Bol-Grx5 Komplex zur [4Fe-4S] Proteinassemblierung benötigt wird. Die stark unterschiedlichen BOL- und GRX5-Deletionsphänotypen in Hefe- und Humanzellen (und bei Krankheiten) machen außerdem deutlich, dass der genaue physiologische Wirkort von Bol-Grx5 innerhalb des komplexen Fe/S-Assemblierungsweges offen ist. In der nächsten Förderperiode wollen wir ein physiologisch bedeutungsvolles mechanistisches Verständnis der Bol Proteinfunktion erreichen, um deren Rolle beim [4Fe-4S] Clustereinbau in mitochondriale Apoproteine zu verstehen. Wir werden testen, ob den Bol Proteinen unter oxidativem Stress eine erhöhte Bedeutung zukommt, indem wir ihre Funktion und interagierende Partnerproteine untersuchen. Wir werden die Beteiligung der Bol Proteine an der Lipoylsynthase Assemblierung in vitro rekonstituieren, um deren mechanistische Funktion zu verstehen. Dazu soll auch die Kristallstruktur der Bol-Grx5 Komplexe gelöst werden. Schließlich werden wir zellbiologische und biochemische Untersuchungen durchführen, um zu definieren, ob die Bol-Grx5 Komplexe vor oder nach den Isa-Iba57 Proteinen wirken. Ein umfassendes mechanistisches Verständnis der Bol Proteinfunktion ist bedeutsam für molekulare Einsichten in die BOLA3-verursachte mitochondriale Erkrankung MMDS2.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1927: Iron-Sulfur for Life