Assemblierung und Rolle der Eisen-Schwefel-Zentren im respiratorischen Komplex I

• Antragsteller: Professor Dr. Thorsten Friedrich
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 311771253

Der respiratorische Komplex I ist ein zentrales Enzym des Energie-Stoffwechsels. Er koppelt die Oxidation von NADH mit einer Protonentranslokation über die Membran. Der Komplex ist die Hauptquelle von reaktiven Sauerstoff-Spezies, was seine Beteiligung am Alterungsprozess nahelegt. Fehlfunktionen des Komplexes sind mit neurodegenerativen Krankheiten beim Menschen verbunden. Der Komplex besteht aus einem peripheren Arm, der den Elektronentransfer katalysiert und einem Membranarm, in dem die Protonen-Translokation stattfindet. Die Kopplung der beiden Prozesse ist nicht verstanden. Elektronen gelangen von der Spitze des peripheren Arms über eine Kette von sieben Eisen-Schwefel (Fe/S) Zentren auf die Chinon-Bindestelle, die an der Schnittstelle beider Arme des Komplexes liegt. Die Proteine, die am Einbau der Zentren in den Komplex beteiligt sind, sind bislang nicht bekannt. Ein weiteres Zentrum ist nicht Teil der Kette zum Chinon, befindet sich aber in einer Entfernung zum primären Elektronenakzeptor, die eine Elektronenübertragung erlaubt. Die Funktion dieses strikt konservierten Zentrums ist nicht bekannt. Das distale Zentrum der Kette weist ein einzigartiges Bindemotiv aus zwei benachbarten Cysteinresten auf, was möglicherweise für die Energiewandlung im Komplex benötigt wird. Eine Proteinvariante, der dieses Zentrum fehlt, ist mit der induzierbaren Lysin Decarboxylase (CadA) assoziiert, die wiederum mit zwei weiteren Proteinen einer Proteinfamilie wechselwirkt, die an dem Einbau von Metall-Zentren beteiligt ist.In der zweiten Förderperiode werden wir weitere Proteine identifizieren, die an dem Einbau der Fe/S Zentren in den Komplex I beteiligt sind, mit einem Schwerpunkt auf dem Einbau vierkerniger Zentren. Wir werden untersuchen, ob diese Proteine auch an der Reifung der Lipoyl Synthase beteiligt sind. Das Zentrum, das neben der Elektronentransfer-Kette liegt, reguliert vermutlich den Elektronenzugang in den Komplex in Abhängigkeit des Redoxzustands des Chinon-Pools. Diese Vermutung wird mittels Mutanten überprüft werden, in denen dieses Zentrum nicht mehr durch NADH reduziert werden kann. Wir haben eine Variante generiert, in der das distale Zentrum von einem regulären Motiv gebunden wird. Falls die einzigartige Bindung des Zentrums eine Voraussetzung für die Energiewandlung im Komplex sein sollte, sollte diese Variante nicht mehr in der Lage sein, Protonen zu pumpen. Aufgrund dieses speziellen Bindemotivs benötigt der Komplex möglicherweise spezifische Hilfe beim Einbau des Zentrums. Da die Variante, der dieses Zentrum fehlt, mit CadA assoziiert ist, liegt es nahe, dass CadA am Einbau oder der Reparatur des Zentrums beteiligt ist. Wir werden die Bindung von CadA an die Variante mittels Cryo-Elektronen-Mikroskopie bestimmen. Die Beteiligung von zwei weiteren Proteinen, die mit CadA wechselwirken, an der Assemblierung des Komplexes wird durch Charakterisierung des Komplexes in den entsprechenden Deletionsmutanten bestimmt werden.

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