Struktur und Funktion von Mrp Natrium/Protonen Antiportern und ihre Beziehung zum Komplex I der Atmungskette

• Antragsteller: Professor Dr. Volker Zickermann
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405943872

Natrium/Protonen Antiporter sind für die Homöostase des intrazellulären pH Werts und der intrazellulären Na+ Konzentration essentiell. Die Struktur und Funktion von Mitgliedern der CPA1 (cation/proton antiporter) und CPA2 Familien wurde intensiv untersucht. Es besteht Einigkeit darüber, dass Na+ und H+ eine gemeinsame Bindungsstelle haben und dass Änderungen der Proteinstruktur während des Transportzyklus alternierend Zugangswege zur extrazellulären oder cytoplasmatischen Seite eröffnen. In zahlreichen Bakterien und Archaebakterien wurden Na+/H+ Antiporter gefunden, die sich deutlich von den Mitgliedern der CPA1 und CPA2 Familien unterscheiden. Diese Mrp Typ Antiporter wurden deshalb auch als CPA3 Familie zusammengefasst. Mrp Antiporter bestehen typischerweise aus sieben Untereinheiten (MrpA-G). Über ihre Struktur ist nichts bekannt. Die drei Untereinheiten MrpA, MrpD und MrpC sind ortholog zu Untereinheiten des respiratorischen Komplex I, einem sehr großen Membranproteinkomplex mit einer Schlüsselfunktion im aeroben Energiestoffwechsel. Der Mechanismus der Redox-gekoppelten Protonentranslokation durch Komplex I ist erst ansatzweise verstanden. Wir haben die Struktur des Komplex I aus der aeroben Hefe Yarrowia lipolytica aufgeklärt und Wege für die Protonentranslokation in orthologen Untereinheiten von MrpA und MrpD vorgeschlagen. Homologiemodelle auf der Basis von Komplex I Untereinheiten legen nahe, dass sich der Transport Mechanismus der Mrp Typ Antiporter von dem anderer Transportproteine möglicherweise grundsätzlich unterscheidet. In einer Reihe von Spezies, insbesondere in Archaen, wurden Varianten des Mrp Operons gefunden, denen das Mrp A Gen fehlt. Die vereinfachte Version eines Mrp Transporters ist als Modelsystem besonders attraktiv und kann unter anderem auch zur Klärung der Frage beitragen, ob MrpA und MrpD möglicherweise auf den Transport von Na+ oder H+ spezialisiert sind. Unser Ziel ist es, auf der Basis von strukturellen und funktionellen Studien einen Mechanismus für die Na+/H+ Antiport Aktivität der Mrp Antiporter zu formulieren. Wir haben bereits den klassischen Mrp Antiporter aus Bartonella henselae und den Mrp ähnlichen Antiporter aus Methanobakterium thermoautotrophicum kloniert, in E. coli exprimiert und gereinigt. Wir planen die Struktur dieser Proteinkomplexe durch Elektronenmikrospopie und Röntgenkristallographie aufzuklären. Wichtige Aminosäureste für Substratbindung und Transport sollen durch Mutagenese Experimente identifiziert werden. Für die Messung der Antiport Aktivität werden wir verschiedene experimentelle Ansätze verfolgen. Eine Analyse von Gemeinsamkeiten und Unterschieden zwischen Mrp Antiportern und den orthologen Untereinheiten im respiratorischen Komplex I soll zum Verständnis der Redox-getriebenen Protonentranslokation durch diesen Enzymkomplex beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen