Molekulare Mechanismen des mitoRQC Pathways in der Aufrechterhaltung der mitochondrialen Homöostase
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Eukaryotische Zellen verfügen über zahlreiche Qualitätskontrollmechanismen zur Neutralisierung fehlerhafter Proteine. Einer der frühesten agierenden Mechanismen ist die ribosomen-assoziierte Qualitätskontrolle (RQC). Ziel des Projekts war die Erlangung eines vertieften molekularen Verständnisses eines spezialisierten RQC- Mechanismus, der bei nukleär codierten mitochondrialen Proteinen wirkt: dem mitoRQC. Im klassischen RQC erkennt Rqc2 durch Peptidyl-tRNA blockierte ribosomale 60S-Untereinheiten. Die E3-Ubiquitin-Ligase Ltn1 markiert die defekte Polypeptidkette durch Ubiquitinierung und leitet damit den Abbau ein. Zusätzlich verlängert Rqc2 die Polypeptidkette nichtkanonisch durch C-terminales Anhängen von Alanin- und Threoninresten, dem CAT- Tailing, was allerdings die Aggregationsneigung der Proteine erhöht. Mitochondrien sind besonders anfällig gegenüber CAT-Tail-modifizierten Proteinen, da diese in der mitochondrialen Matrix aggregieren, deren Funktionalität beeinträchtigen und letztlich zum Zelltod führen können. Zusätzlich können defekte Proteine durch die N-terminale Signalsequenz bereits vor Abtrennung von der 60S-Untereinheit den Import beginnen, wodurch sie nur teilweise oder gar nicht von Ltn1 für den Abbau markiert werden können. In solchen Fällen wird die Schutzfunktion des Vms1 essenziell, da es fehlerhafte, jedoch nicht CAT-Tail-modifizierte Proteine in die Mitochondrien freisetzt. Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Prof. Roland Beckmann konnten wir die Kryo-EM- Struktur von Vms1 gebunden an die 60S-Untereinheit entschlüsseln. Vms1 bindet über seine VLRF1-, Zinkfinger- und Ankyrin-Domänen, wobei VLRF1- in und unterhalb der A-Stelle mit der rRNA und der Peptidyl-tRNA interagiert. Die katalytische GSQ-Motiv-Schleife von Vms1 richtet sich auf das CCA-Ende aus, wodurch das Ribose-Phosphat-Rückgrat ummodelliert und für die nukleolytischen Spaltung zugänglich gemacht wird. Überraschenderweise zeigte die Struktur auch die Präsenz von Arb1 in der E-Stelle, einer ABCF-ATPase, welche die Konformation der tRNA stabilisiert und damit das Vms1-abhängiges Schneiden der tRNA unterstützt. In einem weiteren Ansatz identifizierten wir Pth2 als weiteren Faktor im mitoRQC. Diese in der äußeren mitochondrialen Membran lokalisierte Peptidyl-tRNA-Hydrolase beeinflusst die Aggregation von CAT-Tail-modifizierten Proteinen, ohne den CAT-Tailing-Prozess maßgeblich zu stören. Die während des Prozesses essenzielle Hydrolase-Aktivität kann jedoch durch eine andere Peptidyl-tRNA-Hydrolase bei korrekter Lokalisierung ersetzt werden. Pth2 scheint durch die Modulation der Proteintranslokation zu agieren und das mitochondriale Proteostase-Netzwerk wird durch die verbesserte Zugänglichkeit von CAT-Tail-modifizierten Proteinen für zytosolische Chaperone entlastet. Die Analyse weiterer neuer am mitoRQC beteiligten Faktoren zeigt, dass eine verzögerte Proteintranslokation die Mitochondrien vor toxischen CAT-Tail-modifizierten Proteinen schützt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Structure and function of Vms1 and Arb1 in RQC and mitochondrial proteome homeostasis. Nature, 570(7762), 538-542.
Su, Ting; Izawa, Toshiaki; Thoms, Matthias; Yamashita, Yui; Cheng, Jingdong; Berninghausen, Otto; Hartl, F. Ulrich; Inada, Toshifumi; Neupert, Walter & Beckmann, Roland
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How to get to the other side of the mitochondrial inner membrane – the protein import motor. Biological Chemistry, 401(6-7), 723-736.
Mokranjac, Dejana
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Two domains of Tim50 coordinate translocation of proteins across the two mitochondrial membranes. Life Science Alliance, 6(12), e202302122.
Genge, Marcel G.; Roy, Chowdhury Shalini; Dohnálek, Vít; Yunoki, Kaori; Hirashima, Takashi; Endo, Toshiya; Doležal, Pavel & Mokranjac, Dejana
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In vitro import of mitochondrial precursor proteins into yeast mitochondria. Methods in Enzymology, 347-363. Elsevier.
Badrie S.; Draken J.A. & Mokranjac D.
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Delayed protein translocation protects mitochondria against toxic CAT-tailed proteins. Molecular Cell, 85(21), 4082-4092.e7.
Bertram, Nils; Izawa, Toshiaki; Thoma, Felix; Schwenkert, Serena; Duvezin-Caubet, Stéphane; Park, Sae-Hun; Wagener, Nikola; Devin, Anne; Osman, Christof; Neupert, Walter & Mokranjac, Dejana
