Mitochondriale Vorläuferproteine im Zytosol: Identifizierung und Charakterisierung von Signalen und Faktoren, die frühe Schritte der mitochondrialen Proteinbiogenese koordinieren

• Antragsteller: Professor Dr. Johannes M. Herrmann
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413985531

Mitochondrien bestehen aus 800 bis 1500 verschiedenen Proteinen, die fast alle im Zytosol als Vorstufenproteine gebildet werden. Es ist weitgehend unverstanden, wie diese Vorstufenproteine im Zytosol an die Mitochondrien gelangen, wie sie entfaltet und importfähig gehalten, wie sie von mitochondrialen Oberflächenrezeptoren erkannt und wie sie schließlich an ihre korrekten Bestimmungsorte in den Mitochondrien gefädelt werden. Diese frühen Schritte der Sortierung mitochondrialer Proteine werden vom Proteasom überwacht, damit sich keine ungefalteten, zur Aggregation neigenden Proteine im Zytosol anreichern. Woran abzubauende Vorstufenproteine im Zytosol erkannt werden, ist kaum verstanden.Mit diesem Vorhaben wollen wir uns zwei verwandten Themen widmen: In einem ersten Teilprojekt sollen die Eigenschaften der Vorläuferproteine untersucht werden, die für deren Transport und Sortierung entscheidend sind. In Vorarbeiten konnten wir interne Signale in den Vorstufenproteinen identifizieren, sogenannte iMTS-Ls, die an das mitochondriale Oberflächenprotein Tom70 binden und dadurch importkompetent gehalten werden. In diesem Projekt wollen wir nun die Bedeutung dieser iMTS-Ls im Detail analysieren. Hierbei geht es vor allem darum, die Rolle von Tom70 für die Stabilisierung von Vorläuferproteinen aufzuklären und zu verstehen, welche Bedeutung iMTS-Ls als topogene Signale in Innenmembranproteinen haben. Die meisten Innenmembranproteine haben iMTS-Ls unmittelbar vor oder nach ihrer Transmembrandomäne, aber die Relevanz dieser charakteristischen Muster ist nicht klar.Das zweite Ziel dieses Antrags ist es zu verstehen, welche Reaktionen im Zytosol durch die Akkumulation mitochondrialer Vorläuferproteine ausgelöst werden. In Vorexperimenten konnten wir zeigen, dass diese mitochondrialen Proteine zu einer massiven Stressantwort führen, durch die Chaperone und Proteine des Ubiquitin-Proteasom-Systems hochreguliert werden. Gleichzeitig wird die Expression von kernkodierten Proteinen der mitochondrialen Atmungskette gedrosselt. In diesem Vorhaben wollen wir durch eine Kombination von genetischen, sequenzanalytischen und biochemischen Ansätzen die einzelnen Schritte aufklären, die diese Reaktionen auslösen und ihre Bedeutung für die zelluläre Proteinhomöostase aufklären. Des Weiteren wollen wir die Komponenten des Ubiquitin-Proteasom-Systems identifizieren, die für die spezifische Erkennung nicht-importierter Vorstufenproteine im Zytosol verantwortlich sind und aufklären, wie sie die Anreicherung der zur Aggregation neigenden mitochondrialen Vorstufen verhindern.Von diesem Projekt erwarten wir ein deutlich verbessertes Verständnis der frühen Prozesse der mitochondrialen Proteinbiogenese, durch die zum einen ein effizienter Import in die Mitochondrien erreicht wird (Teil 1) und die zum anderen den Abbau nicht-produktiver Vorstufenproteine durch das Proteasom gewährleisten (Teil 2).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen