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

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Mitochondrien sind essentielle Organellen eukaryontischer Zellen. Sie bestehen aus 800 bis 1500 Proteinen, von denen die meisten im Zytosol als Vorläuferproteine synthetisiert werden. Über die Reaktionen im Zytosol, durch die die Vorläuferproteine in einer ungefalteten, importkompetenten Form gehalten, in die Mitochondrien transportiert, von Oberflächenrezeptoren erkannt und in die spezifischen mitochondrialen Subkompartimente sortiert werden, ist wenig bekannt. Diese frühen Prozesse der mitochondrialen Proteinausrichtung werden vom Proteasom-System überwacht, um die Akkumulation von nicht importierten Vorläuferproteinen im Zytosol zu vermeiden. Interaktionspartner von Vorläuferproteinen im Zytosol und deren mechanistische Rolle für den Import oder den Abbau dieser Proteine sind aber weitgehend unbekannt. In diesem Projekt haben wir zwei damit zusammenhängende Fragen untersucht: Im Rahmen des ersten Ziels haben wir die Merkmale der mitochondrialen Vorläuferproteine aufgeklärt, die ihre (Fehl-) Faltung im Zytosol und ihr Targeting zu den Mitochondrien bestimmen. Wir analysierten die spezifische Bedeutung interner Signale in den mitochondrialen Proteinen. Diese internen Matrix-Targeting-Signalähnlichen Sequenzen (iMTS-Ls) binden an den mitochondrialen Oberflächenrezeptor Tom70 und erhöhen die Importeffizienz von Proteinen. Tom70 dient als Rekrutierungsfaktor für Chaperone, der die lokale Chaperonkonzentration auf der mitochondrialen Oberfläche erhöht. Diese Funktion von Tom70 ist die Hauptaufgabe dieses Rezeptors in vivo, und der Ersatz von Tom70 durch einen anderen Chaperon-bindenden Faktor komplementierte Tom70-defiziente Zellen fast vollständig. Das zweite Ziel dieses Projekts war es, die biologischen Reaktionen zu verstehen, die ausgelöst werden, wenn sich mitochondriale Vorläuferproteine im Zytosol ansammeln. In der Vergangenheit haben wir beobachtet, dass erhöhte Konzentrationen dieser Vorläuferproteine zu einer starken zellulären Stressreaktion führen, die dazu führen, dass Chaperone und von Komponenten des proteolytischen Systems induziert werden. Wir haben nun eine neue zelluläre Strategie entdeckt, mit der Zellen das Zytosol vor mitochondrialen Vorläuferproteinen schützen. Mit Hilfe des kleinen Hitzeschockproteins Hsp42 als Kristallisationskeim veranlasst das Zytosol die Bildung von Aggregaten, die die anfallenden Vorläuferproteine einschließen. Wir haben diese Strukturen MitoStores genannt, da sie Vorläuferproteine vorübergehend speichern und sie nach Beendigung der Stressbedingungen wieder freisetzen. Aus unseren Studien haben wir detaillierte Einblicke in die Reaktionen gewonnen, die die frühen Schritte der mitochondrialen Proteinbiogenese regulieren, indem sie entweder den effizienten Import von Proteinen in die Mitochondrien stimulieren (Ziel 1) oder die anfallenden Vorläuferproteine durch das zytosolische Qualitätskontrollsystem entfernen (Ziel 2).

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• More than just a ticket canceller: the mitochondrial processing peptidase tailors complex precursor proteins at internal cleavage sites. Molecular Biology of the Cell, 31(24), 2657-2668.
  Friedl, Jana; Knopp, Michael R.; Groh, Carina; Paz, Eyal; Gould, Sven B.; Herrmann, Johannes M. & Boos, Felix
  
• Increased levels of mitochondrial import factor Mia40 prevent the aggregation of polyQ proteins in the cytosol. The EMBO Journal, 40(16).
  Schlagowski, Anna M.; Knöringer, Katharina; Morlot, Sandrine; Sánchez, Vicente Ana; Flohr, Tamara; Krämer, Lena; Boos, Felix; Khalid, Nabeel; Ahmed, Sheraz; Schramm, Jana; Murschall, Lena M.; Haberkant, Per; Stein, Frank; Riemer, Jan; Westermann, Benedikt; Braun, Ralf J.; Winklhofer, Konstanze F.; Charvin, Gilles & Herrmann, Johannes M.
  
• The chaperone-binding activity of the mitochondrial surface receptor Tom70 protects the cytosol against mitoprotein-induced stress. Cell Reports, 35(1), 108936.
  Backes, Sandra; Bykov, Yury S.; Flohr, Tamara; Räschle, Markus; Zhou, Jialin; Lenhard, Svenja; Krämer, Lena; Mühlhaus, Timo; Bibi, Chen; Jann, Cosimo; Smith, Justin D.; Steinmetz, Lars M.; Rapaport, Doron; Storchová, Zuzana; Schuldiner, Maya; Boos, Felix & Herrmann, Johannes M.
  
• The metabolite-controlled ubiquitin conjugase Ubc8 promotes mitochondrial protein import. Life Science Alliance, 6(1), e202201526.
  Rödl, Saskia; den, Brave Fabian; Räschle, Markus; Kizmaz, Büsra; Lenhard, Svenja; Groh, Carina; Becker, Hanna; Zimmermann, Jannik; Morgan, Bruce; Richling, Elke; Becker, Thomas & Herrmann, Johannes M.
  
• Mitochondrial dysfunction rapidly modulates the abundance and thermal stability of cellular proteins. Life Science Alliance, 6(6), e202201805.
  Groh, Carina; Haberkant, Per; Stein, Frank; Filbeck, Sebastian; Pfeffer, Stefan; Savitski, Mikhail M.; Boos, Felix & Herrmann, Johannes M.
  
• MitoStores: chaperone‐controlled protein granules store mitochondrial precursors in the cytosol. The EMBO Journal, 42(7).
  Krämer, Lena; Dalheimer, Niko; Räschle, Markus; Storchová, Zuzana; Pielage, Jan; Boos, Felix & Herrmann, Johannes M.