Strukturelle und funktionelle Charakterisierung des krankheitsbedingten inneren mitochondrialen Membranproteins MPV17

• Antragsteller: Professor Dr. Franz Hagn
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Biochemie ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 540999464

Das in der inneren mitochondrialen Membran lokalisierte Membranprotein MPV17 ist eines der Ursachen des sog. „mitochondrial DNA depletion“ Syndrom (MDDS), d.h. der Verringerung der DNA-Menge in der mitochondrialen Matrix. Da die essenziellen Komponenten der Atmungskette auf der mitochondrialen DNA kodiert sind, führen Mutationen im MPV17 Gen zu schweren Leberschäden und hepatocerebralen Fehlfunktionen, und so meist bereits im Kleinkindesalter zum Tode. Die Funktion und die mechanistischen Details von MPV17 sind dabei relativ schlecht verstanden, so dass Therapien sich auf die Behandlung von Symptomen beschränken und daher nicht effektiv sind. In dem hier beantragten Projekt wollen wir die molekularen Ursachen von mit MPV17 in Verbindung stehenden Krankheiten besser verstehen. Dazu soll zum einen die Funktionsweise von MPV17 aufgeklärt werden, um zu klären, ob dieses Protein ein Transporter von Metaboliten, z.B. von Vorstufen von Nukleinsäuren, sein kann. Dazu wird die direkte Bindung von Metaboliten, aber auch der Effekt der Deletion von MPV17 auf das mitochondriale Metabolom untersucht. Eine in der Literatur diskutierte Rolle von MPV17 als Spannungs-kontrollierter Protonenkanal wird ebenso untersucht, welcher bei zu hoher Auslastung der Atmungskette zu einer Reduktion des Membranpotentials führt und so die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) verringert. Damit kann eine Schädigung der Zelle, incl. der DNA in den Mitochondrien verhindert werden. Zum anderen wurde MPV17 mit der Stabilisierung der mitochondrialen Substruktur (Cristae) in Verbindung gebracht, was direkt mit der Effizient der Atmungskette verbunden ist. Um diese potenzielle Funktion zu untersuchen, werden wir Kryo-Elektronentomographie Untersuchungen mit MPV17-knockout Zellen durchführen. Mit der hiermit möglichen hohen räumlichen Auflösung kann ein genaues Bild zur Lage und zu potenziellen Kontakten von MPV17 in den Cristae erhalten werden. MPV17 scheint durch oxidative Bedingungen aktiviert zu werden. Daher führen wir unsere funktionellen Untersuchungen auch unter hohen ROS-Stressbedingungen durch, was zur Oxidation der in MPV17 enthaltenen Cystein-Reste führen, und somit Strukturänderungen zu Folge haben kann. Im zweiten Teil der Studie soll die dreidimensionale Struktur von MPV17 mittels NMR-Spektroskopie und Kryo-Elektronenmikroskopie erhalten werden. Das unter reduktiven Bedingungen vorliegende Monomer wird mit NMR-Spektroskopie, das unter oxidativen Bedingungen populierte Oligomer wird mit Kryo-Elektronenmikroskopie untersucht, um mögliche Strukturänderungen zu detektieren und damit den Mechanismus der MPV17 Aktivierung besser verstehen zu können. Mit den erhaltenen strukturellen Informationen kann der Einfluss von Mutationen auf die MPV17 Funktion besser verstanden werden, was die Grundlage für eine mögliche spezifische Therapie von MPV17-induzierten MDDS darstellen könnte.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen