Analysis of the structure of the Oxa1-ribosome-complex by high-resolution cyro-electron microscopy
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Eukaryontische Zellen enthalten zwei voneinander komplett unabhängige Translationsmaschinerien, eine im Zytosol und eine in Mitochondrien. In den Mitochondrien wird nur eine kleine Zahl von Proteinen gebildet, die fast ausschließlich Membranproteine sind. Die Notwendigkeit, diese hydrophoben Proteine während ihrer Synthese in die Membran zu inserieren, zwang eukaryontische Zellen vermutlich, eine aufwändige Translationsmaschinerie in den Mitochondrien im Laufe der Evolution zu erhalten. Vermutlich aufgrund ihrer Spezialisierung auf die Synthese sehr hydrophober Membranproteine sind mitochondriale Ribosomen (auch Mitoribosomen) permanent an die Innenmembran gebunden. In diesem Kooperationsprojekt wurden die Struktur und Funktion mitochondrialer Ribosomen untersucht, wobei ein besonderer Schwerpunkt daran lag, die Komponenten zu charakterisieren, die an der kotranslationalen Proteininsertion in die mitochondriale Innenmembran beteiligt sind. Dabei konnten wir zeigen, dass eine Reihe von membranständigen Faktoren in der Nähe des Polypeptidaustrittskanals an die Mitoribosomen binden. Zu diesen Faktoren gehören die Oxa1-Insertase, der Ribosomenrezeptor Mba1, das Innenmembranprotein Mdm38, das Mba1 in der Ribosomenrekrutierung an die Membran unterstützt und Cbp3/Cbp6, die die kotranslationale Assemblierung von Komplex III der Atmungskette koordinieren. Durch Einzelpartikel-Kryoelektronenmikroskopie konnten wir die Struktur von Oxa1 am Tunnelausgang des Mitoribosoms aufklären, sowie sichtbar machen, wie das bakterielle Oxa1-Homolog YidC durch Bindung an bakterielle Ribosomen die kotranslationale Proteininsertion vermittelt. Weiterhin konnten wir zum ersten Mal die Struktur mitochondrialer Ribosomen in situ untersuchen. Interessanterweise zeigen Mitoribosomen zwei feste Verbindungen mit der Innenmembran. Der Ribosomenrezeptor Mba1 bildet eine dieser Membrankontakte, der andere wird durch eine Schleife der rRNA direkt von der großen Untereinheit der Ribosomen gebildet. Biochemische und genetische Untersuchungen machen deutlich, dass dieser enge Membrankontakt der Mitoribosomen entscheidend für die kotranslationale Membraninsertion und Assemblierung mitochondrialer Translationsprodukte ist. Unsere Untersuchungen im Rahmen dieses Projekts machen deutlich, dass die Umgebung des Polypeptidaustrittskanals der Mitoribosomen als Plattform fungiert, an die verschiedene Insertions- und Assemblierungsfaktoren andocken, um deren Interaktion mit den naszierenden Ketten zu koordinieren. Die Kombination struktureller und biochemischer Ansätze erwies sich als hervorragend geeignet, um die mechanistischen Details der mitochondrialen Proteinsynthese aufzuklären.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2010. Co-translational insertion of mitochondrially encoded proteins. Biochim Biophys Acta 1803, 767-775
Ott M, Herrmann JM
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2010. Cooperation of stop-transfer and conservative sorting mechanisms in mitochondrial protein transport. Curr Biol. 20, 1227-1232
Bohnert M, Rehling P, Guiard B, Herrmann JM, Pfanner N, van der Laan M
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2010. Proteins at the polypeptide tunnel exit of the yeast mitochondrial ribosome. J Biol Chem. 285, 19022-19028
Gruschke S, Groene K, Heublein M, Hölz S, Israel L, Imhof A, Herrmann JM, Ott M
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2010. Ribosome-binding proteins Mdm38 and Mba1 display overlapping functions for regulation of mitochondrial translation. Mol Biol Cell 21, 1937-1944
Bauerschmitt H, Mick DU, Deckers M, Vollmer C, Funes S, Kehrein K, Ott M, Rehling P, Herrmann JM
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2011. Cbp3-Cbp6 interacts with the yeast mitochondrial ribosomal tunnel exit and promotes cytochrome b synthesis and assembly. J Cell Biol. 193, 1101-1114
Gruschke S, Kehrein K, Römpler K, Gröne K, Israel L, Imhof A, Herrmann JM, Ott M
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2011. Evolution of YidC/Oxa1/Alb3 insertases: three independent gene duplications followed by functional specialization in bacteria, mitochondria and chloroplasts. Biol Chem. 392, 13-19
Funes S, Kauff F, van der Sluis EO, Ott M, Herrmann JM
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2012. Control of protein synthesis in yeast mitochondria: The concept of translational activators. Biochim Biophys Acta. 1833, 286-294
Herrmann JM, Woellhaf MW, Bonnefoy N
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2012. Oxa1- ribosome complexes coordinate the assembly of cytochrome c oxidase in mitochondria. J Biol Chem. 287, 34484-34493
Keil M, Bareth B, Woellhaf MW, Peleh V, Prestele M, Rehling P, Herrmann JM
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2012. The Cbp3- Cbp6 complex coordinates cytochrome b synthesis with bc1 complex assembly in yeast mitochondria. J Cell Biol. 199, 137-150
Gruschke S, Römpler K, Hildenbeutel M, Kehrein K, Kühl I, Bonnefoy N, Ott M
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2012. The innermitochondrial distribution of Oxa1 depends on the growth conditions and on the availability of substrates. Mol Biol Cell 23, 2292-2301
Stoldt S, Wenzel D, Hildenbeutel M, Wurm CA, Herrmann JM, Jakobs S
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2012. The membrane insertase Oxa1 is required for efficient import of carrier proteins into mitochondria. J Mol Biol. 423, 590-599
Hildenbeutel M, Theis M, Geier M, Haferkamp I, Neuhaus HE, Herrmann JM, Ott M
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2012. The mitochondrial oxidase-assemblyprotein1 (Oxa1) insertase forms a membrane pore in lipid bilayers. J Biol Chem. 287, 33314-33326
Krueger V, Deckers M, Hildenbeutel M, Van der Laan M, Hellmers M, Drekers C, Preuss M, Herrmann JM, Rehling P, Wagner R, Meinecke M
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2014. A structural model of the active ribosome-bound membrane protein insertase YidC. eLife July 10
Wickles S, Singharoy A, Andreani J, Seemayer S, Bischoff L, Berninghausen O, Soeding J, Schulten K, van der Sluis EO, Beckmann R
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2014. Import of ribosomal proteins into yeast mitochondria. Biochem Cell Biol, 20, 1-10
Woellhaf MW, Hansen KG, Garth C, Herrmann JM
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2014. The Disulfide Relay of the Intermembrane Space Oxidizes the Ribosomal Subunit Mrp10 on Its Transit into the Mitochondrial Matrix. Developmental Cell 28, 30-42
Longen S, Woellhaf MW, Petrungaro C, Riemer J, Herrmann JM
