Molecular analysis of Mdm38 function in mitochondrial protein expression
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mdm38 ist ein Protein der inneren Mitochondrienmembran, das zur Matrix hin exponiert ist. Das humane Homolog LETM1 ist an der Pathophysiologie des Wolf-Hirschhorn Syndroms beteiligt. Zwei unterschiedliche Funktionen sind der Mdm38 Proteinfamilie zugeschrieben worden: eine Rolle in der mitochondrialen Ionen-Homeostase und eine Funktion in der Biogenese von Atmungskettenkomplexen. Unsere Analysen haben gezeigt, dass Mdm38 und LETM1 mit mitochondrialen Ribosomen wechselwirken. Diese Ribosomen-Assoziation ist funktionell in ein Netzwerk mit dem Ribosomen-bindenden Protein Mba1 und der Protein-Insertase Oxa1 integriert. Während Mba1 ein peripheres Membranprotein darstellt, sind Oxa1 und Mdm38 integrale Proteine der inneren Mitochondrienmembran. Oxa1 vermittelt die co-translationale Insertion von mitochondrial-codierten Proteinen in die innere Membran. Wir konnten zeigen, dass Oxa1 eine wässrige Pore in der Membran ausbildet, die durch ein exportiertes Vorstufenprotein aktiviert wird und dessen Membrantranslokation erlaubt. In unseren Untersuchungen konnten wir keine Hinweise auf eine genetische oder physikalische Wechselwirkung zwischen Oxa1 und Mdm38 zeigen. Allerdings konnten wir mit unseren Untersuchungen eine Interaktion zwischen Mdm38 und dem Ribosomen-Rezeptor Mba1 als Partner eines gemeinsamen Proteinkomplexes identifizieren. Mdm38 und Mba1 zeigen eine funktionelle Überlappung bei der Translation von COX1 und Cytochrom b. Im Falle der COX1 mRNA ist die Funktion von Mdm38 bei der mitochondrialen Translationsregulation unabhängig von frühen Assemblierungs-Intermediaten des Cox1 Proteins, den sogenannten COA- Komplexen, die den COX1 mRNA spezifischen translationalen Aktivator Mss51 regulieren. Allerdings konnten wir zeigen das Mdm38 mit Pet309 den zweiten Aktivator, der für die Translation der COX1 mRNA benötigt wird, assoziiert. Diese Befunde weisen auf eine frühe Rolle von Mdm38 bei der Synthese von mitochondrialen Translationsprodukten hin. Dieser Befund stimmt mit der Beobachtung überein, dass Mdm38 auch mit Translationsfaktoren des Cytochrom b wechselwirkt. Mdm38 exponiert eine konservierte C-terminale Domäne in die mitochondriale Matrix. Der C-Terminus von Mdm38 besteht aus einer Ribosomen-bindenden Domäne, die von zwei vorhergesagten Coiled-Coils gefolgt wird. Die Coiled-Coil enthaltende Region ist für die Biogenese der Atmungskettenkomplexe nicht notwendig. Im Gegensatz dazu ist die Ribosomen bindende Domäne essentiell. Die Kristallstruktur der Ribosomen-bindenden Domäne von Mdm38 zeigt eine 14-3-3-artige Faltung für dieses hoch konservierte Element des Proteins. In der Struktur ist eine Bindetasche auffällig, die im Falle von 14-3-3-Proteinen Phosphopeptide bindet. Im Falle von Mdm38 ist die Bindetasche von ungeladenen Aminosäuren geformt, so dass eine nichtionische Wechselwirkung mit dem Bindepartner wahrscheinlich erscheint. Neben einer Assoziation von Mdm38 mit Ribosomen haben unsere massenspektrometrischen Analysen gezeigt, dass Mdm38 auch mit Atmungskettenkomplexen, den sogenannten Superkomplexen, assoziiert. In gleichem Masse konnten wir zeigen, dass das Oxa1 Protein mit Atmungskettenkomplexen assoziiert und Oxa1 eine Funktion bei der Koordinierung des Assemblierungsprozesses der Cytochrom c Oxidase hat. Diese Beobachtungen weisen daraufhin, dass die Translation von mitochondrial-codierten Proteinen und die Assemblierung von Atmungskettenkomplexen räumlich koordinierte Prozesse darstellen. Unsere Untersuchung stellen eine wichtige Grundlage für das Verstehen der Kopplung von mitochondrialer Atmungskettenkomplex-Biogenese mit der Rückkopplungsregulation der de novo-Synthese von mitochondrial-codierten Proteinen an mitochondrialen Ribosomen darstellen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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