Beta-Barrel Protein Insertion in die äußere Membran endosymbiotischer Organellen
Biochemie
Zellbiologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die äußeren Membranen der endosymbiotischen Organellen, Mitochondrien und Plastiden bilden die Kommunikationsplattform zwischen diesen und anderen Zellkompartimenten. Folglich wurden die Proteome dieser Membranen im Laufe der Evolution weitgehend angepasst, um den auferlegten Anforderungen wie dem Austausch von gelösten Stoffen und Makromolekülen bis hin zum Lipidtransfer und der Signaltransduktion zu bewerkstelligen. Die Mehrheit der organellären Proteine werden im Zellkern codiert und an zytosolischen Ribosomen synthetisiert. Eine einzigartige Gruppe solcher Proteine umfasst diejenigen, die eine β-Fass-Architektur in den äußeren Membranen beider Organellen annehmen. Der Transport solcher β-Fass-Proteine vom Zytosol zu ihrer Zielmembran muss besonders in Pflanzenzellen eng reguliert werden, da beide Organellen parallel versorgt werden müssen, während die Zielgenauigkeit erhalten bleibt. Die Zielsteuerungssignale, die diese Spezifität definieren, und die zellulären Faktoren, die sie entschlüsseln, sind nur teilweise bekannt. Im ersten Förderzeitraum konnten wir ein neues plastidäres β-Fass-Protein identifizieren und Toc75-V/Oep80 charakterisieren, dass an der Biogenese plastidischer β-Fass-Proteine beteiligt ist. Darüber hinaus identifizierten wir das Zielsteuerungssignal mitochondrieler β-Fass-Proteine und zytoplasmatische Faktoren, die diese in einer importfähigen Konformation halten. Im zweiten Förderzeitraum zielten wir darauf ab, die frühen Stadien der Biogenese von β-Fass-Proteinen sowohl in Pflanzen- als auch in Hefezellen weiter zu entschlüsseln. Wir konnten mehrere zytoplasmatische (Co)-Chaperone identifizieren, die an den diesem frühen Stadien beteiligt sind. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass Hefe-Mitochondrien künstliche, neu entworfene β-Fass-Proteine prozessieren können. Außerdem stellten wir fest, dass die beiden untersuchten künstlichen β-Fass- Proteine in unterschiedlichem Maße von mitochondrielen Importkomponenten abhängen. Darüber hinaus konnten wir das topogene Signal des platidären Faktors Toc75/Oep80 charakterisieren. Dieses N-terminale spaltbare Signal ähnelt dem des anderen OMP85-Proteins in der OM von Chloroplasten, und stellt ein einzigartiges Merkmal von β-Fass-Proteinen dar. Zudem konnten wir das Signal für mitochondireller Zielsteuerung in Pflanzen identifizieren. Außerdem konnten wir den topologischen Weg plastidärer β-Fass-Proteine während der Biogenese klären. Wir konnten zeigen, dass die N-Termini dieser Proteine die Translokation durch den TOC-Komplex bewirken, während die C-Termini die Membranintegration durch Toc75/Oep80 vermitteln. Weiter konnten wir ein Intermembranraumprotein identifizieren, das mit Toc75/Oep80 interagiert und zusammen einen Komplex bildet. Das Protein (Accesion At5g64816) ist mit einer N-terminalen TMD und mehreren CxxxC-Motiven ausgestattet, die den kleinen Tim-Proteinen des mitochondrielen Intermembranraums sehr ähnlich sind, die an der Biogenese von β-Fass-Proteinen beteiligt sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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The Omp85-type outer membrane protein p36 of Arabidopsis thaliana evolved by recent gene duplication. Journal of Plant Research, 128(2), 317-325.
Nicolaisen, Kerstin; Missbach, Sandra; Hsueh, Yi-Ching; Ertel, Franziska; Fulgosi, Hrvoje; Sommer, Maik S. & Schleiff, Enrico
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Characterization of the targeting signal in mitochondrial β-barrel proteins. Nature Communications, 7(1).
Jores, Tobias; Klinger, Anna; Groß, Lucia E.; Kawano, Shin; Flinner, Nadine; Duchardt-Ferner, Elke; Wöhnert, Jens; Kalbacher, Hubert; Endo, Toshiya; Schleiff, Enrico & Rapaport, Doron
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Mitochondrial-bacterial hybrids of BamA/Tob55 suggest variable requirements for the membrane integration of β-barrel proteins. Scientific Reports, 6(1).
Pfitzner, Anna-Katharina; Steblau, Nadja; Ulrich, Thomas; Oberhettinger, Philipp; Autenrieth, Ingo B.; Schütz, Monika & Rapaport, Doron
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Chloroplast outer envelope protein P39 in
A rabidopsis thaliana belongs to the Omp85 protein family. Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics, 85(8), 1391-1401.
Hsueh, Yi‐Ching; Flinner, Nadine; Gross, Lucia E.; Haarmann, Raimund; Mirus, Oliver; Sommer, Maik S. & Schleiff, Enrico
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Cytosolic Hsp70 and Hsp40 chaperones enable the biogenesis of mitochondrial β-barrel proteins. Journal of Cell Biology, 217(9), 3091-3108.
Jores, Tobias; Lawatscheck, Jannis; Beke, Viktor; Franz-Wachtel, Mirita; Yunoki, Kaori; Fitzgerald, Julia C.; Macek, Boris; Endo, Toshiya; Kalbacher, Hubert; Buchner, Johannes & Rapaport, Doron
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The outer membrane Omp85‐like protein P39 influences metabolic homeostasis in mature Arabidopsis thaliana. Plant Biology, 20(5), 825-833.
Hsueh, Y.‐C.; Nicolaisen, K.; Gross, L. E.; Nöthen, J.; Schauer, N.; Vojta, L.; Ertel, F.; Koch, I.; Ladig, R.; Fulgosi, H.; Fernie, A. R. & Schleiff, E.
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The signal distinguishing between targeting of outer membrane β-barrel protein to plastids and mitochondria in plants. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research, 1866(4), 663-672.
Klinger, Anna; Gosch, Victoria; Bodensohn, Uwe; Ladig, Roman & Schleiff, Enrico
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Toc75‐V/OEP80 is processed during translocation into chloroplasts, and the membrane‐embedded form exposes its POTRA domain to the intermembrane space. FEBS Open Bio, 10(3), 444-454.
Gross, Lucia E.; Spies, Nicole; Simm, Stefan & Schleiff, Enrico
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Insertion of plastidic β-barrel proteins into the outer envelopes of plastids involves an intermembrane space intermediate formed with Toc75-V/OEP80. The Plant Cell (2021, 2, 24).
Gross, Lucia E; Klinger, Anna; Spies, Nicole; Ernst, Theresa; Flinner, Nadine; Simm, Stefan; Ladig, Roman; Bodensohn, Uwe & Schleiff, Enrico
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The Biogenesis Process of VDAC – From Early Cytosolic Events to Its Final Membrane Integration. Frontiers in Physiology, 12(2021, 8, 12).
Moitra, Anasuya & Rapaport, Doron
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Yeast mitochondria can process de novo designed β‐barrel proteins. The FEBS Journal, 291(2), 292-307.
Moitra, Anasuya; Tiku, Vitasta & Rapaport, Doron
