Mechanistische und strukturelle Untersuchungen zur Funktion des mitochondrialen ABC Transporters Atm1 im zellulären Eisen-Schwefel- und Eisenstoffwechsel

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Roland Lill; Dr. Vasundara Srinivasan, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271743333

Mitochondrien spielen eine essentielle Rolle bei der Biogenese von zellulären Eisen-Schwefel (Fe/S) Proteinen. Diese Proteine sind in Mitochondrien, Cytosol und Zellkern lokalisiert, und erfüllen dort wichtige Aufgaben in der Zellatmung, im Stoffwechsel, in der Protein-Translation und in der Synthese und Reparatur von DNA. Die Fe/S Cluster werden durch komplexe Maschinerien synthetisiert und in Apoproteine eingebaut. Die mitochondriale Fe/S Cluster (ISC) Assemblierungsmaschinerie ist auch an der Reifung extra-mitochondrialer Fe/S Proteine unverzichtbar beteiligt. Sie synthetisiert eine Schwefel- und Glutathion-haltige Substanz (X-S), die mittels der ISC Exportmaschinerie ins Cytosol exportiert wird und dort von der cytosolischen Fe/S Protein-Assemblierungsmaschinerie (CIA) zur Reifung cytosolischer und nukleärer Fe/S Proteine verwendet wird. Die zentrale Komponente der ISC Export-Maschinerie ist der mitochondriale ABC Transporter Atm1. Ein Funktionsausfall des Atm1 hat Defekte in cytosolischen-nukleären Fe/S Proteinen und in der zellulären Eisenregulation zur Folge. Mutationen im humanen Ortholog ABCB7 verursachen die Eisenspeichererkrankung XLSA/A (X-linked sideroblastic anemia and cerebellar ataxia). Uns ist vor kurzem die Aufklärung der Kristallstruktur des Nukleotid-freien Atm1 mit und ohne gebundenes Glutathion gelungen. Trotz der physiologisch so wichtigen Bedeutung sind molekulare Aspekte der ISC Exportreaktion und der Funktionsweise des Atm1 wenig verstanden. Daher ist das zentrale Ziel dieses Projektes die mechanistische Aufklärung der ISC Exportreaktion und der Funktion des Atm1. Dazu soll der Exportvorgang mit isolierten Mitochondrien rekonstituiert werden. Als Zielproteine dienen cytosolische [2Fe-2S] Proteine und/oder frühe Komponenten der CIA Maschinerie, die nach unseren neueren Erkenntnissen als Akzeptoren von X-S fungieren. Dieses experimentelle Ansatz soll zur Isolierung und Charakterisierung von X-S verwendet werden. Wir wollen in diesem Zusammenhang auch Proteine isolieren, die an der Reifung cytosolischer [2Fe-2S] Proteine teilhaben, da hierüber bisher nichts bekannt ist. Strukturelle und funktionelle Untersuchungen sollen den Atm1 Transportzyklus aufklären. Dazu sollen die Atm1 Substratbindungstasche, der Exportkanal in der Membrandomäne und die funktionelle Rolle Krankheits-relevanter Aminosäurereste strukturell und funktionell definiert werden. Weitere Atm1 Strukturen mit gebundenem Substrat und/oder verschiedenen Nukleotiden sollen verschiedene Stadien des Transportzyklus identifizieren. Zusammenfassend soll das Projekt einen mechanistischen und strukturellen Einblick in den ISC Exportprozess und die Rolle des Atm1 ergeben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen