Architektur und Funktion des mitochondrialen VDAC/TSPO Superkomplexes

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Christian H. Wetzel; Professorin Dr. Christine Maria Ziegler
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen ; Biologische Psychiatrie ; Biophysik ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403161218

Das Translokatorprotein 18 kDa (TSPO) ist ein hochkonserviertes Protein der äußeren Mitochondrienmembran (OMM). Es is in die Regulation vielfältiger mitochondrialer und zellulärer Prozesse eingebunden, und beeinflusst den Energie- und Lipidstoffwechsel, den Cholesteroltransport und die Steroidbiosynthese, spielt aber auch eine Rolle bei oxidativem Stress und bei der intrazellulären Ca2+ Homöostase. Die Expressionsstärke des TSPO Proteins wird durch diverse pathophysiologische Prozesse reguliert. So ist die TSPO-Expression in betroffenen Geweben bei neurodegenerativen Erkrankungen, Entzündungsprozessen und Tumorerkrankungen deutlich erhöht, aber auch im Verlauf neuropsychiatrischer Erkrankungen wie der Depression verändert. Dies spricht für eine Funktion bei der Regulation der Zellproliferation, zellulären Resilienz, und Apoptose, aber auch für eine Beeinflussung der synaptischen Transmission und höheren Hirnfunktionen. Es wird vermutet, dass TSPO in der Lage ist in diese vielfältigen Prozesse regulierend einzugreifen, da es in einem Superkomplex mit Proteinen des Zytosols, der OMM, des Intermembranraums, der inneren Mitochondrienmembran und der mitochondrialen Matrix assoziiert ist, und somit deren Funktion modulieren kann. Ein wichtiger Interaktionspartner von TSPO innerhalb des Superkomplexes ist der spannungsabhängige Anionenkanal (VDAC). In der OMM stellt VDAC als Pore mit hoher Leitfähigkeit den primären Weg für den Transport und Austausch von Ionen, Energiemetaboliten (ADP/ATP) und Stoffwechselprodukten zwischen Zytosol und Mitochondrien dar. Die molekularen Mechanismen der TSPO Funktion und die mechanistische Interaktion mit anderen Proteinen wie VDAC sind noch wenig untersucht und es fehlen Daten zur Struktur und Assemblierung des TSPO Superkomplexes.Basierend auf unseren eigenen Daten zur Bedeutung von TSPO und TSPO-liganden für die Regulation mitochondrialer Aktivität und zellulärer Signalwege, werden wir uns mit den strukturellen Grundlagen und der mechanistischen Interaktion des TSPO-enthaltenden Superkomplexes befassen. Unsere Untersuchungen verfolgen das Ziel (i) die Architektur des mitochondrialen TSPO/VDAC Superkomplexes mit Hilfe von Kryo-EM Einzelteilchenanalysen, Elektronenbeugung an zweidimensionalen Kristallen und Tomographie aufzulösen, (ii) den TSPO/VDAC Komplex mit zusätzlichen Proteinen (Hexokinase, GSK3beta, ATAD3A und dem ADP/ATP Carrier) zu assemblieren, und (iii) die mechanistische Funktion und interaktive Modulation mit Hilfe biophysikalischer und pharmakologischer Methoden zu charakterisieren. Hierzu werden wir mit Hilfe elektrophysiologischer Methoden die Eigenschaften von VDAC-vermittelten Ionenströmen in nativen und rekonstituierten Proteinkomplexen analysieren.Diese Untersuchungen werden uns wichtige Informationen über die Struktur/Architektur und Funktion des mitochondrialen TSPO/VDAC Komplexes liefern und unser Verständnis zur Bedeutung von TSPO als therapeutisches Target erweitern.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2858: Bedeutung des Translokator Proteins (18kDa) (TSPO) als diagnostische und therapeutische Zielstruktur im Nervensystem