Einbau von Proteinen in die äußere Mitochondrienmembran: Entschlüsselung der Struktur und des Mechanismus der MIM-Insertase

• Antragsteller: Professor Dr. Doron Rapaport
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506258237

Mitochondrien sind an vielen zellulären Prozessen beteiligt, von der Energieerzeugung über Alterung und Zelltod bis hin zu wichtigen Stoffwechselreaktionen. Fast alle ihre Proteine werden außerhalb der Organelle synthetisiert und von ausgeklügelten Mechanismen importiert, die aus Chaperonen, Rezeptoren, motorischen Elementen, Membrantranslocasen und Insertasen bestehen. Helikale Proteine in der äußeren Mitochondrienmembran (MOM) fungieren als Enzyme, Komponenten von Proteinimport- und -sortiermaschinen, Vermittler von Apoptose und Mitophagie sowie bei der Vermittlung von mitochondrialer Fusion, Spaltung und Motilität. Sie werden durch eine Insertase, die als mitochondrialer Import (MIM) bezeichnet wird, in das MOM von Hefezellen eingebaut. Der Mechanismus der Insertion von Dutzenden von MOM-Proteinen ist derzeit noch unbekannt. MIM hat Eigenschaften, die bei anderen bekannten Insertasen nicht bekannt sind: eine heterooligomere Struktur, die aus zwei kleinen Untereinheiten besteht, und die Fähigkeit, Proteine von beiden Seiten der Membran einzubauen. Eine zentrale Frage in der molekularen Zellbiologie ist, wie die Dutzenden von MOM-Proteinen auf MIM-abhängige Weise in das MOM integriert werden. Hier werden wir uns mit den folgenden Fragen beschäftigen: (i) Wie ist die atomare Struktur des MIM-Komplexes? (ii) Wie interagiert MIM mit seinen Substratproteinen, um deren Membranintegration zu fördern? (iii) Stellt der MIM-Komplex die minimale Insertase-Maschinerie dar? Wir werden Kryo-Elektronenmikroskopie (EM) und Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) sowie einen zuvor entwickelten Ansatz verwenden, der beide Techniken integriert, um die atomare Struktur von MIM aufzuklären. Mit Hilfe der NMR werden wir die Flexibilität der Komponenten untersuchen. In Zusammenarbeit werden wir die Strukturdaten durch In-vivo-Tests in Hefezellen und Organell-Import-Tests ergänzen. Strukturgeleitete Mutanten werden in vivo getestet, und die Veränderung der Funktion dieser Mutanten wird auf atomarer Ebene sichtbar gemacht. Darüber hinaus wird ein mit Liposomen rekonstituiertes MIM-System mechanistische Erkenntnisse über die Struktur-Funktions-Beziehungen der Insertase liefern. Der erfolgreiche Abschluss dieses Projekts wird es uns zum ersten Mal ermöglichen, die Membraninsertion von α-helicalen MOM-Proteinen in Bezug auf die Struktur und Dynamik auf atomarer Ebene zu verstehen. Aufgrund ihrer einzigartigen Architektur wird die Entschlüsselung der molekularen Mechanismen von MIM unser allgemeines Verständnis der Insertion von Proteinen in Membranen erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Kooperationspartner: Professor Paul Schanda, Ph.D.