Untersuchungen zur Biogenese von Proteinen in der mitochondrialen Innenmembran

Abstract

Mitochondria and prokaryotes show many similarities and it is a well established notion that they have common ancestors. It is therefore reasonable to expect significant similarities also in the biogenesis of their proteins. This study followed this idea in investigations on the biogenesis of protein complexes in the mitochondrial inner membrane. The yeast Saccharomyces cerevisiae served as a model organism. (1) γ-subunit of ATP synthases is highly conserved both in mitochondria and in prokaryotes. Previous studies demonstrated that deletions at the N- or C-terminus of the subunit entail only mild reductions in the enzymatic activity, and the reason of the conserved structure was enigmatic. The experiments of this study show that N- and C-terminus of the γ-subunit are essential for an efficient assembly in the ATP synthase. A deletion of 9 residues at the N-terminus or 10 residues at the C-terminus reduced the ratio of the subunit that assembled within 10 min. at 25°C by about 50%. Deletions of more than 9 N- or more than 20 C-terminal residues reduced the share of the assembled subunit by more than 90%. Yeast strains that synthesized a shortened γ- subunit did not grow on glycerole. N- and C-terminus are probably more relevant for assembly of the ATP synthase than for the transmission of energy. It is proposed that this is the case both for mitochondria and for prokaryotes. (2) The metabolite carrier proteins of the mitochondrial inner membrane were probably newly developed during the evolution of the eukaryotic cells. A common sequence motif of all carrier proteins is the carrier signature, P x (D/E) x x (K/R). The data of this study show that the carrier signature substantially facilitates the biogenesis of the dicarboxylate carrier (DIC). In particular, the translocation of this protein across the mitochondrial outer membrane is significantly accelerated. (3) The mitochondrial inner membrane protein Oxa1 is a member of a protein family that includes the bacterial protein YidC. Both Oxa1 and YidC act as mediators of protein insertion in their membranes, and both proteins participate in their own biogenesis. In this study, a series of experiments indicates that newly synthesized Oxa1 is not imported into the mitochondrial matrix, but accumulates in the inner membrane TIM23 translocase, for direct integration into the lipid bilayer. Oxa1 thereby shows a similar principle of membrane insertion as prokaryotic YidC. This was previously shown to first accumulate in the SecYEG translocase and then to directly integrate into the bacterial plasmamembrane. Oxa1 and YidC thus seem to resemble each other both in their structure and in their biogenesis. In summary, the experiments show that mitochondrial and prokaryotic proteins, after two billion years of separate evolution, have retained surprising similarities, even in molecular details of their function.

Mitochondrien und Prokaryonten weisen vielerlei Ähnlichkeiten auf, vermutlich sind sie in der Evolution aus gemeinsamen Vorläufern hervor gegangen. So ist zu erwarten, dass sich ausgeprägte Ähnlichkeiten auch in der Biogenese ihrer Proteine nachweisen lassen. In der vorliegenden Studie wurde dieser Vermutung in Untersuchungen zur Biogenese bestimmter Proteinkomplexe der mitochondrialen Innenmembran nachgegangen. Als Modellorganismus diente dabei die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae. (1) Die γ-Untereinheit der ATP-Synthasen ist in Mitochondrien und Prokaryonten hoch konserviert. Aus älteren Untersuchungen ist bekannt, dass Deletionen am N- oder C-Terminus der γ-Untereinheit nur eine überraschend geringe Reduktion der enzymatischen Aktivität zur Folge haben. In der Experimenten der vorliegenden Studie wurde nun gefunden, dass N- und C-Terminus der γ-Untereinheit für eine effiziente Assemblierung in der ATP-Synthase in den Mitochondrien der Hefe essentiell sind. Bei einer Deletion von 9 Aminosäuren am N-Terminus oder 10 Aminosäuren am C-Terminus wurde die γ-Untereinheit effizient in die Mitochondrien importiert. Der Anteil der Untereinheit, der dann innerhalb von 10 Min. bei 25°C assembliert wurde, reduzierte sich aber um etwa die Hälfte. Deletionen von mehr als 9 N-terminalen oder mehr als 20 C-terminalen Aminosäuren reduzierten den Anteil der assemblierten Untereinheit um mehr als 90%. Hefe-Stämme, die eine verkürzte γ-Untereinheit synthetisierten, waren auf Glycerin als Kohlenstoffquelle nicht lebensfähig. Vermutlich sind N- und C-Terminus der Untereinheit in den ATP-Synthasen sowohl der Mitochondrien, als auch in der Prokaryonten für die Assemblierung von größerer Bedeutung als für die Energieübertragung. (2) Die Metabolittranslokatoren der mitochondrialen Innenmembran sind vermutlich erst im Kontext der Evolution der eukaryontischen Zellen entstanden. Gemeinsam ist den Metabolittranslokatoren das Sequenzmotiv P x (D/E) x x (K/R), das als Carrier signature bezeichnet wird. Für ein Mitglied der Proteinfamilie, den Dicarboxylattranslokator, wurde nun gefunden, dass die Carrier signature die Biogenese des Proteins wesentlich erleichtert. Insbesondere wird der Transport des neu synthetisierten Proteins vom Cytosol in den Intermembranraum wesentlich beschleunigt. (3) Das Protein Oxa1 gehört zu einer Proteinfamilie, zu der auch das Protein YidC der Prokaryonten zählt. Sowohl Oxa1, als auch YidC sind Mediatoren der Proteininsertion in ihren jeweiligen Membranen, und in dieser Funktion u.a. an ihrer eigenen Biogenese beteiligt. Eine Reihe verschiedener Experimente zur Biogenese des mitochondrialen Oxa1 hat nun ergeben, dass neu synthetisiertes Oxa1 nach Import in die Mitochondrien wahrscheinlich nicht vollständig in die mitochondriale Matrix transportiert wird. Vielmehr scheint es im TIM23-Komplex, der Proteintranslokase der Innenmembran, zu akkumulieren und dann unmittelbar in die Lipidphase der Membran zu inserieren. Damit zeigt das Oxa1 eine ähnliche Biogenese wie das bakterielle YidC, das zunächst von der SecYEG-Translokase aufgenommen und dann unmittelbar in die Plasmamembran eingelagert wird. Oxa1 und YidC scheinen somit nicht nur in ihrer Struktur, sondern auch in ihrer Biogenese und in ihrer Funktion signifikante Ähnlichkeiten zu haben. Insgesamt zeigte sich in den Experimenten der vorliegenden Studie, dass sich mitochondriale und prokaryontische Proteine auch nach mehr als zwei Milliarden Jahren getrennter Evolution selbst in molekularen Details ihrer Funktion noch sehr ähnlich geblieben sind.