Rolle der F1FO-ATP Synthase und der Rhomboidprotease Pcp1 für die Struktur und Funktion von Mitochondrien

Einfluss der F1FO-ATP Synthase-Oligomerisierung auf den
bioener-getischen Zustand von Mitochondrien Eine wichtige Funktion
der Mitochondrien besteht in der Bereitstellung von ATP, dessen
Synthese durch die OXPHOS-Komplexe der Innenmembran bewerkstelligt
wird. Zusätzlich besitzt die F1FO-ATP Synthase eine strukturgebende
Aufgabe. Dazu bildet diese Oligomere aus, die für die Ausbildung
von Cristaestrukturen essentiell sind. Insbesondere die
oligomer-spezifischen Untereinheiten Su e und Su g sind dafür,
nicht jedoch für die enzymatische Aktivität der F1FO-ATP Synthase,
notwendig. Der Einfluss der F1FO-ATP Synthase Assemblierung auf den
bioenergetischen Zustand von Mitochondrien wurde in dieser Arbeit
untersucht. Teildeletionen der C-terminalen ‚coiled-coil’-Domänen
von Su e weisen eine verringerte Stabilität der Oligomere auf.
Diese Destabilisierung geht mit einer Reduktion des mitochondrialen
Membranpotentials und der Wachstumsrate einher, ist jedoch für die
Ausbildung von Cristaestrukturen hinreichend. Des Weiteren sind die
enzymatischen Aktivitäten der Atmungskettenkomplexe, die Integrität
der Innenmembran sowie die Verlustrate der mtDNA in diesen Mutanten
nicht beeinträchtigt. Der beobachtete Phänotyp ist daher nicht auf
Sekundäreffekte zurückzuführen. Diese Arbeit unterstützt ein
Modell, nach dem die Assemblierung der F1FO-ATP Synthase zu
Oligomeren für die räumliche Anordnung auch von anderen
Proteinkomplexen in Form von Mikrodomänen für einen effizienten
Substratumsatz während der oxidativen Phosphorylierung oder für
deren Regulation notwendig ist. Somit hat die Stabilität der
F1FO-ATP Synthase-Oligomere einen Einfluss auf die bioenergetische
Leistungsfähigkeit von Mitochondrien. Charakterisierung der
mitochondrialen Rhomboidprotease Pcp1 Das Dynamin-ähnliche
mitochondriale Protein Mgm1 kommt in zwei Isoformen vor, die
möglicherweise an der Ausbildung von Cristaestrukturen beteiligt
sind. Die kurze Isoform, s-Mgm1, entsteht in Abhängigkeit von der
hochkonservierten Intramembran-Rhomboidprotease Pcp1. Zur genaueren
Aufklärung dieser Prozessierung wurde die Topologie und Biogenese
von Pcp1 ermittelt. Pcp1 durchspannt die mitochondriale
Innenmembran mit sieben Transmembrandomänen und besitzt eine
Nin-Cout-Topologie. Untersuchungen zum Import von Pcp1 zeigen, dass
dessen Import in die innere Membran von der TIM23-Translokase
vermittelt und die mitochondriale Signalsequenz schrittweise durch
die zwei Proteasen MPP und MIP entfernt wird. Außerdem wird
möglicherweise die C-terminale Transmembrandomäne von Pcp1,
entsprechend einem ‚Stop-Transfer’-Mechanismus, in der
TIM23-Translokase arretiert und anschließend lateral in die
Innenmembran inseriert. Alternativ wird Pcp1 zunächst vollständig
in die Matrix importiert und anschließend über den konservativen
Sortierungsweg in die Innenmembran inseriert. Die bisherigen
Ergebnisse lassen eine Unterscheidung zwischen diesen beiden
Möglichkeiten nicht zu. Aufgrund von Sequenzvergleichen
verschiedener Rhomboidproteasen wurden wie in anderen
Serinproteasen drei konservierte Aminosäurereste als mögliche
katalytische Triade postuliert. Um dies zu untersuchen, wurden
diese Aminosäurereste jeweils gegen Alanin ausgetauscht. Zwei
dieser Punktmutationen, in Serin-256 oder Histidin-313, führen zur
vollständigen Inaktivierung von Pcp1, während die Aminosäure
Asparagin-202 für die Aktivität nur partiell notwendig ist.
Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass die mitochondriale
Rhomboidprotease Pcp1 mit einer katalytischen Diade eine besondere
Stellung unter den Serinproteasen einnimmt.