Biogenese von mitochondrialen beta-Barrel-Membranproteinen

Im Rahmen dieser Arbeit konnte in Saccharomyces cerevisiae ein
neuer Translokationsapparat der mitochondrialen Außenmembran
identifiziert werden, der TOB-Komplex (topogenesis of mitochondrial
outer membrane beta-barrel proteins). Dieser wird für den Import
und die Insertion von mitochondrialen beta-Barrel-Proteinen, wie
Porin und Tom40, benötigt. In Eukaryoten kommen
beta-Barrel-Membranproteine nur in der Außenmembran von
Mitochondrien und Chloroplasten vor; in Prokaryoten nur in der
Außenmembran von Gram-negativen Bakterien. Die essenzielle
Untereinheit des TOB-Komplexes ist Tob55, das in allen
eukaryotischen Genomen präsent ist, aber auch in allen
Gram-negativen Bakterien Homologe aufweist. Der TOB-Komplex weist
eine molekulare Masse von 220-250 kDa auf und enthält neben Tob55
das nicht-essenzielle Protein Mas37. Dieses ist als peripheres
Membranprotein auf der Außenseite der Außenmembran lokalisiert. Die
Funktion von Mas37 ist unklar, eine stabilisierende Wirkung auf den
TOB-Komplex erscheint möglich. Der TOB-Komplex enthält einen
ionenleitenden Kanal. Elektronenmikroskopische Aufnahmen weisen
zylindrische Partikel mit einem Durchmesser von 15 nm auf, die eine
Kavität von 7-8 nm Durchmesser enthalten. Zusätzlich scheint diese
eine zentrale Masse zu enthalten, die möglicherweise von der
löslichen N-terminalen Domäne von Tob55 gebildet wird. Diese könnte
eine Funktion bei der Regulation des Kanalzugangs ausüben. Tob55
wird von dem offenen Leserahmen YNL026w kodiert und ist ein
integrales beta-Barrel-Außenmembranprotein. Die N-terminale Domäne
ist im Intermembranraum lokalisiert, während der C-terminale
Bereich die membranintegrierte beta-Barrel-Struktur ausbildet.
Tob55 ist ein essenzielles Protein für S. cerevisiae und ist somit
neben Tom40 das zweite essenzielle Außenmembranprotein. Depletion
von Tob55 in vivo führt zum spezifischen Verlust der
mitochondrialen beta-Barrel-Membranproteine Porin, Tom40 und Mdm10.
Mdm10 konnte als neues mitochondriales beta-Barrel-Protein
identifiziert werden. Außenmembranproteine die durch alpha-Helices
verankert sind, waren bei der Depletion von Tob55 nicht
beeinträchtigt. Tob55 ist für den Import der
beta-Barrel-Membranproteine essenziell. Es interagiert mit frühen
Importintermediaten der beta-Barrel-Vorstufen, nicht jedoch mit
assemblierten beta-Barrel-Proteinen. Vor Interaktion mit Tob55
müssen die beta-Barrel-Vorstufen zuvor mittels des TOM-Komplexes
die Außenmembran überqueren. Interaktion der TOM-assoziierten
beta-Barrel-Vorstufen mit Tob55 ist für die vollständige
Translokation über den TOM-Komplex notwendig. Ein lösliches
Intermediat im Intermembranraum scheint nicht vorzukommen.
Anschließend erfolgt die Tob55-vermittelte Insertion von der
Innenseite der Außenmembran in die Lipidschicht. Ob der TOB-Komplex
aktiv an der Faltung der beta-Barrel-Vorstufen in eine
insertionskompetente Konformation beteiligt ist oder die Ausbildung
der beta-Barrel-Struktur innerhalb der TOB-Kavität stattfindet, ist
bisher nicht bekannt. Da Mitochondrien von einem endosymbiotischen
bakteriellen Vorläufer abstammen, haben sich offenbar essenzielle
Elemente des Biogeneseapparates von beta-Barrel-Membranproteinen
während der Evolution erhalten.