Charakterisierung der mitochondrialen TIM22-Translokase des Menschen

Die TIM22-Translokase in der mitochondrialen Innenmembran
vermittelt die Insertion von polytopen Innenmembranproteinen mit
internen Signalsequenzen wie der mitochondrialen Metabolit-Carrier.
Dabei unterstützt eine Gruppe von strukturell verwandten Proteinen
mit charakteristischem Metallbindungsmotiv (Cys4-Motiv) die Passage
der hydrophoben Vorstufenproteine über den Intermembranraum. Dies
sind in der Hefe Tim9, Tim10 und Tim12 sowie Tim8 und Tim13. Die
Familie dieser kleinen Tim-Proteine ist evolutionär konserviert. Im
Menschen wurden sechs Mitglieder dieser Proteinfamilie
identifiziert: Tim9, Tim10a und Tim10b sowie DDP1, DDP2 und Tim13.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Komponenten der
TIM22-Translokase der Säugetiere strukturell und funktionell
charakterisiert. Bei ihnen handelt es sich ebenfalls um
mitochondriale Intermembranraumproteine. Sie sind in der Lage,
mittels der vier konservierten Cysteinreste ein Zn2+-Ion zu binden
und damit vermutlich eine Zinkfinger-Struktur auszubilden.
Mutationen, die zu einem Verlust des DDP1 Proteins führen, sind die
Ursache für das Mohr-Tranebjaerg Syndrom, einer neurodegenerativen
Erkrankung, die sich im Wesentlichen durch Taubheit und Dystonie
auszeichnet. Eine Punktmutation im DDP1-Gen, die zu einem Austausch
eines der konservierten Cysteine führt (DDP1C66W), verursacht den
Verlust der Zinkbindungskapazität und resultiert in einem
fehlgefalteten, instabilen Protein. Es wurde gezeigt, dass das
mutierte DDP1 nicht mehr in der Lage ist, mit seinem Partnerprotein
Tim13 zu interagieren und keinen funktionellen DDP1-Tim13 Komplex
ausbilden kann. Die menschlichen Proteine der Tim9 und
Tim10-Gruppen, Tim9, Tim10a und Tim10b sind wie ihre homologen
Hefeproteine in zwei hetero-oligomeren Komplexen organisiert, einem
70 kDa-Komplex bestehend aus Tim9 und Tim10a sowie einem 450 kDa
Tim9-10a-10b-Komplex. Beide Komplexe sind fest mit der Innenmembran
assoziiert. Tim10b zeigt eine geringere Sequenzhomologie zu
Hefe-Tim10 als Tim10a. Es liegt genauso wie Tim12 nur in dem
hochmolekularen Komplex vor und weist die stärkste
Membranassoziation auf. Es zeigt damit strukturelle Ähnlichkeit zu
Tim12. Aufgrund der Membranassoziation der kleinen TIM-Komplexe
entfällt aber wahrscheinlich die Funktion des Tim12 als Vermittler
zwischen dem löslichen Komplex und der Membran. Tim9, Tim10a und
Tim10b sind wie die Hefe-Proteine am Import von mitochondrialen
Carriern beteiligt. Die Bindung an Translokationsintermediate von
Carrier-Vorstufenproteinen erfolgt in Abhängigkeit von zweiwertigen
Kationen wie Zn2+. Die Struktur des TIM22-Komplexes weist
signifikante Unterschiede zu der aus der Hefe bekannten
Organisation auf. Humanes Tim22 ist im Vergleich zu Hefe-Tim22
wenig konserviert. Es liegt kein stabiler Komplex vor, der Tim22
und die kleinen Tim-Proteine enthält. Sie befinden sich vermutlich
in dynamischer Interaktion mit Tim22, die wahrscheinlich nur
während der Translokation eines Vorstufenproteins auftritt. Bisher
ist kein Komplexpartner des humanen Tim22 bekannt. Homologe zu
Tim54 und Tim18, den membranintegralen Komplexpartnern des Tim22,
wurden in menschlichen Datenbanken nicht identifiziert. Aufgrund
der veränderten strukturellen Organisation ist das menschliche
Tim22 nicht in der Lage, mit den Proteinen aus der Hefe funktionell
zu kooperieren. Es hat vermutlich eine Anpassung an veränderte
Substratspezifizitäten stattgefunden, die auch die Beteiligung
weiterer bisher unidentifizierter Komponenten der TIM22-Translokase
einschließen könnte. Ein neues Intermembranraumprotein menschlicher
Mitochondrien, Cmi1, ist an der Biogenese der kleinen Tim-Proteine
beteiligt. Eine Überexpression im Hefesystem führt zur
signifikanten Erhöhung der Proteinmengen von kleinen Tim-Proteinen
im mitochondrialen Intermembranraum. Cmi1 unterstützt vermutlich
die rasche stabile Faltung der neu importierten kleinen
Tim-Proteine. Da Cmi1 in der Lage ist, Metall-Ionen zu binden
vermittelt es möglicherweise den Transfer von Zink-Ionen.