Alternative Topogenese des Dynamin-ähnlichen Proteins Mgm1 in Mitochondrien von Saccharomyces cerevisiae und ihre Funktion in der Erhaltung der mitochondrialen Morphologie

In S. cerevisiae bilden Mitochondrien ein tubuläres Netzwerk, für
dessen Erhaltung ein Gleichgewicht aus Fusions- und
Teilungsprozessen notwendig ist. Mgm1 ist ein Dynamin-ähnliches
Protein in Mitochondrien, das an der mitochondrialen Fusion
beteiligt ist. Es kommt in einer großen Isoform (l-Mgm1) von 97 kD
und einer kleinen Isoform (s-Mgm1) von 84 kD vor. In der
vorliegenden Arbeit sollte die Biogenese dieser beiden Isoformen
und ihre Rolle in der Erhaltung der mitochondrialen Morphologie und
der mitochondrialen DNA geklärt werden. Beide Isoformen konnten im
Intermembranraum von Mitochondrien lokalisiert werden. Durch
Immunpräzipitation und N-terminale Sequenzierung wurden die
N-Termini beider Isoformen identifiziert. l-Mgm1 besitzt an seinem
N-Terminus ein hydrophobes Segment. Mit diesem Segment ist es in
der inneren mitochondrialen Membran verankert. s-Mgm1, dem dieses
Segment fehlt, ist peripher membranassoziiert. Die
Rhomboid-ähnliche Protease Pcp1 in der mitochondrialen Innenmembran
ist für die Prozessierung von Mgm1 zu s-Mgm1 verantwortlich. Die
Deletion von PCP1 führt zur Fragmentierung und Aggregation der
Mitochondrien und zum Verlust der Respirationskompetenz und der
mitochondrialen DNA. Dieser Phänotyp ist von dem der Deletion von
MGM1 nicht zu unterscheiden. Der Phänotyp der Deletion von PCP1 ist
eine direkte Konsequenz der fehlenden Mgm1–Prozessierung und des
Fehlens von s-Mgm1. Darüber hinaus ist die Bildung beider Isoformen
in ungefähr gleicher Menge für die volle Funktionalität von Mgm1
erforderlich. Für die koordinierte Bildung beider Isoformen ist
eine konservierte Abfolge von zwei hydrophoben Segmenten am
N-Terminus von Mgm1 erforderlich. Das weiter C-terminal gelegene
hydrophobe Segment enthält die Spaltstelle für Pcp1. Die
Hydrophobizität des N-terminalen Segments determiniert hingegen das
Mengenverhältnis beider Isoformen. Dabei führt verringerte
Hydrophobizität zur vermehrten Bildung von s-Mgm1, während erhöhte
Hydrophobizität die Bildung von s-Mgm1 fast vollständig verhindert.
Die intermediäre Hydrophobizität der Wildtyp-Sequenz ist kritisch
für die koordinierte Bildung beider Isoformen im Verhältnis von
ungefähr 1:1. Die Bildung von s-Mgm1 hängt weiterhin von einem
funktionalen Importmotor und einer hinreichend hohen
ATP–Konzentration in der mitochondrialen Matrix ab. l-Mgm1 kann
dagegen ATP-unabhängig und unabhängig vom Importmotor gebildet
werden. Diese Daten führten zum Modell der alternativen Topogenese
von Mgm1. Demnach dient das erste hydrophobe Segment als
Stopp-Transfer-Signal im TIM17/TIM23-Translokationskomplex.
Laterale Insertion dieses Segments in die mitochondriale
Innenmembran führt zur Bildung von l-Mgm1. Die Überwindung dieses
Translokationsarrests führt zum weiteren Import bis das zweite
hydrophobe Segment mit der Spaltstelle die Innenmembran erreicht.
Dort entsteht durch Pcp1-Spaltung s-Mgm1. Der weitere Import und
damit die Pcp1-Prozessierung sind abhängig von ATP und einem
funktionalen Importmotor. Die Bildung von l-Mgm1 und s-Mgm1 sind
kompetierende Prozesse. Störungen in diesem kompetitiven
Gleichgewicht (veränderte Hydrophobizität des ersten hydrophoben
Segments, nicht funktionaler Importmotor, niedrige
ATP–Konzentration in der Matrix) führen zu Verschiebungen im
Verhältnis beider Mgm1-Isoformen und zur Fragmentierung und
Aggregation der Mitochondrien. Daher stellt der Mechanismus der
alternativen Topogenese eine Möglichkeit dar, wie der
bioenergetische Zustand der Mitochondrien auf molekularer Ebene an
die mitochondriale Struktur gekoppelt sein könnte. Auf diese Weise
könnte in Mitochondrien, deren bioenergetischer Status z.B.
aufgrund von Mutationen in der mitochondrialen DNA, wie sie durch
oxidativen Stress entstehen, gestört ist, die Bildung von s-Mgm1
verringert sein. Möglicherweise führt das dazu, dass die
betroffenen Mitochondrien nicht mehr effizient fusionieren und so
aus dem mitochondrialen Netzwerk ausgeschlossen werden. Der
Mechanismus der alternativen Topogenese würde in diesem Fall gegen
geschädigte mitochondriale DNA selektionieren und so deren
Vererbung unterbinden.