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Klanner, Carola (2001): Qualitätskontrolle von Proteinen in Mitochondrien: Identifizierung und Charakterisierung neuer AAA-Proteasen und Chaperone. Dissertation, LMU München: Faculty of Chemistry and Pharmacy
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Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Aspekte der Qualitätskontrolle von Proteinen in Mitochondrien untersucht. Die Themengebiete umfaßten die Identifizierung und Charakterisierung neuer mitochondrialer Chaperonine und AAA-Proteasen sowie Struktur- Funktionsanalysen an der i-AAA-Protease aus S. cerevisiae. (1) Tcm62 aus S. cerevisiae weist eine geringe, aber signifikante Sequenzähnlichkeit zu Chaperoninen der Klasse I (z. B. GroEL aus E. coli oder Hsp60 aus Mitochondrien von S. cerevisiae) auf. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführten funktionellen Untersuchungen belegen, daß Tcm62 ein neues, in der mitochondrialen Matrix lokalisiertes molekulares Chaperon darstellt. Wie andere Chaperonine bildet es einen hochmolekularen Komplex von ~850 kDa. Tcm62 übt unter Hitzestreß essentielle Funktionen in der Zelle aus. Der Verlust von TCM62 führt bei erhöhten Temperaturen zu einer Wachstumshemmung der Zellen auf nichtfermentierbaren Kohlenstoffquellen. Unter diesen Bedingungen ist Tcm62 essentiell für die Aufrechterhaltung der mitochondrialen Proteinsynthese und damit für die Synthese mitochondrial kodierter Untereinheiten der Atmungskettenkomplexe. In Übereinstimmung mit einer Chaperonaktivität von Tcm62 wird das Protein darüber hinaus für die Unterdrückung der Aggregation des ribosomalen Proteins Var1 bei erhöhten Temperaturen benötigt. (2) Es wurden zwei neue Vertreter der Familie der AAA-Proteasen, MAP-1 (für matrix-AAA-protease; auch m-AAA-Protease) und IAP-1 (für intermembranespace AAA-protease; auch i-AAA) im Fadenpilz N. crassa identifiziert und charakterisiert. Die entsprechenden Gene wurden unter Verwendung von DNA-Sequenzfragmenten, die aufgrund einer ESTDatenbank bekannt waren bzw. durch experimentelles Absuchen des Genoms von N. crassa mit Hilfe der PCR-Technik und degenerierter Primer erhalten. AAA-Proteasen wurden bislang in S. cerevisiae funktionell charakterisiert. Die Identifizierung neuer Vertreter dieser Proteasenfamilie in N. crassa ermöglichte erstmalig einen Vergleich der Funktionen in unterschiedlichen Organismen. Dabei ergaben sich konservierte Eigenschaften, jedoch auch funktionelle Unterschiede zwischen den orthologen Proteinen. Biochemische Analysen zeigten, daß AAA-Proteasen aus N. crassa, ebenso wie diejenigen aus S. cerevisiae, hochmolekulare Komplexe mit ähnlichen Molekulargewichten in der mitochondrialen Innenmembran bilden. Von besonderer Bedeutung ist die Konservierung der Membrantopologie mitochondrialer AAA-Proteasen, die in beiden Organismen ihre katalytischen Domänen auf gegenüberliegenden Seiten der Membran exponieren. Untersuchungen an Modellproteinen weisen darauf hin, daß eine effiziente Qualitätskontrolle von Innenmembranproteinen die Anwesenheit von AAA-Proteasen auf beiden Membranseiten erfordert. Eine Phänotypanalyse eines N. crassa-Stamms, indem das iap-1-Gen disruptiert wurde, ergab Hinweise auf funktionelle Unterschiede zwischen i-AAA-Proteasen aus S. cerevisiae (Yme1) und N. crassa (IAP-1). In beiden Organismen führt zwar die Abwesenheit der i-AAA-Protease zu einer Hemmung des Zellwachstums auf nicht fermentierbaren Kohlenstoffen unter Hitzestreß. Ein kältesensitives Wachstum oder eine Veränderung der mitochondrialen Morphologie, wie sie für die Disruption der i-AAA-Protease aus S. cerevisiae beschrieben ist, wurde allerdings in iap-1-defizienten N. crassa-Hyphen nicht beobachtet. Die in S. cerevisiae durchgeführten Komplementationsversuche belegen überlappende, jedoch nicht identische Funktionen der i-AAA-Proteasen in beiden Organismen. Durch die Expression von IAP-1 in S. cerevisiae-Zellen mit deletierten YME1-Gen, wurden lediglich das reduzierte Wachstum dieses Stamms bei 15°C und, zumindest teilweise, der Morphologiedefekte der Mitochondrien unterdrückt. IAP-1 konnte jedoch nicht wichtige Funktionen von Yme1 bei 37°C übernehmen. Dennoch kann aufgrund dieser Befunde IAP-1 als das Ortholog der AAA-Protease Yme1 bezeichnet werden. (3) Um einen weiteren Einblick in den Funktionsmechanismus der AAAProteasen zu erlangen, wurde die Oligomerisierung der i-AAA-Protease aus S. cerevisiae näher untersucht. Dabei zeigten am isolierten Proteasekomplex durchgeführte Studien eine essentielle Funktion der Oligomerisierung für die ATPase-Aktivität der AAA-Protease. Darüber hinaus wurde mit Hilfe von Deletionsanalysen die aminoterminale, in der Matrix lokalisierte Region von Yme1 als eine für die Assemblierung wichtige Domäne identifiziert. Der Verlust dieser nur gering konservierten Domäne bedingt eine teilweisen Inaktivierung der i-AAA-Protease in vivo.