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Mitochondrialer Import und Protein-Protein-Interaktionsnetzwerk varianter Glutaryl-CoA-Dehydrogenase
Mitochondrialer Import und Protein-Protein-Interaktionsnetzwerk varianter Glutaryl-CoA-Dehydrogenase
Zirka 99 % des mitochondrialen Proteoms sind nukleär kodiert. Mitochondriale Matrixproteine werden als Präkursor-Proteine im Cytosol synthetisiert und post-translational in das Mitochondrium importiert, um dort nach Abspaltung eines Signalpeptids in reife und funktionelle Proteine prozessiert zu werden. Die cytosolischen molekularen Chaperone Hsc70 und Hsp90 binden kotranslational das Präkursor-Protein. Damit werden die Aufrechterhaltung eines ungefalteten Zustandes und die Übergabe an mitochondriale Importrezeptoren zur korrekten mitochondrialen Translokation gewährleistet. Dennoch ist das Zusammenspiel von cytosolischen Proteinen, mitochondrialen Importrezeptoren und Präkursor-Proteinen nicht hinreichend untersucht. Die meisten monogenetischen mitochondrialen Erkrankungen basieren auf Mutationen in der nukleären DNA. Mutationsbedingte Veränderungen der Primärsequenz von cytosolischen Proteinen führen häufig zu Veränderungen ihrer Tertiär- und Quartärstruktur und in der Folge zu Störungen des Protein-Protein-Interaktionsnetzwerks der betroffenen Proteine. In der vorliegenden Arbeit wurde die Hypothese aufgestellt, dass Missense-Mutationen in mitochondrialen Präkursor-Proteinen zu Veränderungen des cytosolischem Protein-Protein-Interaktionsnetzwerks führen, insbesondere zu Störungen der Interaktion mit Proteinen des Proteinhomöostasenetzwerks, die einen reduzierten mitochondrialen Import zur Folge haben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss genetischer Variation auf den Import nukleär kodierter mitochondrialer Proteine charakterisiert. Es konnten cytosolische Mechanismen der Krankheitsentstehung am Beispiel des Glutaryl-CoA-Dehydrogenase-Mangels, basierend auf Mutationen im Gen der Glutaryl-CoA-Dehydrogenase (GCDH), aufgedeckt werden. Mutationen im maturen Anteil des Proteins können zu einem Importdefekt in das Mitochondrium führen. Es konnte gezeigt werden, dass der mature Anteil der GCDH, auch ohne Vorliegen einer mitochondrialen Signalsequenz am N-Terminus, eine Bindung an die Mitochondrienoberfläche vermitteln kann. Mittels massenspektrometrischer sowie lumineszenz- und fluoreszenzspektroskopischer Methoden konnte ein cytosolisches Interaktionsnetzwerk mitochondrialer Präkursor-Proteine identifiziert werden. Quantitative Interaktionsanalysen zeigten eine reduzierte oder aufgehobene Bindung varianter Präkursor-Proteine an die cytosolischen molekularen Chaperonen Hsc70 und Hsp90 sowie den löslichen mitochondrialen Importrezeptor Tom34. Die Stärke der Bindungen an Hsc70 war negativ korreliert mit dem Ausmaß des Importdefektes. Es wird gefolgert, dass neben einem loss of function ein loss of import für variante nukleär kodierte mitochondriale Proteine als krankheitsauslösender Mechanismus relevant sein kann. Die Erkenntnisse rücken cytosolische molekulare Chaperone und deren Einfluss auf den mitochondrialen Import in den Fokus der Evaluierung neuer Therapiestrategien, beispielsweise durch den Einsatz von proteostasis regulators, die durch Regulation von mit GCDH interagierenden Proteinen des Proteinhomöostasenetzwerks wirken, oder (de-) stabilisierenden Substanzen, die die energetische Balance des mitochondrialen Präkursor-Proteins zugunsten eines effektiveren Importes modulieren. Die Charakterisierung des mitochondrialen Importes varianter nukleär kodierter Proteine sowie ihres cytosolischen Interaktionsnetzwerks könnten als Parameter des molekularen Phänotyps zu einem besseren Verständnis von Genotyp-Phänotyp-Korrelationen und des klinischen Verlaufs betroffener Patienten mit genetischen mitochondrialen Erkrankungen beitragen.
mitochondrialer Proteinimport, Protein-Protein-Interaktion, nukleär kodierte mitochondriale Proteine, Glutaryl-CoA-Dehydrogenase, Glutarazidurie Typ I
Engels, Daniel
2021
German
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Engels, Daniel (2021): Mitochondrialer Import und Protein-Protein-Interaktionsnetzwerk varianter Glutaryl-CoA-Dehydrogenase. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Zirka 99 % des mitochondrialen Proteoms sind nukleär kodiert. Mitochondriale Matrixproteine werden als Präkursor-Proteine im Cytosol synthetisiert und post-translational in das Mitochondrium importiert, um dort nach Abspaltung eines Signalpeptids in reife und funktionelle Proteine prozessiert zu werden. Die cytosolischen molekularen Chaperone Hsc70 und Hsp90 binden kotranslational das Präkursor-Protein. Damit werden die Aufrechterhaltung eines ungefalteten Zustandes und die Übergabe an mitochondriale Importrezeptoren zur korrekten mitochondrialen Translokation gewährleistet. Dennoch ist das Zusammenspiel von cytosolischen Proteinen, mitochondrialen Importrezeptoren und Präkursor-Proteinen nicht hinreichend untersucht. Die meisten monogenetischen mitochondrialen Erkrankungen basieren auf Mutationen in der nukleären DNA. Mutationsbedingte Veränderungen der Primärsequenz von cytosolischen Proteinen führen häufig zu Veränderungen ihrer Tertiär- und Quartärstruktur und in der Folge zu Störungen des Protein-Protein-Interaktionsnetzwerks der betroffenen Proteine. In der vorliegenden Arbeit wurde die Hypothese aufgestellt, dass Missense-Mutationen in mitochondrialen Präkursor-Proteinen zu Veränderungen des cytosolischem Protein-Protein-Interaktionsnetzwerks führen, insbesondere zu Störungen der Interaktion mit Proteinen des Proteinhomöostasenetzwerks, die einen reduzierten mitochondrialen Import zur Folge haben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss genetischer Variation auf den Import nukleär kodierter mitochondrialer Proteine charakterisiert. Es konnten cytosolische Mechanismen der Krankheitsentstehung am Beispiel des Glutaryl-CoA-Dehydrogenase-Mangels, basierend auf Mutationen im Gen der Glutaryl-CoA-Dehydrogenase (GCDH), aufgedeckt werden. Mutationen im maturen Anteil des Proteins können zu einem Importdefekt in das Mitochondrium führen. Es konnte gezeigt werden, dass der mature Anteil der GCDH, auch ohne Vorliegen einer mitochondrialen Signalsequenz am N-Terminus, eine Bindung an die Mitochondrienoberfläche vermitteln kann. Mittels massenspektrometrischer sowie lumineszenz- und fluoreszenzspektroskopischer Methoden konnte ein cytosolisches Interaktionsnetzwerk mitochondrialer Präkursor-Proteine identifiziert werden. Quantitative Interaktionsanalysen zeigten eine reduzierte oder aufgehobene Bindung varianter Präkursor-Proteine an die cytosolischen molekularen Chaperonen Hsc70 und Hsp90 sowie den löslichen mitochondrialen Importrezeptor Tom34. Die Stärke der Bindungen an Hsc70 war negativ korreliert mit dem Ausmaß des Importdefektes. Es wird gefolgert, dass neben einem loss of function ein loss of import für variante nukleär kodierte mitochondriale Proteine als krankheitsauslösender Mechanismus relevant sein kann. Die Erkenntnisse rücken cytosolische molekulare Chaperone und deren Einfluss auf den mitochondrialen Import in den Fokus der Evaluierung neuer Therapiestrategien, beispielsweise durch den Einsatz von proteostasis regulators, die durch Regulation von mit GCDH interagierenden Proteinen des Proteinhomöostasenetzwerks wirken, oder (de-) stabilisierenden Substanzen, die die energetische Balance des mitochondrialen Präkursor-Proteins zugunsten eines effektiveren Importes modulieren. Die Charakterisierung des mitochondrialen Importes varianter nukleär kodierter Proteine sowie ihres cytosolischen Interaktionsnetzwerks könnten als Parameter des molekularen Phänotyps zu einem besseren Verständnis von Genotyp-Phänotyp-Korrelationen und des klinischen Verlaufs betroffener Patienten mit genetischen mitochondrialen Erkrankungen beitragen.