Bildung von Poren in mitochondrialen Membranen aufgeklärt

Mitochondrien gelten als Kraftwerke der Zellen und sind für den menschlichen Stoffwechsel unerlässlich. Fehlfunktionen in 40 % der mitochondrialen Proteine ​​werden mit menschlichen Krankheiten in Verbindung gebracht, weshalb Mitochondrien auch in der medizinischen Forschung eine wichtige Rolle spielen.

Ein bisher ungeklärter Prozess in den komplexen Mitochondrien war die Bildung ihrer Tonnenporen. Diese befinden sich innerhalb der mitochondrialen Außenmembran und dienen als Portal, durch das Substanzen zwischen Mitochondrien und dem Zellwasser ausgetauscht werden.

Forscher der Universität Freiburg und der Universität Kyoto/Japan konnten nun durch Struktur- und Funktionsexperimente den Steuerungsmechanismus aufklären, durch den sich die Poren bilden. Die Studie wurde vom Team um Prof. Dr. Nils Wiedemann und Prof. Dr. Nikolaus Pfanner von der Medizinischen Fakultät und dem Exzellenzcluster CIBSS der Universität Freiburg sowie von Prof. Dr. Toshiya Endo von der Kyoto Sangyo University durchgeführt in der Zeitschrift veröffentlicht Natur Struktur- und Molekularbiologie.

„Fassporen sind lebensnotwendig, da sie für den Stoffaustausch innerhalb der Zelle unverzichtbar sind“, erklärt Wiedemann. „Sie besser zu verstehen, ist ein wichtiger Baustein für die zelluläre Grundlagenforschung.“

Ähnlichkeiten zur Weinfassstruktur

Es war bereits bekannt, dass die Tonnenporen in Mitochondrien aus einem Proteinmolekül bestehen, das zu diesem Zweck bis zu 19 Mal durch die äußere Membran gefaltet werden muss. Diese sogenannten Beta-Stränge, die die Außenmembran überspannen, sind wie die Längshölzer/Dauben von Weinfässern kreisförmig angeordnet, so dass eine Pore in der mitochondrialen Außenmembran entsteht. Beta-Fass-Proteine ​​werden von der Sortier- und Montagemaschinerie (SAM) in der mitochondrialen Außenmembran zusammengesetzt.

Rollen von Sam50 und Sam37

Durch die erstmalige Reinigung und Aufklärung einer Proteinkomplexstruktur der Sortier- und Montagemaschinerie zusammen mit einem Beta-Fass-Protein während der Beta-Fass-Bildung wurde nachgewiesen, dass der letzte Beta-Strang von Beta-Fass-Proteinen zuerst an Sam50 gebunden ist ( eine Proteinuntereinheit der Sortier- und Montagemaschinerie) in der mitochondrialen Außenmembran. Dann werden die anderen Stränge einzeln zusammengesetzt. Dabei ist der den Strängen vorgeschaltete Teil der Proteinkette der Beta-Barrel-Proteine ​​nicht nur für deren Funktion, sondern auch für deren Aufbau wichtig.

Im Gegensatz dazu hat die Sam37-Untereinheit einen Vorsprung, der in die mitochondriale Außenmembran hineinreicht, um den herum die Stränge der Beta-Fass-Proteine ​​kreisförmig angeordnet sind. Funktionelle Experimente, bei denen der Vorsprung von Sam37 entfernt wurde, zeigten, dass der Vorsprung für den Ringschluss der Beta-Fass-Proteine ​​entscheidend ist. „Dadurch konnten wir der Sam37-Untereinheit eine Funktion als Fassmacher für die Bildung der lebenswichtigen Beta-Fass-Membranproteine ​​in unseren Zellkraftwerken zuordnen“, erklärt Wiedemann.