Novel Insights into Biogenesis of Multi-Span Proteins of the Mitochondrial Outer Membrane

Abstract

The vast majority of mitochondrial proteins are nuclear encoded and after their synthesis in the cytoplasm need to be imported into the organelle. The import pathway that a protein follows depends on its target destination within the mitochondria and the protein´s topology. In spite of significant progress in understanding of import pathways of mitochondrial protein precursors, a great deal of crucial information on these processes is still missing. This is especially the case with proteins of the mitochondrial outer membrane (MOM). In the work presented here I investigated the biogenesis of two groups of yeast MOM proteins: alpha-helical multispan and beta-barrel protein precursors. The MOM protein Mim1 was identified as a key factor in import of MOM multispan helical proteins. Furthermore, in agreement with previous findings in mammalian systems, the Tom70 receptor was found to be involved in the initial recognition of these proteins. It was further discovered that the protein conducting pore of the TOM complex and components of the mitochondrial intermembrane space do not play a role in this process. Moreover, we identified Mim2 as another protein that together with Mim1 participates in the MIM complex. Mim2 is a single-span MOM protein that plays a crucial role in the assembly and stability of the MIM complex and hence also in the biogenesis of alpha-helical multispan proteins. In our work on the biogenesis of beta-barrel proteins we were interested in finding out if beta-barrel proteins from bacterial outer membrane can be recognized as import substrates by mitochondria. We observed that these heterologous proteins are successfully targeted to and assembled within mitochondria. Apparently, signals that govern biogenesis of beta-barrel proteins in bacteria are conserved and can be interpreted by a eukaryotic system. In contrast to this similarity in the biogenesis process, mitochondrial beta-barrel precursors lost their N-terminal signal sequence in the course of evolution. To investigate potential reasons for this loss we expressed bacterial beta-barrel precursors with signal sequence in yeast cells. These proteins were successfully targeted to MOM with their signal sequence intact, albeit with considerably reduced efficiency. Interestingly, a portion of the bacterial proteins was targeted to the endoplasmic reticulum and underwent glycosylation there. Hence, this mis-localization was most likely the selective pressure that led to the loss of signal sequences during evolution of beta-barrel precursors in eukaryotes.

Die Mehrheit der mitochondrialen Proteine wird im Zellkern kodiert. Daher müssen diese Proteine nach ihrer Synthese im Cytosol in die Organelle importiert werden. Der Importweg, dem ein Protein folgt, ist von dem Zielort innerhalb der Mitochondrien und seiner Topologie abhängig. Trotz wesentlicher Fortschritte im Verständnis der Importwege von mitochondrialen Vorläufer-Proteinen fehlen immer noch sehr viele entscheidende Informationen über diese Vorgänge. Dies gilt besonders im Fall der Proteine der äußeren mitochondrialen Membran (ÄMM). In der Arbeit, die hier präsentiert wird, habe ich die Biogenese zweier Gruppen der ÄMM-Proteine untersucht: die der alpha-helikalen Multispan-Proteine“ und der beta-barrel-Proteine. Das ÄMM-Protein Mim1 wurde als essentieller Faktor für den Import von ÄMM „alpha-helikalen Multispan-Proteinen“ identifiziert. Darüber hinaus, übereinstimmend mit den vorherigen Befunden in verschiedenen Säugersystemen, wurde der Tom70-Rezeptor als der Faktor identifiziert, der an der initialen Erkennung dieser Proteine beteiligt ist. Außerdem wurde gezeigt, dass die Pore des TOM-Komplexes und die Komponenten des mitochondrialen Intermembranraumes keine Rolle in diesem Prozess spielen. Ferner haben wir Mim2 als ein weiteres Protein identifiziert, das zusammen mit Mim1 den MIM-Komplex bildet. Mim2 ist ein „Singlespan-Protein“ der ÄMM, das eine entscheidende Rolle bei der Assemblierung und Stabilität des MIM-Komplexes spielt (und dadurch auch bei der Biogenese der „alpha-helikalen Multispan-Proteine“). In unserer Arbeit über die Biogenese von beta-barrel-Protein-Vorläufern wollten wir herausfinden, ob die beta-barrel-Proteine der bakteriellen äußeren Membran von Mitochondrien als Import-Substrat erkannt werden können. Wir haben festgestellt, dass diese heterologen Proteine in der eukaryotischen Zelle erfolgreich an die Mitochondrien ausgeliefert und dort assembliert werden. Anscheinend sind die Signale, die die Biogenese von beta-barrel-Proteinen in den Bakterien steuern, konserviert und können auch von dem eukaryotischen System interpretiert werden. Im Gegensatz zu den prokaryotischen beta-barrel-Proteinen haben die mitochondrialen beta-barrel-Vorläufer ihre N-terminale Signalsequenz im Laufe der Evolution verloren. Um die möglichen Gründe für diesen Verlust zu untersuchen, haben wir bakterielle beta-barrel-Vorläufer mit einer Signal-Sequenz in Hefe-Zellen exprimiert. Diese Proteine wurden erfolgreich mit der intakten Signal-Sequenz an die Mitochondrien ausgeliefert, allerdings mit wesentlich geringerer Effizienz als mitochondriale beta-barrel-Proteine. Interessanterweise wurde ein Teil der bakteriellen Proteine an das endoplasmatische Reticulum ausgeliefert, wo sie glykosyliert worden sind. Daraus folgt, dass die falsche subzellulare Sortierung wahrscheinlich zu einem Selektionsdruck führte, der den Verlust der Signal-Sequenz von beta-barrel-Vorläufern bei Eukaryoten im Laufe der Evolution begünstigt hat.