Mitochondrien unter Stress: Die Rolle der Präsequenzprotease MPP

390 W I S S EN S CH AFT · S PECIA L : M OLE KULARE ZE LLBI OLOGI E Zelluläre Integrität Mitochondrien unter Stress: Die Rolle der Präsequenzprotease MPP F.-NORA VÖGTLE ZENTRUM FÜR MOLEKULARE BIOLOGIE DER UNIVERSITÄT HEIDELBERG (ZMBH) UND NETZWERK ALTERNSFORSCHUNG (NAR), UNIVERSITÄT HEIDELBERG The majority of mitochondrial proteins are encoded in the nuclear genome, so that the nearly entire proteome is assembled by post-translational preprotein import from the cytosol. Proteomic imbalances are sensed and induce cellular stress response pathways to restore proteostasis. Here, the mitochondrial presequence protease MPP serves as example to illustrate the critical role of mitochondrial protein biogenesis and proteostasis on cellular integrity. DOI: 10.1007/s12268-021-1589-1 © Die Autorin 2021 ó Der Aufbau des mitochondrialen Proteoms erfordert die koordinierte Expression von Proteinen, die in zwei verschiedenen Genomen codiert werden. Während der Hauptteil des Proteoms im Zellkern codiert ist, befindet sich die Information für acht Pro¯ Abb. 1: Mitochondriale Proteinbiogenese. Mitochondriale Proteine sind sowohl im Zellkern als auch im mitochondrialen Genom (mtDNA) codiert. Für den Import von Präproteinen aus dem Cytosol besitzen Mitochondrien Importmaschinerien, die die Translokation und Sortierung in die verschiedenen mitochondrialen Subkompartimente ausführen. Zentral für die Biogenese der meisten mitochondrialen Präproteine ist die mitochondriale Prozessierungsprotease MPP, die die Signalsequenzen nach dem Import in der Matrix abspaltet. AM: Außenmembran; IMR: Intermembranraum; IM: Innenmembran. teine (Hefe) bzw. 13 Proteine (Mensch) in der mitochondrialen DNA (mtDNA) (Abb. 1). Die Expression beider Genome wird durch eine rege Kommunikation zwischen den Organellen aufeinander abgestimmt. Die Synthese mitochondrialer Präproteine an cytosolischen Ribosomen birgt dabei einige Herausforderungen, da die Vorstufenproteine zum Organell und dort an die richtige Stelle transportiert werden müssen [1]. Mitochondrien bestehen aus zwei Lipiddoppelschichten, der äußeren und inneren Membran, die den Intermembranraum und die Matrix begrenzen. Transportsignale in den Vorstufenproteinen vermitteln den Import und die Sortierung in das richtige Subkompartiment [1]. Hierfür besitzen Mitochondrien mehrere komplexe Proteinimportmaschinerien, die für die Translokation über – bzw. die Assemblierung in – die Membran benötigt werden (Abb. 1). Die Mehrheit der Vorstufenproteine wird entlang des Präsequenzimportwegs importiert. Als Signal dient eine N-terminale Sequenz (Präsequenz), die von den Translokasen der Außen- und Innenmembran (TOM und TIM23) erkannt wird und das Protein in die Matrix schleust. Hier trifft das Vorstufenprotein auf ein komplexes Netzwerk an Proteasen, die neu importierte Proteine prozessieren und somit ihre Funktionalität und Stabilität mitbestimmen [2, 3]. Eine zentrale Rolle nimmt die essenzielle mitochondriale Präsequenzprotease (MPP) ein. MPP ist ein Heterodimer, das aus zwei miteinander strukturell verwandten Proteinen besteht: Die β-Untereinheit (PMPCB in humanen Zellen, Mas1 in Hefe), in der sich das aktive Zentrum befindet und die α-Untereinheit (PMPCA, bzw. Mas2), die vermutlich eine Rolle bei der Substraterkennung spielt [2, 4]. MPP ist eine zinkabhängige Metalloprotease und die Struktur des Hefeenzyms konnte zeigen, dass eine flexible glycinreiche Schleife in der α-Untereinheit bei der Substratbindung bzw. dem Freisetzen des reifen Proteins eine wichtige Rolle spielt [5]. Während weitere mitochondriale Proteasen ebenfalls an der Prozessierung von Präproteinen beteiligt sind, dabei allerdings BIOspektrum | 04.21 | 27. Jahrgang nur eine sehr geringe Anzahl an Substraten haben, gilt MPP als die Hauptpräsequenzprotease [2, 6]. Studien aus der Bäckerhefe legen nahe, dass ca. 70 Prozent aller mitochondrialen Vorstufenproteine eine spaltbare Präsequenz als Importsignal verwenden und dass MPP die Mehrheit dieser Proteine nach dem Import prozessiert [7]. Da nach der Spaltung durch MPP häufig Phenylalanin, Tyrosin oder Leucin als N-terminale Aminosäure vorliegt, was mit einer verringerten Proteinhalbwertszeit korreliert, werden diese Proteine ein zweites Mal prozessiert: Die Entfernung einer weiteren einzelnen Aminosäure durch die intermediate cleaving peptidase Icp55 oder von acht Aminosäuren durch die mitochondrial intermediate protease MIP/Oct1 bildet reife Proteine, die mit einer stabilisierenden Aminosäure (meist Serin oder Alanin) beginnen (mitochondriale N-end-Regel) [2, 6, 7]. Das System aus MPP, Icp55 und MIP/Oct1 bildet so eine zentrale proteolytische Qualitätskontrolle beim Aufbau eines funktionellen mitochondrialen Proteoms. MPP-Mutationen führen zu schweren neurologischen Erkrankungen MPP kommt eine essenzielle Rolle beim Aufbau des mitochondrialen Proteoms zu. Deutlich wird dies auch durch Punktmutationen in MPP, die in beiden Untereinheiten des humanen Enzyms in Patienten mit schweren neurologischen Symptomen identifiziert wurden [8-10]. Diese umfassen Störungen der Bewegungskoordination (cerebelläre Ataxie), Epilepsie und Neurodegeneration, die sich bereits im frühen Kindesalter entwickeln. Patienten mit Mutationen in der katalytischen Untereinheit PMPCB scheinen schwerere Krankheitsverläufe zu entwickeln, während bei PMPCA die Nähe der Mutation zu der für die Substraterkennung wichtigen glycinreichen Schleife mit einem schwereren Krankheitsbild korreliert [8-10]. Während die Menge der mutierten PMPCA- oder PMPCB-Proteine meist stark reduziert ist, konnte bei der Analyse von MPPSubstraten bisher nur eine aberrante Prozessierung von Frataxin (FXN) entdeckt werden. FXN ist ein besonderes MPP-Substrat, da es zweimal hintereinBIOspektrum | 04.21 | 27. Jahrgang ander von MPP gespalten wird. In den Patienten konnte eine Akkumulierung des intermediären und eine Verringerung des reifen FXN detektiert werden. FXN spielt eine Rolle bei der Synthese von Eisen-Schwefel-Zentren und Analysen von Patientenproben konnten eine verminderte Aktivität von Proteinen, die Fe-S-Zentren besitzen (beispielsweite der mitochondrialen Atmungskette), im Muskel nachweisen [10]. Defekte in der Synthese von Fe-S-Zentren haben auch Auswirkungen auf andere Zellkompartimente, da diese Ko-Faktoren aus den Mitochondrien exportiert und in viele extra-mitochondriale Proteine eingebaut werden [11]. Dadurch können die Mutationen in MPP auch zelluläre Funktionen in anderen Kompartimenten beeinträchtigen. Zwar konnten bisher nur FXN-Prozessierungsdefekte in humanen Patientenproben identifiziert werden, es ist allerdings unwahrscheinlich, dass keine weiteren MPP-Substrate betroffen sind. Hierfür spricht auch eine Analyse im Modellorganismus Bäckerhefe, in der Patientenmutationen in das homologe Mas1 eingefügt wurden und zu einer defekten Prozessierung aller getesteten MPP-Substrate führte [10]. Es ist anzunehmen, dass FXN aufgrund der zweifachen MPP-Spaltung besonders sensitiv auf Dysfunktion (...truncated)