Intra-mitochondriale Proteinaggregatablagerung als Schutzmechanismus der mitochondrialen Qualität

Abstract

Experimentelle Beobachtungen der letzten 10 Jahren zeigen zunehmende Evidenzen dafür, dass die aktive Zusammenlagerung von großen Proteinaggregaten einen höchst wirksamen Schutzmechanismus gegen proteotoxische Proteinsubtypen darstellt. Während kleine oligomere Proteinaggregate, durch Verlust ihrer Proteinfunktion sowie durch Auslösung weiterer Proteineaggregation, zu zellulären Schäden führen, wird vermutet, dass die induzierte Akkumulation in große Aggregatkompartimente eine Detoxifizierung dieser Oligomere bewirkt. In dieser Doktorarbeit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass eine Detoxifizierung von ungefalteten Proteinen durch die Ablagerung von Proteinaggregaten in Aggregatkompartimente auch in Mitochondrien der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae existiert. Diese Proteinaggregatablagerung wurde im Rahmen dieser Arbeit als intramitochondriales Proteinqualitätskontrollkompartiment (engl.: Intra-Mitochondrial Protein Quality Control Compartment; IMiQC) definiert und charakterisiert. Vielfältige Analysen zur Proteinhomöostase sowie zur Mitochondrienfunktion in Anwesenheit eines destabilisierten Reporterproteins konnten zeigen, dass die Ablagerung geschädigter Proteine in IMiQC im Wesentlichen drei Aufgaben erfüllt. Erstens wird die mitochondriale Qualität und mitochondriale Proteinhomöostase in Anwesenheit großer Mengen ungefalteter Proteine erhalten. Zweitens führt die Zusammenlagerung ungefalteter und geschädigter Polypeptide zur Entlastung des primären Proteinqualitätskontrollsystems und erhöht dadurch die Fitness der Mitochondrien sowie des gesamten zellulären Systems. Drittens konnte beobachtet werden, dass die Separierung und Immobilisierung von Aggregaten am Zellkern eine asymmetrische Verteilung der geschädigten Proteine während der Zellteilung ermöglicht. Des Weiteren konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass die Ablagerung in IMiQC eine sich wiederholende Abfolge von mitochondrialer Spaltung sowie Fusion benötigt. Dies ist Vorraussetzung für die erfolgreiche Detoxifizierung schädlicher Proteine und für die effiziente Ablagerung von Aggregaten am Zellkern. Darüber hinaus ist es uns gelungen nachzuweisen, dass die IMiQC-Formierung nicht nur während der Überexpression destabilisierter Reporterproteine stattfindet, sondern auch mit endogenen mitochondrialen Proteinen während schwerwiegender Stresssituationen. <br /> In einem zweiten Abschnitt dieser Arbeit wurde ein rekombinantes, fluoreszierendes Protein für den in organello Proteinimport in isolierten Mitochondrien der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae konstruiert. Dadurch konnte ein erfolgreicher Ersatz für den mitochondrialen Import radioaktiver Substrate entwickelt werden.