Mdm31 und Mdm32: Zwei neue Komponenten des mitochondrialen Morphologie- und Vererbungsapparates

Morphologie und Dynamik der Mitochondrien spielen eine wichtige
Rolle für die Vererbung der Organellen und die korrekte Ausübung
ihrer physiologischen Pflichten. Über die molekularen Mechanismen,
die der Gestaltgebung und Dynamik der Mitochondrien zugrunde
liegen, ist relativ wenig bekannt. In der Bäckerhefe Saccharomyces
cerevisiae als Modellorganismus wurden einige Proteine
identifiziert – das Verständnis vieler Prozesse, wie z. B. Fusion,
Teilung und Bewegung der Mitochondrien, stellt jedoch nach wie vor
eine Herausforderung für die zellbiologische Forschung dar. Im
ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde ein innovativer Ansatz
verfolgt, um neue mitochondriale Morphologiekomponenten in S.
cerevisiae zu identifizieren. Dabei wurde eine Stammsammlung
verwendet, die Deletionsmutanten sämtlicher nicht-essentieller
Hefegene enthält. Diese Stämme wurden systematisch durch
Fluoreszenzmikroskopie nach Mutanten durchsucht, die eine
veränderte mitochondriale Morphologie aufweisen. Dadurch konnte die
Anzahl der bekannten Proteine, die einen Einfluss auf die
mitochondriale Morphogenese besitzen, von bis dato neun auf 24
erhöht werden. Fünf der neuen Komponenten, von denen zehn bislang
gänzlich uncharakterisiert waren, wurden im Rahmen der vorliegenden
Arbeit entdeckt. Für eine eingehende Analyse im zweiten Teil der
vorliegenden Arbeit, wurden die beiden neuentdeckten Proteine Mdm31
und Mdm32 ausgewählt. Diese beiden Proteine sind Mitglieder einer
neuen Proteinfamilie und liegen als höhermolekulare Proteinkomplexe
in der mitochondrialen Innenmembran vor, die transient miteinander
interagieren. Die Topologie von Mdm31 und Mdm32, deren Hauptteil im
Intermembranraum liegt, ist ein Hinweis auf eine mögliche
Kooperation der beiden Proteine mit Komponenten der mitochondrialen
Außenmembran. Deletionsmutanten von MDM31 und MDM32 weisen
sphärische Riesenmitochondrien auf, deren Motilität drastisch
reduziert ist. Durch diesen Motilitätsdefekt kommt es zu einem
verringerten Transport der Mitochondrien in die Tochterzellen bei
der Zytokinese. Darüber hinaus ist das mitochondriale Genom in
Δmdm31- und Δmdm32-Stämmen instabil und geht nach längerem Wachstum
auf fermentierbaren Kohlenstoffquellen in einem Teil der Zellen
verloren. Ferner ist die Struktur der Nukleoide, in denen die
mitochondriale DNA verpackt ist, in diesen Stämmen verändert.
Während man in Wildtyp-Zellen 10-15 Nukleoide beobachtet, weisen
die Mitochondrien der Deletionsstämme ein oder zwei riesige diffuse
DNA-Stukturen auf. Diese strukturellen Veränderungen der
Mitochondrien und das Verhalten des mitochondrialen Genoms in den
Δmdm31- und Δmdm32-Deletionsmutanten weisen Ähnlichkeiten zu Zellen
auf, denen die Außenmembranproteine Mmm1, Mdm10, Mdm12 oder Mmm2
fehlen. Die Deletion von MDM31 oder MDM32 in Kombination mit MMM1,
MDM10, MDM12 oder MMM2 ist synthetisch letal, d. h. die
Doppelmutanten sind nicht lebensfähig. Dies ist ein Hinweis darauf,
dass die beteiligten Komponenten eine Funktion in demselben
zellulären Prozess spielen. Wahrscheinlich führt die Addition der
Effekte, die die Einzeldeletionen auf die Struktur und Motilität
der Mitochondrien haben, zur kompletten Hemmung der Vererbung der
Organellen. Damit sind Mdm31 und Mdm32 die ersten mitochondrialen
Innenmembranproteine, für die ein funktioneller Zusammenhang mit
Komponenten der mitochondrialen Außenmembran bei der Vererbung und
strukturellen Integrität der Mitochondrien gezeigt werden konnte.
Ferner sind sie die ersten Proteine der mitochondrialen
Innenmembran, die Einfluss auf die Struktur und Stabilität des
mitochondrialen Genoms nehmen.