Hauptinhalt
Proteintransport und duale Lokalisierung
Peroxisomen sind konservierte eukaryotische Organellen mit einer wichtigen Funktion für die Oxidation von Fettsäuren. In unserer Arbeitsgruppe studieren wir Mechanismen zur dualen Lokalisierung von Proteinen in die Peroxisomen und noch mindestens einem anderen Zellkompartiment. Vor einigen Jahren gelang uns der Nachweis von peroxisomalen Isoformen glykolytischer in Pilzen, die entweder durch alternatives Spleißen oder gezieltes Überlesen des 1. Stopcodons gebildet werden (Abbildung 1; Freitag et al, 2012). Seit dem konnten wir zeigen, dass durch nicht kanonische Translationsinitiation bzw. Termination Isoformen mit peroxisomalen Zielsteuerungssignalen auch in höheren Organismen generiert werden können und dass eine Reihe weiterer Enzyme eine duale Lokalisierung aufweist (Stiebler et al, 2014; Freitag et al, 2018; Kremp et al, 2020). Dies erlaubt in einigen Fällen die indirekte Übertragung von Redoxäquivalenten (NAD+/NADH) in Form oxidierter bzw. reduzierter Metaboliten. Momentan studieren wir in diesem Zusammenhang vornehmlich Mechanismen zur Regulation von Stopcodon-Readthrough an dem durchlässigen Stopcodon-Kontext UGACTA.
Abbildung 1: In dem Basidiomyceten Ustilago maydis werden peroxisomale Isoformen der Glycerinaldeydaldehyd-3-Phosphat Dehydrogenase und der Phosphoglycerat Kinase mit Hilfe von alternativem Spleißen beziehungsweise dem gezielten Überlesen von Stopcodons gebildet. Die Isoformen sind C-terminal um die peroxisomalen Lokalisationssignale (PTS1) verlängert (Freitag et al, 2012, Nature).
Vor kurzem gelang unserer Gruppe die Identifizierung eines neuartigen Mechanismus, der die Translokalisation der Phosphatase Ptc5 aus der Bäckerhefe von den Mitochondrien in die Peroxisomen vermittelt (Stehlik et al, 2020; Abbildung 2).
Abbildung 2: Modell zum Import von Ptc5 aus S. cerevisiae in die Peroxisomen via Mitochondrien (Stehlik et al, 2020, Nature Communications)
Ptc5 wird zunächst in die Mitochondrien transportiert, von der Protease Imp1 prozessiert und anschließend via Interaktion mit Pex5 in die Peroxisomen gezogen. Dabei entsteht ein Intermediat, das an molekulares Tauziehen erinnert, da sowohl peroxisomale als auch mitochondriale Importproteine gleichzeitig mit dem Substrat Ptc5 interagieren.
Wir haben in einer bioinformatischen Analyse weitere Proteine identifiziert, die sowohl N-terminale mitochondriale Zielsteuerungssequenzen (MTS) als auch C-terminale PTS1 enthalten. Mit Hilfe systematischer genetischer Screens wollen wir den Mechanismus der Translokalistion und die daran beteiligten Proteine charakterisieren. Wir haben auch begonnen diesen Importmechnanismus in vitro zu rekonstituieren. Außerdem versuchen wir die Hypothese zu belegen, dass molekulares Tauziehen die Bildung von Kontaktstellen zwischen Mitochondrien und Peroxisomen beeinflusst und wichtig für den Transport von Metaboliten sein könnte.
Abbildung 3: Wir wollen l den Mechanismus zum Import von Proteinen in die Peroxisomen über die Mitochondrien besser verstehen (links), als auch herausfinden, ob dieser Mechanismus zur Bildung von Kontaktstellen beiträgt (rechts).
Relevante Publikationen
Freitag J, Ast J & Bölker M (2012) Cryptic peroxisomal targeting via alternative splicing and stop codon read-through in fungi. Nature 485: 522–525
Freitag J, Stehlik T, Stiebler AC & Bölker M (2018) The Obvious and the Hidden: Prediction and Function of Fungal Peroxisomal Matrix Proteins. In Proteomics of Peroxisomes pp 139–155. Springer
Kremp M, Bittner E, Martorana D, Klingenberger A, Stehlik T, Bölker M & Freitag J (2020) Non-AUG Translation Initiation Generates Peroxisomal Isoforms of 6-Phosphogluconate Dehydrogenase in Fungi. Front. Cell Dev. Biol. 8: 251
Stehlik T, Kremp M, Kahnt J, Bölker M & Freitag J (2020) Peroxisomal targeting of a protein phosphatase type 2C via mitochondrial transit. Nat. Commun. 11: 2355
Stiebler AC, Freitag J, Schink KO, Stehlik T, Tillmann BAM, Ast J & Bölker M (2014) Ribosomal Readthrough at a Short UGA Stop Codon Context Triggers Dual Localization of Metabolic Enzymes in Fungi and Animals. PLOS Genet. 10: 1–9