Untersuchungen zum mitochondrialen Import des Hauptaußenmembranproteins PorB von Neisseria gonorrhoeae

Abstract

Das Hauptaußenmembranprotein PorB von Neisseria gonorrhoeae ist in derLage, ausgehend von der Außenmembran der Bakterien sich in diePlasmamembran und anschließend in die Mitochondrien der Wirtszelleeinzulagern und Apoptose der Zelle auszulösen. Zum besseren Verständnis derPathogenese sollte in der vorliegenden Arbeit der Importweg und dieintramitochondriale Lokalisierung dieses toxischen beta-barrel-Proteins aufgeklärtwerden. Zu diesem Zweck musste zunächst ein geeignetes in vitro System fürden Import in Mitochondrien etabliert werden, wobei als Modellsystem die HefeSaccharomyces cerevisiae diente. Bei Importexperimenten des radioaktivmarkierten PorB in isolierte Hefemitochondrien konnte gezeigt werden, dasssich PorB in einer zweistufigen Reaktion in die Mitochondrien einlagert.Zunächst erfolgte eine Anbindung des Proteins an die Oberfläche derMitochondrien, die durch Anwesenheit zytosolischer Komponenten in Form vonRetikulozytenlysat verbessert werden konnte. Anschließend translozierte dasProtein in einem zweiten Schritt ATP-abhängig über die mitochondrialeMembran. Zur Aufklärung des Importwegs und der Lokalisierung inMitochondrien wurde das Protein in Mitochondrien, isoliert aus bestimmtenMutanten der Hefe, importiert. Es zeigte sich, dass PorB sich nicht nur den fürendogene mitochondriale beta-barrel-Proteine etablierten Importweg zu Nutzemacht, sondern zum Teil neue Importwege aufweist. So war die Erkennung desPorB an der Oberfläche der Mitochondrien unabhängig von Importrezeptorendes TOM-Komplexes. Lediglich die Komponente Tom40 des TOM-Komplexeswar für die Translokation des PorB über die Außenmembran der Mitochondrienentscheidend. Anschließend wurde PorB nicht, wie für diese Proteine üblich,über den SAM-Komplex in die Außenmembran eingebaut. Vermutlich wird dasPorB über einen anderen, noch unbekannten Weg in die mitochondrialeInnenmembran eingebaut, wo es in der Lage ist das Membranpotential derMitochondrien zu zerstören und Apoptose der Wirtszelle auszulösen. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass Mechanismen desendogenen mitochondrialen Proteintransports zumindest teilweise auch fürpathologische Prozesse von Bedeutung sind. The major outer membrane protein PorB of Neisseria gonorrhoeae has theunusual feature of translocating from the outer membrane of bacteria into targetcell membranes. In target cells, the protein is targeted to mitochondria andinduces host cell apoptosis. For a better understanding of the pathogenesis ofthis infection, the goal of the present doctoral thesis was to clarify the importpathway of PorB, thus to investigate the intramitochondrial localisation of this betabarrelprotein. On this account, an adequate in vitro system had to beestablished whereas the yeast Saccharomyces cerevisiae was used as a modelsystem. In vitro experiments, where radioactive labelled PorB was imported inisolated yeast mitochondria, showed that the protein is incorporated intomitochondria by a reaction consisting of two steps: first PorB is bound to themitochondrial surface, which is facilitated by cytosolic components, achieved byadding reticulocyte lysate to the import onset. The subsequent translocationacross the mitochondrial membrane is ATP-dependant. To elucidate the importpathway and the intramitochondrial localisation of PorB, the protein wasimported in certain yeast mutants. It was discovered that PorB did not only useestablished import pathways of endogenous mitochondrial proteins, but alsopartly follows new import pathways. The recognition of PorB on themitochondrial surface is independent of the import receptors of the TOMcomplex.The only component of the TOM-complex, which is important for PorBtranslocation across the mitochondrial outer membrane is Tom40. Subsequentimport steps are different from other beta-barrel proteins, because PorB is notintegrated in the outer mitochondrial membrane by the SAM-complex.Further experiments lead to the conclusion that PorB is localized in the innermitochondrial membrane which might explain the reported loss of membranepotential and subsequent host cell apoptosis is induced. These investigations support the hypothesis that mechanisms of endogenousmitochondrial protein transport are at least partly important for pathologicalprocesses.