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

Mdm31 and Mdm32 are inner membrane proteins required for maintenance of mitochondrial shape and stability of mitochondrial DNA nucleoids in yeast

The MDM31 and MDM32 genes are required for normal distribution and morphology of mitochondria in the yeast Saccharomyces cerevisiae. They encode two related proteins located in distinct protein complexes in the mitochondrial inner membrane. Cells lacking Mdm31 and Mdm32 harbor giant spherical mitochondria with highly aberrant internal structure. Mitochondrial DNA (mtDNA) is instable in the mutants, mtDNA nucleoids are disorganized, and their association with Mmm1-containing complexes in the outer membrane is abolished. Mutant mitochondria are largely immotile, resulting in a mitochondrial inheritance defect. Deletion of either one of the MDM31 and MDM32 genes is synthetically lethal with deletion of either one of the MMM1, MMM2, MDM10, and MDM12 genes, which encode outer membrane proteins involved in mitochondrial morphogenesis and mtDNA inheritance. We propose that Mdm31 and Mdm32 cooperate with Mmm1, Mmm2, Mdm10, and Mdm12 in maintenance of mitochondrial morphology and mtDNA

The inner membrane protein Mdm33 controls mitochondrial morphology in yeast

Mitochondrial distribution and morphology depend on MDM33, a Saccharomyces cerevisiae gene encoding a novel protein of the mitochondrial inner membrane. Cells lacking Mdm33 contain ring-shaped, mostly interconnected mitochondria, which are able to form large hollow spheres. On the ultrastructural level, these aberrant organelles display extremely elongated stretches of outer and inner membranes enclosing a very narrow matrix space. Dilated parts of Δmdm33 mitochondria contain well-developed cristae. Overexpression of Mdm33 leads to growth arrest, aggregation of mitochondria, and generation of aberrant inner membrane structures, including septa, inner membrane fragments, and loss of inner membrane cristae. The MDM33 gene is required for the formation of net-like mitochondria in mutants lacking components of the outer membrane fission machinery, and mitochondrial fusion is required for the formation of extended ring-like mitochondria in cells lacking the MDM33 gene. The Mdm33 protein assembles into an oligomeric complex in the inner membrane where it performs homotypic protein–protein interactions. Our results indicate that Mdm33 plays a distinct role in the mitochondrial inner membrane to control mitochondrial morphology. We propose that Mdm33 is involved in fission of the mitochondrial inner membrane

Unresolved mysteries in the biogenesis of mitochondrial membrane proteins

AbstractMitochondria are essential eukaryotic organelles that are surrounded by two membranes. Both membranes contain a variety of different integral membrane proteins. After three decades of research on mitochondrial biogenesis five major import complexes with more than 40 subunits altogether were identified and characterized. In the current contribution we want to draw attention to some unexplored issues regarding the integration of mitochondrial membrane proteins and to formulate crucial questions that remain unanswered. This article is part of a Special Issue entitled: Protein Folding in Membranes