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The translocase of the outer mitochondrial membrane (TOM complex) is the general entry site for newly synthesized proteins into the organelle. The translocase is a multi-subunit complex composed of seven subunits: two receptor proteins, Tom70 and Tom20, and five components which form the core complex, Tom40, Tom22, Tom7, Tom6, and Tom5. In this thesis it is shown that Mim1 is required for the integration of the import receptor Tom20 into the outer membrane but not for its assembly into the TOM complex. Structural characteristics of Mim1 required for its function were studied in detail. Mim1 forms homooligomeric structures via its transmembrane segment which contains two helix-dimerization GXXXG/A motifs. The homooligomerization is a precondition for the function of Mim1 in mediating the integration of Tom20 into the mitochondrial outer membrane.

The mitochondrial outer membrane harbors different sub-classes of proteins that mediate numerous interactions between the mitochondrial metabolic and genetic system and the rest of the eukaryotic cell. Two classes of these proteins were investigated in this thesis. The first class, tail-anchored proteins, exposes a large domain to the cytosol and is anchored to the membrane by a single hydrophobic segment close to the C-terminus. This segment is usually flanked by positively–charged amino acids residues. In the first part of my study I could identify that the tail anchor domain fulfills four distinct functions: First, the tail anchor domain mediates the targeting to mitochondria in a process that probably requires the positive charges down stream the transmembrane segment. Second, the domain facilitates the insertion into the outer membrane. Third, the tail anchor domain is required for assembly of the proteins into the relevant complexes. Finally, it can stabilize such complexes. In the second part of my study I investigated the biogenesis of β-barrel proteins. These membrane proteins are unique for the outer membrane of mitochondria, chloroplast and gram-negative bacteria. Recently a complex which mediates the biogenesis of β-barrel proteins was identified and termed TOB (SAM) complex. At the beginning of this work, the TOB complex was known to consist of the peripheral associated membrane protein Mas37 and the essential membrane embedded component Tob55. Initially, we could identify Tob38 as a new component of the TOB complex. Tob38 is encoded by an essential gene and the protein associates with the TOB complex at the cytosolic side of mitochondria. It interacts with Mas37 and Tob55 and is associated with Tob55 even in the absence of Mas37. The Tob38–Tob55 core complex binds precursors of β-barrel proteins and facilitates their insertion into the outer membrane. The import of β-barrel precursors into Tob38-depleted mitochondria was demonstrated here to be dramatically reduced in comparison to wild type organelles. Notably, such an effect was not observed for other precursors of the outer membrane proteins and precursors distained to the various sub-mitochondrial compartments. Taken together, we conclude that Tob38 has a crucial function in the biogenesis of β-barrel proteins of mitochondria. Next, the import and the assembly pathways of Mas37 and Tob55 were analyzed in detail. Reduced insertion of the Tob55 precursor in the absence of Tom20 and Tom70 argues for initial recognition of the precursor of Tob55 by the import receptors. It is then transferred through the import channel formed by Tom40. Variants of the latter protein influenced the insertion of Tob55. Assembly of newly synthesized Tob55 into pre-existing TOB complexes, as analyzed by blue native gel electrophoresis, depended on pre-existing Tob55 and Tob38 but to a less extent on Mas37. In contrast, both the association of Mas37 precursor with mitochondria and its assembly into the TOB complex were not affected by mutation in the TOM complex. My results suggest that Mas37 assembled directly with the TOB core complex. Hence, the biogenesis of Mas37 represents a novel import pathway of mitochondrial proteins. Finally, the structure function relationships of Tob55 were investigated by combination of biochemical and genetic approaches. Tob55 exposes an N-terminal hydrophilic domain into the intermembrane space and is anchored in the outer membrane by its C-terminal β-barrel domain. Deletion of various lengths at the N-terminal domain did not affect the targeting of Tob55 precursor to mitochondria and its insertion into the outer membrane. Replacement of wild type Tob55 by these deletion variants resulted in reduced growth of cells. Mitochondria isolated from such cells contain reduced levels of β-barrel proteins and are impaired in their capacity to import newly synthesized β-barrel precursors. Finally, purified N-terminal domain of Tob55 was found to be able to bind β-barrel precursors in a specific manner. Taken together, these results demonstrate that the N-terminal domain of Tob55 has a function in recognizing precursors of β-barrel proteins. Furthermore, the receptor-like function of the N-terminal domain of Tob55 seems to have a role in coupling the translocation of β-barrel precursors across the TOM complex to their interaction with the TOB complex.

Die mitochondriale Außenmembran beherbergt eine Vielzahl an Proteinen, die anhand ihrer Topologie in unterschiedliche Klassen eingeteilt werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Biogenese von zwei Klassen untersucht. Die erste besitzt eine hydrophile cytosolische Domäne und ist über eine Transmembrandomäne im N-terminalen Bereich in der Membran verankert. Dieser N-terminale Bereich enthält die Signalsequenz dieser Proteine und dient gleichzeitig als Membrananker, weshalb er als Signal-Anker-Domäne bezeichnet wird. Zu dieser Proteinklasse gehören die beiden Rezeptorkomponenten des TOM-Komplexes, Tom20 und Tom70, und in S. cerevisiae das Protein OM45 mit bisher unbekannter Funktion. Zur Bestimmung der Bedeutung der Signal-Anker-Domäne für die Funktion des jeweiligen Proteins bzw. zur strukturellen und funktionellen Charakterisierung dieses Sequenzabschnittes wurde ein Komplementationsansatz benutzt. Damit konnte gezeigt werden, dass die Signal-Anker-Domänen mitochondrialer Außenmembranproteine funktionell austauschbar sind. Folglich spielen sie für die spezifische Funktion des Proteins nur eine untergeordnete Rolle, sind allerdings für den Transport zu den Mitochondrien und für die Verankerung in der Außenmembran von entscheidender Bedeutung. Des Weiteren konnte ich die strukturellen Elemente bestimmen, die zusammen mit der Ankerdomäne das topogene Signal bilden. Eine moderate Hydrophobizität der Transmembrandomäne scheint am wichtigsten zu sein, um diese Proteine zu Mitochondrien zu dirigieren. Eine positive Nettoladung in beiden flankierenden Regionen der Transmembrandomäne erhöht die Effizienz des Transports zu den Mitochondrien und die Membraneinbaurate, ist aber keine essenzielle strukturelle Eigenschaft dieses Signals. Zusätzlich zur Charakterisierung der Signal-Anker-Domänen wurde der Importmechanismus dieser Proteinklasse untersucht. Dieser ist gemäß unserer Ergebnisse nicht von den bekannten Importrezeptoren, Tom20 und Tom70, abhängig, benötigt aber sehr wohl die zentrale Tom-Komponente Tom40. Im Gegensatz zu Vorstufen von Proteinen interner mitochondrialer Kompartimente und von beta-Barrel-Proteinen der Außenmembran scheinen die Vorstufen von Proteinen mit einer Signal-Anker-Domäne nicht über den von Tom40 gebildeten Kanal importiert zu werden. Höchstwahrscheinlich werden diese Proteine durch andere Teile von Tom40 erkannt und anschließend an der Protein-Lipid-Interphase in die Membran eingebaut. Die zweite untersuchte Proteinklasse der mitochondrialen Außenmembran sind die beta-Barrel-Proteine, welche über mehrere antiparallele beta-Faltblätter in der Membran verankert sind. Diese Proteine sind neben Mitochondrien in der Außenmembran von Chloroplasten und gram-negativen Bakterien zu finden. Zu Beginn dieser Arbeit war wenig über die Biogenese mitochondrialer beta-Barrel-Proteine bekannt. Wir konnten zeigen, dass diese Proteinklasse über einen evolutionär konservierten Weg in Mitochondrien importiert wird. Beta-Barrel-Proteine werden zunächst mit Hilfe des TOM-Komplexes zur Intermembranraumseite transportiert. Von dort werden sie durch einen zweiten oligomeren Proteinkomplex, den TOB-Komplex, in die Außenmembran eingebaut. Als erste Tob-Komponente konnten wir das essenzielle Protein Tob55 identifizieren und charakterisieren. Es kann eine Pore in Lipidmembranen bilden und könnte folglich für die Insertion der beta-Barrel-Vorstufen in die Außenmembran verantwortlich sein. Mas37 wurde ebenfalls als Bestandteil dieses Komplexes beschrieben. Auf der Suche nach weiteren Komponenten konnte ich Tob38 mit Tob55 zusammen reinigen. Tob38 ist wie Tob55 essenziell für das Wachstum von Hefezellen und für die Funktion des TOB-Komplexes. Es ist auf der Oberfläche der mitochondrialen Außenmembran lokalisiert. Tob38 interagiert mit Mas37 und Tob55 und ist auch in Abwesenheit von Mas37 mit Tob55 assoziiert. Der Tob38-Tob55 Kernkomplex bindet Vorstufen von beta-Barrel-Proteinen und ermöglicht deren Einbau in die Außenmembran. Die Depletion von Tob38 führt zu stark verringerten Mengen an Tob55 und Mas37 und die verbleibenden Proteine bilden keinen Komplex mehr. Der Import von beta-Barrel-Vorstufenproteinen in Tob38-depletierte Mitochondrien ist stark beeinträchtigt, wohingegen andere Außenmembranproteine oder Proteine anderer mitochondrialer Subkompartimente mit gleicher Effizienz wie in Wildtyp-Organellen importiert werden. Demnach besitzt Tob38 eine äußerst wichtige und spezifische Funktion bei der Biogenese von mitochondrialen beta-Barrel-Proteinen. Es könnte für die Stabilität und Assemblierung des TOB-Komplexes notwendig sein oder an der Ausbildung einer transienten Assoziation zwischen dem TOM- und dem TOB-Komplex beteiligt sein und dabei den Transfer von Vorstufenproteinen erleichtern. Andererseits könnte Tob38 auch als Regulator der von Tob55 gebildeten Pore fungieren. Mim1 konnte im Rahmen dieser Arbeit als eine weitere am Import bzw. der Assemblierung des beta-Barrel-Proteins Tom40 beteiligte Komponente charakterisiert werden. Die Depletion von Mim1 führt zu stark verringerten Mengen an assembliertem TOM-Komplex und zur Akkumulation von Tom40 als niedermolekulare Spezies. Wie alle mitochondrialen beta-Barrel-Proteine werden die Vorstufen von Tom40 durch den TOB-Komplex in die Außenmembran eingebaut. Mim1 wird höchstwahrscheinlich nach diesem TOB-abhängigen Schritt benötigt. Aufgrund der starken Konservierung im Bereich des Transmembransegments von Mim1 beim Vergleich der Proteinsequenzen verschiedener Pilze könnte das Protein als eine Art Membran-Chaperon fungieren. Dabei könnte Mim1 notwendig sein, um nicht oder teilweise assembliertes Tom40 in einer kompetenten Form für die Assemblierung mit den kleinen Tom-Proteinen und mit Tom22 zu halten. Mim1 ist weder eine Komponente des TOM-Komplexes noch des TOB-Komplexes, sondern scheint vielmehr Bestandteil eines weiteren, bisher nicht charakterisierten Komplexes zu sein. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Mim1 eine spezifische und unverzichtbare Rolle bei der Assemblierung des TOM-Komplexes spielt.

The TOM complex, a multisubunit assembly in the mitochondrial outer membrane, mediates targeting and membrane translocation of virtually all nuclear-encoded mitochondrial preproteins analyzed so far. In the present study the mechanisms by which the TOM complex recognizes different precursor proteins and translocates them across the outer membrane were investigated. In a first part of study the isolated TOM complex was analyzed for its ability to interact with preproteins with N-terminal targeting signals. The TOM translocase was found to bind precursor proteins efficiently in a specific manner in the absence of chaperones and lipids in a bilayer structure. Following the initial binding, the presequence was transferred into the translocation pore in a step that required unfolding of the mature part of the preprotein. This translocation step was mediated also by protease-treated TOM holo complex that contains almost exclusively Tom40. The TOM core complex consisting of Tom40, Tom22, Tom5, Tom6 and Tom7 represents a molecular machine that can recognize and partially translocate mitochondrial precursor proteins. In a second part of study the interaction of BCS1 precursor with the TOM complex was investigated. BCS1 belongs to the group of proteins with internal, non-cleavable import signals. The information for import and intramitochondrial sorting of BCS1 was localized to the region consisting of amino acid residues 1-126. Three sequence elements were identified in this region: (i) a transmembrane domain (amino acid residues 45-68), (ii) a presequence-like helix (residues 69-83), and (iii) an import-auxiliary sequence (residues 84-126). The contribution of each of these elements to import was studied. The transmembrane domain was found not to be required for stable binding to the TOM complex. The Tom receptors (Tom70, Tom22 and Tom20), as determined by peptide scan analysis, had no affinity for peptides corresponding to the transmembrane domain. They did interact with the presequence-like helix, yet the highest binding was to the region covering residues 92-126. This latter region represents a novel type of signal with targeting and sorting function. It is recognized by all three known mitochondrial import receptors demonstrating their capacity to decode various targeting signals. The results of the present study suggest that the BCS1 precursor crosses the TOM complex as a loop structure. This is in contrast to preproteins with cleavable presequences which enter the TOM complex in a linear fashion with the N-terminal first. Once the precursor emerges from the TOM complex, all three structural elements are essential for the intramitochondrial sorting to the inner membrane.