-
69KOMPLEKS TOB/SAM: KLUCZOWA ROLA W BIOGENEZIE MITOCHONDRIÓW
POSTÊPY BIOLOGII KOMÓRKI TOM 34 2007 NR 1 (6984)
KOMPLEKS TOB/SAM: KLUCZOWA ROLAW BIOGENEZIE MITOCHONDRIÓW
THE TOB/SAM COMPLEX: AN ESSENTIAL FUNCTIONIN MITOCHONDRIA
BIOGENESIS
Hanna KMITA, Ma³gorzata WOJTKOWSKA
Zak³ad Bioenergetyki, Instytut Biologii Molekularnej i
Biotechnologii UAM Poznañ
Streszczenie: Bia³ka tworz¹ce strukturê beczu³ki β wystêpuj¹ w
b³onie zewnêtrznej bakterii Gram-ujemnych oraz w b³onie zewnêtrznej
organelli pochodzenia endosymbiotycznego, tj. mitochondriów
ichloroplastów, gdzie mog¹ pe³niæ ró¿ne funkcje. Mitochondrialne
bia³ka o strukturze beczu³ki β bior¹udzia³ w imporcie bia³ka,
transporcie metabolitów oraz w regulacji morfologii i dystrybucji
mitochon-driów. Bia³ka te uznaje siê tak¿e za istotny element
ewolucji mitochondriów. Mechanizm wbudowywaniabia³ek tworz¹cych
strukturê beczu³ki β w b³onê zewnêtrzn¹ mitochondriów i bakterii
Gram-ujemnychzosta³ niedawno opisany. Co wiêcej, wykazano, i¿ uleg³
on utrwaleniu w toku ewolucji. W przypadkumitochondriów w procesie
tym uczestniczy kompleks TOB/SAM (topogeneza bia³ek zewnêtrznej
b³o-ny mitochondrialnej tworz¹cych strukturê beczu³ki β/maszyneria
sortowania i sk³adania bia³ek), tworzo-ny przez trzy podstawowe
bia³ka: Tob55 (Sam50), Tob38 (Sam35) and Mas 37 (Sam37). Wyniki
analizyfilogenetycznej wskazuj¹, i¿ bia³ko Tob55 pochodzi od
bakteryjnego bia³ka Omp85, podczas gdy innemitochondrialne bia³ka o
strukturze beczu³ki β nie maj¹ homologów wród bia³ek
bakteryjnych.
S³owa kluczowe: mitochondria, biogeneza, ewolucja, beczu³ka β,
kompleks TOB/SAM.
Summary: β-barrel proteins are present in the outer membrane of
Gram-negative bacteria and of organel-les of endosymbiotic origin,
i.e. mitochondria and chloroplasts where they perform a variety of
functions.Mitochondrial β-barrel proteins are important for protein
import, metabolite transport and the organellemorphology and
distribution. They also seem to play a crucial role in mitochondria
evolution. Quiterecently a specific pathway for the insertion of
β-barrel proteins was identified in both mitochondria
andGram-negative bacteria and was proved to be conserved during
evolution. In mitochondria the pathway isformed by the TOB/SAM
complex (topogenesis of the mitochondrial outer membrane β-barrel
proteins/sorting and assembly machinery) composed of three main
proteins, namely Tob55 (Sam50), Tob38(Sam35) and Mas 37 (Sam37).
Phylogenetic analysis provides a strong case for the evolution of
Tob55from the bacterial homologue Omp85 while other mitochondrial
β-barrel proteins do not display aminoacid homology with bacterial
β-barrel proteins.
Key words: mitochondria, biogenesis, evolution, β-barrel, the
TOB/SAM complex.
-
70 H. KMITA, M. WOJTKOWSKA
Wykaz stosowanych skrótów: TOB/SAM (ang. TOB topogenesis of the
mitochondrial outer membra-ne β-barrel proteins / SAM sorting and
assembly machinery) topogeneza bia³ek zewnêtrznej
b³onymitochondrialnej tworz¹cych strukturê beczu³ki β/ maszyneria
sortowania i sk³adania bia³ek; TOM (ang.translocase of the outer
mitochondrial membrane) translokaza zewnêtrznej b³ony
mitochondrialnej;TIM (ang. translocase of the inner mitochondrial
membrane) translokaza wewnêtrznej b³ony mito-chondrialnej.
WSTÊP
Zgodnie z obowi¹zuj¹cymi obecnie ustaleniami mitochondria s¹
potomkamiα-proteobakterii (eubakterii maj¹cej b³onê zewnêtrzn¹ i
zaliczanej do bakterii Gram-ujemnych), która w pewnym momencie
historii ¿ycia na ziemi zosta³a wch³oniêtaprzez innego prokarionta
(prawdopodobnie archebakteriê) i przez pewien czasfunkcjonowa³a
jako endosymbiont. Wiêkszoæ genów tego endosymbionta zosta³a
zczasem utracona lub przeniesiona do j¹dra komórkowego tworzonego
przez gospoda-rza i endosymbionta [7,8,15,31]. Transfer ten
umo¿liwi³ prawdopodobnie ustaleniekomunikacji miêdzy j¹drem a
mitochondriami oraz przejêcie przez j¹dro kontroli
nadfunkcjonowaniem mitochondriów. Istotnym elementem tej kontroli
jest zewnêtrznab³ona mitochondriów, bowiem wchodz¹ce w jej sk³ad
bia³ka odgrywaj¹ kluczow¹rolê w biogenezie mitochondriów [13]. Do
bia³ek tych zalicza siê miêdzy innymibia³ka Tom, tworz¹ce kompleks
TOM (ang. translocase of the outer mitochondrialmembrane), który
gwarantuje rozpoznanie, transport i sortowanie bia³ek
importowa-nych do mitochondriów [7,10,18,24,34,4547,52] oraz bia³ko
VDAC (ang. voltagedependent anion channel), które w stanie monomeru
tworzy zale¿ny od potencja³ukana³ o selektywnoci anionowej, bêd¹cy
miejscem transportu metabolitów przezb³onê zewnêtrzn¹ mitochondriów
oraz uczestnicz¹cy w dystrybucji ATP, w utrzymaniuhomeostazy
wapniowej komórki, w ochronie przed stresem oksydacyjnym i
urucho-mieniu apoptozy [1,6,9,24,30,50,53,54]. Informacje na temat
kompleksu TOM i kana³uVDAC czytelnik mo¿e znaleæ równie¿ w
polskojêzycznych pracach przegl¹dowych[23,25,63].
Bia³ka Tom, podobnie jak bia³ko VDAC, kodowane s¹ przez geny
j¹drowe, syntety-zowane na rybosomach cytoplazmatycznych i
nastêpnie kierowane do mitochondriów[28,47]. Kluczow¹ rolê w
funkcjonowaniu kompleksu TOM odgrywa kana³ importowy,bêd¹cy
miejscem translokacji importowanego bia³ka przez b³onê lub jego
insercji wobszar b³ony. Podstawowym sk³adnikiem kana³u importowego
jest bia³ko Tom40, któremo¿e tworzyæ w obrêbie kompleksu 2 lub 3
oligomeryczne kana³y translokuj¹ce[2,36,46]. Ustalenia teoretyczne,
jak i analiza struktury drugorzêdowej bia³ka Tom40[2,17,46,52] i
VDAC [3,4,6,9] wskazuj¹, ¿e tworz¹ one w b³onie strukturê beczu³ki
β.Nale¿¹ zatem do rodziny bia³ek b³onowych o strukturze beczu³ki β,
których obecnoæjest charakterystyczna dla zewnêtrznej b³ony
eubakterii zaliczanych do bakterii Gram-ujemnych oraz zewnêtrznej
b³ony organelli o pochodzeniu endosymbiotycznym, to
znaczychloroplastów i mitochondriów [13,41,42]. Mimo podstawowego
znaczenia dla powstaniab³ony, dopiero niedawno pojawi³y siê
pierwsze prace dotycz¹ce mechanizmu insercji
-
71KOMPLEKS TOB/SAM: KLUCZOWA ROLA W BIOGENEZIE MITOCHONDRIÓW
bia³ek o strukturze beczu³ki β w b³onê. W przypadku
mitochondriów wskazuj¹ one nakluczow¹ rolê bia³ka Tob55, nazywanego
równie¿ Sam50 lub Omp85 [13,27,42,61]. Abyunikn¹æ trudnoci
wynikaj¹cych z nieuporz¹dkowanego nazewnictwa, w pracy tejbêdziemy
pos³ugiwaæ siê terminem Tob55.
Bia³ko Tob55 jest kluczowym sk³adnikiem kompleksu TOB,
nazywanego równie¿kompleksem SAM lub ostatnio TOB/SAM (ang. TOB
topogenesis of the mitochon-drial outer membrane β-barrel proteins;
SAM sorting and assembly machinery),którego podstawowym zadaniem
jest przejêcie z kompleksu TOM importowanego bia³kao strukturze
beczu³ki β i wprowadzenie go w zewnêtrzn¹ b³onê
mitochondrialn¹[7,13,27,4142]. Co ciekawe, bia³ko Tob55 te¿ nale¿y
do rodziny bia³ek b³onowych ostrukturze beczu³ki β, przy czym jest
jedynym wród bia³ek zewnêtrznej b³onymitochondrialnej, w przypadku
którego stwierdza siê istnienie homologów bakteryjnych[7,31,41].
Zatem, bia³ko Tob55 stanowi prawdopodobnie element zachowanego w
tokuewolucji mitochondriów mechanizmu insercji bia³ek o strukturze
beczu³ki β wykorzystywa-nego przez bakteryjnego endosymbionta.
System ten zapewne odegra³ podstawow¹ rolêw ewolucji kompleksu TOM
[31,41] oraz kana³u VDAC, co umo¿liwi³o
przekszta³cenieendosymbionta w funkcjonaln¹ organellê. Nie ulega
ponadto w¹tpliwoci, i¿ kompleksTOB/SAM warunkuje powstanie
funkcjonalnego kompleksu TOM i kana³u VDAC, jaki innych bia³ek
zewnêtrznej b³ony mitochondrialnej o strukturze beczu³ki β, i w tym
sensiejest niezbêdnym elementem biogenezy mitochondriów.
ORGANIZACJA KOMPLEKSU
W procesie importu bia³ka do mitochondriów uczestnicz¹ kompleksy
bia³kowezlokalizowane w obu b³onach mitochondrialnych (ryc.1).
Obecnoæ kompleksu TOB/SAM w zewnêtrznej b³onie mitochondrialnej
opisano po raz pierwszy w roku 2003, ajego organizacja jest nadal
przedmiotem badañ i dyskusji. Podstawowym modelemwykorzystywanym w
badaniach nad organizacj¹ kompleksu TOB/SAM s¹ mitochondriadro¿d¿y
Saccharomyces cerevisiae. Do tej pory w obrêbie kompleksu TOB/SAMS.
cerevisiae potwierdzono obecnoæ trzech odrêbnych bia³ek (ryc. 2),
tworz¹cychkompleks o masie 200250 kD [27,42,61], którego
stechiometria pozostaje nadal wsferze dyskusji [27,35,41,59,61].
Podstawowym sk³adnikiem kompleksu TOB/SAMjest bia³ko Tob55. Bia³ko
to zosta³o zidentyfikowane w roku 2003, dziêki analizie
proteomub³ony zewnêtrznej mitochondriów Neurospora crassa [42] oraz
poszukiwaniu bia³ekoddzia³uj¹cych z bia³kiem Mas37 [27]. Bia³ko
Mas37, nazywane równie¿ Sam37 lubTom37 [41,45], zosta³o
zidentyfikowane w roku 1995 [14], po czym stwierdzono, i¿ jestono
czêci¹ kompleksu uczestnicz¹cego we wbudowywaniu bia³ka Tom40 w
kompleksTOM [61]. Zatem, bia³ko Mas37 to pierwszy zidentyfikowany
sk³adnik kompleksuTOB/SAM. Trzecim bia³kiem wchodz¹cym w sk³ad
kompleksu TOB/SAM jest bia³koTob38, nazywane równie¿ Sam35 lub
Tom38, które zidentyfikowano dziêki analiziewyizolowanego kompleksu
TOB/SAM [35,59] oraz lokalizacji i badaniu roli w
imporciemitochondrialnych bia³ek dro¿d¿owych o nieustalonej do tej
pory funkcji [21]. Dlaprzejrzystoci w pracy tej bêdziemy pos³ugiwaæ
siê terminami Tob38 i Mas37.
-
72 H. KMITA, M. WOJTKOWSKA
Bia³ko Tob55 jest integralnym bia³kiem b³onowym [13,27,41,42]. W
bia³ku tymwyró¿nia siê dwie domeny: b³onow¹, na koñcu
karboksylowym, o masie ok. 35 kD,która tworzy strukturê beczu³ki β
oraz hydrofilow¹, na koñcu aminowym, o masie ok.20 kD, skierowan¹
do przestrzeni miêdzyb³onowej mitochondriów. Bia³ko Tob38
jestbia³kiem peryferyjnym, oddzia³uj¹cym z bia³kiem Tob55 od strony
cytoplazmy [35,59].Oba bia³ka tworz¹ rdzeñ kompleksu TOB/SAM, a ich
obecnoæ jest niezbêdnymwarunkiem powstania aktywnego kompleksu
[41,59]. Co wiêcej, brak ka¿dego z tychbia³ek prowadzi do skutków
letalnych. Zatem kompleks TOB/SAM zawiera dwaniezbêdne dla
funkcjonowania komórki bia³ka, co wskazuje na jego fundamentaln¹
rolêw biogenezie mitochondriów. Bia³ko Mas37 jest bia³kiem
peryferyjnym, oddzia³uj¹cymz Tob55 od strony cytoplazmy. Brak
bia³ka Mas37 nie przeciwdzia³a powstaniu rdzeniakompleksu TOB/SAM,
ale powoduje akumulacjê importowanych bia³ek tworz¹cychstrukturê
beczu³ki β w postaci zwi¹zanej z kompleksem TOB/SAM [42,59,61].
Funkcje poszczególnych bia³ek w obrêbie kompleksu TOB/SAM nie
zosta³y jeszczedok³adnie opisane. Jednak w¹tpliwoci nie ulega fakt,
i¿ musz¹ one ze sob¹ wspó³pra-cowaæ, aby dosz³o do skutecznego
importu bia³ek tworz¹cych strukturê beczu³ki β[45]. Bia³ko Mas37
uczestniczy prawdopodobnie w uwalnianiu importowanych bia³ek
RYCINA 1. Schemat aparatu importu bia³ka do mitochondriów.
Strza³ki oznaczaj¹ kierunekprzemieszczania siê bia³ek z miejsca
powstania w cytozolu do docelowego przedzia³u mitochon-drialnego.
Kompleks TOM rozpoznaje, sortuje i transportuje bia³ka do
przestrzeni miêdzyb³onowejlub b³ony zewnêtrznej. Kompleks TOB/SAM
umo¿liwia wbudowanie w b³onê zewnêtrzn¹ bia³ek ocharakterystycznej
strukturze beczu³ki β (np. VDAC, Tom40, Tob55, Mdm10, Mmm2).
KompleksTIM23 wprowadza bia³ka do macierzy mitochondrialnej lub
b³ony wewnêtrznej. Kompleks TIM22wprowadza w b³onê wewnêtrzn¹
bia³ka z rodziny noników mitochondrialnych. Kompleks OXAbierze
udzia³ w eksporcie bia³ek powstaj¹cych w macierzy mitochondrialnej
lub w reeksporcie bia³ekwprowadzonych do macierzy przez kompleks
TIM23. Na schemacie nie uwzglêdniono podjednostekposzczególnych
kompleksów. PAM motor importowy bêd¹cy czêci¹ kompleksu TIM23;MPP
mitochondrialne peptydazy bior¹ce udzia³ w usuwaniu
presekwencji
-
73KOMPLEKS TOB/SAM: KLUCZOWA ROLA W BIOGENEZIE MITOCHONDRIÓW
z kompleksu TOB/SAM [16], co umo¿liwia ich wprowadzenie w
strukturê b³ony lubwarunkuje oddzia³ywanie z innymi bia³kami. Z
kolei bia³ko Tob38 warunkuje powstaniekompleksu TOB/SAM i jego
stabilnoæ [35,59]. Przy braku tego bia³ka nie dochodzi
dooddzia³ywania miêdzy bia³kami Tob55 i Mas37. Uwa¿a siê tak¿e, i¿
bia³ko Tob38 stanowimiejsce oddzia³ywania kompleksu TOB/SAM z
cytoplazmatycznymi bia³kami opiekuñ-czymi (chaperonami), co
gwarantuje importowanym bia³kom tworz¹cym strukturêbeczu³ki β
utrzymanie odpowiedniej konformacji, zanim dojdzie do ich
translokacji przezzewnêtrzn¹ b³onê mitochondrialn¹, któr¹ z kolei
prowadzi kompleks TOM. Co wiêcej,bia³ko Tob38 mo¿e byæ
odpowiedzialne za oddzia³ywanie miêdzy kompleksem TOM ikompleksem
TOB/SAM, co jest istotne dla skutecznego przekazania
importowanegobia³ka z kompleksu TOM do kompleksu TOB/SAM. Sugeruje
siê równie¿, i¿ bia³koTob38 mo¿e pe³niæ funkcje regulatora kana³u
tworzonego przez bia³ko Tob55. Kana³tworzony przez bia³ko Tob55
[42] uczestniczy zapewne w procesie insercji importowa-nych bia³ek
w b³onê. Bia³ko Tob55 uznaje siê równie¿ za miejsce
wstêpnegooddzia³ywania importowanego bia³ka z kompleksem TOB/SAM,
gwarantuj¹cegowprowadzenie tego bia³ka do kompleksu, co z kolei
umo¿liwia jego wbudowanie wb³onê [41,45,59].
BIA£KA WSPÓ£DZIA£AJ¥CE Z KOMPLEKSEM
Badania nad importem bia³ka Tom40 i sk³adaniem funkcjonalnego
kompleksu TOMdoprowadzi³y do identyfikacji dwóch bia³ek zewnêtrznej
b³ony mitochondrialnej, istotnychdla dzia³ania kompleksu TOB/SAM.
Bia³ko Mdm10 (ang. mitochondrial distributionand morphology) jest
integralnym bia³kiem b³onowym o masie ok. 55 kD, zdolnym
dotworzenia struktury beczu³ki β [45,55]. Bia³ku temu przypisuje
siê istotn¹ rolê wutrzymaniu prawid³owego rozmieszczenia i
morfologii mitochondriów. Jednak¿estwierdzono tak¿e, i¿ bia³ko
Mdm10 warunkuje stopniowe przy³¹czanie siê bia³ek Tomdo
wprowadzonego w b³onê bia³ka Tom40. Co wiêcej, wykazano, i¿ bia³ko
Mdm10mo¿e oddzia³ywaæ z bia³kiem Mas37, co wskazuje na jego
wspó³dzia³anie z kompleksemTOB/SAM [34]. W przypadku komórek S.
cerevisiae, brak bia³ka Mdm10 upoledzazarówno morfologiê
mitochondriów, jak i powstanie kompleksu TOM. Zmiany
morfologiimitochondriów obserwuje siê tak¿e w przypadku upoledzenia
funkcji kompleksu TOMi kompleksu TOB/SAM. Wydaje siê zatem, i¿
zmiany morfologii mitochondriówwywo³ane brakiem bia³ka Mdm10 s¹
porednim skutkiem upoledzenia funkcji obukompleksów, kluczowych dla
importu bia³ek b³ony zewnêtrznej mitochondriów, uczest-nicz¹cych
bezporednio w kontroli ich morfologii [45]. Jednoczenie nie mo¿na
wyklu-czyæ, i¿ bia³ko Mdm10 kontroluje niezale¿nie sk³adanie
kompleksów bia³kowych b³onyzewnêtrznej oraz morfologiê
mitochondriów, co wi¹¿e siê z jego oddzia³ywaniem zró¿nymi
kompleksami bia³kowymi [5,41]. Pozostaje to w zgodzie z
opublikowanyminiedawno wynikami analizy kompleksów bia³kowych
dro¿d¿y S. cerevisiae opartej natechnice oczyszczania z
zastosowaniem powinowactwa kolumnowego. Wyniki te
-
74 H. KMITA, M. WOJTKOWSKA
wskazuj¹, i¿ powszechnym sposobem sk³adania funkcjonalnych
kompleksów bia³kowychjest oddzia³ywanie podstawowego zestawu bia³ek
z dodatkowymi bia³kami lub modu³amibia³kowymi, co z kolei warunkuje
zró¿nicowanie funkcji [12,29]. Taka modu³owaorganizacja jest tak¿e
charakterystyczna dla aparatu importu bia³ka do mitochondriów[7]. Z
kolei bia³ko Mim1 (ang. mitochondrial import) [58], nazywane
równie¿ Tom13[21], to niewielkie bia³ko (oko³o 14 kD) integralne,
zakotwiczone w b³onie zewnêtrznejmitochondriów za pomoc¹ odcinka o
strukturze amfipatycznej helisy α. Bia³ko Mim1prawdopodobnie w³¹cza
siê w sk³adanie kompleksu TOM po uwolnieniu bia³ka Tom40z kompleksu
TOB/SAM. Stwierdzono jednak, i¿ brak bia³ka Mim1 prowadzi do
obni¿eniapowinowactwa kompleksu TOB/SAM wzglêdem Tom40. Co wiêcej,
do tej pory nieuda³o siê ustaliæ, czy uwalnianie bia³ka Tom40 z
kompleksu TOB/SAM lub oligome-ryzacja bia³ka Tom40 w obrêbie
powstaj¹cego kompleksu TOM mo¿e pozostawaæpod kontrol¹ bia³ka
Mim1.
Wród bia³ek wspó³dzia³aj¹cych z kompleksem TOB/SAM wymienia siê
równie¿ bia³koTom7, wchodz¹ce w sk³ad kompleksu TOM oraz ma³e
bia³ka Tim (ang. translocase ofthe inner mitochondrial membrane),
zlokalizowane w przestrzeni miêdzyb³onowejmitochondriów. Jak
wykazano ostatnio, bia³ko Tom7 sprzyja od³¹czaniu bia³ka Mdm10od
kompleksu TOB/SAM, co utrudnia powstawanie funkcjonalnego kompleksu
TOM,ale jednoczenie ods³ania na kompleksie TOB/SAM miejsca istotne
dla wbudowania wb³onê bia³ka VDAC [33]. Bia³ko Tom7 jest zatem
specyficznym regulatorem aktywnocikompleksu TOB/SAM. Z kolei ma³e
bia³ka Tim tworz¹ dwa kompleksy, Tim8/Tim13 iTim9/Tim10, które
uczestnicz¹ w przeniesieniu importowanych bia³ek z kompleksu TOMdo
kompleksu TIM22 (ryc. 1), odpowiedzialnego za ich wbudowanie w
obszar wewnêtrznejb³ony mitochondrialnej [22,26,40,43,48].
Kompleksy tworzone przez ma³e bia³ka Tim mog¹tak¿e uczestniczyæ w
przeniesieniu importowanego bia³ka z kompleksu TOM do
kompleksuTOB/SAM [16,19,52,60]. Poniewa¿ bia³ka wbudowywane w b³onê
wewnêtrzn¹mitochondriów charakteryzuj¹ siê du¿¹ zawartoci¹ odcinków
hydrofobowych, chronionychpodczas przeniesienia do kompleksu TIM22
przez kompleksy ma³ych bia³ek Tim, uwa¿asiê, i¿ wspó³dzia³anie
kompleksów ma³ych bia³ek Tim z kompleksem TOB/SAM
polegaprawdopodobnie tak¿e na os³anianiu odcinków hydrofobowych
bia³ek tworz¹cych strukturêbeczu³ki β po ich uwolnieniu z kompleksu
TOM, co z kolei u³atwia utrzymywanieimportowanego bia³ka w stanie
konformacyjnym umo¿liwiaj¹cym jego oddzia³ywanie zkompleksem
TOB/SAM i nastêpnie wbudowanie w b³onê. Wspó³praca ma³ych bia³ekTim
z kompleksem TOM i kompleksem TOB/SAM jest zapewne
koniecznoci¹wynikaj¹c¹ z braku bezporedniego oddzia³ywania miêdzy
tymi kompleksami. Jednakdok³adne poznanie faktycznego znaczenia
ma³ych bia³ek Tim w funkcjonowaniu kompleksuTOB/SAM wymaga dalszych
badañ [41,45].
-
75KOMPLEKS TOB/SAM: KLUCZOWA ROLA W BIOGENEZIE MITOCHONDRIÓW
AKTYWNOÆ KANA£OWA KOMPLEKSU
Dziêki zastosowaniu mikroskopii elektronowej stwierdzono, i¿
bia³ko Tob55 mo¿etworzyæ w obrêbie kompleksu TOB/SAM kana³ o
rednicy 45 nm, co potwierdzonodziêki zastosowaniu uk³adu
rekonstytuowanego [42]. Wykazano bowiem, i¿ bia³ko Tob55jest zdolne
do insercji w dwuwarstwê lipidow¹ i tworzenia kana³u o redniej
wartociprzewodnictwa 3,7 nS (w obecnoci 1 M KCl). Co wiêcej, kana³
ten wykazuje symetrycz-n¹ zale¿noæ od potencja³u, przy czym zamyka
siê przy wartociach potencja³u wy¿szychni¿ 70 mV [42]. Na razie
brakuje danych pozwalaj¹cych wyjaniæ sposób tworzenia iorganizacji
kana³u w obrêbie kompleksu TOB/SAM, jak i udzia³ tego kana³u w
procesiewprowadzenia importowanego bia³ka w kompleks TOB/SAM i
nastêpnie w b³onê.Wyniki badañ w uk³adach rekonstytuowanych
wskazuj¹, i¿ izolowane i poddanedenaturacji bia³ka tworz¹ce
strukturê beczu³ki β ulegaj¹ ponownemu fa³dowaniu inastêpnie
wbudowaniu w dwuwarstwê lipidow¹ [11,57]. Proces wbudowywania
jestjednak wolniejszy od obserwowanego w przypadku mitochondriów.
Zak³ada siê zatem,i¿ importowane bia³ko mo¿e ulec pofa³dowaniu w
obrêbie kana³u kompleksu TOB/SAM, na co pozwalaj¹ jego du¿e
rozmiary, uwolnione z kana³u i nastêpnie wbudowanew b³onê lub
bezporednio wprowadzone w b³onê na skutek bocznego otwarcia
kana³u[41,42]. Nale¿y jednak pamiêtaæ, i¿ bia³ko Tob55 samo tworzy
strukturê beczu³ki β, ado tej pory nie uda³o siê wykazaæ, czy
beczu³ka β mo¿e bocznie otworzyæ siê i nastêpniezamkn¹æ bez
uszkodzenia integralnoci strukturalnej [41,46].
FIZJOLOGICZNA ROLA KOMPLEKSU
Punktem wyjcia dla badañ kompleksu TOB/SAM by³o udowodnienie, i¿
kompleksTOM, pe³ni¹cy funkcjê bramy do mitochondriów dla
praktycznie wszystkichimportowanych bia³ek, nie jest w stanie
samodzielnie zapewniæ skutecznego importudo zewnêtrznej b³ony
mitochondrialnej bia³ek tworz¹cych strukturê beczu³ki β, w
tymw³asnego sk³adnika bia³ka Tom40 [61]. Co wiêcej, udowodniono, i¿
nowo importowanebia³ko Tom40, zanim ulegnie wbudowaniu w b³onê
zewnêtrzn¹, zostaje przeniesioneprzez kompleks TOM do przestrzeni
miêdzyb³onowej mitochondriów, co wskazywa³ona istnienie nieznanej
wtedy jeszcze drogi insercji tego typu bia³ka w zewnêtrzn¹
b³onêmitochondrialn¹ [37,61]. Bia³ko Tom40 jest obecnie traktowane
jako model w badaniachpowiêconych importowi bia³ek tworz¹cych
strukturê beczu³ki β do zewnêtrznej b³onymitochondriów
[37,41,4547], a prace powiêcone fizjologicznej roli kompleksu
TOB/SAM dotycz¹ g³ównie jego udzia³u w sk³adaniu funkcjonalnego
kompleksu TOM[27,34,42,58,59]. Funkcjonuj¹cy obecnie model importu
do zewnêtrznej b³ony mitochon-drialnej bia³ek tworz¹cych strukturê
beczu³ki β zak³ada nastêpuj¹ce etapy:
(1) rozpoznanie przez receptory kompleksu TOM;(2) przeniesienie
przez kompleks TOM do przestrzeni miêdzyb³onowej;(3) stabilizacja
importowanego bia³ka w przestrzeni miêdzyb³onowej, w wyniku
zwi¹zania z kompleksem TOM;
-
76 H. KMITA, M. WOJTKOWSKA
(4) przeniesienie importowanego bia³ka do kompleksu TOB/SAM, z
przypuszczalnymudzia³em ma³ych bia³ek Tim;
(5) zwi¹zanie importowanego bia³ka przez kompleks TOB/SAM;(6)
wprowadzenie importowanego bia³ka w b³onê przez kompleks TOB/SAM
(ryc. 2).W przypadku bia³ka Tom40 wykazano, i¿ po wprowadzeniu w
b³onê ulega ono
oligomeryzacji i oddzia³uje z innymi bia³kami Tom, co jest
warunkiem powstaniafunkcjonalnego kompleksu TOM [41] i wymaga
udzia³u dodatkowych bia³ek (patrzBia³ka wspó³dzia³aj¹ce z
kompleksem). Co ciekawe, analizuj¹c skutki mutacji Tom40Neurospora
crassa wykazano, i¿ kompleks TOM jest w stanie odró¿niæ od
siebieposzczególne klasy importowanych bia³ek, w tym bia³ka
tworz¹ce strukturê beczu³ki β,co jest warunkiem wstêpnym
prawid³owego sortowania importowanych bia³ek iwprowadzenia w
odpowiedni przedzia³ mitochondrialny [52].
Poniewa¿ kompleks TOB/SAM odgrywa kluczow¹ rolê w powstaniu
funkcjonalnegokompleksu TOM, jak i skutecznym imporcie innych
bia³ek tworz¹cych w zewnêtrznejb³onie mitochondrialnej strukturê
beczu³ki β, na przyk³ad kana³u VDAC gwarantuj¹cegowymianê
metabolitów miêdzy mitochondriami i cytoplazm¹, nie ulega
w¹tpliwoci, i¿kompleks ten odgrywa podstawow¹ rolê w tworzeniu i
funkcjonowaniu mitochondriów.Co wiêcej, du¿y rozmiar kana³u
kompleksu TOB/SAM sprawia, i¿ rozpatruje siê jegoudzia³ w procesach
wymagaj¹cych translokacji ma³ych, sfa³dowanych bia³ek
przezzewnêtrzn¹ b³onê mitochondrialn¹, na przyk³ad w uwalnianiu
cytochromu c z mito-chondriów, uznawanym za kluczowy etap apoptozy
[42]. Udzia³ kompleksu TOB/SAMw apoptozie sugeruje siê równie¿ na
podstawie ograniczonego podobieñstwa sekwencji
RYCINA 2. Organizacja i mechanizm dzia³ania kompleksu TOB/SAM. W
sk³ad kompleksu TOB/SAM wchodz¹ prawdopodobnie trzy bia³ka tworz¹ce
kompleks o masie 200250 kD o niepozna-nej jeszcze stechiometrii.
Bia³ko Tob55 jest integralnym bia³kiem b³onowym zdolnym do
tworze-nia kana³u. Bia³ko to od strony cytoplazmy oddzia³uje z
dwoma bia³kami peryferyjnymi, Tob38i Mas37. Udzia³ bia³ka Mdm10 w
organizacji kompleksu TOB/SAM pozostaje w sferze dyskusji.Bia³ko to
oddzia³uj¹c z kompleksem TOB/SAM zapewnia powstanie funkcjonalnego
kompleksuTOM. Funkcjonuj¹cy obecnie model wbudowywania bia³ek o
strukturze beczu³ki β obejmujenastêpuj¹ce etapy: (1) rozpoznanie
przez receptory kompleksu TOM; (2) przeniesienie przezkompleks TOM
do przestrzeni miêdzyb³onowej; (3) stabilizacjê importowanego
bia³ka wprzestrzeni miêdzyb³onowej, w wyniku zwi¹zania z kompleksem
TOM; (4) przeniesienie impor-towanego bia³ka do kompleksu TOB/SAM,
z przypuszczalnym udzia³em ma³ych bia³ek Tim;(5) zwi¹zanie
importowanego bia³ka przez kompleks TOB/SAM; (6) wprowadzenie
importowa-nego bia³ka w b³onê przez kompleks TOB/SAM (wed³ug [41],
zmodyfikowany)
-
77KOMPLEKS TOB/SAM: KLUCZOWA ROLA W BIOGENEZIE MITOCHONDRIÓW
aminokwasowej jego sk³adników i metaksyn (patrz Zwi¹zki
ewolucyjne), bêd¹cychprawdopodobnie istotn¹ czêci¹ mitochondrialnej
maszynerii egzekucji apoptozy [35].
BIOGENEZA KOMPLEKSU
Biogeneza kompleksu TOB/SAM jest nadal zagadnieniem ma³o
zbadanym. Oczywicienie ulega w¹tpliwoci, i¿ import g³ównego
sk³adnika kompleksu, bia³ka Tob55, które nale¿ydo rodziny bia³ek
tworz¹cych strukturê beczu³ki β, wymaga udzia³u kompleksu
TOB/SAM[16,41,42]. Jednak¿e w odró¿nieniu od innych importowanych w
ten sposób bia³ek, bia³koTob55 nie musi opuciæ kompleksu TOB/SAM. W
kierowaniu bia³ka Tob55 do kompleksuTOB/SAM uczestnicz¹ kolejno
kompleks TOM i ma³e bia³ka Tim w przestrzenimiêdzyb³onowej
mitochondriów. Dalsze etapy w³¹czania bia³ka Tob55 w
funkcjonalnykompleks TOB/SAM s¹ nadal przedmiotem dyskusji, przy
czym obecnie sugeruje siê, ¿ebia³ko to jest jednak uwalniane do
b³ony, zanim dojdzie do jego w³¹czenia w kompleksTOB/SAM [41]. Nie
ulega jednak w¹tpliwoci, ¿e warunkiem powstania aktywnegokompleksu
TOB/SAM jest powstanie rdzenia tego kompleksu w wyniku oddzia³ywañ
miêdzybia³kami Tob55 i Tob38 [16,59]. Co ciekawe, trzeci sk³adnik
kompleksu TOB/SAM, bia³koMas37, które pe³ni bardzo wa¿n¹ rolê w
imporcie bia³ek tworz¹cych strukturê beczu³ki β[61], nie jest
niezbêdne do wbudowania bia³ka Tob55 w b³onê. Zatem, rdzeñ
kompleksuTOB/SAM prawdopodobnie powstaje bez udzia³u bia³ka Mas37
[16]. Dotychczas niepowsta³a praca powiêcona mechanizmowi importu
bia³ka Tob38 do mitochondriów. Zkolei w przypadku bia³ka Mas37
wykazano, i¿ jego import do mitochondriów przebiega bezudzia³u
kompleksu TOM. Co wiêcej, sugeruje siê, i¿ w procesie tym
uczestniczybezporednio kompleks TOB/SAM [16]. Nowopowsta³e bia³ko
Mas37 jest prawdopodobnierozpoznawane przez rdzeñ kompleksu TOB/SAM
i nastêpnie przy³¹czane, co stanowizupe³nie nowy mechanizm
wykorzystywany w imporcie bia³ek do mitochondriów.
ZWI¥ZKI EWOLUCYJNE
Bia³ka tworz¹ce strukturê beczu³ki β wystêpuj¹ powszechnie w
zewnêtrznej b³onie eubakteriizaliczanych do bakterii Gram-ujemnych,
gdzie pe³ni¹ funkcjê transporterów bia³ek i metabolitów,receptorów,
enzymów i czynników wirulencji [41,46,62]. Na przyk³ad w przypadku
Escherichiacoli dotychczas zidentyfikowano ok. 60 bia³ek tego typu.
Bia³ka tworz¹ce strukturê beczu³kiβ wystêpuj¹ równie¿ w b³onie
zewnêtrznej organelli pochodzenia enbiosymbiotycznego,
tj.mitochondriów i chloroplastów, jednak liczba zidentyfikowanych w
tych organellach bia³ek otakiej strukturze jest zdecydowanie
mniejsza. Na przyk³ad w przypadku mitochondriów S.cerevisiae
zidentyfikowano tylko 6 bia³ek tego typu [41]. S¹ to dwie izoformy
kana³u VDAC,bia³ko Tom40, bia³ko Tob55, bia³ko Mdm10 oraz bia³ko
Mmm2 (ang. maintenance ofmitochondrial morphology), uczestnicz¹ce
prawdopodobnie w wytworzeniu odpowiedniejmorfologii mitochondriów
(ryc. 1).
-
78 H. KMITA, M. WOJTKOWSKA
Koniecznoæ w³¹czenia siê kompleksu TOB/SAM w proces wbudowywania
wzewnêtrzn¹ b³onê mitochondrialn¹ bia³ek tworz¹cych strukturê
beczu³ki β rodzi oczywi-cie pytanie dotycz¹ce z³o¿onoci procesu
importu tych bia³ek. Bia³ka te zostaj¹ skiero-wane pocz¹tkowo przez
kompleks TOM do przestrzeni miêdzyb³onowej mitochon-driów, sk¹d
trafiaj¹ do kompleksu TOB/SAM i nastêpnie do b³ony. Sugeruje siê,
i¿ takskomplikowany przebieg importu jest skutkiem ewolucyjnego
pochodzenia mitochon-drialnych bia³ek tworz¹cych strukturê beczu³ki
β od bia³ek zewnêtrznej b³ony eubakteriio analogicznej topologii i
strukturze [13,32,4142,45]. W toku ewolucji kierunek wbudo-wywania
tego typu bia³ek w b³onê uleg³ zakonserwowaniu (ryc. 3). U
eubakterii orazw przypadku mitochondriów bia³ka tworz¹ce strukturê
beczu³ki β kierowane s¹ najpierwdo przedzia³u hydrofilnego
(odpowiednio przestrzeñ periplazmatyczna i
mitochondrialnaprzestrzeñ miêdzyb³onowa), sk¹d przy udziale bia³ek
opiekuñczych trafiaj¹ do kompleksugwarantuj¹cego wbudowanie w
zewnêtrzn¹ b³onê. Przeniesienie genów koduj¹cychbia³ka z genomu
endosymbionta do genomu j¹drowego, jak i powstanie nowych
genówkoduj¹cych bia³ka mitochondrialne towarzysz¹ce ewolucji
komórki eukariotycznejspowodowa³o koniecznoæ zaanga¿owania w proces
importu kompleksu TOM, któryumo¿liwia wprowadzenie bia³ek
tworz¹cych strukturê beczu³ki β z cytoplazmy domitochondrialnej
przestrzeni miêdzyb³onowej. Co ciekawe, dostêpne dane wskazuj¹,
i¿sposób wbudowywania bia³ek tworz¹cych strukturê beczu³ki β w
b³onê zewnêtrzn¹chloroplastów jest podobny do opisanego dla
mitochondriów [41].
Jednak wykazanie pokrewieñstwa miêdzy bakteryjnymi i
mitochondrialnymi bia³kamitworz¹cymi strukturê beczu³ki β natrafia
na du¿e trudnoci, wynikaj¹ce z braku homologiisekwencji
aminokwasowej. Dotychczas tak¹ homologiê uda³o siê wykazaæ jedynie
wprzypadku bia³ka Tob55 [7,4142]. Brak podobieñstwa sekwencji
aminokwasowej wprzypadku bakteryjnych i mitochondrialnych bia³ek
tworz¹cych strukturê beczu³ki βwynikaæ mo¿e z obserwowanej w
przypadku tych bia³ek silnej tendencji do ewolucjidywergentnej
[13,41,62]. Nale¿y jednak zaznaczyæ, i¿ kwestia ewolucyjnego
pochodzeniamitochondrialnych bia³ek tworz¹cych strukturê beczu³ki β
nie zosta³a do dzisiajjednoznacznie wyjaniona. Na przyk³ad, w
przypadku kana³u VDAC funkcjonuj¹ dwaprzeciwstawne pogl¹dy, z
których jeden zak³ada istnienie pokrewieñstwa miêdzy kana³emVDAC a
porynami bakteryjnymi, prowadz¹cymi transport metabolitów przez
zewnêtrzn¹b³onê eubakterii i uznaje za zasadne stosowanie w
przypadku tego kana³u nazwy porynamitochondrialna, natomiast drugi
uznaje istniej¹ce podobieñstwa za przypadkowe [6,9].Tak¿e w
przypadku bia³ka Tom40 istniej¹ dane wskazuj¹ce na jego
pochodzenieeukariotyczne [31,44]. Jeli istotnie niektóre z
mitochondrialnych bia³ek tworz¹cychstrukturê beczu³ki β nie s¹
spokrewnione z bia³kami eubakterii, ich powstanie by³obyskutkiem
ewolucji konwergentnej, poniewa¿ wszystkie te bia³ka wykazuj¹
wspólne cechystruktury drugorzêdowej, bêd¹cej warunkiem wstêpnym
utworzenia beczu³ki β. Zawieraj¹parzyst¹ liczbê (zwykle od 8 do 22)
odcinków przyjmuj¹cych postaæ amfipatycznych iantyrównoleg³ych
harmonijek β, z których ka¿da zawiera od 8 do 11 aminokwasów.Taka
d³ugoæ harmonijki umo¿liwia utworzenie fragmentu ciany beczu³ki β
[41]. Nale¿yjednak zaznaczyæ, i¿ struktury przestrzenne na poziomie
atomowym uda³o siê do tej poryuzyskaæ jedynie w przypadku bia³ek
bakteryjnych. W przypadku bia³ek eukariotycznych,w tym bia³ek
mitochondrialnych, wnioskowanie o obecnoci beczu³ki β opiera siê
na
-
79KOMPLEKS TOB/SAM: KLUCZOWA ROLA W BIOGENEZIE MITOCHONDRIÓW
dowodach porednich obejmuj¹cych dane dotycz¹ce mechanizmu
importu, zawartociharmonijek β i komputerowego modelowania bia³ek
[46].
Jak wspomniano wczeniej, bia³ko Tob55, g³ówny sk³adnik kompleksu
TOB/SAM,jest jedynym mitochondrialnym bia³kiem tworz¹cym strukturê
beczu³ki β, w przypadkuktórego stwierdzono homologiê z bia³kami
bakteryjnymi [7,13,31,41,42]. Bia³ka tezaliczane s¹ do rodziny
Omp85 (ang. outer membrane porin). Analiza filogenetycznabia³ek
zaliczanych do tej rodziny pozwala na wyró¿nienie czterech g³ównych
grup oró¿nym stopniu pokrewieñstwa. S¹ to:
(1) bia³ka Tob55;(2) bia³ka zewnêtrznej b³ony eubakterii
zaliczanych do bakterii Gram-ujemnych, w
tym α-proteobakterii;(3) bia³ka zewnêtrznej b³ony niektórych
bakterii Gram-dodatnich, u których b³ona ta
jest elementem przystosowania do funkcjonowania w warunkach
ekstremalnych, np.Deinococcus radiodurans czy Thermatoga
maritime;
(4) bia³ka b³ony zewnêtrznej chloroplastów bia³ka Toc75 (ang.
translocon at theouter membrane of chloroplast) oraz ich homologi u
cyjanobakterii, traktowane jakoodrêbna ga³¹ drzewa ewolucyjnego
bia³ek Omp85.
RYCINA 3. Schemat wbudowywania bia³ek o strukturze beczu³ki β w
zewnêtrzn¹ b³onê mitochon-driów i bakterii Gram-ujemnych. W toku
ewolucji kierunek wbudowywania bia³ek o strukturzebeczu³ki β w
b³onê uleg³ zakonserwowaniu. U bakterii Gram-ujemnych oraz w
przypadku mito-chondriów bia³ka tworz¹ce strukturê beczu³ki β
kierowane s¹ najpierw do przedzia³u hydrofilnego(odpowiednio,
przestrzeñ peryplazmatyczna i mitochondrialna przestrzeñ
miêdzyb³onowa), sk¹d przyudziale bia³ek opiekuñczych trafiaj¹ do
kompleksu gwarantuj¹cego wbudowanie w zewnêtrzn¹ b³onê(odpowiednio,
bia³ko Omp85 i kompleks TOB/SAM) (wed³ug [45], zmodyfikowany)
-
80 H. KMITA, M. WOJTKOWSKA
Nale¿y tak¿e zaznaczyæ, i¿ bia³ka Toc75 nie stanowi¹ grupy
homogennej z punktuwidzenia filogenezy. Do bia³ek tych zalicza siê
miêdzy innymi funkcjonalne odpowiednikibia³ka Tom40, jak i bia³ka
Tob55 [38,41,56]. Na podstawie homologii z bia³kiem Tob55z
mitochondriów S. cerevisiae obecnoæ tego bia³ka stwierdzono w
mitochondriachpraktycznie wszystkich organizmów eukariotycznych,
³¹cznie z rolinami i cz³owiekiem[7,13,31,42]. Jednak w przypadku
pozosta³ych sk³adników kompleksu TOB/SAMzidentyfikowanych w
mitochondriach S. cerevisiae uda³o siê jedynie
zidentyfikowaænieliczne homologi. Obecnoæ bia³ka Tob38 stwierdzono
tylko w mitochondriach grzybów,przy czym sugeruje siê, i¿ mo¿e byæ
ono odpowiednikiem metaksyny 2, bia³ka zlokalizo-wanego w
mitochondriach zwierz¹t [18,31,41]. Z kolei bia³ko Mas37
wykazujeograniczone podobieñstwo sekwencji aminokwasowej do
metaksyny 1, bia³ka zlokalizo-wanego w mitochondriach zwierz¹t i
rolin [18,31,35,41].
Dostêpne dane nie pozwalaj¹ zatem na razie na opracowanie
powszechnieobowi¹zuj¹cego modelu organizacji kompleksu TOB/SAM
organizmów eukariotycz-nych. Nie uda³o siê równie¿ wykazaæ
funkcjonowania u eubakterii homologukompleksu TOB/SAM. Istniej¹ co
prawda dane wskazuj¹ce na oddzia³ywaniebakteryjnych homologów
bia³ka Tob55 z peryferyjnymi bia³kami b³onowymi[31,41,64], ale
bia³ka te nie wykazuj¹ homologii z bia³kami eukariotycznymi orazdo
tej pory nie udowodniono, aby powstaj¹ce z ich udzia³em kompleksy
uczestniczy³yw insercji w b³onê bia³ek tworz¹cych strukturê
beczu³ki β. Jednak tworz¹ce strukturêbeczu³ki β bia³ka eubakterii
poddane ekspresji w komórkach dro¿d¿y s¹ skuteczniewprowadzane w
zewnêtrzn¹ b³onê mitochondriów [39], co wskazuje na
du¿epodobieñstwo informacji zawartej w translokowanym bia³ku i
tworzonej przez innebia³ka maszynerii dekodowania tej informacji
oraz zbli¿ony sposób funkcjonowaniaoddzia³uj¹cych bia³ek. Co
ciekawe, mitochondria s¹ równie¿ zdolne do importuchloroplastowych
bia³ek tworz¹cych strukturê beczu³ki β i wprowadzania ich wb³onê
zewnêtrzn¹ [49]. Analiza sekwencji aminokwasowych bia³ek
tworz¹cychstrukturê beczu³ki β i uczestnicz¹cych w procesie
transportu bia³ek wskazuje naistnienie przynajmniej czterech
ró¿nych sygnatur pozwalaj¹cych na identyfikacjêtych bia³ek
[13,38,41,51]. Pierwsza z nich, okrelana mianem POTRA
(ang.polypeptyde transport associated domain) znajduje siê w
rejonie koñca amino-wego, zlokalizowanego poza b³on¹ i
przypuszczalnie uczestniczy w rozpoznawaniutransportowanych bia³ek.
Trzy nastêpne zlokalizowane s¹ w rejonie koñca karboksy-lowego,
tworz¹cego strukturê beczu³ki β i wystêpuj¹ w analizowanych
bia³kach zró¿n¹ czêstotliwoci¹. Obecnoæ takich specyficznych
motywów sekwencyjnychwskazuje na silne pokrewieñstwo ewolucyjne
tworz¹cych strukturê beczu³ki βtransporterów bia³ek i jest podstaw¹
wyró¿niania nadrodziny tworz¹cych strukturêbeczu³ki β transporterów
bia³ek, do której obok bia³ek eubakterii zaliczane s¹ bia³kaTob55 i
Toc75.
-
81KOMPLEKS TOB/SAM: KLUCZOWA ROLA W BIOGENEZIE MITOCHONDRIÓW
PODSUMOWANIE
W skomplikowanych procesach rozpoznawania i sortowania bia³ek
kierowanychdo mitochondriów uczestnicz¹ kompleksy bia³kowe,
zlokalizowane w obu b³onachmitochondrialnych. Wród nich podstawow¹
rolê w zapocz¹tkowaniu importu bia³ekdo mitochondriów odgrywa
kompleks TOM zlokalizowany w zewnêtrznej b³oniemitochondrialnej. Co
wiêcej, warunkiem skutecznego kierowania bia³ek do mitochon-driów
jest odpowiedni stan energetyczny mitochondriów, warunkowany
skuteczn¹wymian¹ metabolitów miêdzy tymi organellami i reszt¹
komórki. Proces ten jest kontro-lowany przez funkcjonuj¹cy w b³onie
zewnêtrznej kana³ VDAC. Zarówno kana³ VDAC,jak i warunkuj¹ce
dzia³anie kompleksu TOM bia³ko Tom40 nale¿¹ do rodziny
bia³ektworz¹cych w b³onie strukturê beczu³ki β. Cz³onkami tej
rodziny s¹ równie¿ bia³kakontroluj¹ce morfologiê i dystrybucjê
mitochondriów. Zatem, wbudowywanie w b³onêzewnêtrzn¹ bia³ek o
takiej topologii ma fundamentalne znaczenie nie tylko dla
tworzeniamitochondriów w toku ewolucji, ale równie¿ dla ich
prawid³owego dzia³ania wewspó³czesnych komórkach. Kompleks TOB/SAM
gwarantuj¹cy powstanie funkcjonal-nych bia³ek o strukturze beczu³ki
β w zewnêtrznej b³onie mitochondriów zyskuje zatemmiano kluczowego
w badaniach nad mitochondriami, a jego podstawowy sk³adnik,bia³ko
Tob55, wykazuj¹ce homologiê z bia³kami bakteryjnymi jest istotnym
elementemrozwa¿añ nad ewolucj¹ komórki eukariotycznej.
LITERATURA
[1] ABUHAMAD S, SIVAN S, SHOSAHANBARMATZ Z. The expression level
of the voltage-dependentanion channel controls life and death of
the cell. Proc Natl Acad Sci USA 2006; 103(15): 578792.
[2] AHTING U,THIEFFRY M, ENGELHARDT H, HEGERL R, NEUPERT W,
NUSSBERGER S. Tom40, theporeforming component of the
proteinconducting TOM channel in the Outer Membrane of
Mitochon-dria. J Cell Biol 2001; 153: 11511160.
[3] BENZ R. Permeation of hydrophilic solutes through
mitochondrial outer membranes: review on mito-chondrial proteins.
Biochim Biophys Acta 1994; 1197: 167196.
[4] BLACHYDYSON E, FORTE M. VDAC channels. IUBMB Life 2001; 52:
113118.[5] BOLDOGH IR, NOWKOWSKI DW, YANG HC,CHUNK H, KARMON S,
ROYES P, PON LA. A protein
complex containing Mdm10p, Mdm12p, and Mmm1p links mitochondrial
membranes and DNA to thecytoskeletonbased segregation machinery.
Mol Biol Cell 2003; 14(11): 46184627.
[6] COLOMBINI M. VDAC: the channel at the interface between
mitochondria and the cytosol. Mol CellBiochem 2004; 256257(12):
107115.
[7] DOLEZAL P, LIKIC V, TACHEZY J, LITHGOW T. Evolution of the
molecular machines of proteinimport into mitochondria. Science
2006; 313 (5785): 314318.
[8] DYALL SD, BROWN MT, JOHANSON PJ. Ancient invasions: from
endosymbionts to organelles.Science 2004; 9; 304(5668): 253257.
[9] DE PINTO V, MESSINA A, ACCARDI R, AIELLO A, GUARINO F,
TOMASELLO MF, TOMMASINOM, TASCO G, CASADIO R, BENZ R, DE GIORGI F,
ICHAS F, BAKER M, LAWEN A. New functions ofan old protein: the
eukaryotic porin or voltage dependent anion selective channel
(VDAC). J Biochem2003; 52(1): 1724.
[10] GABRIEL K, EGAN B, LITHGOW T. Tom40, the import channel of
the mitochondrial outer membra-ne, plays an active role in sorting
imported proteins. EMBO 2003; 22: 23802386.
-
82 H. KMITA, M. WOJTKOWSKA
[11] GABRIEL K, BUCHANAN SK, LITHGOW T. The alpha and the beta:
protein translocation acrossmitochondrial and plastid outer
membranes. Trends Biochem Sci 2001; 26(1): 3840.
[12] GAVIN AC, ALOY P, GRANDI P,[] RUSSEL RB, SUPERTIFURGA G.
Proteome survey revealsmodularity of the yeast cell machinery.
Nature 2006; 440(7084): 6316.
[13] GENTLE I, GABRIEL K, BEECH P, WALLER R, LITHGOW T. The
Omp85 family of proteins isessential for outer membrane biogenesis
in mitochondria and bacteria. J Cell Biol 2004; 164 (1): 1924.
[14] GRATZER -S, LITHGOW T, BAUER RE, LAMPING E, PALTAUF F,
KOHWEIN SD, HAUCKEV, JUNNE T, SCHATZ G, HORST G. Mas37p, a novel
receptor subunit for protein import intomitochondria. J Cell Biol
1995; 129(1): 2534.
[15] GRAY MG, BURGER G, LANG BF. Mitochondrial evolution.
Science 1999; 283: 14741481.[16] HABIB SJ, WAIZENEGGER T, LECH M,
NEUPERT W, RAPAPORT D. Assembly of the TOB complex
of mitochondria. J Biol Cell 2005; 280: 64346440.[17] HILL K,
MODEL, RYAN MT, DIETMEIER K, MARTIN F, WAGNER R, PFANNER N. Tom40
forms
the hydrophobic channel of the mitochondrial import pore for
preproteins. Nature 1998; 396: 516521.
[18] HOOGENRAAD NJ, WARD LA, RYAN MT. Import and assembly of
proteins into mitochondriaof mammals. Biochim Biophys Acta 2002;
1592: 97105.
[19] HOPPINS SC, NARGANG TE W. The Tim8Tim13 Complex of
Neurospora crassa Functions in theAssembly of Proteins into Both
Mitochondrial Membranes. J Biol Cell 2004; 13: 1239612405.
[20] HUMPHRIES AD, STREIMANN IC, STROYNOVSKI D, JOHANSON AJ,
JANO M, HOOGEN-RAAD NJ, RYAN MT. Dissection of the mitochondrial
import and assembly pathway for humanTom40. J Biol Chem 2005;
280(12): 1153511543.
[21] ISHIKAWA D, YAMAMOTO H, TAMURA Y, MORITOH K, ENDO T. The
novel proteins in themitochondrial outer membrane mediate β-barrel
protein assembly. J Cell Biol 2004; 166: 621627.
[22] JENSEN RE, DUNN CD. Protein import into and across the
mitochondrial inner membrane: role of theTIM23 and TIM22
translocons. Biochim Biophys Acta 2002; 1592(1): 2534.
[23] KMITA H, STOBIENIA O. Kana³ VDAC jako regulator funkcji
mitochondriów. Post Biochem 2006;52(2): 129136.
[24] KMITA H, ANTOS N, WOJTKOWSKA M, HRYNIEWIECKA H. Processes
underlying the upregulationof Tom proteins in S. cerevisiae
mitochondria depleted of the VDAC channel. J Bioenerg Biomembr2004;
36(2): 187193.
[25] KMITA H, ANTOS N. Udzia³ kana³ów b³ony zewnêtrznej w
fizjologii mitochondriów. Post Biol Kom2002; 29: 203220.
[26] KOEHLER CM. New developments in mitochondrial assembly.
Cell Dev Biol 2004; 20: 309335.[27] KOZJAK V, WIEDEMANN N,
MILENKOVIC D, LOHAUS CH, MEYER HE, GUIARD B, MEISINGER
CH, PFANNER N. An essential role of Sam50 in the protein sorting
and assembly machinery of themitochondrial outer membrane. J Biol
Chem 2003; 278: 4852048523.
[28] KRIMMER T, GEISSLER A, PFANNER N, RASOW J. Sorting of
preproteins into mitochondria. Chem-biochem 2001; 2(78):
505512.
[29] KROGAN NJ, CADNEY G,[], GREENBLAT JF. Global landscape of
protein complex in the yeastSaccharomyces cerevisiae. Nature 2006;
30; 440(7084): 637643.
[30] LEMASTERS JJ, HOLMUHAMEDOV E. Voltagedependent anion
channel (VDAC) as mitochondrialgovernatorthinking outside the box.
Biochim Biophys Acta 2006; 762(2):181190.
[31] LISTER R, HULETT JM, LITHGOW T,WHELAN J. Protein import
into mitochondria: origins andfunctions today. Mol Membr Biol 2005;
22(12): 87100.
[32] MARCOTTE EM , XENARIOS I, VAN DER BLIEK AM, EISENBERG D.
Localizing proteins in the cellfrom their phylogenetic profiles.
Proc Natl Acad Sci USA 2000; 97(22): 1211512120.
[33] MEISINGER C, WIEDEMANN N, RISSLER M, STRUB A, MILENKOVIC D,
SCHONFISCH B, MUL-LER H, KOZJAK V, PFANNER N. Mitochondrial Protein
Sorting: differentiation of betabarrel assemblyby tom7mediated
segregation of Mdm10. J Biol Chem 2006; 281(32): 2281922826.
[34] MEISINGER C, RISSLER H, CHACIÑSKA A, SZKLARZ LK, MILENKOWIC
D, KOZJAK V, SCHON-FISCH B, LOHAUS B, MEYER HE, YAFFE MP, GUIARD B,
WIEDEMANN N, PFANNER N. Themitochondrial morphology protein Mdm10
functions in assembly of the the preprotein translocase ofthe outer
membrane. Dev Cell 2004; 7(1): 6171.
[35] MILENKOVIC D, KOZJAK V, WIEDEMAN N, LOHAUS C, MEYER HE,
GUIARD B, PFANNER N,MEISINGER C. Sam 35 of the mitochondrial
protein sorting and assembly machinery is a peripheralouter
membrane protein essential for cell viability. J Biol Chem 2004;
21: 2278122785.
-
83KOMPLEKS TOB/SAM: KLUCZOWA ROLA W BIOGENEZIE MITOCHONDRIÓW
[36] MODEL K, PRINZ T, RUIZ T, RADERMACHER M, KRIMMER T,
KUHLBRANDT W, PFANNER N,MEISINGER C. Protein translocase of the
mitochondrial outer membrane: role of import receptors inthe
structural organization of the TOM complex. J Mol Biol 2002;
316(3): 657666.
[37] MODEL K, MEISINGER C, PRINZ T, WIEDEMANN N, TRUSCOTT KN,
PFANNER N, RYAN MT.Multistep assembly of the protein import channel
of the mitochondrial outer membrane. Nat Struct Biol2001; 8(4):
361370.
[38] MOSLAVAC S, MIRUS O, BREDMEIER R, SOLL J, VON HAESELER A,
SCHLEIFF E. Conservedporeforming regions in polypeptidetransporting
proteins. FEBS J 2005; 272(6): 13671378.
[39] MULLER A, RASSOW J,GRIMM J, MACHUY N, MEYER TF, RUDEL T.
VDAC and the bacterial porinPorB of Neisseria gonorrhoeae share
mitochondrial import pathways. EMBO J 2002; 21(8): 19161929.
[40] MUHLENBEIN N, HOFMANN S, ROTHBAUER U, BAUER MF.
Organization and function of the smallTim complexes acting along
the import pathway of metabolite carriers into mammalian
mitochondria.J Biol Chem 2004; 279(14): 1354013546.
[41] PASCHEN SA, NEUPERT W, RAPAPORT D. Biogenesis of β-barrel
membrane proteins of mitochon-dria. Trends in Bioch Sci 2005; 10:
575582.
[42] PASCHEN SA, WAIZENEGGER T, STAN T, PREUSS M, CYRKLAFF M,
HELL K, RAPAPORT D,NEUPERT W. Evolutionary conservation of
biogenesis of betabarrel membrane proteins. Nature 2003;426(6968):
862866.
[43] PASCHEN SA, NEUPERT W. Protein import into mitochondria.
IUBMB Life 2001; 52: 101112.[44] PERRY AJ, HULETT JN, LIKIC VA,
LITHGOW T, GOOLEY PR. Convergent evolution of receptors
for protein import into mitochondria. Curr Biol 2006; 16(3):
221229.[45] PFANNER N, WIEDEMAN N, MEISINGER C, LITHGOW T.
Assembling the mitochondrial outer
membrane. Nat Struct and Mol Biol 2004; 11: 10441048.[46]
RAPAPORT D. How does the TOM complex mediate insertion of precursor
proteins into the mitochon-
drial outer membrane. J Cell Biol 2005; 171(3): 419423.[47]
RAPAPORT D. Biogenesis of the mitochondrial TOM complex. Trends
Biochem Sci 2002; 27: 191
197.[48] REHLING P, PFANNER N, MEISINGER C. Insertion of
hydrophobic membrane proteins into the inner
mitochondrial membrane A guided tour. J Mol Biol 2003; 326:
639657.[49] ROHL T, MOTZKUS M, SOLL J. The outer envelope protein
OEP24 from pea chloroplasts can
functionally replace the mitochondrial VDAC in yeast. FEBS Lett
1999; 460(3): 491494.[50] ROSTOVTSEVA TK, TAN W, COLOMBINI M. On
the role of VDAC in apoptosis: fact and fiction. J
Bioenerg Biomembr 2005; 37(3): 129142.[51] SANCHEZPULIDO L,
DEVOS D, GENEVROIS G, VICENTE M, VALENCIA A. POTRA: a conserved
domain in the FtsQ family and a class of betabarrel outer
membrane proteins. Trends Biochem Sci 2003;28(10): 523526.
[52] SHERMAN EL ,TAYLOR ED, GO NE, NARGANG FE. Effect of
Mutations in Tom40 on Stability of theTranslocase of the Outer
Mitochondrial Membrane (TOM) Complex, Assembly of Tom40, and
Importof Mitochondrial Preproteins. J Biol Chem 2006; 281(32):
2255422565.
[53] SHOSHANBARMATZ V, ISRAELSON A, BRDICKA D, SHEU SS. The
voltagedependent anion channel(VDAC): function in intracellular
signalling, cell life and cell death. Curr Pharm Des 2006;
12(18):22492270.
[54] SHOSHANBARMATZ V, ISRAELSON A. The voltagedependent anion
channel in Endoplasmic/sarcopla-smic reticulum: characterization,
modulation and possible function. J Membr Biol 2005; 204(2):
5766.
[55] SOGO LF, YAFFE MP. Regulation of mitochondrial morphology
and inheritance by Mdm10p, a proteinof the mitochondrial outer
membrane. J Cell Biol 1994; 126(6): 13611373.
[56] SOLL J, SCHLEIFF E. Protein import into chloroplasts. Nat
Rev Mol Cell Biol 2004; 5(3): 198208.[57] TAMM LK, HONG H, LIANG B.
Folding and assembly of beta-barrel membrane proteins. Biochim
Biophys Acta 2004; 1666: 250263.[58] WAIZENEGGER T, SCHMITT S,
ZIVKOVIC J, NEUPERT N, RAPAPORT D. Mim1, a protein required
for the assembly of the TOM complex of mitochondria. EMBO Rep
2005; 6(1): 5762.[59] WAIZENEGGER T, HABIB SJ, LECH M, MOKRANJAC D,
PASCHEN SA, HELL K, NEUPERT W,
RAPAPORT D. Tob38, a novel essential component in the biogenesis
of betabarrel proteins of mito-chondria. EMBO Rep 2004; 5(7):
704709.
-
84 H. KMITA, M. WOJTKOWSKA
[60] WIEDEMANN N, TRUSCOT KN, PFANNSCHMIDT S, GUIARD B,
MEISINGER C, PFANNER N.Biogenesis of the protein import channel tom
40 of the mitochondrial outer membrane. J Biol Cell2004; 18:
1818818194.
[61] WIEDEMANN N , KOZJAK V, CHACIÑSKA A, SCHONFISCH B, ROSPERT
S, RYAN MT, PFANNERN, MEISINGER C. Machinery for protein sorting
and assembly in the mitochondrial outer membrane.Nature 2003;
424(6948): 565571.
[62] WIMLEY WC. The versatile betabarrel membrane protein. Curr
Opin Struct Biol 2003; 13(4): 404411.[63] WOJTKOWSKA M, KMITA H.
Kana³y aparatu importu bia³ka do mitochondriów. Post Biol Kom
2004;
31(3): 397628.[64] WU T. Identification of a multicomponent
complex required for outer membrane biogenesis in Escheri-
chia coli. Cell 2005; 121: 235245.
Redaktor prowadz¹cy Bo¿ena Kamiñska-Kaczmarek
Otrzymano: 05.10. 2006 r.Przyjêto: 28.11. 2006 r.ul. Fredry 10,
Poznañ [email protected]