Porins, VDACs and gating : The role of conformational plasticity

With about 10 000 copies per cell the voltage-dependent anion channels (VDACs) are the most abundant proteins of the mitochondrial outer membrane and are known to be involved in mitochondrial processes such as ATP-, calcium or ROS-transport. Beside this, they were identified as key players of mitoch...

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Main Author: Mertins, Barbara
Contributors: Essen, Lars-Oliver (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2015
Subjects:
BLM
Online Access:PDF Full Text
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Table of Contents: Mit rund 10 000 Kopien pro Zelle sind die voltage dependent anion channels (VDACs) die am häufigsten vorkommenden Proteine der äußeren mitochondrialen Membran. VDACs regulieren mitochondriale Prozesse, wie z. B. ATP-, Calcium- und ROS-Transport. Neben dieser klassischen Rolle wurden VDACs als wichtigste Komponente der Mitochondrien Physiologie und der damit verbundenen intrinsischen apoptotischen Signalwege identifiziert. Wegen ihrer strategischen Lage sowie der Interaktion mit pro- und anti-apoptotischen Proteinen, wurden VDACs mit verschiedenen Krankheiten wie Alzheimer, Down Syndrome, Krebs, Schlaganfall, und amylotrophischer lateraler Sklerose in Verbindung gebracht. Aufgrund dieser Multifunktionalität sind VDACs wichtige Ziele für medizinisch-therapeutische Behandlungsansätze. Nach ihrer Entdeckung wurden VDACs in Bezug auf ihre Struktur und den Schaltmechanismus untersucht. Der N-Terminus im Inneren der Pore wurde als das verantwortliche Schalt-Element diskutiert. Durch Anlegen einer externen Spannung, können VDACs in einen offenen und mehrere geschlossene Zustände schalten die ein physiologisches Verhalten imitieren. In dieser Arbeit konnte ich diese geschlossenen Zustände in mindestens drei Haupt-Zustände unterteilen. Mit diesen quantitativen elektrophysiologischen Messungen habe ich zum ersten Mal deutlich gemacht, dass die konformationelle Variabilität des N-Terminus für VDACs Schaltverhalten entscheidend ist. Durch das Erzeugen von Doppel Cystein Varianten, die den N Terminus am unteren Rand und in der Mitte die Pore arretieren, konnte ich zeigen, dass der N-terminus den dominanten Teil beim Schalten von VDACs darstellt. Daneben wurde auch gezeigt, dass zusätzliche Schaltvorgänge in einen geschlossenen Zustand unabhängig vom N-terminus auftreten können. Durch die Analyse von EMP als minimales Modellsystem konnte ich solch ein loop unabhängiges Schalten in Porinen demonstrieren. VDACs interagieren mit pro- und anti-apoptotischen Effektorproteinen. Der Fokus meiner Arbeit lag auf der Aufklärung der VDAC-Bid/tBid Interaktion. Bid als pro-apoptotisches Effektorprotein wurde als wichtiger Akteur im neuronalen Zelltod identifiziert, indem es die Freisetzung von apoptotischen Proteinen in das Zytosol fördert. Darüber hinaus, zeigen Bid defiziente neuronale Zellen eine hohe Resistenz gegen Zelltod-auslösende Reize wie z.B. Glutamattoxizität. Ich konnte die direkte Interaktion von VDAC1 und tBid zeigen und den funktionellen Einfluss mittels elektrophysiologischen Messungen quantifizieren. Biophysikalische Analysen (CD/OCD/EPR) ergaben erste Einblicke in den Protein-Komplex und verdeutlichen die Bedeutung der VDAC1-tBid Interaktion für die Viabilität von Neuronen.