| Die mitochondrielle Ca2+ Aufnahme spielt eine wichtige Rolle in der Regulierung von zellulären Signalprozessen, aerobem Metabolismus und Apoptose. Mitochondrien können hohe lokale Ca2+ Konzentrationen puffern und dadurch verschiedene Ca2+ gesteuerte Prozesse modulieren. Erst kürzlich wurden Proteine der inneren Mitochondrienmembran (IMM) beschrieben, welche essentiell an der mitochondriellen Ca2+ Aufnahme beteiligt sind. Diese Proteine sind der mitochondrial Ca2+ uniporter (MCU), mitochondrial Ca2+ uptake 1 (MICU1), uncoupling proteins 2 und 3 (UCP2/3), essential MCU regulator (EMRE) und mitochondrial Ca2+ uniporter regulator 1 (MCUR1). Zwar konnten Charakteristika und die physiologischen Auswirkungen dieser Proteine auf die mitochondrielle Ca2+ Aufnahme beschrieben werden, aber die verschiedenen Interaktionsmechanismen zwischen den Proteinen, welche in dieses Phänomen involviert sind, werfen nach wie vor Fragen auf. In dieser Studie haben wir bestimmte Proteine überexprimiert und/oder herunterreguliert und konnten letztlich zeigen, dass die mitochondrielle Ca2+ Aufnahme nach IP3-mediierter Ca2+ Freisetzung aus dem Endoplasmatischen Retikulum (ER) ausschließlich via MCU und EMRE, allerdings nicht unter Beteiligung von MCUR1, abläuft. MICU1 fungiert als negativer Regulator des MCU/EMRE Komplexes. Darüber hinaus unterstützt UCP2/3 die Funktion des MCU/EMRE Komplexes und ist ein Gegenspieler von MICU1. Die Wegnahme von MICU1 erhöht den Effekt von UCP2/3 auf die MCU Aktivität in MCUkd Zellen mit Überexpression von UCP2/3. Unsere Resultate deuten darauf hin, dass UCP2/3 die mitochondrielle Ca2+ Aufnahme via MCU/EMRE fördert und dadurch diese über die Funktion von MICU1 kontrolliert.
Die Analyse der MICU1 Kristallstruktur hat vor kurzem gezeigt, dass in Abwesenheit von Ca2+ MICU1 als Hexamer vorliegt, während die Bindung von Ca2+ an die zwei EF-hands zu einer Umorientierung in MICU1 Dimere führt. Obwohl die Ca2+-sensitive Regulatorwirkung von MICU1 auf MCU, welcher zusammen mit EMRE den Kanal für die mitochondrielle Ca2+ Aufnahme darstellt, gut erforscht ist, sind die Mechanismen, über welche MICU1 die Aktivität des MCU/EMRE Komplexes steuert, immer noch ungewiss. Darüber hinaus führt die Überexpression von MICU1 zu nennenswerten Veränderungen der Mitochondrienstruktur. Dies deutet darauf hin, dass sich dieses Protein auch auf die Ultrastruktur der Mitochondrien auswirkt. In der vorliegenden Studie haben wir die Förster-Resonance-Energy-Transfer (FRET)-basierte Bildgebung in der lebenden Zellen etabliert, um die dynamischen Veränderungen der strukturellen Umorientierung von MICU1 Oligomeren zu beobachten und konnten zeigen, dass die Erhöhung von cytosolischem Ca2+ zu einer Umstrukturierung in MICU1 Multimere mit einer EC50 von ca. 4,4 µM führt, welche eine Aktivierung von MCU zur Folge hat. Die Umstrukturierung von MICU1 benötigt das EF-hand Motif und korreliert mit der Form des cytolischen Ca2+ Anstiegs. Diese Daten zeigen weiters, dass die Umorientierung von MICU1 Multimeren unabhängig von der Matrix Ca2+ Konzentration, dem mitochondriellen Membranpotential (Ψmito) und dem Expressionslevel von MCU und EMRE ist. Unsere Resultate gewähren neue Einblicke in die Dynamik, die Regulation und den molekularen Effekt der strukturellen Umorientierung von MICU1, welcher maßgeblich zum derzeitigen Verständnis des komplexen molekularen Mechanismus’ der MCU/EMRE Aktivierung in lebenden Zellen beiträgt.
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