mini|Beispiel eines LYRM-Proteins (humanes LYRM4/ISD11) mit Hervorhebung des konservierten LYR-Motivs (rot) und des konservierten Phenylalaninrests (magenta) vom Drei-α-Helix-Bündel. Proteine mit einem Leucin-Tyrosin-Arginin-Motiv, auch LYRM-Proteine oder kurz LYRMs genannt, sind eine Superfamilie kleiner (11–22 kDa), basischer, überwiegend mitochondrialer Proteine, die ausschließlich in Eukaryoten vorkommen und nach ihrem konservierten LYR-ähnlichen Motiv nahe dem N-Terminus benannt sind. Sie fungieren als akzessorische Untereinheiten oder Assemblierungsfaktoren der OXPHOS-Komplexe I, II, III und V und spielen eine wesentliche Rolle bei der Biogenese von Eisen-Schwefel-(Fe–S)-Clustern, der mitochondrialen Translation, der Funktion des elektronentransferierenden Flavoproteins (ETF) sowie im Acetatstoffwechsel. Die meisten LYRM-Proteine sind für ihre Funktion von der mitochondrialen Fettsäuresynthese (mtFAS) abhängig, da sie allosterisch aktiviert werden, wenn sie mit dem acylierten mitochondrialen Acyl-Carrier-Protein (Acyl-mtACP) binden. Es wird vermutet, dass sich dieser Mechanismus evolutionär entwickelt hat, um Zellen vor den toxischen Wechselwirkungen von Eisen und Sauerstoff zu schützen.
Merkmale LYRM-Proteine bilden eine konservierte Familie kleiner mitochondrialer Proteine, die durch ihre Sequenzhomologie zur Complex1_LYR-like-Superfamilie (Pfam-Clan CL0491CL0491 LYR-like, auf ebi.ac.uk) definiert ist. Diese Superfamilie wurde durch bioinformatische Analysen identifiziert und von P. Coggill (EMBL-EBI) kuratiert. Die Familie wurde ursprünglich anhand von LYRM4 definiert, das die Cystein-Desulfurase NFS1 innerhalb der mitochondrialen Eisen-Schwefel-Cluster-(ISC)-Assemblierungsmaschinerie stabilisiert. Das alleinige Vorhandensein eines LYR-Tripeptids ist jedoch nicht ausreichend, um ein Protein als LYRM zu klassifizieren, da hierfür zusätzlich weitere konservierte Aminosäurereste vorhanden sein müssen. Mitglieder dieser Proteinfamilie weisen folgende charakteristische Merkmale auf:
Sequenzmerkmale: ein konserviertes LYR-ähnliches Motiv nahe dem N-Terminus (z. B. LYR, LYK, LFK, TFR), zusätzliche konservierte Aminosäurereste stromabwärts des Motivs: basische Reste, insbesondere Arginin (R) und Lysin (K), ein hochkonservierter Phenylalanin-(F)-Rest, in einigen Subfamilien zusätzliche Reste, darunter Tyrosin (Y) und Glycin (G) am C-Terminus, Strukturmerkmale: strukturelle Homologie, gekennzeichnet durch ein konserviertes Drei-α-Helix-Bündel, ein durch das Drei-α-Helix-Bündel gebildeter hydrophober Kanal, der die Fettsäurekette des acylierten mtACP aufnimmt (Ausnahme: FMC1) Allgemeine Eigenschaften: eine geringe Proteingröße (11–22 kDa), einen basischen isoelektrischen Punkt (pI ≈ 9–11), ein ausschließliches Vorkommen in Eukaryoten.
Diese Eigenschaften unterscheiden LYRM-Proteine von dem weiter gefassten Begriff „LYR-Proteine“, der von einigen Autoren in der Vergangenheit für Proteine verwendet wurde, die ein LYR-Tripeptid enthalten—ein Motiv, das häufig in mitochondrialen Proteinen wie SDHB, NDUFAF3 oder mitochondrialen ribosomalen Proteinen vorkommt—jedoch nicht die zusätzlichen definierenden Merkmale der LYRM-Familie aufweisen.
Vorkommen und Synthese LYRM-Proteine kommen ausschließlich in Eukaryoten vor, unterscheiden sich jedoch zwischen den Spezies. Während LYRM-Proteine bei anaeroben Eukaryoten verloren gegangen sind oder nur in Form von LYRM4 erhalten sind, kommen beim Menschen zwölf LYRM-Proteine vor. Mit Ausnahme von LYRM3 und LYRM6, die in den mitochondrialen Komplex I integriert sind, handelt es sich bei LYRM-Proteinen um lösliche, in der Matrix lokalisierte Proteine. Allen LYRM-Proteinen ist gemeinsam, dass sie bei mitochondrialen Zielkomplexen vorkommen, die Eisen-Schwefel-Cluster enthalten, synthetisieren oder funktionell mit ihnen verbunden sind, wie dem elektronentransferierenden Flavoprotein und dem Mitoribosom. Einzig FMC1 kommt bei einem Zielkomplex ohne Eisen-Schwefel-Cluster vor, Komplex V, der jedoch mit der mitochondrialen Eisenaufnahme in Verbindung gebracht wird.
LYRM-Proteine werden im Cytosol durch Ribosomen synthetisiert, nachdem sie aus nukleärer DNA transkribiert wurden, und anschließend in die Mitochondrien importiert. Einige Mitglieder wurden aber auch im Cytosol und im Zellkern identifiziert.
Interaktion mit mitochondrialem Acyl-Carrier-Protein mini|thumbtime=29|Humanes LYRM4/ISD11 (grün; LYR-Motiv in Rot, Phenylalaninrest in Magenta) im Komplex mit Cystein-Desulfurase NFS1 (grau) und acyliertem E. coli Acyl-Carrier-Protein (Acyl-ACP; Protein in Dunkelblau, 4'-Phosphopantethein-Gruppe in Hellblau und C12-Fettsäurekette in Gelb). Das Drei-α-Helix-Bündel von LYRM4 bildet einen hydrophoben Kanal, in den die ACP-gebundene Fettsäurekette eingebettet ist. Diese Interaktion stabilisiert NFS1 innerhalb der mitochondrialen Eisen-Schwefel-Cluster-Assemblierungsmaschinerie. Mit Ausnahme von FMC1 hängt die Funktion von LYRM-Proteinen von ihrer Interaktion mit dem acylierten mitochondrialen Acyl-Carrier-Protein (Acyl-mtACP) ab, das seine Fettsäurekette in den hydrophoben Kanal des LYRM-Proteins einführt, der durch drei α-Helices gebildet wird. Bei der Bindung klappt die an den flexiblen 4'-Phosphopantethein-Arm von mtACP gebundene Fettsäurekette aus der hydrophoben Tasche von mtACP in die des LYRM-Proteins um. Diese Interaktion erfordert außerdem das LYR-ähnliche Motiv sowie den hochkonservierten, stromabwärts gelegenen Phenylalaninrest, welche zusammen als LYR–F-Motiv bezeichnet werden. Obwohl LYRM-Proteine mit 4'-Phosphopantethein-modifiziertem mtACP (Holo-mtACP) sowohl in seiner unacylierten als auch in acylierten Form interagieren können, zeigen sie eine klare Präferenz und höhere Affinität für die acylierte Form. Die acylierte Form von Holo-mtACP wird durch die mitochondriale Fettsäuresynthese (mtFAS) in Reaktion auf die Verfügbarkeit von Acetyl-CoA gebildet. Für eine effektive Bindung an LYRM-Proteine sind Fettsäureketten mit einer Länge von 10–16 Kohlenstoffatomen erforderlich.
Die Acylierung von mtACP stellt eine Acetyl-CoA-abhängige posttranslationale Modifikation dar, die empfindlich auf Störungen der mitochondrialen Acetyl-CoA-Synthese reagiert und die diejenigen LYRM-Proteine, die als Assemblierungsfaktoren für OXPHOS-Komplexe fungieren, allosterisch aktiviert. Es wird vermutet, dass dieser Mechanismus eine Rückkopplungsschleife bildet, in der die Verfügbarkeit von Acetyl-CoA die Acylierung von mtACP und die LYRM-vermittelte OXPHOS-Assemblierung reguliert, wodurch die NADH- und FADH2-Oxidation sowie die Aktivität des Citratzyklus gesteigert wird, was wiederum den Verbrauch von Acetyl-CoA fördert. Dies würde es Zellen ermöglichen, die oxidative Kapazität zu steigern, wenn Substrate reichlich vorhanden sind, während gleichzeitig die Aktivität der Elektronentransportkette unter substratlimitierten Bedingungen verhindert wird, wodurch die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) reduziert wird.
Neben ihrer Rolle bei der Assemblierung der OXPHOS-Komplexe wurden mtACP und LYRM-Proteine auch mit der mitochondrialen Translation in Verbindung gebracht. Obwohl die Rolle der mtFAS bei der Mitoribosomen-Assemblierung in Säugetieren und der mitochondrialen Translation bislang nicht experimentell untersucht wurde, zeigten strukturelle Analysen, dass das LYRM-Protein L0R8F8 und unacyliertes mtACP an den Mitoribosomen-Assemblierungsfaktor MALSU1 gebunden sind. Dieser Befund deutet auf einen alternativen mtACP–LYRM-Bindungsmodus hin, bei dem die Acylierung von mtACP die Freisetzung des Komplexes fördern könnte, sodass die Assemblierung des Mitoribosoms fortschreiten kann. Darüber hinaus wird vorhergesagt, dass LYRM1 mit dem mitochondrialen Translations-Release-Faktor-1-ähnlichen Protein (MTRF1L) interagiert, während LYRM9 vermutlich mit dem mitochondrialen ribosomalen Protein L57 (MRPL57) interagiert.
Überblick über Mitglieder Mindestens zwölf LYRM-Proteine wurden beim Menschen identifiziert (Stand 2019):
+Überblick über humane LYRM-ProteineLYRM-ProteinLYR-ähnliches Motivm (kDa)pIZielortFunktionInteraktionspartnerLYRM1LYR1410Mitoribosom (vorhergesagt)InsulinsignalübertragungAcyl-mtACP, MTRF1L (vorausgesagt)LYRM2LYR1111Komplex Isteht in Zusammenhang mit der Aktivität von Komplex IAcyl-mtACPLYRM3/NDUFB9LYK229Komplex IStrukturelle UntereinheitAcyl-mtACPLYRM4/ISD11LYR1111Cystein-Desulfurase NFS1Eisen-Schwefel-Cluster-BiogeneseAcyl-mtACP, NFS1LYRM5LYK1110Elektronentransferierendes FlavoproteinHilfsfaktor (accessory factor)Acyl-mtACPLYRM6/NDUFA6LYR1810Komplex IStrukturelle UntereinheitAcyl-mtACP, NDUFS3LYRM7/MZM1LLFK1210Komplex IIIAssemblierungsfaktorAcyl-mtACP, UQCRFS1, HSC20LYRM8/SDHAF1LYR1311Komplex IIAssemblierungsfaktorAcyl-mtACP, SDHB, HSC20LYRM9/C17orf108LYR109Mitoribosom (vorhergesagt)UnbekanntAcyl-mtACP, MRPL57 (vorhergesagt)LYRM10/ACN9/SDHAF3/LYK159Komplex IIAssemblierungsfaktorAcyl-mtACP, SDHBFMC1/C7orf55TFR1310Komplex VAssemblierungsfaktorUnacyliertes Holo-mtACP, ATP12L0R8F8/AltMiD51/MIEF1-MPMitoribosomAssemblierungsfaktorUnacyliertes Holo-ACP
Funktion
Biogenese von Eisen-Schwefel-Clustern In Eukaryoten dienen Eisen-Schwefel-(Fe–S)-Cluster als vielseitige Cofaktoren bei Redoxreaktionen, Elektronentransport, Enzymkatalyse, Genexpressionsregulation und DNA-Reparatur. Sie werden auf dem Gerüstprotein ISCU assembliert, wobei das Eisen durch Frataxin bereitgestellt wird und der Schwefel durch den NFS1–LYRM4-Komplex geliefert wird. Dieser Komplex bindet über LYRM4 an acyliertes mtACP, was zur Stabilisierung des sonst abbauanfälligen Komplexes führt. Nach der Bildung werden die Fe–S-Cluster durch einen Fe–S-Transferkomplex, bestehend aus ISCU, dem Co-Chaperon HSC20 und dem Chaperon HSPA9, an Zielproteine übertragen.
Der Einbau der Eisen-Schwefel-Cluster in Atmungskomplexe II und III mit Hilfe anderer LYRM-Proteine wird weiter unten im Abschnitt zur „Assemblierung der oxidativen Phosphorylierungskomplexe“ behandelt.
Assemblierung der Komplexe der oxidativen Phosphorylierung Die Assemblierung dieser Komplexe beruht auf einem streng regulierten und koordinierten Prozess, der die Transkription und Translation von sowohl nukleär als auch mitochondrial codierten Untereinheiten, den Import und die Assemblierung einzelner Untereinheiten sowie die Reifung durch den Einbau essenzieller Cofaktoren, wie Eisen-Schwefel-Cluster umfasst. OXPHOS-Komplexe können sich weiter zu höhergeordneten Strukturen, sogenannten Superkomplexen, zusammenlagern, deren Bildung und Stabilität durch Interaktionen zwischen acyliertem mtACP und LYRM-Proteinen beeinflusst werden.
Komplex I (NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase) Drei LYRM-Proteine – LYRM3, LYRM6 und LYRM2 – sind mit Komplex I verbunden. Der erste Komplex der Atmungskette koppelt die Oxidation von NADH und die Reduktion von Ubichinon mit dem Protonentransport über die innere mitochondriale Membran und leistet den größten Einzelbeitrag zur protonenmotorischen Kraft, die die ATP-Synthese antreibt. Unter bestimmten Bedingungen kann diese Reaktion auch rückwärts ablaufen und zur Reduktion von NAD+ führen.
LYRM3 ist eine integrale akzessorische Untereinheit von Komplex I, die im distalen, protonentransportierenden Modul PD des Membranarms positioniert ist. Es bildet mit dem benachbarten mtACP ein stabiles Heterodimer und trägt zur Stabilität sowie zum Zusammenbau von Komplex I bei.
LYRM6 ist ebenfalls eine integrale akzessorische Untereinheit von Komplex I. Es bindet nahe der zentralen Schnittstelle zwischen dem Matrixarm (Q-Modul) und dem Membranarm (P-Modul) des Komplexes und bildet ein Heterodimer mit mtACP. Zwei benachbarte Schleifen von LYRM6 interagieren direkt mit zentralen Untereinheiten des Komplexes und tragen zur Stabilisierung dieser Schnittstelle bei. Insbesondere spielt LYRM6 eine Schlüsselrolle bei der Stabilisierung der TMH1-2-Schleife der Untereinheit ND3, eines strukturellen Elements, das für den Protonentransportmechanismus essenziell ist.