Molekularbiologie und Physiologie von Mg2+ Transportern

Magnesium (Mg2+) ist das zweit-häufigste Metall-Ion in Zellen und von grosser Bedetung für die Funktion vieler zellulärer Strukturen und Enzyme. Es wird mit diversen Dysfunktionen des menschlichen Organismus in Verbindung gebracht und vielfach therapeutisch eingesetzt. Molekularbiologische Studien zum Mg2+ Transport in die Zellen und zur Verteilung des Mg2+ in die Zellorganellen werden erst jetzt möglich, nachdem wir die ersten Mg2+ Transportproteine in der Plasmamembran der Hefe (Alr1p) und in der Mitochondrienmembran von Hefe und Mensch (Mrs2p) identifiziert haben. Dieses Vorhaben zielt auf die Charakterisierung der Transporteigenschaften von Alr1p und Mrs2p sowie auf die Analyse der Struktur der Mg2+ Transportproteine in Plasma- und Mitochondrien-Membran. Zusammen mit Mutationsstudien an diesen Proteinen soll damit auf die Klärung der Struktur/Funktionsbeziehung dieser Proteine hingearbeitet werden. Mittels genom-weiter Suchverfahren werden wir weitere Proteine der Hefe und des Menschen isolieren, die Mg2+ Transport und/oder Homeostasis kontrollieren. Mit diesem Vorhaben leisten wir auch international gesehen Pionierarbeit, die zunächst dem molekularen Verständnis des Mg2+ Transportes an einem Modellorganismus dient, aber letztlich die Grundlage schafft für ein Verständnis der physiologischen Rolle des Mg2+ und seiner therapeutischen Wirkung beim Menschen.

Magnesium ist das zweit-häufigste Metallion in Zellen. Es dient als Cofaktor von hunderten von Enzymen, stabilisiert Membranen und Faltungstrukturen von Nukleinsäuren. Weil Metallionen zelluläre Membranen nicht frei penetrieren können, bedarf es spezifischer Proteine, die deren Transport über Membranen vermitteln. Vor Beginn unserer Studien war ein Gen (und dessen Protein CorA) in Bakterien als Magnesium-Transporter charakterisiert worden. Wir haben ein entfernt verwandtes Gen (MRS2) in der Bäckerhefe, Pflanzen und Säugern identifiziert, dessen Produkt in den Mitochondrien lokalisiert ist. Es vermittelt den Einstrom von Magnesium vom Cytoplasma in die Mitochondrien. Dieses Protein Mrs2p bildet einen Kanal in der inneren Mitochondrienmembran, bestehend aus vier Mrs2-Proteineinheiten, der Magnesium (aber nicht andere Kationen) passieren lässt. Treibende Kraft für den Magnesiumfluß ist die negative Ladung der Innenseite der Mitochondrienmembran (> -150 mV). Die Deletion des MRS2 Genes führt zu einer Reduktion des Magnesiumflusses (>95%) und einem mitochondrialen Funktionsdefekt, nicht aber zum Tod der Hefezellen. Andere Kationen-Transportproteine ersetzen die Funktion von Mrs2 teilweise. Reduktion der MRS2 Expression in humanen Zellen führt zu einer ähnlichen Verringerung des Magnesiumflusses in Mitochondrien, aber in humanen Zellen ist dieser Effekt letal. MRS2 ist das erste bisher identifizierte Gen, das einen der Metallionentransporter in Mitochondrien kodiert. Ausgehend von einer mrs2 Deletionsmutante hat uns ein genetischer Screen eine Reihe weiterer Gene geliefert, die mitochondriale Ionen-Transportproteine kodieren könnten. Darunter befindet sich das MKH1 Gen, das wiederum ein von bei Eukaryonten gut konserviertes mitochondriales Membranprotein kodiert. Dieses vermittelt den Austausch von Kalium gegen Protonen (K+/H+ Austausch) und stellt das wichtigste Protein für die Volumenkontrolle der Mitochondrien dar. Dessen Deletion beim Menschen dürfte wesentlich zum Krankheitsbild des Wolf-Hirschhorn-Syndromes beitragen.