Open Access

Natalie Al-Furoukh

• Mitochondria contain their own protein synthesis machinery with mitoribosomes that are similar to prokaryotic ribosomes. The thirteen proteins encoded in the mitochondrial genome are members of the respiratory chain complexes that generate a proton gradient, which is the electromotoric force for ATP synthesis. NOA1 (Nitric Oxide Associated Protein-1) is a nuclear encoded GTPase that positively influences mitochondrial respiration and ATP production. Although a role in mitoribosome assembly was assigned to NOA1 the underlying molecular mechanism is poorly understood. This work shows that the multi-domain protein NOA1 serves multiple purposes for the function of mitochondria. NOA1 is a dual localized protein that makes a detour through the nucleus before mitochondrial import. The nuclear shuttling is mediated by a nuclear localization signal and the now identified nuclear export signal. SELEX (Systemic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment) analysis revealed a G-quadruplex binding motif that characterizes NOA1 as ribonucleoprotein (RNP). G-quadruplex binding was coupled to the GTPase activity and increased the GTP hydrolysis rate. The sequence of localization events and the identification of NOA1 being a RNP lead to the discussion of an alternative import pathway for RNPs into mitochondria. The short-lived NOA1 contains ClpX recognition motifs and is specifically degraded by the mitochondrial matrix protease ClpXP. NOA1 is the first reported substrate of ClpXP in higher eukaryotes and augments the contribution of the ClpXP protease for mitochondrial metabolism. To assess the direct action of NOA1 on the mitoribosome co-sedimentation assays were performed. They showed that the interaction of NOA1 and the mitoribosome is dependent on the GTPase function and the nascent peptide chain. In vitro, NOA1 facilitated the membrane insertion of newly translated and isotope labeled mitochondrial translation products into inverted mitochondrial inner membrane vesicles. In conclusion, NOA1 is a G-quadruplex-RNP that acts as mitochondrial membrane insertion factor for mtDNA-encoded proteins. This thesis provides a comprehensive model of the molecular function of NOA1 and is the basis for future research. The identification of NOA1 as ClpXP substrate is a major contribution to the field of mitochondrial research.
• Mitochondrien sind sich selbst replizierende Zellorganellen. Ihre zentrale Rolle ist die Produktion von ATP. Hierzu besitzen Mitochondrien Transmembran-Atmungskettenkomplexe, die in der inneren mitochondrialen Membran lokalisiert sind und durch Elektronenübertragung einen Protonengradienten erzeugen, der Voraussetzung für die ATP-Produktion an der mitochondrialen ATP-Synthase ist. Die Energiebereitstellung in Form von ATP ist essentiell für das Überleben der Zelle. Organe mit hohem Energiebedarf wie z.B. Muskel, Herz und Gehirn, zeichnen sich durch ihren hohen Mitochondriengehalt aus. Mitochondrien enthalten eine zirkuläre doppelsträngige DNA (Figure 1, Figure 2). Diese mtDNA kodiert 13 Proteine, 22 tRNAs und zwei ribosomale RNAs (Figure 3). Die 13 Proteine sind Bestandteil der Komplexe I, III, IV und V der Atmungskette. Zur Translation der mitochondrial kodierten Gene haben Mitochondrien einen autonomen Proteinsyntheseapparat (Figure 4, Table 1). Mitoribosomen werden unabhängig vom zytoplasmatischen Proteinsyntheseapparat assembliert und sind aufgrund des bakteriellen Ursprungs der Mitochondrien den prokaryotischen sehr ähnlich. Neben einer Vielzahl von kernkodierten Proteinen enthalten Mitoribosomen auch die zwei mtDNA kodierten ribosomalen RNAs (12S rRNA und 16S rRNA). Die exakten Mechanismen der Ribosomen-Assemblierung in Mitochondrien sind weitgehend unbekannt. Dennoch gibt es einige evolutionär hochkonservierte GTPasen, denen eine Schlüsselrolle als Assemblierungsfaktoren zugeschrieben wird.