Open Access

Rolf Bredemeier

• Beta-Barrel-Membranproteine der Omp85-Familie besitzen essentielle Funktionen in der Lipidbiogenese und der Proteinintegration und -assemblierung in der äußeren Membran von Gram-negativen Bakterien. Auch in endosymbiotisch erworbenen Organellen der Eukaryoten übernahmen Vertreter dieser Proteinfamilie wichtige Rollen, wie bei der Translokation von Vorstufenproteinen durch die äußere Hüllmembran von Chloroplasten und der Assemblierung von Proteinkomplexen in der äußeren Hüllmembran von Mitochondrien. Eine phylogenetische Analyse der bekannten Vertreter dieser Proteinfamilie wies auf eine Aufspaltung der Omp85-Familie in zwei Hauptzweige hin. Während der Toc75-Zweig aus plastidären und cyanobakteriellen Omp85-Proteinen besteht, bilden mitochondrielle Proteine sowie die Omp85-Vertreter der Proteobakterien eine zweite Unterfamilie, den Sam50-Zweig. In dieser Arbeit wurden die elektrophysiologischen Eigenschaften von pro- und eukaryotischen Vertretern beider Unterfamilien verglichen. Zu diesem Zweck wurde ein elektrophysiologischer Messstand konstruiert, mit dem diese Kanalproteine mittels der Lipid-Bilayer-Technik untersucht werden konnten. Die Analyse der experimentellen Daten der verwendeten Omp85-Proteine zeigte deutliche Gemeinsamkeiten der gesamten Proteinfamilie hinsichtlich ihrer Kationenselektivität. Hingegen ergab ein Vergleich der Kanalleitwerte signifikante Unterschiede zwischen beiden Unterfamilien. So lagen die aus den Leitwerten berechneten Porendurchmesser bei den Mitgliedern des Toc75-Zweigs um das Zwei- bis Dreifache über den für die Vertreter des Sam50-Zweigs bestimmten Werten. Topologievorhersagen ergaben, dass die Mitglieder der Omp85-Familie aus zwei Domänen aufgebaut sind. Durch die Analyse der elektrophysiologischen Eigenschaften von Teilkonstrukten, die aufgrund dieser Vorhersagen erstellt wurden, konnte gezeigt werden, dass die C-terminale Domäne die Porenregion des beta-Barrel-Proteins bildet. Die elektrophysiologischen Eigenschaften der Omp85-Proteine werden allerdings durch die N-terminale Domäne moduliert. Aufgrund der in dieser Arbeit erzielten elektrophysiologischen Ergebnisse und unter Berücksichtigung der phylogenetischen Analyse der Omp85-Familie konnte eine Hypothese zur evolutionären Entwicklung dieser sehr alten Proteinfamilie aufgestellt werden.
• Beta-barrel channels of the Omp85 family are essential elements in membrane biogenesis and in the integration and assembly of outer membrane protein complexes of Gram-negative bacteria. Members of this protein family also have important functions in endosymbiotically derived eukaryotic organelles, e.g. in the preprotein translocation across the outer membrane of chloroplasts or in protein complex assembly of the mitochondrial outer membrane. A phylogenetic analysis of the known Omp85 family members displayed a branching into two distinct groups. While the Toc75 branch comprises plastidary and cyanobacterial members, the Sam50 branch contains mitochondrial as well as proteobacterial Omp85 proteins. Here, the electrophysiological properties of selected prokaryotic and eukaryotic members of both branches of the Omp85 family were determined and compared to each other. For these purposes an electrophysiological measuring stand for the lipid bilayer technique has first been constructed. Analysis of the data derived from the electrophysiological experiments showed that all investigated members of the Omp85 family possess cation-specific selectivities. The main channel conductance however differed strongly between the two sub-branches of this protein family. A comparison of the pore diameters that were calculated from the conductance values showed that proteins of the Toc75 branch have a diameter about two to three times bigger than those of the Sam50 branch. Topology prediction of the Omp85 proteins yielded a common domain structure within this protein class. Therefore, partial constructs comprising the predicted single domains were analyzed in this work. The obtained electrophysiological results revealed for the first time that the C-terminal domain of the Omp85 protein indeed forms the beta-barrel pore while the N-terminal domain modulates its electrophysiological properties. Based on these electrophysiological results and considering the phylogenetic analysis of the Omp85 protein family, a hypothesis on the evolutionary development of this ancient protein class is presented.