Structural and functional explorations of the MICOS Mic60-Mic19 subcomplex

Mitochondria are highly dynamic organelles of great research interest due to their involvement in many crucial biological processes, such as ATP production, calcium homeostasis or apoptosis. Several human diseases are linked to altered mitochondrial morphology and mitochondrial dynamic defects, but the underlying disease mechanisms have remained mostly unclear. The mitochondrial contact site and cristae organizing system (MICOS) complex has crucial functions in mitochondrial membrane architecture, as it is involved in the formation of crista junctions and ensures that the cristae membrane remains attached to the inner boundary membrane. This hetero-oligomeric protein complex consists of at least six components in yeast and was shown to form large complexes in the megadalton mass range. MICOS can be divided into two subcomplexes built by Mic10 Mic12 Mic26 Mic27 and Mic60 Mic19, but their architecture and even the exact stoichiometry have not been clarified yet. In this work, the crystal structures of two fusion constructs containing conserved C terminal domains of Chaetomium thermophilum Mic60 and Mic19 were determined, providing insights into the organization of the MICOS Mic60-Mic19 subcomplex. Residues involved in the interaction between the mitofilin domain of Mic60 and the CHCH domain of Mic19 were identified and analyzed in detail by biochemical and cell-based methods. These studies revealed that single amino acid exchanges can disturb the interaction in vitro and lead to an abnormal cristae morphology in yeast mitochondria. The predicted lipid binding site (LBS) of Mic60 is part of the mitofilin domain, which assembles as an inter-domain swapped dimer. Structure-based analysis of the dimerization interface and the membrane binding site of the mitofilin domain elucidated the structural requirements for membrane binding and remodeling. Even though several proteins involved in mitochondrial shaping have been identified in the past, their exact mechanisms for establishing mitochondrial architecture have remained unexplored. The results of this work make a substantial contribution towards the characterization of the MICOS complex, therefore contributing to a molecular understanding of mitochondrial membrane remodeling and disease development.Die Forschung an Mitochondrien ist von großem Interesse, da diese dynamischen Organellen an vielen wichtigen zellulären Prozessen beteiligt sind, unter anderem an der Herstellung von ATP, der Calcium-Homöostase und dem programmierten Zelltod. Die Membranarchitektur und die Dynamik von Mitochondrien sind in zahlreichen menschlichen Krankheiten verändert; allerdings konnten die Mechanismen, welche zur Entstehung dieser Krankheiten führen, größtenteils noch nicht geklärt werden. Der Mitochondrial Contact Site and Cristae Organizing System (MICOS) Komplex leistet einen entscheidenden Beitrag für die Ausbildung und Erhaltung der mitochondrialen Architektur und trägt insbesondere dazu bei, die Cristae zu stabilisieren. MICOS setzt sich aus verschiedenen Proteinen zusammen und kann große Komplexe im Megadalton-Bereich bilden. In Hefe wurden bisher sechs Komponenten beschrieben, die in zwei Teilkomplexe assemblieren, bestehend aus Mic10-Mic12-Mic26-Mic27 und Mic60 Mic19. Allerdings konnten bisher weder die Architektur noch die exakte Zusammensetzung der Komponenten im MICOS-Komplex entschlüsselt werden. In dieser Arbeit wurden Kristallstrukturen von zwei Fusionskonstrukten bestimmt, welche die konservierten C terminalen Domänen von Mic60 und Mic19 aus Chaetomium thermophilum enthalten. Aminosäuren, die an der Interaktion zwischen der Mitofilin-Domäne von Mic60 und der CHCH-Domäne von Mic19 beteiligt sind, wurden identifiziert und charakterisiert. Mutationen in der Kontaktfläche konnten die Interaktion stören und führten zu veränderter Membranarchitektur von Hefe-Mitochondrien. Eine zuvor identifizierte Lipidbindestelle von Mic60 ist Teil der Mitofilin-Domäne, welche ein Domänen-übergreifendes Dimer im Kristall ausbildet. Durch strukturbasierte Mutagenese der Dimer- und Membran-Kontaktstellen konnten die molekularen Grundlagen der Membranbindung und -deformation entschlüsselt werden. Obwohl bereits einige Proteine, welche an der Formgebung der Mitochondrien beteiligt sind, identifiziert wurden, blieben die genauen Mechanismen bisher weitestgehend unerforscht. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen wesentlich zur Charakterisierung des MICOS-Komplexes bei und führen damit zu einem erweiterten molekularen Verständnis der Membran-Deformierung in Mitochondrien und der Entstehung von mitochondrialen Erkrankungen