Characterization of the mitochondrial active-site serine protein LACTB: filaments in the mitochondrial intermembrane space

Abstract

Mitochondria have evolved from endosymbiotic alpha-proteobacteria. During the endosymbiotic process early eukaryotes dumped the major component of the bacterial cell wall, the peptidoglycan layer. Peptidoglycan is synthesized and maintained by active-site serine enzymes belonging to the penicillin-binding protein and the β-lactamase superfamily. Mammals harbor a protein named LACTB that shares sequence similarity with bacterial penicillin-binding proteins and β-lactamases. Since eukaryotes lack the synthesis machinery for peptidoglycan, the physiological role of LACTB is intriguing.

Recently, LACTB has been validated in vivo to be causative for obesity, suggesting that LACTB is implicated in metabolic processes.

The aim of this study was to investigate the phylogeny, structure, biochemistry and cell biology of LACTB in order to elucidate its physiological function. Phylogenetic analysis revealed that LACTB has evolved from penicillin binding-proteins present in the bacterial periplasmic space. A structural model of LACTB indicates that LACTB shares characteristic features common to all penicillin-binding proteins and β-lactamases. Recombinat LACTB protein expressed in E. coli was recovered in significant quantities. Biochemical and cell biology studies showed that LACTB is a soluble protein localized in the mitochondrial intermembrane space. Further analysis showed that LACTB preprotein underwent proteolytic processing disclosing an N-terminal tetrapeptide motif also found in a set of cell death-inducing proteins. Electron microscopy structural studies revealed that LACTB can polymerize to form stable filaments with lengths ranging from twenty to several hundred nanometers.

These data suggest that LACTB filaments define a distinct microdomain in the intermembrane space. A possible role of LACTB filaments is proposed in the intramitochondrial membrane organization and microcompartmentation. The implications of these findings offer novel insight into the evolution of mitochondria. Further studies of the LACTB function might provide a tool to treat mitochondria-related metabolic diseases.

Djur, växter, svampar, och ett stort antal urdjur hör till gruppen eukayota organismer. Karakteristiskt för celler i eukaryota organismer är att de består av ett antal membranomslutna rum, så kallade cellkompartement. Det största av de här rummen är cellkärnan som innehåller genetiskt material. Utanför cellkärnan finns en cytosol som i sin tur innehåller ett antal mindre partiklar eller organeller. Den viktigaste organellen för cellens energihushållning är mitokondrien. Med undantag för mitokondrien är det oklart hur cellkompartementen ursprungligen har uppstått. Mitokondrien däremot härstammar från primitiva bakterier som tidigt under evolutionen bosatte sig inne i den eukaryota cellen. Mitokondrierna bär många spår av sitt bakteriella ursprung.

Mitokondrierna saknar dock den för bakterier karakteristiska cellväggen av peptidoglykan. Det är troligt att mitokondriernas bakteriella föregångare tappade cellväggen i samband med att de tog bosättning inne i den eukaryota cellen. Trots att mitokondrier saknar peptidoglykan så har mitockondrierna bevarat ett bakeriellt protein som fungerade vid syntesen av peptidoglykan. Det här proteinet kallas LACTB. Frågan som inställer sig är varför det här proteinet överhuvudtaget förekommer i eukaryota celler och vilken uppgift det har. Det frågorna tas upp i den här avhandlingen.

Resultaten av studierna tyder på att LACTB fungerar som ett strukturprotein i mitokondrien. Det förefaller alltså som om LACTB delvis skulle ha övertagit den funktion som peptidoglykan har i bakterier, nämligen att fungera som en mekaniskt stödstruktur. Det här fynden ger ett nytt perspektiv på mitokondriens evolution och kan leda till nya insikter rörande cellens energihushållning.