Arbeitsgruppe Nikolaus Pfanner

Prof. Dr. Dr. h.c. Nikolaus Pfanner

Professor für Biochemie

• Institut für Biochemie und Molekularbiologie
  Universität Freiburg, Medizinische Fakultät
  Stefan-Meier-Straße 17
  79104 Freiburg, Germany
• Nikolaus.Pfanner@biochemie.uni-freiburg.de
• Sekretariat
  Patricia Müller
  Tel.: +49 761 203 5252
  E-Mail: Patricia.Mueller@biochemie.uni-freiburg.de

Forschung

Biogenese und Architektur von Mitochondrien

Mitochondrien sind für die Lebensfähigkeit von eukaryotischen Zellen unerlässlich. Sie haben zentrale Funktionen bei der zellulären ATP-Synthese, dem Stoffwechsel von Aminosäuren und Lipiden, der Biosynthese von Häm und Fe/S-Clustern sowie beim programmierten Zelltod (Apoptose).

Mitochondrien bestehen aus vier Teilkompartimenten: äußere Membran, Intermembranraum, innere Membran und Matrix. Die innere Membran besitzt eine charakteristische Architektur mit röhrenförmigen Ausstülpungen (Cristae), die die Membranoberfläche um ein Vielfaches vergrößern. Störungen der mitochondrialen Funktion und Homöostase führen beim Menschen zu schweren Erkrankungen, insbesondere des Nervensystems, des Herzens und der Muskeln.

Mitochondrien enthalten mehr als 1.000 verschiedene Proteine. Eine kleiner Teil davon wird innerhalb der Mitochondrien synthetisiert. 99 % der mitochondrialen Proteine werden jedoch von Kerngenen kodiert und als Vorläuferproteine auf zytosolischen Ribosomen synthetisiert. Die Vorläuferproteine enthalten Zielsignale, die sie in die Mitochondrien und an ihren Bestimmungsort in den mitochondrialen Teilkompartimenten leiten. Die meisten Vorläuferproteine werden durch die wichtigste Proteineintrittspforte, die Translokase der äußeren Mitochondrienmembran (TOM), in die Mitochondrien verlagert. Anschließend werden die Vorläuferproteine an verschiedene Mechanismen weitergeleitet, die ihre intramitochondriale Sortierung und ihren Zusammenbau fördern.

Unsere Studien konzentrieren sich auf die folgenden Themen:

• Einschleusen von Vorläuferproteinen aus dem Zytosol in Mitochondrien: molekulare Mechanismen und Regulation mitochondrialer Präprotein-Translokasen
• Kooperation von Translokasen beim Transport und der Assemblierung mitochondrialer Proteine: dynamische Superkomplexe und Proteinnetzwerke
• Molekulare Architektur der Mitochondrienmembranen: Mechanismen der Bildung von Membrankontaktstellen und des Aufrechterrhaltens der charakteristischen Form von Mitochondrien

Kooperation mit Nils Wiedemann und Thomas Becker: Die Proteinmaschinen TOM und SAM sind über Tom22 miteinander verbunden und arbeiten in der Reifung von Proteinen mit beta-Fassstruktur zusammen. Mehr Informationen

Retreat der Teams Pfanner, Rampelt & Wiedemann  im Schwarzwald

Von links: Hanna Hasselblatt, Laura Fielden, Nicole Zufall, Patrick Horten, Patricia Müller, Jakob Busch, Nikolaus Pfanner, Nils Wiedemann, Johanna Diehm, Heike Rampelt, Inge Perschil, Lilia Colina-Tenorio, Jon Busto, Iniyan Ganesan

Förderung

Die Pfanner-Arbeitsgruppe erhält Forschungsförderung durch:

• Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
• Exzellenzcluster (EXZ) CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies seit 2019
• EXZ BIOSS Centre for Biological Signalling Studies seit 2010 (verstetigt durch das MWK Baden-Württemberg in 2019)
• Spemann Graduate School of Biology and Medicine (SGBM)
• Hector Fellow Academy seit 2011

Publikationsliste

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/?term=Pfanner+N&sort=date

Ausgewählte Publikationen 2026 – 2016

• Heinen S, Tiku V, Grevel A, Hugenroth M, Ellenrieder L, Steymans I, Licheva M, Bonini S, Oeljeklaus S, Okon N, Lambertz J, Poppe S, Song J, Fester L, Meisinger C, Warscheid B, Eckhardt M, Wiedemann N, Winter D, Kraft C, den Brave F, Bohnert M, Pfanner N, Becker T: Mitochondria contact lipid droplets through the mitochondrial import complex binding to lipid metabolism enzyme Ayr1. Nat Cell Biol, 2026; 28: 436-448.
• Pfanner N, den Brave F, Becker T: Mitochondrial protein import stress. Nat Cell Biol, 2025; 27: 188-201.
• Horten P, Song K, Garlich J, Hardt R, Colina-Tenorio L, Horvath SE, Schulte U, Fakler B, van der Laan M, Becker T, Stuart RA, Pfanner N, Rampelt H: Identification of MIMAS, a multifunctional mega-assembly integrating metabolic and respiratory biogenesis factors of mitochondria. Cell Rep, 2024; 43: 113772.
• Schulte U, den Brave F, Haupt A, Gupta A, Song J, Müller CS, Engelke J, Mishra S, Mårtensson C, Ellenrieder L, Priesnitz C, Straub SP, Doan KN, Kulawiak B, Bildl W, Rampelt H, Wiedemann N, Pfanner N, Fakler B, Becker T: Mitochondrial complexome reveals quality-control pathways of protein import. Nature 2023; 614: 153-159.
• Rampelt H, Wollweber F, Licheva M, de Boer R, Perschil I, Steidle L, Becker T, Bohnert M, van der Klei I, Kraft C, van der Laan M, Pfanner, N: Dual role of Mic10 in mitochondrial cristae organization and ATP synthase-linked metabolic adaptation and respiratory growth. Cell Rep, 2022; 38: 110290.
• Takeda H, Tsutsumi A, Nishizawa T, Lindau C, Busto JV, Wenz LS, Ellenrieder L, Imai K, Straub SP, Mossmann W, Qiu J, Yamamori Y, Tomii K, Suzuki J, Murata T, Ogasawara S, Nureki O, Becker T, Pfanner N, Wiedemann N, Kikkawa M, Endo T: Mitochondrial sorting and assembly machinery operates by β-barrel switching. Nature, 2021; 590: 163-169.
• Rampelt H, Pfanner N: Morpholinos meet mitochondria: targeting organellar gene expression. Cell, 2021; 184: 5693-5695.
• Pfanner N, Warscheid B, Wiedemann N: Mitochondrial proteins: from biogenesis to functional networks. Nat Rev Mol Cell Biol, 2019; 20: 267-284.
• Pfanner N, Zimmermann R, Hartl FU: Walter Neupert (1939–2019). Cell, 2019; 178: 1031-1033.  Reprinted in Mol. Cell, 2019; 75: 661-663.
• Araiso Y, Tsutsumi A, Qiu J, Imai K, Shiota T, Song J, Lindau C, Wenz LS, Sakaue H, Yunoki K, Kawano S, Suzuki J, Wischnewski M, Schütze C, Ariyama H, Ando T, Becker T, Lithgow T, Wiedemann N, Pfanner N, Kikkawa M, Endo, T: Structure of the mitochondrial import gate reveals distinct preprotein paths. Nature, 2019; 575: 395-401. 
• Höhr AIC, Lindau C, Wirth C, Qiu J, Stroud DA, Kutik S, Guiard B, Hunte C, Becker T, Pfanner N, Wiedemann N: Membrane protein insertion through a mitochondrial β-barrel gate. Science, 2018; 359: eaah6834.
• Chatterjee A, Syefferth J, Lucci J, Gilsbach R, Preissl S, Böttinger L, Martensson CU, Panhale A, Stehle T, Kretz O, Sahyoun AH, Avilov S, Eimer S, Hein L, Pfanner N, Becker T, Akhtar A: MOF acetyl transferase regulates transcription and respiration in mitochondria. Cell, 2016; 167: 722-738.
• Rampelt H, Pfanner N: Coordination of two genomes by mitochondrial translational plasticity. Cell, 2016; 167: 308-310.

Ausgewählte Publikationen 2015 und früher

• Shiota T, Imai K, Qiu J, Hewitt VL, Tan K, Shen HH, Sakiyama N, Fukasawa Y, Hayat S, Kamiya M, Elofsson A, Tomii K, Horton P, Wiedemann N, Pfanner N, Lithgow T, Endo T: Molecular architecture of the active mitochondrial protein gate. Science, 2015; 349, 1544-1548.
• Harbauer AB, Opalinska M, Gerbeth C, Herman JS, Rao S, Schönfisch B, Guiard B, Schmidt O, Pfanner N, Meisinger C: Cell cycle-dependent regulation of mitochondrial preprotein translocase. Science, 2014; 346: 1109-1113.
• Qiu J, Wenz LS, Zerbes RM, Oeljeklaus S, Bohnert M, Stroud DA, Wirth C, Ellenrieder L, Thornton N, Kutik S, Wiese S, Schulze-Specking A, Zufall N, Chacinska A, Guiard B, Hunte C, Warscheid B, van der Laan M, Pfanner N, Wiedemann N, Becker T: Coupling of mitochondrial import and export translocases by receptor-mediated supercomplex formation. Cell, 2013; 154 (3) : 596-608: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2013.06.033
• Schmidt O, Harbauer AB, Rao S, Eyrich B, Zahedi RP, Stojanovski D, Schonfisch B, Guiard B, Sickmann A, Pfanner N, Meisinger C: Regulation of mitochondrial protein import by cytosolic kinases. Cell, 2011; 144 (2) : 227-239: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2010.12.015
• Stroud DA, Meisinger C, Pfanner N, Wiedemann N: Biochemistry. Assembling the outer membrane. Science, 2010; 328 (5980) : 831-832: http://dx.doi.org/10.1126/science.1190507
• Chacinska A, Koehler CM, Milenkovic D, Lithgow T, Pfanner N: Importing mitochondrial proteins: machineries and mechanisms. Cell, 2009; 138 (4) : 628-644: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2009.08.005
• Wiedemann N, Meisinger C, Pfanner N: Cell biology. Connecting organelles. Science, 2009; 325 (5939) : 403-404: http://dx.doi.org/10.1126/science.1178016
• Wiedemann N, van der Laan M, Pfanner N: SnapShot: import and sorting of mitochondrial proteins. Cell, 2009; 138 (4) : 808-808.e1: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2009.08.004
• Vögtle FN, Wortelkamp S, Zahedi RP, Becker D, Leidhold C, Gevaert K, Kellermann J, Voos W, Sickmann A, Pfanner N, Meisinger C: Global analysis of the mitochondrial N-proteome identifies a processing peptidase critical for protein stability. Cell, 2009; 139: 428-439.
• Kutik, S., Stojanovski, D., Becker, L., Becker, T., Meinecke, M., Krüger, V., Prinz, C., Meisinger, C., Guiard, B., Wagner, R., Pfanner, N., and Wiedemann, N. (2008). Dissecting membrane insertion of mitochondrial β-barrel proteins. Cell 132, 1011-1024.
• Meisinger, C., Sickmann, A., and Pfanner, N. (2008). The mitochondrial proteome: from inventory to function. Cell 134, 22-24.
• Meinecke, M., Wagner, R., Kovermann, P., Guiard, B., Mick, D.U., Hutu, D.P., Voos, W., Truscott, K.N., Chacinska, A., Pfanner, N., and Rehling, P. (2006). Tim50 maintains the permeability barrier of the mitochondrial inner membrane. Science 312, 1523-1526.
• Chacinska, A., Lind, M., Frazier, A.E., Dudek, J., Meisinger, C., Geissler, A., Sickmann, A., Meyer, H.E., Truscott, K.N., Guiard, B., Pfanner, N., and Rehling, P. (2005). Mitochondrial presequence translocase: switching between TOM tethering and motor recruitment involves Tim21 and Tim17. Cell 120, 817-829.
• Pfanner, N., Wiedemann, N., and Meisinger, C. (2004). Double membrane fusion. Science 305, 1723-1724.
• Rehling, P., Model, K., Brandner, K., Kovermann, P., Sickmann, A., Meyer, H.E., Kühlbrandt, W., Wagner, R., Truscott, K.N., and Pfanner, N. (2003). Protein insertion into the mitochondrial inner membrane by a twin-pore translocase. Science 299, 1747-1751.
• Wiedemann, N., Kozjak, V., Chacinska, A., Schönfisch, B., Rospert, S., Ryan, M.T., Pfanner, N., and Meisinger, C. (2003). Machinery for protein sorting and assembly in the mitochondrial outer membrane. Nature 424, 565-571.
• Geissler, A., Chacinska, A., Truscott, K.N., Wiedemann, N., Brandner, K., Sickmann, A., Meyer, H.E., Meisinger, C., Pfanner, N., and Rehling, P. (2002). The mitochondrial presequence translocase: an essential role of Tim50 in directing preproteins to the import channel. Cell 111, 507-518.
• van Wilpe, S., Ryan, M.T., Hill, K., Maarse, A.C., Meisinger, C., Brix, J., Dekker, P.J.T., Moczko, M., Wagner, R., Meijer, M., Guiard, B., Hönlinger, A., and Pfanner, N. (1999). Tom22 is a multifunctional organizer of the mitochondrial preprotein translocase. Nature 401, 485-489.
• Voisine, C., Craig, E.A., Zufall, N., von Ahsen, O., Pfanner, N., and Voos, W. (1999). The protein import motor of mitochondria: unfolding and trapping of preproteins are distinct and separable functions of matrix Hsp70. Cell 97, 565-574.
• Hill, K., Model, K., Ryan, M.T., Dietmeier, K., Martin, F., Wagner, R., and Pfanner, N. (1998). Tom40 forms the hydrophilic channel of the mitochondrial import pore for preproteins. Nature 395, 516-521.
• Dietmeier, K., Hönlinger, A., Bömer, U., Dekker, P.J.T., Eckerskorn, C., Lottspeich, F., Kübrich, M., and Pfanner, N. (1997). Tom5 functionally links mitochondrial preprotein receptors to the general import pore. Nature 388, 195-200.
• Kiebler, M., Keil, P., Schneider, H., van der Klei, I.J., Pfanner, N., and Neupert, W. (1993). The mitochondrial receptor complex: a central role of MOM22 in mediating preprotein transfer from receptors to the general insertion pore. Cell 74, 483-492.
• Pfanner, N., Rassow, J., van der Klei, I.J., and Neupert, W. (1992). A dynamic model of the mitochondrial protein import machinery. Cell 68, 999-1002.
• Söllner, T., Rassow, J., Wiedmann, M., Schloßmann, J., Keil, P., Neupert, W., and Pfanner, N. (1992). Mapping of the protein import machinery in the mitochondrial outer membrane by crosslinking of translocation intermediates. Nature 355, 84-87.
• Schneider, H., Söllner, T., Dietmeier, K., Eckerskorn, C., Lottspeich, F., Trülzsch, B., Neupert, W., and Pfanner, N. (1991). Targeting of the master receptor MOM19 to mitochondria. Science 254, 1659-1662.
• Söllner, T., Pfaller, R., Griffiths, G., Pfanner, N., and Neupert, W. (1990). A mitochondrial import receptor for the ADP/ATP carrier. Cell 62, 107-115.
• Kiebler, M., Pfaller, R., Söllner, T., Griffiths, G., Horstmann, H., Pfanner, N., and Neupert, W. (1990). Identification of a mitochondrial receptor complex required for recognition and membrane insertion of precursor proteins. Nature 348, 610-616.
• Neupert, W., Hartl, F.-U., Craig, E.A., and Pfanner, N. (1990). How do polypeptides cross the mitochondrial membranes? Cell 63, 447-450.
• Kang, P.-J., Ostermann, J., Shilling, J., Neupert, W., Craig, E.A., and Pfanner, N. (1990). Requirement for hsp70 in the mitochondrial matrix for translocation and folding of precursor proteins. Nature 348, 137-143.
• Söllner, T., Griffiths, G., Pfaller, R., Pfanner, N., and Neupert, W. (1989). MOM19, an import receptor for mitochondrial precursor proteins. Cell 59, 1061-1070.
• Pfanner, N., Orci, L., Glick, B.S., Amherdt, M., Arden, S.R., Malhotra, V., and Rothman, J.E. (1989). Fatty acyl-coenzyme A is required for budding of transport vesicles from Golgi cisternae. Cell 59, 95-102.
• Pfanner, N., Tropschug, M., and Neupert, W. (1987). Mitochondrial protein import: nucleoside triphosphates are involved in conferring import-competence to precursors. Cell  49, 815-823.