Aging in human liver and skeletal muscle: studies on proteasomes

Aging is a complex phenomenon that affects organs and tissues at a different rate. With advancing age, the skeletal muscle undergoes a progressive loss of mass and strength, a process known as sarcopenia that leads to a decreased mobility and increased risk of falls and invalidity. On the other side, another organ such as the liver that is endowed with a peculiar regenerative capacity seems to be only marginally affected by aging. Accordingly, clinical data indicate that liver transplantation from aged subjects has, in specific conditions, function and duration comparable to those achievable with grafts of liver from young donors. The molecular mechanisms involved in these peculiar aging patterns are still largely unknown, but it is conceivable that protein degradation machineries might play an important role, as they are responsible for the maintenance of cellular homeostasis. Indeed, it has been suggested that alteration of proteostasis may contribute to the onset and progression of several age-related pathological conditions, including skeletal muscle wasting and sarcopenia, as well as to the aging phenotypes. The ubiquitin-proteasome system (UPS) is one of the most important cellular pathways for intracellular degradation of short-lived as well as damaged proteins. To date, studies on the age-related modifications of proteasomes in liver and skeletal muscle were performed prevalently in rodents, with controversial results, while only preliminary observations have been obtained in human liver and skeletal muscle. In this scenario, we want to investigate and characterize in humans the age-related modifications of proteasomes of these two different organs.

Isolierung und Charakterisierung der ER-residenten Aminopeptidase ERMP1 und Untersuchung ihrer Funktion in der Prozessierung MHC I restringierter CTL Epitope

Die effiziente Generierung von Peptid-Epitopen aus zelleigenen oder viralen Proteinen für die Präsentation auf „Major Histocompatibility Complex I“ (MHC I) Molekülen ist essentiell für die Aktivierung des adaptiven Immunsystems und die Effektorfunktion der CD8+ zytotoxischen T-Zellen (CTLs). CTLs erkennen diese Peptide in Kontext mit MHC I Molekülen über ihren spezifischen T-Zellrezeptor (TCR). Die Generierung dieser Epitope ist das Resultat eines komplexen proteolytischen Prozesses, der im Zytosol und im endoplasmatischen Retikulum (ER) stattfindet. Im Zytosol generiert das Proteasom N-terminal verlängerte Epitop-Vorläufer. Diese werden durch weitere zytosolische Proteasen abgebaut, es sei denn, sie werden durch den „transporter associated with antigen processing“ (TAP) in das ER transportiert. Dort werden sie durch Aminopeptidasen getrimmt, um den Bindungsvoraussetzungen der MHC I Moleküle zu genügen. Im murinen System ist die „ER aminopeptidase associated with antigen processing“ (ERAAP) die bislang einzige beschriebene Aminopeptidase, die dieses N-terminale Trimming von CTL Epitopen vermitteln kann. Das Profil der proteolytischen Aktivität in angereichertem murinen ER kann jedoch nicht allein durch die Aktivität von ERAAP erklärt werden, was auf die Anwesenheit weiterer Aminopeptidasen mit einer potentiellen Funktion in der Antigenprozessierung hinweist. In dieser Arbeit konnte die immunologisch bislang noch nicht beschriebene Aminopeptidase ERMP1 (endoplasmic reticulum metallopeptidase 1) im murinen ER identifiziert werden. Nach Aufreinigung muriner Mikrosomen und anschließender Anionenaustausch-Chromatographie wurden die gesammelten Fraktionen mit fluorogenen Substraten auf Aminopeptidase-Aktivität getestet. Durch massenspektrometrische Analyse konnten in den beobachteten Peaks die schon beschriebenen Aminopeptidasen ERAAP, die „insulin regulated aminopeptidase“ IRAP und die immunologisch bislang nicht beschriebene Aminopeptidase ERMP1 identifiziert werden. Durch Fluoreszenzmikroskopie konnte die intrazelluläre Lokalisation von ERMP1 im ER durch Kolokalisation mit TAP verifiziert werden. Wie viele Komponenten des MHC I Prozessierungsweges wird auch die Expression von ERMP1 durch IFN-γ stimuliert. Dies macht ERMP1 zu einer potentiellen zweiten trimmenden Aminopeptidase im murinen ER. Überexpression von ERMP1 hat einen allelspezifischen Einfluss auf die globale MHC I Präsentation auf der Zelloberfläche und durch Überexpression und shRNA vermitteltes gene silencing konnte außerdem ein epitopspezifischer Effekt nachgewiesen werden. Da N-terminales Trimming durch ERAAP mit der Evasion von Tumoren und veränderter Immundominanz assoziiert wird, ist die detaillierte Charakterisierung der Aminopeptidase ERMP1 ein wichtiger Schritt zum Verständnis der MHC I Antigen-Prozessierung und der Generierung von CTL Epitopen im ER.

Ribosome-inactivating proteins and their immunotoxins for cancer therapy: insights into the mechanism of cell death

Ribosome-inactivating proteins (RIPs) are a family of plant toxic enzymes that permanently damage ribosomes and possibly other cellular substrates, thus causing cell death involving different and still not completely understood pathways. The high cytotoxic activity showed by many RIPs makes them ideal candidates for the production of immunotoxins (ITs), chimeric proteins designed for the selective elimination of unwanted or malignant cells. Saporin-S6, a type 1 RIP extracted from Saponaria officinalis L. seeds, has been extensively employed to construct anticancer conjugates because of its high enzymatic activity, stability and resistance to conjugation procedures, resulting in the efficient killing of target cells. Here we investigated the anticancer properties of two saporin-based ITs, anti-CD20 RTX/S6 and anti-CD22 OM124/S6, designed for the experimental treatment of B-cell NHLs. Both ITs showed high cytotoxicity towards CD20-positive B-cells, and their antitumor efficacy was enhanced synergistically by a combined treatment with proteasome inhibitors or fludarabine. Furthermore, the two ITs showed differencies in potency and ability to activate effector caspases, and a different behavior in the presence of the ROS scavenger catalase. Taken together, these results suggest that the different carriers employed to target saporin might influence saporin intracellular routing and saporin-induced cell death mechanisms. We also investigated the early cellular response to stenodactylin, a recently discovered highly toxic type 2 RIP representing an interesting candidate for the design and production of a new IT for the experimental treatment of cancer.

Charakterisierung einer pflanzlichen Variante des Cytoskelettproteins gamma-Tubulin durch Strukturmodellierung, Überexpression und Analyse der Interaktionspartner

Wie alle Eukaryoten besitzen auch höhere Pflanzen ein mikrotubuläres Cytoskelett. Einige Funktionen dieses Cytoskeletts sind relativ stark konserviert, andere dagegen scheinen sehr pflanzenspezifisch zu sein. Dies betrifft insbesondere charakteristische mikrotubuläre Netzwerke, die bei der Neubildung und der Verstärkung der Zellwände wichtige Rollen übernehmen. Wie der Aufbau dieser Netzwerke kontrolliert wird, ist bisher relativ unklar. Typische Mikrotubuli organisierende Zentren (MTOC), insbesondere Centrosomen oder Spindelpolkörper, sind bei höheren Pflanzen nicht beobachtet worden. Von pilzlichen und tierischen Organismen weiß man, dass gamma-Tubulin (gTUB) mit seinen assoziierten Proteinen in den MTOC bei der Nukleation von Mikrotubuli eine Schlüsselfunktion hat. Dieses Mitglied der Tubulin-Superfamilie wird aber auch in Pflanzen gefunden, dessen genaue Funktion bisher unbekannt ist. Zu Beginn der Arbeit wurden mittels in silico Berechnungen Strukturmodelle des pflanzlichen gTUBs aus Nicotiana tabacum erarbeitet, da die Struktur, die zu einem Verständnis der pflanzlichen Wachstumsregulation beitragen könnte, bisher unbekannt ist. Auf Grundlage der bioinformatischen Daten konnte für weitere Studien eine notwendige gTUB-Deletionsmutante entwickelt werden. Für Röntgendiffraktionsstudien und gTUB-Interaktionspartneranalysen war die Verfügbarkeit verhältnismäßig großer Proteinmengen notwendig. Die Expression der gTUB-Volllängensequenz in gelöster und aktiver Form stellte einen immanent wichtigen Zwischenschritt dar. Das Escherichia coli T7/lacO-Expressionssystem lieferte, trotz vielversprechender Erfolge in der Vergangenheit, kein gelöstes rekombinantes gTUB. So wurden zwar verhältnismäßig hohe Expressionsraten erzielt, aber das rekombinante gTUB lag quantitativ als Inclusion bodies vor. Eine Variationen der Expressionsparameter sowie umfangreiche Versuche mittels verschiedenster Konstrukte sowie potentiell die Löslichkeit erhöhenden Tags gTUB in gelöster Form in E. coli zu exprimieren blieben erfolglos. Eine Denaturierung der Inclusion bodies und Rückfaltung wurde aufgrund der wohl bei der Tubulinfaltung notwendigen komplexeren Chaperone sowie thermodynamischer Überlegungen ausgeschlossen. Die höher evolvierte Chaperonausstattung war ein Hauptgrund für die Verwendung der eukaryotischen Hefe-Expressionssysteme K. lactis und des S. cerevisiae-Stammes FGY217 zur gTUB-Expression. So konnten nach der Selektion nur transgene Hefe-Zellen dokumentiert werden, die die gTUB-Expressionskassette nachweislich an der vorgesehenen Zielposition in ihrem Genom integrierten, aber keine dokumentierbare Expression zeigten. Die wahrscheinlichste Begründung hierfür ist, dass ein erhöhter intrazellulärer gTUB-Titer mit dem Zellwachstum und der Zellteilung dieser eukaryotischen Organismen interferierte und durch Rückkopplungen die rekombinante gTUB-CDS aus N. tabacum ausgeschaltet wurde. Der Versuch einer transienten gTUB-Überexpression in differenzierten Blattgeweben höherer Pflanzen war eine logische Konsequenz aus den vorherigen Ergebnissen und lieferte, wenn auch nicht die für eine Proteinkristallisation notwendigen Mengen, gelöstes gTUB. Bestrebungen einer stabilen Transfektion von A. thaliana oder BY-2-Zellkulturen mit einer gTUB-CDS lieferten keine transgenen Organismen, was starke Interferenzen der rekombinanten gTUB-CDS in den Zellen vermuten lies. Transfektionsversuche mit nur GFP tragenden Konstrukten ergaben hingegen eine hohe Anzahl an transgenen Organismen, die auch verhältnismäßig starke Expressionsraten zeigten. Die erzielten Proteinmengen bei der transienten gTUB-Überexpression in N. benthamiana Blattgeweben, in Co-Expression mit dem Posttransriptional Gene Silencing-Suppressorprotein p19, waren für einen Pull-Down sowie eine massenspektroskopische Analyse der Interaktionspartner ausreichend und ergaben Befunde. Eine abschließende Auswertung des erarbeiteten massenspektroskopischen Datensatzes wird jedoch erst dann möglich sein, wenn das Tabak-Proteom vollständig sequenziert ist. Die Erweiterung der bestehenden pflanzlichen Vergleichsdatenbanken um das bisher bekannte Tabak-Proteom vervielfachte die Anzahl der in dieser Studie identifizierten gTUB-Interaktionspartner. Interaktionen mit dem TCP1-Chaperon untermauern die Hypothese der zur Faltung pflanzlichen gTUBs notwendigen Chaperone. Beobachtete gTUB-Degradationsmuster in Verbindung mit Interaktionen des 26S-Proteasoms deuten auf eine Gegenregulationen bei erhöhtem gTUB-Titer auf Proteinebene hin. Da Blattgewebe selbst nur noch über eine sehr geringe und inhomogene Teilungsaktivität verfügen ist diese Regulation hoch spannend. Auch konnte durch Co-Expression des PTGS-Suppressorproteins p19 gezeigt werden, dass bei der gTUB-Expression eine Regulation auf RNA-Ebene erfolgt.

Charakterisierung und funktionelle Analyse verschiedener Isoformen von Clusterin (Apolipoprotein J)

Clusterin (CLU), auch bekannt unter dem Namen Apolipoprotein J (ApoJ), wird von Zellen als hetreodimeres Glykoprotein exprimiert und in den extrazellulären Raum sezerniert. Es wird daher auch als sezerniertes CLU (sCLU) bezeichnet. Neben sCLU sind auch nicht-sezernierte Isoformen von CLU bekannt, die in der vorliegenden Arbeit erforscht wurden. Ziel dabei war es, die Expression, die Biogenese, sowie die Funktion dieser Proteine zu ergründen. Nicht-sezernierte CLU-Formen werden ausschließlich von Zellen exprimiert, die zuvor einer Stresssituation ausgesetzt wurden. Dies konnte insbesondere durch Kultur verschiedener Zelllinien bei erhöhter Temperatur oder durch Behandlung mit dem Proteasominhibitor MG 132 demonstriert werden, worauf neben sCLU auch 50 kDa bzw. 45 kDa große, nicht-sezernierte CLU-Proteine in geringen Mengen exprimiert wurden. Bezüglich der Biogenese dieser Proteine wurden mehrere Hypothesen bzw. Mechanismen diskutiert und in dieser Arbeit untersucht: alternative Translationsstartpunkte auf verschiedenen mRNAs, alternatives Splicing einzelner mRNAs sowie Retrotranslokation oder Mistranslokation von sCLU-Vorläuferproteinen. Um die Hypothesen eruieren zu können, musste zuerst eine Expressionsanalyse der bekannten CLU-mRNAs durchgeführt werden. Über 5’-RACE, semi-quantitative und quantitative PCRs wurde die Expression von vier CLU-mRNAs sowie deren Induktion auf Zellstress hin festgestellt. Variante 1 (BP211675) ist die dominante CLU-mRNA und macht über 99,5 % an CLU-mRNA in unbehandelten sowie in gestressten Zellen aus. Des Weiteren sind geringste Mengen der mRNA-Varianten 2 und 3 (NR_038335.1 und NR_045494.1) detektiert worden, deren Sequenzen sich lediglich in ihrem alternativen Exon 1 von Variante 1 unterscheiden. Schließlich konnte die Expression von Variante 1 [Δex2] festgestellt werden, welcher durch alternatives Splicing, i.e. Exon-skipping, das Exon 2 mit der ER-Signalsequenz-codierenden Region (SSCR) fehlt. HEK 293-Zellen, die transient mit je einer der rekombinanten CLU-mRNAs in Form rekombinanter cDNA transfiziert wurden, exprimierten neben großen Mengen sCLU auch geringe Mengen an den nicht-sezernierten CLU-Isoformen. Die anschließend durchgeführten in vitro Mutagenesen belegen, dass alle Isoformen ausgehend von distinkten Translationsstartpunkten aus synthetisiert werden. CLU1-449 (50 kDa) wird als prä-Proprotein von sCLU ausgehend von einem Startcodon auf Exon 2 unmittelbar vor der SSCR translatiert. Unter Zellstress-Bedingungen kann es zu einer Mistranslokation während der co-translationalen Translokation kommen, sodass Teile von CLU1-449 im Cytosol akkumulieren. CLU21-449 (50 kDa) wird ausgehend von einem CUG-Startcodon downstream der SSCR über interne Translationsinitiation gebildet. Analoges gilt für CLU34-449 (45 kDa), welches von einem AUG-Startcodon auf Exon 3 translatiert wird. CLU34-449 ist außerdem die einzige CLU-Form die von Variante 1 [Δex2] codiert wird. Somit konnten drei der in der Literatur postulierten Mechanismen zur Ent-stehung nicht-sezernierter CLU-Isoformen in gestressten Zellen verifiziert werden. Die Mistranslokation von sCLU-Vorläuferproteinen, welche entscheidend zum Auftreten der nicht-sezernierten CLU-Formen beiträgt, die Alternative Translationsinitiation an distinkten Startcodons sowie das alternative Splicing von CLU-mRNA-Variante 1. Weiterführende Experimente bestätigten, dass alle nicht-sezernierten CLU-Isoformen im Cytosol der Zellen lokalisiert sind und keine Glykosylierungen tragen. Somit konnte ein weiterer, in der Literatur kontrovers diskutierter Punkt bezüglich dieser Proteine geklärt werden. Abschließend wurde die physiologische Funktion der einzelnen CLU-Isoformen analysiert. Dabei zeigte sich, dass ausschließlich sCLU eine Chaperonaktivität zukommt, die es ermöglicht, durch Hitze denaturierte Zielproteine in Lösung zu halten. Diese Funktion konnte nicht für die cytosolischen Iso¬formen bestätigt werden. Weiterhin konnte keine Auswirkung einzelner CLU-Formen auf die intrinsische Apoptose oder auf den NF κB-vermittelten Signaltransduktionsweg festgestellt werden, obgleich entsprechende Einflüsse von anderen Arbeitsgruppen postuliert wurden. Die hier gemachten Beobachtungen werfen daher die Frage auf, ob den nicht-sezernierten, cytosolischen CLU-Isoformen überhaupt eine physiologische Funktion zukommt und stellen aktuelle Hypothesen bezüglich der Rolle von CLU bei pathophysiologischen Prozessen infrage.

Untersuchungen zur Wirkung des Ginkgo-biloba-Extraktes EGb 761 auf die Proteinaggregation in der Huntington-Krankheit

Der Ginkgo biloba-Extrakt EGb 761 besteht aus einer Reihe pharmakologisch wirksamer Substanzen, welche gut beschriebene Wirkungen auf verschiedene potentiell zytoprotektive Signalwege ausüben und u.a. antioxidative Wirksamkeit haben. Folglich wurde EGb 761 bisher als eine natürliche Behandlung bei neurodegenerativen Erkrankungen mit zellulärem oxidativen Stress angewendet, einschließlich der Alzheimer-Krankheit (AD). Aufgrund von vielen gemeinsamen Merkmalen zwischen der AD und der Huntington-Krankheit (HD) wurde vermutet, dass EGb 761 eventuell auch positive Wirksamkeit bei der HD aufweisen könnte. rnDie Neuropathologie der HD wird durch pathologische Verlängerung an Glutamin-Wiederholungen im Huntingtin-Protein (polyQ-Protein) verursacht, wodurch es zu Fehlfaltungen im Protein kommt und hierdurch der proteasomale Abbau aberranter Proteine erschwert wird. Somit sollten in der vorliegenden Arbeit die EGb 761-Wirkungen auf die Proteasom-Aktivität und die Proteinaggregation in zellulären Modellen der HD untersucht werden. rnWie die ersten Untersuchungen in nativen HEK293-Zellen ergaben, bewirkte die Behandlung der Zellen mit EGb 761 eine Steigerung der basalen Proteasom-Aktivität sowie des proteasomalen Proteinabbaus und erhöhte die Transkription proteasomaler Gene. Hieraus ergaben sich Untersuchungen in Zellen mit Expressionen pathologischer Varianten von polyQ-Proteinen als zelluläre Modelle der HD. Hierbei konnte festgestellt werden, dass die Expression aberranter polyQ-Proteine eine verminderte zelluläre Proteasom-Aktivität bewirkte. Interessanterweise verursachte EGb 761 eine Abmilderung der pathologisch-induzierten verminderten Proteasom-Aktivität, in dem die EGb 761-Behandlung der Zellen zu einer erhöhten Proteasom-Aktivität, einem verbesserten proteasomalen Proteinabbau, sowie zu einer erhöhten Transkription proteasomaler Gene führte. Da diese EGb 761-Effekte unabhängig von der Expression aberranter polyQ-Proteine waren, demonstrierten diese Ergebnisse eine allgemeine EGb 761-Wirkungen auf die Proteasom-Aktivität. Anhand dieser Ergebnisse sollten anschließend weitere Untersuchungen mit zellulären Modellen der HD die genau Wirkung von EGb 761 auf die Degradation von abnormal verlängerten polyQ-Proteinen sowie auf die Bildung von polyQ-Aggregaten klären. rnHier konnte gezeigt werden, dass die Expression aberranter polyQ-Proteinen zu einer Akkumulation von SDS-resistenten bzw. SDS-unlöslichen, aggregierten polyQ-Proteinen führte, sowie die Bildung von sichtbaren polyQ-Aggregaten in Zellen bewirkte. Hierbei verursachte eine EGb 761-Behandlung der Zellen eine signifikante Verminderung im Gehalt an SDS-resistenten polyQ-Proteinen sowie eine Reduzierung von Aggregat-tragenden Zellen. Zudem konnte gezeigt werden, dass eine pharmakologische Inhibition des Proteasoms in EGb 761-behandelten Zellen, den Gehalt an SDS-unlöslichen polyQ-Proteinaggregate wieder erhöhte und somit den Effekt von EGb 761 aufhob. Folglich zeigten diese Ergebnisse, dass die EGb 761-induzierte Reduzierung der polyQ-Proteinaggregate durch einen effizienteren proteasomalen Abbau von fehlgefalteten, aberranten polyQ-Proteinen bewirkte wurde. rnAufbauend auf diesen Ergebnissen wurde eine experimentell-therapeutische Anwendung von EGb 761 in Modellen der HD in vitro und in vivo überprüft und hierzu primäre humane Fibroblasten sowie transgene C. elegans Würmer mit Expressionen aberranter polyQ-Proteine untersucht. Interessanterweise konnte in vitro und in vivo gezeigt werden, dass die EGb 761-Behandlung auch hier eine Reduzierung von SDS-unlöslichen polyQ-Proteinen bewirkte und zudem eine Reduzierung des pathologisch erhöhten Gehalts an Polyubiquitin-Proteinen bewirkte. Folglich wurde auch hier vermutet, dass EGb 761 einen verbesserten proteasomalen Abbau von polyQ-Proteinen induzierte und dies eine Verminderung der polyQ-Proteinaggregate verursachte. Darüber hinaus führte die EGb 761-Behandlung von seneszenten Fibroblasten zur Reduzierung von altersabhängig erhöhten Mengen von polyQ-Aggregaten, wodurch ein therapeutischer Effekt auf den proteasomalen Abbau der polyQ-Proteine verdeutlicht wurde. Zusätzlich konnte in polyQ-transgenen C. elegans demonstriert werden, dass eine EGb 761-Behandlung die Abmilderung eines typischen pathologischen Phänotyps bewirkte, indem eine polyQ-induzierte verminderte Motilität der Nematoden verbessert wurde und hierdurch eine positive EGb 761-Wirkung auf die Pathologie der HD in vivo dargestellt wurde. rnZusammenfassend konnten in dieser Arbeit neue Wirkungen von EGb 761 in der HD demonstriert werden. Hierbei wurde gezeigt, dass EGb 761 die Aggregation von pathogenen aberranten polyQ-Proteinen in vitro und in vivo reduziert, indem eine effizientere Degradation von polyQ-Proteinen erfolgt. Somit könnte diese Wirkungen von EGb 761 eine potentiell therapeutische Anwendung in der HD und ähnliche neurodegenerativen Erkrankungen darstellen.

Der Einfluss der löslichen Spaltprodukte des Amyloid-beta-Vorläuferproteins auf die Proteinhomöostase

Die Alzheimer’sche Erkrankung (AD) ist die am häufigsten vorkommende Form der Demenz. Die Spaltung des APP scheint eine große Rolle in der Pathologie der Erkrankung zu spielen. APP kann auf zwei Wegen prozessiert werden. Dem amyloidogenen Weg, bei dem neben einem löslichen extrazellulären Fragment (sAPPβ) und der APP Intrazellulären Domäne (AICD) auch Aβ entsteht. Auf dem nicht-amyloidogenen Weg entsteht sAPPα, p3 und die AICD. Dem sAPPα werden neuroprotektiv Eigenschaften zugeschrieben. rnEs konnte gezeigt werden, dass sAPPα in jungen IMR90 Zellen, den durch proteasomalen Stress ausgelösten Anstieg der Bag3 und Hsp70 Proteinlevel senkt. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass sAPPα die Zellviabilität nach proteasomalen Stress erhöht und weniger Aggresomen gebildet werden. Die Analyse der proteasomalen Aktivität zeigte, dass sAPPα die proteasomale Aktivität gestresster junger Zellen erhöhen kann. In alten IMR90 Zellen konnte keine Beeinflussung der Autophagie und der proteasomalen Aktivität festgestellt werden. Das ist ein Anhaltspunkt dafür, dass im Alter das Proteasom zu stark geschädigt ist, um durch sAPPα aktiviert zu werden. Das bei der amyloidogenen Prozessierung von APP entstehende sAPPβ zeigte eine ähnliche protektive Eigenschaft. rnInsgesamt konnte ein protektiver Einfluss von sAPPα und sAPPβ unter proteotoxischen Bedingungen in jungen und klonalen Zellen gezeigt werden, wodurch die Zellviabilität verbessert wird. rn

RAB3GAP1 und RAB3GAP2 (RAB3 GTPase-activating Protein 1/2) beeinflussen die Autophagie in C. elegans und humanen Zellen

Die Proteinhomöostase wird in der Zelle von drei Stoffwechselwegen reguliert: den molekularen Chaperonen, dem Ubiquitin-Proteasom-System und dem autophagosomalen Abbauweg. Die (Makro)Autophagie verpackt und transportiert zytosolische Komponenten in Autophagosomen zu den Lysosomen, wo sie abgebaut werden. Eine Störung dieses Abbauwegs wirkt auf die Proteostase.rnIn dieser Dissertation wurde C. elegans als Modellorganismus zur Erforschung von Proteinstabilität genutzt. In einer RNAi-vermittelten Proteostase-Analyse von Chromosom I und ausgewählter zusätzlicher Gene wurde ein Wurmstamm, der ein Luc::GFP-Konstrukt im Muskel exprimiert, genutzt. Dieses Reporterprotein aggregiert unter Hitzestressbedingungen und diese Aggregation kann durch Modulatoren der Proteostase beeinflusst werden. Dabei wurden mögliche neue Faktoren der Proteinhomöostase entdeckt. Durch weitere Experimente bei denen die Aggregation von PolyQ35::YFP im AM140-System, der Paralyse-Phänotyp und die Akkumulation Thioflavin S-gefärbter Aggregate von Aβ42 im CL2006-Wurmstamm und die Effekte auf die Autophagie mittels eines GFP::LGG1-Konstrukt analysiert wurden, konnten rbg-1 und rbg-2 als neue Modulatoren der Proteinhomöostase, insbesondere der Autophagie, identifiziert werden.rnIm Säuger bilden beide Orthologe dieser Gene, RAB3GAP1 und RAB3GAP2 den heterodimeren RAB3GAP-Komplex, der bisher nur bekannt war für die Stimulation der Umwandlung der GTP-gebundenen aktiven Form zur GDP-gebundenen inaktiven Form der RAB GTPase RAB3. In Immunoblot-Analysen und mikroskopischen Darstellungen im Säugersystem konnte gezeigt werden, dass die Effekte auf die Proteostase über den autophagosomalen Abbauweg wirken. RAB3GAP1/2 wirken als positive Stimulatoren, wenn die Lipidierung von LC3-I und der autophagische Flux von LC3-II und p62/SQSTM1 betrachtet werden. Diese Effekte werden aber nicht über die RAB GTPase RAB3 vermittelt. Die Proteine FEZ1 und FEZ2 haben einen antagonistischen Effekt auf die Autophagie und wenn alle vier Komponenten RAB3GAP1, RAB3GAP2, FEZ1 und FEZ2 zusammen herunter- oder hochreguliert werden, heben sich diese Effekte auf. In Co-Immunopräzipitationen und proteomischen Analysen konnte keine direkte Interaktion zwischen dem RAB3GAP-Komplex und FEZ1/2 oder zu anderen Autophagie-Genen nachgewiesen werden.rnHier konnte der RAB3GAP-Komplex funktionell mit Proteostase und Autophagie in C. elegans und Säugerzellen assoziiert werden. Dieser Komplex zeigt Einflüsse auf die autophagosomale Biogenese indem sie die Proteostase und die Bildung von (prä)autophagosomalen Strukturen in C. elegans und die Lipidierung von LC3 und damit den autophagischen Flux der Autophagiesubstrate LC3-II und p62/SQSTM1 in Säugerzellen beeinflusst. Darüber hinaus wirkt RAB3GAP der komplexen Autophagie-Unterdrückung durch FEZ1 und FEZ2 entgegen. Somit konnte gezeigt werden, dass RAB3GAP als neuartiger Faktor auf die autophagosomale Biogenese und somit auf die Proteostase wirkt.rn

Neuronal precursor cell-expressed developmentally down-regulated 4-1 (NEDD4-1) controls the sorting of newly synthesized Ca(V)1.2 calcium channels

Neuronal precursor cell-expressed developmentally down-regulated 4 (Nedd4) proteins are ubiquitin ligases, which attach ubiquitin moieties to their target proteins, a post-translational modification that is most commonly associated with protein degradation. Nedd4 ubiquitin ligases have been shown to down-regulate both potassium and sodium channels. In this study, we investigated whether Nedd4 ubiquitin ligases also regulate Ca(v) calcium channels. We expressed three Nedd4 family members, Nedd4-1, Nedd4-2, and WWP2, together with Ca(v)1.2 channels in tsA-201 cells. We found that Nedd4-1 dramatically decreased Ca(v) whole-cell currents, whereas Nedd4-2 and WWP2 failed to regulate the current. Surface biotinylation assays revealed that Nedd4-1 decreased the number of channels inserted at the plasma membrane. Western blots also showed a concomitant decrease in the total expression of the channels. Surprisingly, however, neither the Ca(v) pore-forming α1 subunit nor the associated Ca(v)β and Ca(v)α(2)δ subunits were ubiquitylated by Nedd4-1. The proteasome inhibitor MG132 prevented the degradation of Ca(v) channels, whereas monodansylcadaverine and chloroquine partially antagonized the Nedd4-1-induced regulation of Ca(v) currents. Remarkably, the effect of Nedd4-1 was fully prevented by brefeldin A. These data suggest that Nedd4-1 promotes the sorting of newly synthesized Ca(v) channels for degradation by both the proteasome and the lysosome. Most importantly, Nedd4-1-induced regulation required the co-expression of Ca(v)β subunits, known to antagonize the retention of the channels in the endoplasmic reticulum. Altogether, our results suggest that Nedd4-1 interferes with the chaperon role of Ca(v)β at the endoplasmic reticulum/Golgi level to prevent the delivery of Ca(v) channels at the plasma membrane.

Avidity determines T-cell reactivity in abacavir hypersensitivity

The antiretroviral drug abacavir (abc) elicits severe drug hypersensitivity reactions in HLA-B*5701(+) individuals. To understand the abc-specific activation of CD8(+) T cells, we generated abc-specific T-cell clones (abc-TCCs). Abc reactivity could not be linked to the metabolism and/or processing of the drug, since abc metabolizing enzymes were not expressed in immune cells and inhibition of the proteasome in APCs did not affect TCC reactivity. Ca(2+) influx assays revealed different reactivity patterns of abc-TCCs. While all TCCs reacted to abc presented on HLA-B*5701 molecules, a minority also reacted immediately to abc in solution. Titration experiments showed that the ability to react immediately to abc correlated significantly with the TCR avidity of the T cells. Modifications of soluble abc concentrations revealed that the reactivity patterns of abc-TCCs were not fixed but dynamic. When TCCs with an intermediate TCR avidity were stimulated with increasing abc concentrations, they showed an accelerated activation kinetic. Thus, they reacted immediately to the drug, similar to the reaction of TCCs of high avidity. The observed immediate activation and the noninvolvement of the proteasome suggest that, in contrast to haptens, abc-specific T-cell stimulation does not require the formation of covalent bonds to produce a neo-antigenic determinant.

Impaired protein stability of 11beta-hydroxysteroid dehydrogenase type 2: a novel mechanism of apparent mineralocorticoid excess

Apparent mineralocorticoid excess (AME) is a severe form of hypertension that is caused by impaired activity of 11beta-hydroxysteroid dehydrogenase type 2 (11beta-HSD2), which converts biologically active cortisol into inactive cortisone. Mutations in HSD11B2 result in cortisol-induced activation of mineralocorticoid receptors and cause hypertension with hypokalemia, metabolic alkalosis, and suppressed circulating renin and aldosterone concentrations. This study uncovered the first patient with AME who was described in the literature, identified the genetic defect in HSD11B2, and provided evidence for a novel mechanism of reduced 11beta-HSD2 activity. This study identified a cluster of amino acids (335 to 339) in the C-terminus of 11beta-HSD2 that are essential for protein stability. The cluster includes Tyr(338), which is mutated in the index patient, and Arg(335) and Arg(337), previously reported to be mutated in hypertensive patients. It was found that wild-type 11beta-HSD2 is a relatively stable enzyme with a half-life of 21 h, whereas that of Tyr(338)His and Arg(337)His was 3 and 4 h, respectively. Enzymatic activity of Tyr(338)His was partially retained at 26 degrees C or in the presence of the chemical chaperones glycerol and dexamethasone, indicating thermodynamic instability and misfolding. The results provide evidence that the degradation of both misfolded mutant Tyr(338)His and wild-type 11beta-HSD2 occurs through the proteasome pathway. Therefore, impaired 11beta-HSD2 protein stability rather than reduced gene expression or loss of catalytic activity seems to be responsible for the development of hypertension in some individuals with AME.

Expression of atrophy mRNA relates to tendon tear size in supraspinatus muscle

Skeletal muscle atrophy and fatty infiltration develop after tendon tearing. The extent of atrophy serves as one prognostic factor for the outcome of surgical repair of rotator cuff tendon tears. We asked whether mRNA of genes involved in regulation of degradative processes leading to muscle atrophy, ie, FOXOs, MSTN, calpains, cathepsins, and transcripts of the ubiquitin-proteasome pathway, are overexpressed in the supraspinatus muscle in patients with and without rotator cuff tears. We evaluated biopsy specimens collected during surgery of 53 consecutive patients with different sizes of rotator cuff tendon tears and six without tears. The levels of corresponding gene transcripts in total RNA extracts were assessed by semiquantitative reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR) analysis. Supraspinatus muscle atrophy was assessed by MRI. The area of muscle tissue (or atrophy), decreased (increased) with increasing tendon tear size. The transcripts of CAPN1, UBE2B, and UBE3A were upregulated more than twofold in massive rotator cuff tears as opposed to smaller tears or patients without tears. These atrophy gene products may be involved in cellular processes that impair functional recovery of affected muscles after surgical rotator cuff repair. However, the damaging effects of gene products in their respective proteolytic processes on muscle structures and proteins remains to be investigated.

The Bcl-2 Protein Family Member Bok Binds to the Coupling Domain of Inositol 1,4,5-Trisphosphate Receptors and Protects Them from Proteolytic Cleavage

Bok is a member of the Bcl-2 protein family that controls intrinsic apoptosis. Bok is most closely related to the pro-apoptotic proteins Bak and Bax, but in contrast to Bak and Bax, very little is known about its cellular role. Here we report that Bok binds strongly and constitutively to inositol 1,4,5-trisphosphate receptors (IP3Rs), proteins that form tetrameric calcium channels in the endoplasmic reticulum (ER) membrane and govern the release of ER calcium stores. Bok binds most strongly to IP3R1 and IP3R2, and barely to IP3R3, and essentially all cellular Bok is IP3R bound in cells that express substantial amounts of IP3Rs. Binding to IP3Rs appears to be mediated by the putative BH4 domain of Bok and the docking site localizes to a small region within the coupling domain of IP3Rs (amino acids 1895–1903 of IP3R1) that is adjacent to numerous regulatory sites, including sites for proteolysis. With regard to the possible role of Bok-IP3R binding, the following was observed: (i) Bok does not appear to control the ability of IP3Rs to release ER calcium stores, (ii) Bok regulates IP3R expression, (iii) persistent activation of inositol 1,4,5-trisphosphate-dependent cell signaling causes Bok degradation by the ubiquitin-proteasome pathway, in a manner that parallels IP3R degradation, and (iv) Bok protects IP3Rs from proteolysis, either by chymotrypsin in vitro or by caspase-3 in vivo during apoptosis. Overall, these data show that Bok binds strongly and constitutively to IP3Rs and that the most significant consequence of this binding appears to be protection of IP3Rs from proteolysis. Thus, Bok may govern IP3R cleavage and activity during apoptosis.

Dynamic patterns of ventricular remodeling and apoptosis in hearts unloaded by heterotopic transplantation

BACKGROUND Mechanical unloading of failing hearts can trigger functional recovery but results in progressive atrophy and possibly detrimental adaptation. In an unbiased approach, we examined the dynamic effects of unloading duration on molecular markers indicative of myocardial damage, hypothesizing that potential recovery may be improved by optimized unloading time. METHODS Heterotopically transplanted normal rat hearts were harvested at 3, 8, 15, 30, and 60 days. Forty-seven genes were analyzed using TaqMan-based microarray, Western blot, and immunohistochemistry. RESULTS In parallel with marked atrophy (22% to 64% volume loss at 3 respectively 60 days), expression of myosin heavy-chain isoforms (MHC-α/-β) was characteristically switched in a time-dependent manner. Genes involved in tissue remodeling (FGF-2, CTGF, TGFb, IGF-1) were increasingly upregulated with duration of unloading. A distinct pattern was observed for genes involved in generation of contractile force; an indiscriminate early downregulation was followed by a new steady-state below normal. For pro-apoptotic transcripts bax, bnip-3, and cCasp-6 and -9 mRNA levels demonstrated a slight increase up to 30 days unloading with pronunciation at 60 days. Findings regarding cell death were confirmed on the protein level. Proteasome activity indicated early increase of protein degradation but decreased below baseline in unloaded hearts at 60 days. CONCLUSIONS We identified incrementally increased apoptosis after myocardial unloading of the normal rat heart, which is exacerbated at late time points (60 days) and inversely related to loss of myocardial mass. Our findings suggest an irreversible detrimental effect of long-term unloading on myocardium that may be precluded by partial reloading and amenable to molecular therapeutic intervention.

The urea transporter family (SLC14): physiological, pathological and structural aspects

Urea transporters (UTs) belonging to the solute carrier 14 (SLC14) family comprise two genes with a total of eight isoforms in mammals, UT-A1 to -A6 encoded by SLC14A2 and UT-B1 to -B2 encoded by SLC14A1. Recent efforts have been directed toward understanding the molecular and cellular mechanisms involved in the regulation of UTs using transgenic mouse models and heterologous expression systems, leading to important new insights. Urea uptake by UT-A1 and UT-A3 in the kidney inner medullary collecting duct and by UT-B1 in the descending vasa recta for the countercurrent exchange system are chiefly responsible for medullary urea accumulation in the urinary concentration process. Vasopressin, an antidiuretic hormone, regulates UT-A isoforms via the phosphorylation and trafficking of the glycosylated transporters to the plasma membrane that occurs to maintain equilibrium with the exocytosis and ubiquitin-proteasome degradation pathways. UT-B isoforms are also important in several cellular functions, including urea nitrogen salvaging in the colon, nitric oxide pathway modulation in the hippocampus, and the normal cardiac conduction system. In addition, genomic linkage studies have revealed potential additional roles for SLC14A1 and SLC14A2 in hypertension and bladder carcinogenesis. The precise role of UT-A2 and presence of the urea recycling pathway in normal kidney are issues to be further explored. This review provides an update of these advances and their implications for our current understanding of the SLC14 UTs.