Identification de nouveaux partenaires protéiques des récepteurs couplés aux protéines G contrôlant leur transport du reticulum endoplasmique à la membrane plasmique

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) forment la plus grande et la plus diversifiée des familles de protéines localisées à la surface cellulaire et responsables de la transmission de signaux à l’intérieur des cellules. D’intenses recherches effectuées au cours des trente dernières années ont mené à l’identification de dizaines de protéines interagissant avec les RCPGs et contrôlant la signalisation, la désensibilisation, l’internalisation et la dégradation de ces importantes cibles pharmacologiques. Contrairement aux processus régulant l’activité des récepteurs à partir de la membrane plasmique, les mécanismes moléculaires contrôlant la biosynthèse des RCPGs dans le reticulum endoplasmique (RE) et leur transport jusqu’à la surface cellulaire sont très peu caractérisés. Une meilleure compréhension de ces processus nécessite l’identification de la machinerie protéique responsable de la maturation des RCPGs. Un crible protéomique basé sur le transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET), qui permet la mesure d’interactions protéiques dans les cellules vivantes, a mené à l’identification de plusieurs nouvelles protéines localisées dans la voie de sécrétion et interagissant potentiellement avec les RCPGs. Ces protéines étant localisées dans les compartiments cellulaires (reticulum endoplasmique et appareil de Golgi) responsables de la synthèse, du repliement adéquat et du transport à la membrane plasmique des récepteurs, il est très probable qu’elles soient impliquées dans le contrôle de l’expression des RCPGs à la surface cellulaire. La caractérisation de l’homologue humain de cornichon 4 (CNIH4), un nouvel intéracteur des RCPGs identifié dans le crible, a démontré que cette protéine localisée dans les compartiments précoces de la voie de sécrétion (RE et ERGIC) interagit de façon sélective avec les RCPGs. De plus, la suppression de l’expression endogène de cette protéine préalablement non-caractérisée, diminue le transport à la membrane plasmique d’un récepteur, indiquant que CNIH4 influence positivement l’export des RCPGs du RE. Ceci est supporté par l’observation que la surexpression de CNIH4 à de faibles niveaux favorise la maturation d’un récepteur mutant normalement retenu dans le RE. Nous avons également pu démontrer que CNIH4 est associée à la protéine Sec23, une des composantes de l’enveloppe des vésicules COPII qui sont responsables du transport des protéines du RE vers le Golgi, suggérant que CNIH4 pourrait favoriser le recrutement des récepteurs dans ces vésicules. La surexpression de CNIH4 à de très hauts niveaux provoque également la rétention intracellulaire des récepteurs. Cet effet dominant négatif pourrait être causé par la titration d’un autre facteur d’export des RCPGs. Une deuxième étude a permis de révéler que la protéine transmembranaire 9 (TMEM9), un nouvel intéracteur des RCPGs également identifié dans le crible, interagit sélectivement avec les récepteurs et avec CNIH4. La surexpression de cette protéine aux fonctions précédemment inconnues, rétablit le transport normal d’un récepteur en présence de CNIH4 surexprimée. De plus, la co-expression de TMEM9 potentialise la capacité de CNIH4 à augmenter la maturation d’un récepteur mutant normalement retenu dans le RE, suggérant que ces deux protéines forment un complexe régulant la maturation des RCPGs. Au cours de cette thèse, de nouvelles protéines interagissant avec les RCPGs et contrôlant leur expression à la membrane plasmique ont donc été identifiées, permettant une meilleure compréhension des mécanismes régulant le transport des récepteurs du RE à la surface cellulaire.

Etude des propriétés dynamiques de la sécrétion régulée des vésicules glutamatergiques des astrocytes

RESUME GRAND PUBLICLe cerveau est composé de différents types cellulaires, dont les neurones et les astrocytes. Faute de moyens pour les observer, les astrocytes sont très longtemps restés dans l'ombre alors que les neurones, bénéficiant des outils ad hoc pour être stimulés et étudiés, ont fait l'objet de toutes les attentions. Le développement de l'imagerie cellulaire et des outils fluorescents ont permis d'observer ces cellules non électriquement excitables et d'obtenir des informations qui laissent penser que ces cellules sont loin d'être passives et participent activement au fonctionnement cérébral. Cette participation au fonctionnement cérébral se fait en partie par le biais de la libération de substances neuro-actives (appellées gliotransmetteurs) que les astrocytes libèrent à proximité des synapses permettant ainsi de moduler le fonctionnement neuronal. Cette libération de gliotransmetteurs est principalement causée par l'activité neuronale que les astrocytes sont capables de sentir. Néanmoins, nous savons encore peu de chose sur les propriétés précises de la libération des gliotransmetteurs. Comprendre les propriétés spatio-temporelles de cette libération est essentiel pour comprendre le mode de communication de ces cellules et leur implication dans la transmission de l'information cérébrale. En utilisant des outils fluorescents récemment développés et en combinant différentes techniques d'imagerie cellulaire, nous avons pu obtenir des informations très précises sur la libération de ces gliotransmetteurs par les astrocytes. Nous avons ainsi confirmé que cette libération était un processus très rapide et qu'elle était contrôlée par des augmentations de calcium locales et rapides. Nous avons également décrit une organisation complexe de la machinerie supportant la libération des gliotransmetteurs. Cette organisation complexe semble être à la base de la libération extrêmement rapide des gliotransmetteurs. Cette rapidité de libération et cette complexité structurelle semblent indiquer que les astrocytes sont des cellules particulièrement adaptées à une communication rapide et qu'elles peuvent, au même titre que les neurones dont elles seraient les partenaires légitimes, participer à la transmission et à l'intégration de l'information cérébrale.RESUMEDe petites vésicules, les « SLMVs » ou « Synaptic Like MicroVesicles », exprimant des transporteurs vésiculaires du glutamate (VGluTs) et libérant du glutamate par exocytose régulée, ont récemment été décrites dans les astrocytes en culture et in situ. Néanmoins, nous savons peu de chose sur les propriétés précises de la sécrétion de ces SLMVs. Contrairement aux neurones, le couplage stimulussécrétion des astrocytes n'est pas basé sur l'ouverture des canaux calciques membranaires mais nécessite l'intervention de seconds messagers et la libération du calcium par le reticulum endoplasmique (RE). Comprendre les propriétés spatio-temporelles de la sécrétion astrocytaire est essentiel pour comprendre le mode de communication de ces cellules et leur implication dans la transmission de l'information cérébrale. Nous avons utilisé des outils fluorescents récemment développés pour étudier le recyclage des vésicules synaptiques glutamatergiques comme les colorants styryles et la pHluorin afin de pouvoir suivre la sécrétion des SLMVs à l'échelle de la cellule mais également à l'échelle des évènements. L'utilisation combinée de l'épifluorescence et de la fluorescence à onde évanescente nous a permis d'obtenir une résolution temporelle et spatiale sans précédent. Ainsi avons-nous confirmé que la sécrétion régulée des astrocytes était un processus très rapide (de l'ordre de quelques centaines de millisecondes). Nous avons découvert que cette sécrétion est contrôlée par des augmentations de calcium locales et rapides. Nous avons également décrit des compartiments cytosoliques délimités par le RE à proximité de la membrane plasmique et contenant les SLMVs. Cette organisation semble être à la base du couplage rapide entre l'activation des GPCRs et la sécrétion. L'existence de compartiments subcellulaires indépendants permettant de contenir les messagers intracellulaires et de limiter leur diffusion semble compenser de manière efficace la nonexcitabilité électrique des astrocytes. Par ailleurs, l'existence des différents pools de vésicules recrutés séquentiellement et fusionnant selon des modalités distinctes ainsi que l'existence de mécanismes permettant le renouvellement de ces pools lors de la stimulation suggèrent que les astrocytes peuvent faire face à une stimulation soutenue de leur sécrétion. Ces données suggèrent que la libération de gliotransmetteurs par exocytose régulée n'est pas seulement une propriété des astrocytes en culture mais bien le résultat d'une forte spécialisation de ces cellules pour la sécrétion. La rapidité de cette sécrétion donne aux astrocytes toutes les compétences pour pouvoir intervenir de manière active dans la transmission et l'intégration de l'information.ABSTRACTRecently, astrocytic synaptic like microvesicles (SLMVs), that express vesicular glutamate transporters (VGluTs) and are able to release glutamate by Ca2+-dependent regulated exocytosis, have been described both in tissue and in cultured astrocytes. Nevertheless, little is known about the specific properties of regulated secretion in astrocytes. Important differences may exist between astrocytic and neuronal exocytosis, starting from the fact that stimulus-secretion coupling in astrocytes is voltage independent, mediated by G-protein-coupled receptors and the release of Ca2+ from internal stores. Elucidating the spatiotemporal properties of astrocytic exo-endocytosis is, therefore, of primary importance for understanding the mode of communication of these cells and their role in brain signaling. We took advantage of fluorescent tools recently developed for studying recycling of glutamatergic vesicles at synapses like styryl dyes and pHluorin in order to follow exocytosis and endocytosis of SLMVs at the level of the entire cell or at the level of single event. We combined epifluorescence and total internal reflection fluorescence imaging to investigate, with unprecedented temporal and spatial resolution, the events underlying the stimulus-secretion in astrocytes. We confirmed that exo-endocytosis process in astrocytes proceeds with a time course on the millisecond time scale. We discovered that SLMVs exocytosis is controlled by local and fast Ca2+ elevations; indeed submicrometer cytosolic compartments delimited by endoplasmic reticulum (ER) tubuli reaching beneath the plasma membrane and containing SLMVs. Such complex organization seems to support the fast stimulus-secretion coupling reported here. Independent subcellular compartments formed by ER, SLMVs and plasma membrane containing intracellular messengers and limiting their diffusion seem to compensate efficiently the non-electrical excitability of astrocytes. Moreover, the existence of two pools of SLMVs which are sequentially recruited suggests a compensatory mechanisms allowing the refill of SLMVs and supporting exocytosis process over a wide range of multiple stimuli. These data suggest that regulated secretion is not only a feature of cultured astrocytes but results from a strong specialization of these cells. The rapidity of secretion demonstrates that astrocytes are able to actively participate in brain information transmission and processing.

Développement de modèles C. elegans de Sclérose Latérale Amyotrophique

Les gènes TDP-43 (TAR DNA Binding Protein 43) et FUS/TLS (Fused in Sarcoma/Translocated in Liposarcoma) sont actuellement à l’étude quant à leurs rôles biologiques dans le développement de diverses neuropathies telles que la Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA). Étant donné que TDP-43 et FUS sont conservés au cours de l’évolution, nous avons utilisé l’organisme modèle C. elegans afin d’étudier leurs fonctions biologiques. Dans ce mémoire, nous démontrons que TDP-1 fonctionne dans la voie de signalisation Insuline/IGF pour réguler la longévité et la réponse au stress oxydatif. Nous avons développé des lignées C. elegans transgéniques mutantes TDP-43 et FUS qui présentent certains aspects de la SLA tels que la dégénérescence des motoneurones et la paralysie adulte. La protéotoxicité causée par ces mutations de TDP- 43 et FUS associées à la SLA, induit l’expression de TDP-1. À l’inverse, la délétion de tdp-1 endogène protège contre la protéotoxicité des mutants TDP-43 et FUS chez C. elegans. Ces résultats suggèrent qu’une induction chronique de TDP-1/TDP-43 sauvage propagerait la protéotoxicité liée à la protéine mutante. Nous avons aussi entrepris un criblage moléculaire pilote afin d’isoler des suppresseurs de toxicité neuronale des modèles transgéniques mutants TDP-43 et FUS. Nous avons ainsi identifié le bleu de méthylène et le salubrinal comme suppresseurs potentiels de toxicité liée à TDP-43 et FUS via réduction de la réponse au stress du réticulum endoplasmique (RE). Nos résultats indiquent que l’homéostasie de repliement des protéines dans le RE représente une cible pour le développement de thérapies pour les maladies neurodégénératives.

Rôles du stress du réticulum endoplasmique et de l'immunité innée dans l'inhibition de la transcription du gène de l'insuline : étude du facteur de transcription ATF6 et du récepteur TLR4

Le diabète de type 2 (DT2) est caractérisé par une résistance des tissus périphériques à l’action de l’insuline et par une insuffisance de la sécrétion d’insuline par les cellules β du pancréas. Différents facteurs tels que le stress du réticulum endoplasmique (RE) et l’immunité innée affectent la fonction de la cellule β-pancréatique. Toutefois, leur implication dans la régulation de la transcription du gène de l’insuline demeure imprécise. Le but de cette thèse était d’identifier et de caractériser le rôle du stress du RE et de l’immunité innée dans la régulation de la transcription du gène de l’insuline. Les cellules β-pancréatiques ont un RE très développé, conséquence de leur fonction spécialisée de biosynthèse et de sécrétion d’insuline. Cette particularité les rend très susceptible au stress du RE qui se met en place lors de l’accumulation de protéines mal repliées dans la lumière du RE. Nous avons montré qu’ATF6 (de l’anglais, activating transcription factor 6), un facteur de transcription impliqué dans la réponse au stress du RE, lie directement la boîte A5 de la région promotrice du gène de l’insuline dans les îlots de Langerhans isolés de rat. Nous avons également montré que la surexpression de la forme active d’ATF6α, mais pas ATF6β, réprime l’activité du promoteur de l’insuline. Toutefois, la mutation ou l’absence de la boîte A5 ne préviennent pas l’inhibition de l’activité promotrice du gène de l’insuline par ATF6. Ces résultats montrent qu’ATF6 se lie directement au promoteur du gène de l’insuline, mais que cette liaison ne semble pas contribuer à son activité répressive. Il a été suggéré que le microbiome intestinal joue un rôle dans le développement du DT2. Les patients diabétiques présentent des concentrations plasmatiques élevées de lipopolysaccharides (LPS) qui affectent la fonction de la cellule β-pancréatique. Nous avons montré que l’exposition aux LPS entraîne une réduction de la transcription du gène de l’insuline dans les îlots de Langerhans de rats, de souris et humains. Cette répression du gène de l’insuline par les LPS est associée à une diminution des niveaux d’ARNms de gènes clés de la cellule β-pancréatique, soit PDX-1 (de l’anglais, pancreatic duodenal homeobox 1) et MafA (de l’anglais, mammalian homologue of avian MafA/L-Maf). En utilisant un modèle de souris déficientes pour le récepteur TLR4 (de l’anglais, Toll-like receptor), nous avons montré que les effets délétères des LPS sur l’expression du gène de l’insuline sollicitent le récepteur de TLR4. Nous avons également montré que l’inhibition de la voie NF-kB entraîne une restauration des niveaux messagers de l’insuline en réponse à une exposition aux LPS dans les îlots de Langerhans de rat. Ainsi, nos résultats montrent que les LPS inhibent le gène de l’insuline dans les cellules β-pancréatiques via un mécanisme moléculaire dépendant du récepteur TLR4 et de la voie NF-kB. Ces observations suggèrent ainsi un rôle pour le microbiome intestinal dans la fonction de la cellule β du pancréas. Collectivement, ces résultats nous permettent de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la répression du gène de l'insuline en réponse aux divers changements survenant de façon précoce dans l’évolution du diabète de type 2 et d'identifier des cibles thérapeutiques potentielles qui permettraient de prévenir ou ralentir la détérioration de l'homéostasie glycémique au cours de cette maladie, qui affecte plus de deux millions de Canadiens.

Comparison of proteins of the endoplasmic reticulum from control rat liver with proteins of the endoplasmic reticulum from dissected liver tumor nodules

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

AtBAG7, an Arabidopsis Bcl-2-associated athanogene, resides in the endoplasmic reticulum and is involved in the unfolded protein response

The Bcl-2-associated athanogene (BAG) family is an evolutionarily conserved, multifunctional group of cochaperones that perform diverse cellular functions ranging from proliferation to growth arrest and cell death in yeast, in mammals, and, as recently observed, in plants. The Arabidopsis genome contains seven homologs of the BAG family, including four with domain organization similar to animal BAGs. In the present study we show that an Arabidopsis BAG, AtBAG7, is a uniquely localized endoplasmic reticulum (ER) BAG that is necessary for the proper maintenance of the unfolded protein response (UPR). AtBAG7was shown to interact directly in vivo with themolecular chaperone, AtBiP2, by bimolecular fluorescence complementation assays, and the interaction was confirmed by yeast two-hybrid assay. Treatment with an inducer of UPR, tunicamycin, resulted in accelerated cell death of AtBAG7-null mutants. Furthermore, AtBAG7 knockouts were sensitive to known ER stress stimuli, heat and cold. In these knockouts heat sensitivity was reverted successfully to the wild-type phenotype with the addition of the chemical chaperone, tauroursodexycholic acid (TUDCA). Real-time PCR of ER stress proteins indicated that the expression of the heat-shock protein, AtBiP3, is selectively up-regulated in AtBAG7-null mutants upon heat and cold stress. Our results reveal an unexpected diversity of the plant's BAG gene family and suggest that AtBAG7 is an essential component of the UPR during heat and cold tolerance, thus confirming the cytoprotective role of plant BAGs.

Association of immunoproteasomes with the endoplasmic reticulum

Proteasomes are complex multisubunit proteases which play a critical role in intracellular proteolysis. Immunoproteasomes, which contain three c-interferon-inducible subunits, are a subset of proteasomes which have a specialized function in antigen processing for presentation by the MHC class I pathway. Two of the c-interferon inducible subunits, LMP2 and LMP7, are encoded within the MHC class II region adjacent to the two TAP (transporter associated with antigen presentation) genes. We have investigated the localization of immunoproteasomes using monoclonal antibodies to LMP2 and LMP7. Immunoproteasomes were strongly enriched around the endoplasmic reticulum as judged by double-immuno¯uorescence experiments with anticalreticulin antibodies, but were also present in the nucleus and throughout the cytosol. In contrast, proteasome subunit C2, which is present in all proteasomes, was found to be evenly distributed throughout the cytoplasm and in the nucleus, as was the delta subunit, which is replaced by LMP2 in immunoproteasomes. c-Interferon increased the level of immunoproteasomes, but had no effect on their distribution. Our results provide the ®rst direct evidence that immunoproteasomes are strongly enriched at the endoplasmic reticulum, where they may be located close to the TAP transporter to provide efficient transport of peptides into the lumen of the endoplasmic recticulum for association with MHC class I molecules.

Crystal structures of the endoplasmic reticulum aminopeptidase-1 (ERAP1) reveal the molecular basis for N-terminal peptide trimming

Endoplasmatic reticulum aminopeptidase 1 (ERAP1) is a multifunctional enzyme involved in trimming of peptides to an optimal length for presentation by major histocompatibility complex (MHC) class I molecules. Polymorphisms in ERAP1 have been associated with chronic inflammatory diseases, including ankylosing spondylitis (AS) and psoriasis, and subsequent in vitro enzyme studies suggest distinct catalytic properties of ERAP1 variants. To understand structure-activity relationships of this enzyme we determined crystal structures in open and closed states of human ERAP1, which provide the first snapshots along a catalytic path. ERAP1 is a zinc-metallopeptidase with typical H-E-X-X-H-(X)18-E zinc binding and G-A-M-E-N motifs characteristic for members of the gluzincin protease family. The structures reveal extensive domain movements, including an active site closure as well as three different open conformations, thus providing insights into the catalytic cycle. A K 528R mutant strongly associated with AS in GWAS studies shows significantly altered peptide processing characteristics, which are possibly related to impaired interdomain interactions.

Effect Of Administration Of Luteinizing-Hormone (Lh) And Deprivation Of Lh On The Proteins Of Smooth Endoplasmic-Reticulum Of Immature And Adult-Rat Leydig-Cells

Analysis of proteins of smooth endoplasmic reticulum (SER) of Leydig cells from immature and admit rats by two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) revealed the presence of several new proteins in the adult rats. Administration of human chorionic gonadotropin to immature rats for ten days also resulted in a significant increase as well as the appearance of several new proteins. The general pattern of SDS-PAGE analysis of the SER proteins of Leydig cells resembled that of the adult rat. SDS-PAGE analysis of the SER proteins of Leydig cells from adult rats following deprivation of endogenous luteinizing hormone by administration of antiserum to ovine luteinizing hormone resulted in a pattern which to certain extent resembled that of an immature I at. Western Blot analysis of luteinizing hormone antiserum treated rat Leydig cell proteins revealed a decrease in the 17-alpha-hydroxylase compared to the control. These results provide biochemical evidence for the suggestion that one of the main functions of luteinizing hormone is the control of biogenesis and/or turnover SER of Leydig cells in the rat.

Cytochrome c oxidase is preferentially synthesized in the rough endoplasmic reticulum--mitochondrion complex in rat liver

The specific activity and content of cytochrome oxidase in the rough endoplasmic reticulum--mitochondrion complex are higher than in the mitochondrial fraction. Radiolabelling studies with the use of hepatocytes and isolated microsomal and rough endoplasmic reticulum--mitochondrion fractions, followed by immunoprecipitation with anti-(cytochrome oxidase) antibody, reveal that the nuclear-coded cytoplasmic subunits of cytochrome oxidase are preferentially synthesized in the latter fraction. The results have a bearing on the mechanism of transport of these subunits into mitochondria.

Heterologous signals allow efficient targeting of a nuclear-encoded fusion protein to plastids and endoplasmic reticulum in diverse plant species

Approximately 30% of plant nuclear genes appear to encode proteins targeted to the plastids or endoplasmic reticulum (ER). The signals that direct proteins into these compartments are diverse in sequence, but, on the basis of a limited number of tests in heterologous systems, they appear to be functionally conserved across species. To further test the generality of this conclusion, we tested the ability of two plastid transit peptides and an ER signal peptide to target green fluorescent protein (GFP) in 12 crops, including three monocots (barley, sugarcane, wheat) and nine dicots (Arabidopsis, broccoli, cabbage, carrot, cauliflower, lettuce, radish, tobacco, turnip). In all species, transient assays following microprojectile bombardment or vacuum infiltration using Agrobacterium showed that the plastid transit peptides from tomato DCL (defective chloroplast and leaves) and tobacco RbcS [ribulose bisphosphate carboxylase (Rubisco) small subunit] genes were effective in targeting GFP to the leaf plastids. GFP engineered as a fusion to the N-terminal ER signal peptide from Arabidopsis basic chitinase and a C-terminal HDEL signal for protein retention in the ER was accumulated in the ER of all species. The results in tobacco were confirmed in stably transformed cells. These signal sequences should be useful to direct proteins to the plastid stroma or ER lumen in diverse plant species of biotechnological interest for the accumulation of particular recombinant proteins or for the modification of particular metabolic streams.

Endoplasmic reticulum stress and cell death mechanisms in the cell model of Huntington’s disease

This thesis clarifies important molecular pathways that are activated during the cell death observed in Huntington’s disease. Huntington’s disease is one of the most common inherited neurodegenerative diseases, which is primarily inherited in an autosomal dominant manner. HD is caused by an expansion of CAG repeats in the first exon of the IT15 gene. IT15 encodes the production of a Huntington’s disease protein huntingtin. Mutation of the IT15 gene results in a long stretch of polyQ residues close to the amino-terminal region of huntingtin. Huntington’s disease is a fatal autosomal neurodegenerative disorder. Despite the current knowledge of HD, the precise mechanism behind the selective neuronal death, and how the disease propagates, still remains an enigma. The studies mainly focused on the control of endoplasmic reticulum (ER) stress triggered by the mutant huntingtin proteins. The ER is a delicate organelle having essential roles in protein folding and calcium regulation. Even the slightest perturbations on ER homeostasis are effective enough to trigger ER stress and its adaptation pathways, called unfolded protein response (UPR). UPR is essential for cellular homeostasis and it adapts ER to the changing environment and decreases ER stress. If adaptation processes fail and stress is excessive and prolonged; irreversible cell death pathways are engaged. The results showed that inhibition of ER stress with chemical agents are able to decrease cell death and formation of toxic cell aggregates caused by mutant huntingtin proteins. The study concentrated also to the NF-κB (nuclear factor-kappaB) pathway, which is activated during ER stress. NF-κB pathway is capable to regulate the levels of important cellular antioxidants. Cellular antioxidants provide a first line of defence against excess reactive oxygen species. Excess accumulation of reactive oxygen species and subsequent activation of oxidative stress damages motley of vital cellular processes and induce cell degeneration. Data showed that mutant huntingtin proteins downregulate the expression levels of NF-κB and vital antioxidants, which was followed by increased oxidative stress and cell death. Treatment with antioxidants and inhibition of oxidative stress were able to counteract these adverse effects. In addition, thesis connects ER stress caused by mutant huntingtin to the cytoprotective autophagy. Autophagy sustains cellular balance by degrading potentially toxic cell proteins and components observed in Huntington’s disease. The results revealed that cytoprotective autophagy is active at the early points (24h) of ER stress after expression of mutant huntingtin proteins. GADD34 (growth arrest and DNA damage-inducible gene 34), which is previously connected to the regulation of translation during cell stress, was shown to control the stimulation of autophagy. However, GADD34 and autophagy were downregulated at later time points (48h) during mutant huntingtin proteins induced ER stress, and subsequently cell survival decreased. Overexpression GADD34 enhanced autophagy and decreased cell death, indicating that GADD34 plays a critical role in cell protection. The thesis reveales new interesting data about the neuronal cell death pathways seen in Huntington’s disease, and how cell degeneration is partly counteracted by various therapeutic agents. Expression of mutant huntingtin proteins is shown to alter signaling events that control ER stress, oxidative stress and autophagy. Despite that Huntington’s disease is mainly an untreatable disorder; these findings offer potential targets and neuroprotective strategies in designing novel therapies for Huntington’s disease.

Folding and Selective Exit of Reporter Proteins from the Yeast Endoplasmic Reticulum

The present study analyses the traffic of Hsp150 fusion proteins through the endoplasmic reticulum (ER) of yeast cells, from their post-translational translocation and folding to their exit from the ER via a selective COPI-independent pathway. The reporter proteins used in the present work are: Hsp150p, an O-glycosylated natural secretory protein of Saccharomyces cerevisiae, as well as fusion proteins consisting of a fragment of Hsp150 that facilitates in the yeast ER proper folding of heterologous proteins fused to it. It is thought that newly synthesized polypeptides are kept in an unfolded form by cytosolic chaperones to facilitate the post-translational translocation across the ER membrane. However, beta-lactamase, fused to the Hsp150 fragment, folds in the cytosol into bioactive conformation. Irreversible binding of benzylpenicillin locked beta-lactamase into a globular conformation, and prevented the translocation of the fusion protein. This indicates that under normal conditions the beta-lactamase portion unfolds for translocation. Cytosolic machinery must be responsible for the unfolding. The unfolding is a prerequisite for translocation through the Sec61 channel into the lumen of the ER, where the polypeptide is again folded into a bioactive and secretion-competent conformation. Lhs1p is a member of the Hsp70 family, which functions in the conformational repair of misfolded proteins in the yeast ER. It contains Hsp70 motifs, thus it has been thought to be an ATPase, like other Hsp70 members. In order to understand its activity, authentic Lhs1p and its recombinant forms expressed in E. coli, were purified. However, no ATPase activity of Lhs1p could be detected. Nor could physical interaction between Lhs1p and activators of the ER Hsp70 chaperone Kar2p, such as the J-domain proteins Sec63p, Scj1p, and Jem1p and the nucleotide exchange factor Sil1p, be demonstrated. The domain structure of Lhs1p was modelled, and found to consist of an ATPase-like domain, a domain resembling the peptide-binding domain (PBD) of Hsp70 proteins, and a C-terminal extension. Crosslinking experiments showed that Lhs1p and Kar2p interact. The interacting domains were the C-terminal extension of Lhs1p and the ATPase domain of Kar2p, and this interaction was independent of ATPase activity of Kar2p. A model is presented where the C-terminal part of Lhs1p forms a Bag-like 3 helices bundle that might serve in the nucleotide exchange function for Kar2p in translocation and folding of secretory proteins in the ER. Exit of secretory proteins in COPII-coated vesicles is believed to be dependent of retrograde transport from the Golgi to the ER in COPI-coated vesicles. It is thought that receptors escaping to the Golgi must be recycled back to the ER exit sites to recruit cargo proteins. We found that Hsp150 leaves the ER even in the absence of functional COPI-traffic from the Golgi to the ER. Thus, an alternative, COPI-independent ER exit pathway must exists, and Hsp150 is recruited to this route. The region containing the signature guiding Hsp150 to this alternative pathway was mapped.