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Upregulations of neuronal nitric oxide synthase (nNOS) in the rodent brain have been associated with neuronal aging. To address underlying mechanisms we generated SH-SY5Y neuronal cells constitutively expressing nNOS at a level similar to mouse brain (nNOS+ versus MOCK). Initial experiments revealed S-nitrosylations (SNO) of key players of protein homeostasis: heat shock cognate HSC70/HSPA8 within its nucleotide-binding site, and UBE2D ubiquitin conjugating enzymes at the catalytic site cysteine. HSPA8 is involved in protein folding, organelle import/export and chaperone-mediated LAMP2a-dependent autophagy (CMA). A set of deep redox and full proteome analyses, plus analysis of autophagy, CMA and ubiquitination with rapamycin and starvation as stimuli confirmed the initial observations and revealed a substantial increase of SNO modifications in nNOS+ cells, in particular targeting protein networks involved in protein catabolism, ubiquitination, carbohydrate metabolism and cell cycle control. Importantly, NO-independent reversible oxidations similarly occurred in both cell lines. Functionally, nNOS caused an accumulation of proteins, including CMA substrates and loss of LAMP2a. UBE2D activity and proteasome activity were impaired, resulting in dysregulations of cell cycle checkpoint proteins. The observed changes of protein degradation pathways caused an expansion of the cytoplasm, large lysosomes, slowing of the cell cycle and suppression of proliferation suggesting a switch of the phenotype towards aging, supported by downregulations of neuronal progenitor markers but increase of senescence-associated proteins. Hence, upregulation of nNOS in neuronal cells imposes aging by SNOing of key players of ubiquitination, chaperones and of substrate proteins leading to interference with crucial steps of protein homeostasis.
A toolbox for the generation of chemical probes for Baculovirus IAP Repeat containing proteins
(2022)
E3 ligases constitute a large and diverse family of proteins that play a central role in regulating protein homeostasis by recruiting substrate proteins via recruitment domains to the proteasomal degradation machinery. Small molecules can either inhibit, modulate or hijack E3 function. The latter class of small molecules led to the development of selective protein degraders, such as PROTACs (PROteolysis TArgeting Chimeras), that recruit protein targets to the ubiquitin system leading to a new class of pharmacologically active drugs and to new therapeutic options. Recent efforts have focused on the E3 family of Baculovirus IAP Repeat (BIR) domains that comprise a structurally conserved but diverse 70 amino acid long protein interaction domain. In the human proteome, 16 BIR domains have been identified, among them promising drug targets such as the Inhibitors of Apoptosis (IAP) family, that typically contain three BIR domains (BIR1, BIR2, and BIR3). To date, this target area lacks assay tools that would allow comprehensive evaluation of inhibitor selectivity. As a consequence, the selectivity of current BIR domain targeting inhibitors is unknown. To this end, we developed assays that allow determination of inhibitor selectivity in vitro as well as in cellulo. Using this toolbox, we have characterized available BIR domain inhibitors. The characterized chemical starting points and selectivity data will be the basis for the generation of new chemical probes for IAP proteins with well-characterized mode of action and provide the basis for future drug discovery efforts and the development of PROTACs and molecular glues.
Ubiquitination is regarded as one of the key post-translational modifications in nearly all biological processes, endowed with numerous layers of complexity. Deubiquitinating enzymes (DUBs) dynamically counterbalance ubiquitination events by deconjugating ubiquitin signals from substrates. Dysregulation of the ubiquitin code and its negative regulators drive various pathologies, such as neurological disorders and cancer.
The DUB ubiquitin-specific peptidase 22 (USP22) is well-known for its essential role in the human Spt-Ada-Gcn5 acetyltransferase (SAGA) complex, mediating the removal of monoubiquitination events from Histone 2A and 2B (H2A and -B), thereby regulating gene transcription. In cancer, USP22 was initially described as a part of an 11-gene expression signature profile, predicting tumor metastasis, reoccurrence and death after therapy in a wide range of tumor cells. However, novel roles for USP22 have emerged recently, accrediting USP22 essential roles in regulating tumor development as well as apoptotic cell death signaling.
One of the hallmarks of cancer is the evasion of cell death, especially apoptosis, a form of programmed cell death (PCD). Necroptosis, a regulated form of necrosis, is regarded as an attractive therapeutic strategy to overcome apoptosis-resistance in tumor cells, although a profound understanding of the exact signaling cascade still remains elusive. Nevertheless, several ubiquitination and deubiquitination events are described in fine-tuning necroptotic signaling.
In this study, we describe a novel role for USP22 in regulating necroptotic cell death signaling in human tumor cell lines. USP22 depletion significantly delayed TNFa/Smac mimetic/zVAD.fmk (TBZ)-induced necroptosis, without affecting TNFa-induced nuclear factor-kappa B (NF-KB) signaling or TNFa-mediated extrinsic apoptosis. Intriguingly, re-expression of USP22 wildtype in the USP22 knockout background could re-sensitize HT-29 cells to TBZ-induced necroptosis, whereas re-constitution with the catalytic inactive mutant USP22 Cys185Ser did not rescue susceptibility to TBZ-induced necroptosis, confirming the USP22 DUB-function a pivotal role in regulating necroptotic cell death. USP22 depletion facilitated ubiquitination and unexpectedly also phosphorylation of Receptor-interacting protein kinase 3 (RIPK3) during necroptosis induction, as shown by Tandem Ubiquitin Binding Entities (TUBE) pulldowns and in vivo (de)ubiquitination immunoprecipitations. To substantiate our findings, we performed mass-spectrometric ubiquitin remnant profiling and identified the three novel USP22-regulated RIPK3 ubiquitination sites Lysine (K) 42, K351 and K518 upon TBZ-induced necroptosis. Further assessment of these ubiquitination sites unraveled, that mutation of K518 in RIPK3 reduced necroptosis-associated RIPK3 ubiquitination and additionally affected RIPK3 phosphorylation upon necroptosis induction. At the same time, genetic knock-in of RIPK3 K518R sensitizes tumor cells to TNFa-induced necroptotic cell death and amplified necrosome formation.
In summary we identified USP22 as a new regulator of TBZ-induced necroptosis in various human tumor cell lines and further unraveled the distinctive role of DUBs and (de)ubiquitination events in controlling programmed cell death signaling.
Das “Protein Associated with Myc” spielt in den verschiedenen physiologischen Vorgängen eine Rolle. Dazu zählen Prozesse der Synaptogenese und Schmerzverarbeitung ebenso wie eine Regulation des Pteridin- und cAMP-Stoffwechsels. Auf welche Weise PAM die unterschiedlichen Effekte vermittelt, ist bislang nur in Ansätzen verstanden. Um die Wirkmechanismen von PAM aufzuklären, wurden in dieser Arbeit seine biochemischen Funktionen untersucht. Die These, dass PAM als E3 Ubiquitinligase aktiv ist, konnte in vitro mittels biochemischer Versuche zweifelsfrei bestätigt werden. Sowohl das nativ aufgereinigte, humane PAM, als auch der heterolog expremierte C-Terminale Bereich (C-PAM), der die katalytisch aktive RING Finger Domäne enthält, wiesen die Fähigkeit zur Ubiquitinkettenbildung und Autoubiquitinierung auf. Bei der Identifikation eines möglichen Zielproteins rückte das Protein TSC2 und der damit verbundene TSC2 / mTOR Signalweg in den Fokus. Für das gewählte Modell-System HeLa Zellen ließ sich eine Interaktion von PAM und TSC2 durch Ko-Immunopräzipitationen und Immunzytochemie nachweisen. Es konnte erstmalig gezeigt werden, dass das vollständige, native PAM, nicht aber die isolierte RING Finger Domäne, TSC2 polyubiquitinieren und zum proteasomalen Abbau markieren kann. TSC2 ist ein negativer Regulator der mTOR Kinaseaktivität, in dem es den stimulatorischen Einfluss von Rheb auf mTOR inhibiert. PAM wird in HeLa Zellen durch das Phospholipid Sphingosin-1-Phosphat (S1P) aktiviert. Nach S1P Behandlung der Zellen war eine Phosphorylierung der Proteinkinase mTOR nachweisbar. Diese ging mit einer Aktivierung der Kinaseaktivität einher, wie die rapamycinsensitive Phosphorylierung der mTOR Zielproteine p70S6K und 4E-BP1 zeigte. Durch Gabe von Rezeptor-Agonisten/-Antagonisten konnte eine Beteiligung des S1P1 und S1P2 Rezeptors ausgeschlossen werden. Der zunächst vermutete Mechanismus eines S1P induzierten, PAM-abhängigen Abbaus von TSC2 konnte trotz vielfältiger Herangehensweisen nicht nachgewiesen werden. Eine Phosphorylierung als Indikation einer Inaktivierung war ebenfalls nicht detektierbar. Auch die GAP Aktivität von TSC2 auf Rheb, wird in in vitro Versuchen durch die Interaktion mit PAM nicht vermindert. Durch eine Verminderung der TSC2 Expression mittels spezifischer siRNA zeigte sich, dass TSC2 nicht in die S1P-abhängige mTOR Aktivierung involviert ist. Auch regulatorische Proteinkinasen wie AKT, ERK oder PI3K, die durch S1P aktiviert werden können, sind an dem Signalweg nicht beteiligt, wie die Hemmung dieser Enzyme mit spezifischen Inhibitoren zeigte. Dagegen konnte eine Beteiligung von PAM und Rheb zum einen mittels Proteintransfektion bestätigt werden, zum anderen ließen sich die S1P Effekte durch Hemmstoffe verhindern, die für eine Aktivierung von PAM, respektive Rheb, nötig sind. Durch Nukleotidbindungsstudien war ein Einfluss von PAM auf den GTP-Beladungszustand von Rheb nachweisbar. Sowohl in einem GTPS Bindungsversuch als auch in einem GDP Dissoziationsexperiment erhöhte PAM konzentrationsabhängig die GTP Bindung bzw. den GDP/GTP Austausch an Rheb. In dieser Arbeit wird damit erstmalig eine duale Funktion eines Proteins als Ubiquitinligase und GEF beschrieben. So konnte die postulierte Aktivität von PAM als Ubiquitinligase bestätigt und TSC2 als Zielprotein identifiziert werden. Gleichzeitig wurde ein TSC2 unabhängiger Weg der mTOR Aktivierung aufgeklärt, an dem PAM und Rheb beteiligt sind. Als möglicher Mechanismus kommt eine Aktivität von PAM als Guanin-Nukleotid Austausch Faktor (GEF) auf Rheb in Frage. Durch Beschreibung von PAM als negativem Regulator von TSC2 und Aktivator von Rheb trägt diese Arbeit einen wichtigen Beitrag zur TSC2 / mTOR Forschung bei. Umgekehrt ermöglicht sie eine neue Sichtweise auf partiell PAM-abhängige Vorgänge wie Synaptogenese und Nozizeption, indem sie TSC2 / mTOR in diese Prozesse integriert.
Cells respond to protein misfolding and aggregation in the cytosol by adjusting gene transcription and a number of post-transcriptional processes. In parallel to functional reactions, cellular structure changes as well; however, the mechanisms underlying the early adaptation of cellular compartments to cytosolic protein misfolding are less clear. Here we show that the mammalian ubiquitin ligase C-terminal Hsp70-interacting protein (CHIP), if freed from chaperones during acute stress, can dock on cellular membranes thus performing a proteostasis sensor function. We reconstituted this process in vitro and found that mainly phosphatidic acid and phosphatidylinositol-4-phosphate enhance association of chaperone-free CHIP with liposomes. HSP70 and membranes compete for mutually exclusive binding to the tetratricopeptide repeat domain of CHIP. At new cellular locations, access to compartment-specific substrates would enable CHIP to participate in the reorganization of the respective organelles, as exemplified by the fragmentation of the Golgi apparatus (effector function).