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Current technologies used to generate CRISPR/Cas gene perturbation reagents are labor intense and require multiple ligation and cloning steps. Furthermore, increasing gRNA sequence diversity negatively affects gRNA distribution, leading to libraries of heterogeneous quality. Here, we present a rapid and cloning-free mutagenesis technology that can efficiently generate covalently-closed-circular-synthesized (3Cs) CRISPR/Cas gRNA reagents and that uncouples sequence diversity from sequence distribution. We demonstrate the fidelity and performance of 3Cs reagents by tailored targeting of all human deubiquitinating enzymes (DUBs) and identify their essentiality for cell fitness. To explore high-content screening, we aimed to generate the largest up-to-date gRNA library that can be used to interrogate the coding and noncoding human genome and simultaneously to identify genes, predicted promoter flanking regions, transcription factors and CTCF binding sites that are linked to doxorubicin resistance. Our 3Cs technology enables fast and robust generation of bias-free gene perturbation libraries with yet unmatched diversities and should be considered an alternative to established technologies.
Damaged mitochondria are selectively eliminated by mitophagy. Parkin and PINK1, gene products mutated in familial Parkinson’s disease, play essential roles in mitophagy through ubiquitination of mitochondria. Cargo ubiquitination by E3 ubiquitin ligase Parkin is important to trigger selective autophagy. Although autophagy receptors recruit LC3-labeled autophagic membranes onto damaged mitochondria, how other essential autophagy units such as ATG9A-integrated vesicles are recruited remains unclear. Here, using mammalian cultured cells, we demonstrate that RABGEF1, the upstream factor of the endosomal Rab GTPase cascade, is recruited to damaged mitochondria via ubiquitin binding downstream of Parkin. RABGEF1 directs the downstream Rab proteins, RAB5 and RAB7A, to damaged mitochondria, whose associations are further regulated by mitochondrial Rab-GAPs. Furthermore, depletion of RAB7A inhibited ATG9A vesicle assembly and subsequent encapsulation of the mitochondria by autophagic membranes. These results strongly suggest that endosomal Rab cycles on damaged mitochondria are a crucial regulator of mitophagy through assembling ATG9A vesicles.
Identification of disease modulating compounds in juvenile neuronal ceroid lipofuscinosis (JNCL)
(2016)
Mutationen im CLN3 Gen verursachen die neurodegenerative Erkrankung juvenile neuronale Zeroidlipofuszinose (JNCL). Bei dieser Erkrankung sind die Autophagie, der lysosomale pH Wert und der mitochondriale Metabolismus beeinträchtigt. Störungen dieser Prozesse führen zu einer erhöhten Verletzlichkeit neuronaler Zellen gegenüber alters- und umweltbedingten Schäden, einer Anhäufung von Autophagosomen und lysosomalem Speichermaterial, Zelltod und Neurodegeneration. Um die JNCL zu erforschen bedienen wir uns eines Zellmodels aus der Maus, welches die häufigste krankheitsauslösende CLN3 Mutation im Menschen, die Deletion der Exons 7 und 8, nachbildet. Die aus dem Kleinhirn dieser Mäuse stammenden cerebellaren Körnerstammzellen werden als CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen, solche aus wild-typ Mäusen als CbCln3+/+ Zellen bezeichnet. Die JNCL ist nicht heilbar und die Entwicklung von Wirkstoffen steht noch am Anfang.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Durchführung eines Hochdursatzscreenings um Wirkstoffe zu identifizieren, welche eine Anhäufung von Autophagosomen in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen verhindern können. Unter 1750 verschiedenen untersuchten Wirkstoffen konnten wir 28 aktive „Hits“ identifizieren und stellten fest, dass Kalziumkanalblocker, Östrogene und HMG-CoA-Reduktase Inhibitoren gehäuft vertreten waren. Eine sorgfältige Untersuchung die möglichen Interaktionen der aktiven Wirkstoffe mit zellulären Signalwegen und die Analyse ihrer Dosis-Wirkungskurven unterstützte uns bei der Auswahl von Verapamil, Nicardipin und Fluspirilen zur näheren Untersuchung. Diese Wirkstoffe sind Kalziumkanalblocker und Fluspirilen blockt auch D2 Dopaminrezeptoren.
Außerdem untersuchten und quantifizierten wir mitochondriale Phänotypen in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen. Unsere Untersuchungen ergaben, dass Mitochondrien in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen einer signifikanten Hyperfusion unterliegen und ein schwächeres Membranpotenzial aufweisen. Weiterhin fanden wir eine Verringerung der maximalen der mitochondrialen Elektronentransportkapazität und eine verringerte Aktivität des Enzyms Zitratsynthase, welches die Effizienz des Zitratzyklus bestimmt.
Fluspirilen, Verapamil und, in geringerem Ausmaß, Nicardipin, verbesserten einige krankheitsbedingte lysosomale und mitochondriale Phänotypen. Des Weiteren konnten Verapamil und Nicardipin, nicht aber Fluspirilen, den erhöhten zellulären Kalziumspiegel in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen absenken. Erniedrigungen im Kalziumgehalt können durch die Inhibition der kalziumabhängigen Protease Calpain 1 zu einer Induktion der Autophagie führen. Wir untersuchten, ob eine chemische Inhibition der Calpain 1-Protease die Anzahl der Autophagosomen in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen senkt, und stellten fest, dass dies nicht der Fall ist. Eine Inhibition von Calpain 1 führte lediglich zu einem Anstieg der Zahl zellulärer Autophagosomen. Als Nächstes untersuchten wir die Auswirkung der Wirkstoffbehandlung auf den Autophagiefluss. Verapamil und Nicardipin hatten keinen Einfluss auf den Autophagiefluss in der getesteten Konzentration in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen während Fluspirilen die Autophagie induzierte. Gleichzeitig stellten wir fest, dass hohe Dosen von Nicardipin und Verapamil teilweise vor einem Verlust des lysosomalen pH-Werts durch eine Behandlung mit Bafilomycin A1 schützen konnten. Da Fluspirilen auch ein Dopaminrezeptorblocker ist, untersuchten wir die Auswirkung einer erhöhten Dosis von Dopamin auf die Zahl der Autophagosomen. Wir fanden, dass eine mittlere Dosierung von Dopamin einen Trend zu einer leichten Verringerung von Autophagosomen in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen zur Folge hat.
Wir vermuten, dass die Kalziumkanalblocker Verapamil und Nicardipin und der Dopaminrezeptorblocker Fluspirilen unterschiedliche zelluläre Signalwege benutzen, aber letztendlich um ähnliche Botenstoffe verwenden, um die Funktion der Lysosomen in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen zu verbessern. Die Verringerung des intrazellulären Kalziumgehalts durch Verapamil und Nicardipin führt zu einer Aktivierung von Adenylatzyklasen, welche eine Erhöhung des intrazellulären cAMP Spiegels herbeiführen. Fluspirilen inhibiert Dopaminrezeptoren vom Typ D2 (D2DR), was zu einer selektiven Aktivierung von Dopaminrezeptoren des Typs D5 (D5DR) führen könnte. Im Gegensatz zu D2 führen D5D Rezeptoren zu einer Aktivierung von Adenylatzyklasen und einer Erhöhung des cAMP Spiegels. cAMP aktiviert die Protein Kinase A (PKA), welche durch eine Proteinphosphorylierung von lysosomalen Chloridkanälen und Protonenpumpen die lysosomale Aktivität erhöht. Dies führt zu einer Verbesserung des Abbaus von Autophagosomen und lysosomalem Speichermaterial und zu einer verbesserten Zellgesundheit in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen.
Eine Verbesserung der lysosomalen Funktion in der JNCL kann einen wirksamen Therapieansatz ergeben. Wir hoffen, dass die hier vorgestellten Methoden und Ergebnisse einen ersten Schritt in diese Richtung darstellen.
Mammalian oocytes are arrested in the dictyate stage of meiotic prophase I for long periods of time, during which the high concentration of the p53 family member TAp63α sensitizes them to DNA damage-induced apoptosis. TAp63α is kept in an inactive and exclusively dimeric state but undergoes rapid phosphorylation-induced tetramerization and concomitant activation upon detection of DNA damage. Here we show that the TAp63α dimer is a kinetically trapped state. Activation follows a spring-loaded mechanism not requiring further translation of other cellular factors in oocytes and is associated with unfolding of the inhibitory structure that blocks the tetramerization interface. Using a combination of biophysical methods as well as cell and ovary culture experiments we explain how TAp63α is kept inactive in the absence of DNA damage but causes rapid oocyte elimination in response to a few DNA double strand breaks thereby acting as the key quality control factor in maternal reproduction.
Linear Ubiquitin chain Assembly Complex (LUBAC) is an E3 ligase complex that generates linear ubiquitin chains and is important for tumour necrosis factor (TNF) signaling activation. Mice lacking Sharpin, a critical subunit of LUBAC, spontaneously develop inflammatory lesions in the skin and other organs. Here we show that TNF receptor 1 (TNFR1)-associated death domain (TRADD)-dependent TNFR1 signaling in epidermal keratinocytes drives skin inflammation in Sharpin-deficient mice. Epidermis-restricted ablation of Fas-associated protein with death domain (FADD) combined with receptor-interacting protein kinase 3 (RIPK3) deficiency fully prevented skin inflammation, while single RIPK3 deficiency only delayed and partly ameliorated lesion development in Sharpin-deficient mice, showing that inflammation is primarily driven by TRADD- and FADD-dependent keratinocyte apoptosis while necroptosis plays a minor role. At the cellular level, Sharpin deficiency sensitized primary murine keratinocytes, human keratinocytes, and mouse embryonic fibroblasts to TNF-induced apoptosis. Depletion of FADD or TRADD in Sharpin-deficient HaCaT cells suppressed TNF-induced apoptosis, indicating the importance of FADD and TRADD in Sharpin-dependent anti-apoptosis signaling in keratinocytes.
Ruijs-Aalfs syndrome is a segmental progeroid syndrome resulting from mutations in the SPRTN gene. Cells derived from patients with SPRTN mutations elicit genomic instability and people afflicted with this syndrome developed hepatocellular carcinoma. Here we describe the molecular mechanism by which SPRTN contributes to genome stability and normal cellular homeostasis. We show that SPRTN is a DNA-dependent mammalian protease required for resolving cytotoxic DNA-protein crosslinks (DPCs)— a function that had only been attributed to the metalloprotease Wss1 in budding yeast. We provide genetic evidence that SPRTN and Wss1 function distinctly in vivo to resolve DPCs. Upon DNA and ubiquitin binding, SPRTN can elicit proteolytic activity; cleaving DPC substrates and itself. SPRTN null cells or cells derived from patients with Ruijs-Aalfs syndrome are impaired in the resolution of covalent DPCs in vivo. Collectively, SPRTN is a mammalian protease required for resolving DNA-protein crosslinks in vivo whose function is compromised in Ruijs-Aalfs syndrome patients.