Regulation des UPS

Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) stellt das wichtigste intrazelluläre Proteinabbausystem in Säugern dar, das das sensible Gleichgewicht von Proteinsynthese, -qualitätskontrolle und Abbau gewährleistet und die Verfügbarkeit von Regulatorproteinen für zelluläre Mechanismen kontrolliert. Durch die Generierung antigener Peptide aus zellulären oder Virusproteinen ist das UPS direkter Bestandteil eines intakten Immunsystems. Forschungsfocus der AG Krüger ist die Regulation des kontrollierten Proteinabbaus durch das UPS. Die Bedeutung eines streng regulierten UPS wird durch Fehlregulationen offensichtlich, die zu Krankheiten wie Krebs, chronischen Virusinfektionen, Autoimmunerkrankungen oder Neurodegeneration führen können.

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Transkriptionelle Regulation des UPS in Säugerzellen

gene products

Das Zusammenspiel von Proteinsynthese, -abbau und Qualitätskontrolle reguliert die Menge an funktionellen Proteinen. Eine Störung der intrazellulären Homöostase kann Auslöser für neurodegenerative Prozesse oder Tumorerkrankungen sein. Bei der Qualitätskontrolle und der Proteindegradation übernimmt das Ubiquitin-Proteasom-System eine zentrale Rolle. Wir konnten bereits zeigen, dass nach Behandlung von Zellen mit Proteasom-Inhibitoren die mRNA Menge aller 26S Untereinheiten hochreguliert wird, was zu einer verstärkten de novo Synthese funktioneller Proteasomen führt. Unsere Arbeitsgruppe konnte zeigen, dass TCF11 (Transkriptionsfaktor 11) an antioxidative Erkennungssequenzen in den Promotoren von proteasomalen Untereinheiten bindet. Dadurch wird deren Transkription induziert, und das proteolytische Defizit ausgeglichen.

Unter nicht-induzierten Bedingungen ist TCF11 am Endoplasmatischen Retikulum lokalisiert, wo es über das ER assoziierte Degradationssystem zügig abgebaut wird. Proteasomale Inhibitoren induzieren die Kerntranslokation und somit die Aktivierung von TCF11. Im Fokus des DFG geförderten Forschungsprojekts stehen fortführende Untersuchungen zum TCF11 abhängigen Rückkopplungsmechanismus. Diese sollen Aufschluss darüber geben, wie TCF11 über Intramembranproteolyse (RIP) aktiviert wird, und wie der nukleäre Im- und Export erfolgen.

DFG: KO 4144/1-1; KR 1915/5-1

Immunoproteasomen an der Schnittstelle zwischen angeborener und adaptiver Immunantwort

adaptive response
innate response

Im Rahmen der angeborenen Immunantwort kann es durch z.B. Interferone (IFN) zu einer transienten Induktion von Immunoproteasomen kommen. Diese stellen eine spezifische Isoform von Proteasomen mit einer alternativen Zusammensetzung dar. Ihre Hauptfunktion wurde bisher mit einer verbesserten MHC Klasse I-Präsentation assoziiert. Der Einbau der Immunountereinheiten beta1i /LMP2, beta2i/MECL1 und beta5i/LMP7 in Proteasomenkomplexe bewirkt höhere Substratabbauraten und veränderte Spaltspezifitäten. Pro-inflammatorische Zytokine und virale Infektionen induzieren jedoch auch die Produktion von Radikalen, die Bestandteil mikrobiozider Verteidigungsmechanismen sind. Dadurch werden sowohl von Pathogenen stammende Proteine als auch Wirtsproteine in nicht infizierten Zellen oxidativ geschädigt, so dass erheblicher zellulärer Stress die Folge sein kann. Kürzlich konnten wir eine neue Rolle der Immunproteasomen für die Erhaltung der Lebensfähigkeit von Zellen unter IFN-induziertem Stress aufdecken. Insbesondere sind neu synthetisierte Proteine hoch anfällig für oxidative Schädigungen und die folgende Polyubiquitinierung (defective ribosomal products, DRiPs). Immunoproteasomen ermöglichen den effizienten Abbau von oxidativ geschädigten und polyubiquitinierten Proteinen, so dass der Ausbildung potentiell toxischer Aggregate (aggresome-like induced structures, ALIS) entgegengewirkt wird. Das Immunoproteasom garantiert somit sowohl die Proteinhomöostase unter IFN-induziertem, oxidativem Stress als auch eine effizientere MHC Klasse I-Präsentation, so dass sich seine Funktion an der Schnittstelle zwischen adaptiver und angeborener Immunantwort einordnen lässt.

Aktuelle Projekte unserer Arbeitsgruppe beschäftigen sich mit dem Zusammenspiel von oxidativem Stress, Polyubiquitinierung und Immunoproteasomen im Verlauf viraler Infektionen. Im Hauptfokus liegt dabei die frühe Phase der Immunantwort der Wirtszelle unter Verwendung von Zellkulturmodellen für hCMV- und Influenza A-Infektionen.

Regulation der Assemblierung von unterschiedlichen Proteasomentypen

assembly

Säugerzellen exprimieren normalerweise eine heterogene Proteasomenpopulation mit Proteasomen unterschiedlicher Zusammensetzung und Funktion. Diese werden die auf Ebene der Genexpression, der Assemblierung und Maturierung von Untereinheiten sowie der Assoziation mit verschiedenen Regulatorkomplexen reguliert. Ein komplexes und immer noch nicht vollständig verstandenes Biogeneseprogramm führt zur Bildung von Standard-, Immuno- oder Hybrid-Proteasomen mit verschiedenen Verhältnissen von Standard- und Immunountereinheiten. An der koordinierten Assemblierung und Prozessierung von Säugerproteasomen sind Helferproteine beteiligt. Das von uns identifizierte Proteasomen-Maturierungs-Protein POMP ist für Säugerzellen essentiell, sodass die Modulation des intrazellulären POMP-Gehaltes auch die Menge an funktionellen Proteasomen bestimmt. Außerdem waren wir in der Lage die Hauptschritte der Proteasomenbiogenese am Endoplasmatischen Reticulum (ER) zu lokalisieren.

Projekte

Wissenschaftliche Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter

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PD Dr. Michael Seeger

Wiss. Mitarbeiter

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Dr. rer. nat. Nadja Schubert

Wiss. Mitarbeiterin

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Dr. Karolin Nowak

Wiss. Mitarbeiterin

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Richard Golnik

Wiss. Mitarbeiter

Doktoranden

Technische Assistenten

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Daniela Ludwig

Techn. Assistentin