Die Rolle der linearen Ubiquitinierung bei der Proteinaggregation

• Antragstellerin: Professorin Dr. Konstanze Winklhofer
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 400967619

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Zur Aufrechterhaltung der neuronalen Viabilität und Hömöostase sind Neuronen auf effiziente Mechanismen der zellulären Stessantwort und Qualitätskontrolle angewiesen. Störungen dieser Systeme sind mit Alterungsprozessen und neurodegenerativen Erkrankungen assoziiert. Zahlreiche dieser Systeme werden durch Ubiquitylierung reguliert, wie zum Beispiel proteasomale Degradierung, Autophagie und Organellen-spezifische Stressantwort-Programme. Unsere bisherigen Ergebnisse zeigten, dass der lineare Ubiquitin-Ketten-Assemblierungskomplex (LUBAC) an fehlgefaltete Proteinspezies rekrutiert wird, die mit Neurodegeneration assoziiert sind, wie z.B. an mutiertes Huntingtin mit elongierten Polyglutamin-Trakt (Htt-polyQ). LUBAC kann fehlgefaltetes Huntingtin mit linearen Ubiquitin-Ketten modifizieren und dadurch dessen Toxizität reduzieren. Basierend auf diesen Beobachtungen stellten wir die Hypothese auf, dass zytoplasmatische Proteinaggregate ähnlich wie intrazelluläre Bakterien als zellulären „Pathogenen“ erkannt werden. Dies hat die Rekrutierung und Aktivierung von LUBAC zur Folge, um diese „Pathogene“ zu eliminieren. Die Resultate, die im Rahmen dieses Antrags gewonnen wurden, zeigten, dass HOIP, die katalytische Komponente des LUBAC, an fehlgefaltetes Huntingtin in einer p97/VCP-abhängigen Art und Weise rekrutiert wird, um lineare Ubiquitin-Ketten zu assemblieren. Dies hat die Abschirmung der interaktiven Aggregatoberfläche zur Folge, so dass keine unerwünschten Interaktionen, z.B. die Sequestrieung von Transkriptionsfaktoren, eintreten und proteasomaler Abbau der Aggregate stattfinden kann. Interessanterweise konnten lineare Ubiquitin-Ketten an allen untersuchten zytoplasmatischen Proteinaggregaten nachgewiesen werden. Der Einfluss von linearen Ubiquitin-Ketten auf das Schicksal der Aggregate war interessanterweise abhängig von der Art des fehlgefalteten Proteins. Im Falle von α-Synuclein induzierte LUBAC sowohl den proteasomalen als auch den autophagosomalen Abbau. Wir konnten mit NEMO ein Protein identifizieren, das den Effekt der linearen Ubiquitylierung auf die Autophagie vermittelt. NEMO bindet spezifisch an lineare Ubiquitin-Ketten und rekrutiert den Autophagie-Rezeptor p62 in Kondensate an der Interphase von Proteinaggregaten. Dies erleichtert die Degradierung von α-Synuclein-Aggregaten durch Autophagie. Diese Funktion von NEMO ist physiologisch relevant, da wir eine Patientin identifiziert haben mit einer Mutation im IKBKG-Gen, das für NEMO kodiert. Die daraus resultierenden NEMO-Variante kann nicht an lineare Ubiquitin- Ketten binden. Die Patientin entwickelte mit Anfang 40 eine schwerwiegende neurodegenerative Erkrankung mit einer ausgedehnten Ablagerung verschiedener Proteinaggregate, insbesondere von α-Synuclein-, Tau- und TDP-43-Aggregaten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• The function of parkin: Revisited. Movement Disorders, 28(14), 1936-1936.
  Yamakado, Hodaka & Takahashi, Ryosuke
  
• A protein quality control pathway regulated by linear ubiquitination. The EMBO Journal, 38(9).
  van Well, Eva M.; Bader, Verian; Patra, Maria; Sánchez‐Vicente, Ana; Meschede, Jens; Furthmann, Nikolas; Schnack, Cathrin; Blusch, Alina; Longworth, Joseph; Petrasch‐Parwez, Elisabeth; Mori, Kohji; Arzberger, Thomas; Trümbach, Dietrich; Angersbach, Lena; Showkat, Cathrin; Sehr, Dominik A.; Berlemann, Lena A.; Goldmann, Petra; Clement, Albrecht M. ... & Winklhofer, Konstanze F.
  
• Lining up for quality control: linear ubiquitin and proteotoxicity. The EMBO Journal, 38(9).
  Wiseman, R. Luke
  
• Linear Ubiquitin Chains: Cellular Functions and Strategies for Detection and Quantification. Frontiers in Chemistry, 7.
  Dittmar, Gunnar & Winklhofer, Konstanze F.
  
• The parkin-coregulated gene product PACRG promotes TNF signaling by stabilizing LUBAC. Science Signaling, 13(617).
  Meschede, Jens; Šadić, Maria; Furthmann, Nikolas; Miedema, Tim; Sehr, Dominik A.; Müller-Rischart, A. Kathrin; Bader, Verian; Berlemann, Lena A.; Pilsl, Anna; Schlierf, Anita; Barkovits, Katalin; Kachholz, Barbara; Rittinger, Katrin; Ikeda, Fumiyo; Marcus, Katrin; Schaefer, Liliana; Tatzelt, Jörg & Winklhofer, Konstanze F.
  
• Increased levels of mitochondrial import factor Mia40 prevent the aggregation of polyQ proteins in the cytosol. The EMBO Journal, 40(16).
  Schlagowski, Anna M.; Knöringer, Katharina; Morlot, Sandrine; Sánchez, Vicente Ana; Flohr, Tamara; Krämer, Lena; Boos, Felix; Khalid, Nabeel; Ahmed, Sheraz; Schramm, Jana; Murschall, Lena M.; Haberkant, Per; Stein, Frank; Riemer, Jan; Westermann, Benedikt; Braun, Ralf J.; Winklhofer, Konstanze F.; Charvin, Gilles & Herrmann, Johannes M.
  
• Protein quality control by the proteasome and autophagy: A regulatory role of ubiquitin and liquid-liquid phase separation. Matrix Biology, 100-101, 9-22.
  Lei, Linlin; Wu, Zhixiao & Winklhofer, Konstanze F.
  
• Remodeling of the Fibrillation Pathway of α‐Synuclein by Interaction with Antimicrobial Peptide LL‐III. Chemistry – A European Journal, 27(46), 11845-11851.
  Oliva, Rosario; Mukherjee, Sanjib K.; Ostermeier, Lena; Pazurek, Lilli A.; Kriegler, Simon; Bader, Verian; Prumbaum, Daniel; Raunser, Stefan; Winklhofer, Konstanze F.; Tatzelt, Jörg & Winter, Roland
  
• The key role of solvent in condensation: Mapping water in liquid-liquid phase-separated FUS. Biophysical Journal, 120(7), 1266-1275.
  Ahlers, Jonas; Adams, Ellen M.; Bader, Verian; Pezzotti, Simone; Winklhofer, Konstanze F.; Tatzelt, Jörg & Havenith, Martina
  
• The Role of Ubiquitin in Regulating Stress Granule Dynamics. Frontiers in Physiology, 13.
  Krause, Laura J.; Herrera, Maria G. & Winklhofer, Konstanze F.
  
• Linear ubiquitination induces NEMO phase separation to activate NF-κB signaling. Life Science Alliance, 6(4), e202201607.
  Goel, Simran; Oliva, Rosario; Jeganathan, Sadasivam; Bader, Verian; Krause, Laura J.; Kriegler, Simon; Stender, Isabelle D.; Christine, Chadwick W.; Nakamura, Ken; Hoffmann, Jan-Erik; Winter, Roland; Tatzelt, Jörg & Winklhofer, Konstanze F.
  
• NEMO reshapes the α-Synuclein aggregate interface and acts as an autophagy adapter by co-condensation with p62. Nature Communications, 14(1).
  Furthmann, Nikolas; Bader, Verian; Angersbach, Lena; Blusch, Alina; Goel, Simran; Sánchez-Vicente, Ana; Krause, Laura J.; Chaban, Sarah A.; Grover, Prerna; Trinkaus, Victoria A.; van Well, Eva M.; Jaugstetter, Maximilian; Tschulik, Kristina; Damgaard, Rune Busk; Saft, Carsten; Ellrichmann, Gisa; Gold, Ralf; Koch, Arend; Englert, Benjamin ... & Winklhofer, Konstanze F.