Funktion und molekularer Mechanismus der Signalpeptid-Peptidase (SPP) in der regulierten Membranproteinmengenkontrolle

• Antragsteller: Professor Dr. Marius Lemberg
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407070872

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Intramembranproteasen sind die ungewöhnlichen Enzyme, die die Spaltung von Peptidbindungen in der hydrophoben Umgebung von Membranen katalysieren. Intramembranproteolyse führt üblicherweise zur kontrollierten Protein-Freisetzung aus der Membran und anschließender Verlagerung in den Kern, in das Zytoplasma oder in den extrazellulären Raum. Zusätzlich zur Aktivierung kann die Intramembranspaltung auch einen regulierten Proteinabbau einleiten. Die Intramembranproteolyse reguliert wichtige Prozesse wie Signalübertragung, Transkriptionskontrolle sowie posttranslationale Mengenkontrolle von Schlüsselenzymen des Stoffwechsels. Daher kann die Deregulierung von Intramembranproteasen zu schweren Pathologien wie der Alzheimer- Krankheit, Tumorprogression und Stoffwechselstörungen führen. Die zellulären Spiegel wichtiger Metaboliten müssen streng reguliert werden, um dem sich ändernden zellulären Bedarf gerecht zu werden. Beispielsweise werden Cholesterinspiegel durch Aufnahme, endogene Synthese, intrazelluläre Speicherung als Cholesterylester und Efflux zu Apolipoproteinen moduliert, die insgesamt die Membrancholesterinhomöostase aufrechterhalten. Cholesterin wird im Endoplasmatischen Retikulum (ER) über den Mevalonatweg in einem mehrstufigen Prozess synthetisiert. Ein Zwischenprodukt der Cholesterinbiosynthese, Farnesylpyrophosphat, dient auch als Baustein mehrerer anderer Moleküle, darunter Dolichol, Ubichinon und Häm. Da diese Isoprenoide wichtige biologische Aktivitäten beeinflussen, muss die Balance zwischen Sterol- und Nicht-Sterol-Zweige des Mevalonat-Wegs streng kontrolliert werden. Auf der einen Seite werden die beteiligen Enzyme durch den SREBP-Transkriptionsfaktor als Reaktion auf niedriges Cholesterin hochreguliert. Andererseits unterliegen die geschwindigkeitsbegrenzenden Enzyme einer posttranslationalen Rückkopplungshemmung. Wenn kein Synthesebedarf besteht, werden diese Enzyme über den ER-assoziierten Abbauweg (ERAD) entfernt. Während diese Mechanismen die Gesamtbiosyntheserate bestimmen, ist unklar, wie das Einleiten in den Sterol- und Nicht-Sterol-Zweig des Mevalonat-Stoffwechselwegs kontrolliert wird. Der zelluläre Cholesterinspiegel erfolgt durch eine konservierte sterol-sensing-Domäne verschiedener ER-Membranproteine. Bei niedrigem Cholesterinspiegel verlagert sich z.B. SREBP vom ER zum Golgi, wo seine Transkriptionsfaktordomäne durch regulierte Intramembranproteolyse freigesetzt wird. Bei hohem Cholesterinspiegel wird die HMG-CoA-Reduktase durch ERAD herunterreguliert. Zusätzlich zu den kanonischen ERAD-Abbaumechanismen, bildet die Aspartat-Intramembranprotease SPP (Signalpeptidpeptidase) einen weiteren ERAD-Abbauweg. Neben seiner Rolle im Abbau von Signalpeptiden interagiert SPP mit den ERAD E3-Ubiquitin-Ligasen TRC8 und MARCH6. Unsere jüngsten Arbeiten zeigten, dass die SPP-TRC8-vermittelte Mengenkontrolle von Squalensynthase (SQS), das Enzym am Verzweigungspunkt des Sterolund Nicht-Sterol-Arms des Mevalonat-Wegs, als Stoffwechselregulationsmechanismus wirkt. Die Spaltung und der anschließende Abbau von SQS wird durch Cholesterin reguliert und erfolgt durch SPP und TRC8. In Übereinstimmung damit ist der zelluläre Gesamtcholesterinspiegel in SPP-Knockout-Zellen erhöht, was darauf hinweist, dass der SPP-vermittelte SQS-Mengenkontrolle physiologische relevant ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 11th General Meeting of the International Proteolysis Society: Interfaces in Proteolysis, October 2019, Czech Republic
  M. Lemberg
  
• EMBO Conference: Proteostasis: From Organelles to Organisms, November 2019, Ericeira, Portugal.
  D. Avci
  
• The Endoplasmic Reticulum Conference: From Unfolded Proteins to Disease, June 2019, Snowmass Village, Colorado, USA.
  M. Lemberg
  
• Intramembrane protease SPP defines a cholesterol-regulated abundance control of the mevalonate pathway enzyme SQS. Cold Spring Harbor Laboratory.
  Avci, Dönem; Heidasch, Ronny; Costa, Martina; Lüchtenborg, Christian; Kale, Dipali; Brügger, Britta & Lemberg, Marius K.
  
• 3rd International Symposium Protease World in Health and Disease September 2022, Kiel, Germany.
  D. Avci
  
• The human signal peptidase complex acts as a quality control enzyme for membrane proteins. Science, 378(6623), 996-1000.
  Zanotti, Andrea; Coelho, João P. L.; Kaylani, Dinah; Singh, Gurdeep; Tauber, Marina; Hitzenberger, Manuel; Avci, Dönem; Zacharias, Martin; Russell, Robert B.; Lemberg, Marius K. & Feige, Matthias J.