Regulation der 26S Proteasomaktivität und der Bewältigung von Proteinaggregationserkrankungen durch Nub1

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Basler, seit 10/2022
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Immunologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423436224

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Proteine werden mit Ubiquitin oder dem Ubiquitin-ähnlichen Modifikator FAT10 für den Abbau durch das 26S Proteasom markiert. Bisher ging man davon aus, dass dieser Proteinabbau hauptsächlich durch Enzyme reguliert wird, die diese Proteine mit Ubiquitin oder FAT10 markieren. Kürzlich konnte jedoch gezeigt werden, dass auch die Aktivität des 26S Protea-soms selbst unter anderem durch dessen Phosphorylierung oder Ubiquitylierung reguliert wird. Der FAT10-vermittelte Abbau wird durch das Protein NUB1 stark beschleunigt. NUB1 und FAT10 aktivieren zusammen das 26S Proteasom ebenso potent wie Ubiquitin-Konjugate, vermutlich weil NUB1 an dieselbe Stelle von RPN1 auf dem 26S-Proteasom bindet wie das inhibitorische USP14 und es dabei verdrängt. In diesem Projekt wollen wir die Rolle von NUB1 beim Proteinabbau durch das 26S-Proteasom, bei der „unfolded protein response“ (UPR), bei der Alzheimer-Krankheit und bei Virusinfektionen charakterisieren. Wir zeigen, dass FAT10 und sein Interaktionspartner NUB1L die Öffnung des 20S-Proteasoms auf Ubiquitin- und USP14-unabhängige Weise ermöglichen. Darüber hinaus ist FAT10 in der Lage, alle peptidolytischen Aktivitäten des 26S-Proteasoms zu aktivieren, allerdings nur zusammen mit NUB1L, indem es an die UBA-Domänen von NUB1L bindet und dadurch die NUB1L-Dimerisierung stört. Die Bindung von FAT10 an NUB1L führt zu einer erhöhten Affinität von NUB1L für die Untereinheit RPN1. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Zusammenarbeit von FAT10 und NUB1L ein substratinduzierter Mechanismus zur Aktivierung des 26S-Proteasoms ist. Der Ubiquitin-unabhängige Proteinabbau über das 20S Proteasom ohne das 19S Regulatorpartikel hat in den letzten Jahren zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Wir fanden heraus, dass FAT10 in vitro durch gereinigtes 20S Proteasom schnell abgebaut wurde, was auf die schwache Faltung von FAT10 und den ungeordneten N-Terminus zurückgeführt wurde. Der Abbau von FAT10 in der Zelle war jedoch stark von einem funktionellen 26S-Proteasom abhängig. NUB1 moduliert die Proteinhomöostase durch den gezielten Abbau von Substraten über das Proteasomsystem. Wir haben einen neuen NUB1-Knockout-Mausstamm erzeugt und eingehend charakterisiert. Im Gegensatz zu einer höheren Anfälligkeit nach BFA-Behandlung in einer menschlichen NUB1-Knockout-Zelllinie konnten wir keine Unterschiede in verschiedenen primären Mauszelllinien feststellen. In einem EAE-Modell entwickelten NUB1-defiziente Mäuse ähnliche Symptome wie Wildtyp-Mäuse. Die Pathogen-spezifische zytotoxische T-Zelle war jedoch in NUB1-defizienten Mäusen stark verstärkt. Zusammengefasst zeigen unsere Daten eine wichtige in vivo Funktion von NUB1 bei der Induktion einer Pathogen-spezifischen CTL-Antwort. Tauopathien wie die Alzheimer-Krankheit sind durch die pathologische Aggregation von Tau gekennzeichnet, die zu Neurodegeneration und kognitivem Abbau führt. In dieser Studie untersuchten wir den Einfluss von NUB1 auf die Tau-Aggregation anhand eines P301S-Tauopathie-Mausmodells. Unsere Ergebnisse zeigen, dass ein NUB1-Mangel eine schützende Wirkung gegen Lähmungssymptome bietet, während wir keine signifikanten Unterschiede im Verhalten von NUB1-Knockout-Mäusen im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen beobachteten. Insbesondere zeigten Lysate aus den Gehirnen von NUB1-Wildtyp-Mäusen eine höhere Keimbildungsaktivität in einem zellulären Tau-Reportersystem. Diese Ergebnisse unterstreichen die wichtige Rolle von NUB1 bei der Modulation der Tau-Aggregation bei neu-rodegenerativen Erkrankungen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• The ubiquitin-like modifier FAT10 inhibits retinal PDE6 activity and mediates its proteasomal degradation. Journal of Biological Chemistry, 295(42), 14402-14418.
  Boehm, Annika N.; Bialas, Johanna; Catone, Nicola; Sacristan-Reviriego, Almudena; van der Spuy, Jacqueline; Groettrup, Marcus & Aichem, Annette
  
• The ubiquitin-like modifier FAT10 – much more than a proteasome-targeting signal. Journal of Cell Science, 133(14).
  Aichem, Annette & Groettrup, Marcus
  
• Parkin is an E3 ligase for the ubiquitin-like modifier FAT10, which inhibits Parkin activation and mitophagy. Cell Reports, 34(11), 108857.
  Roverato, Nicola D.; Sailer, Carolin; Catone, Nicola; Aichem, Annette; Stengel, Florian & Groettrup, Marcus
  
• FAT10 and NUB1L cooperate to activate the 26S proteasome. Life Science Alliance, 6(8), e202201463.
  Brockmann, Florian; Catone, Nicola; Wünsch, Christine; Offensperger, Fabian; Scheffner, Martin; Schmidtke, Gunter & Aichem, Annette
  
• The ubiquitin-like modifier FAT10 is degraded by the 20S proteasome in vitro but not in cellulo. Life Science Alliance, 6(6), e202201760.
  Oliveri, Franziska; Keller, Steffen Johannes; Goebel, Heike; Alvarez, Salinas Gerardo Omar & Basler, Michael
  
• Cellular stress increases DRIP production and MHC Class I antigen presentation. Frontiers in Immunology, 15.
  Pach, Natalie & Basler, Michael
  
• FAT10 inhibits TRIM21 to down-regulate antiviral type-I interferon secretion. Life Science Alliance, 7(9), e202402786.
  Saxena, Kritika; Inholz, Katharina; Basler, Michael & Aichem, Annette
  
• Phosphorylated FAT10 Is More Efficiently Conjugated to Substrates, Does Not Bind to NUB1L, and Does Not Alter Degradation by the Proteasome. Biomedicines, 12(12), 2795.
  Cao, Jinjing; Aichem, Annette; Basler, Michael; Alvarez, Salinas Gerardo Omar & Schmidtke, Gunter
  
• The Significant Role of PA28αβ in CD8+ T Cell-Mediated Graft Rejection Contrasts with Its Negligible Impact on the Generation of MHC-I Ligands. International Journal of Molecular Sciences, 25(11), 5649.
  Inholz, Katharina; Bader, Ulrika; Mundt, Sarah & Basler, Michael