Mechanismus von kleinen Hitzeschockprotein als Proteinsequestrasen

• Antragsteller: Professor Dr. Bernd Bukau; Privatdozent Dr. Axel Mogk
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461328467

Die Störung der Proteinhömostasis, bedingt durch Stressbedingungen oder Alterungsprozesse, führt zur Akkumulation mißgefalteter Proteine, welche mit zellulärer Toxizität verbunden sind. Das Proteostase-Netzwerk entfernt mißgefaltete Proteine durch deren Rückfaltung, Degradation oder Sequestrierung in intrazelluläre Einschlusskörper. Sequestrierung wurde erst kürzlich als Strategie von Proteinqualitätskontrollsystemen erkannt. Die involvierten zellulären Faktoren, die zu Grunde liegenden Mechanismen und die physiologischen Funktionen der Proteinsequestrierung sind erst in Ansätzen verstanden. Proteinsequestrierung ist am besten in Saccharomyces cerevisiae charakterisiert und wird durch die Sequestrasen Hsp42 und Btn2 durchgeführt. Hsp42 ist ein kleines Hitzeschockprotein (sHsp) und weist biochemische Ähnlichkeiten mit Btn2 auf. Beide Sequestrasen besitzen lange unstrukturierte Bereiche, bilden Oligomere und dirigieren gebundene Substrate zu rückfaltenden Hsp70/Hsp100 Chaperonen. In vorhergehenden Studien analysierten wir den basalen Mechanismus der Hsp42 Sequestraseaktivität. Diese beruht auf einer Prionen-ähnlichen Domäne, welche Substrate bindet und einer geladenen, unstrukturierten Domäne, welche regulatorische Funktion besitzt. Hsp42 und Btn2 ermöglichen Zellwachstum unter Bedingungen limitierter Hsp70 Kapazität, da mißgefaltete Proteine nach Sequestrierung nur eingeschränkt von Hsp70 gebunden werden können. Dieser einzigartige Phänotyp von Sequestrasemutanten in Hefezellen ermöglichte uns einen Screen für C. elegans Sequestrasen zu entwickeln. Unsere vorläufigen Ergebnisse identifizieren spezifische C. elegans sHsp als Sequestrasen, welche zur Lebensdauer der Tiere beitragen.Hier planen wir den Mechanismus von sHsp Sequestrasen und ihre physiologische Relevanz in Metazoen zu bestimmen und wie sHsps gebundene Substrate präferentiell zu rückfaltenden Chaperonen dirigieren. Unser Hauptziele sind: (1) Analyse ob Proteinsequestrierung eine konservierte Aktivität von sHsps darstellt durch Testung multipler sHsps unter Verwendung des entwickelten Hefe-Screens. (2) Definition der biochemischen und strukturellen Charakteristika, welche sHsp Sequestraseaktivität bedingen. (3) Bestimmung der physiologischen Funktion von sHsp Sequestrasen in C. elegans. (4) Analyse wie die Hsp42 Sequestraseaktivität direkt durch Stressbedingungen reguliert wird. (5) Bestimmung der Struktur von Sequestrase-Substrat-Komplexen durch Cryo-Elektron-Tomographie und wie diese Komplexe durch Hsp70/Hsp100 Disaggregasen moduliert werden. Wir erwarten durch diese Ansätze die Schlüsselmechanismen der Sequestraseaktivitäten von sHsps zu bestimmen, welche eine zentrale zelluläre Schutzfunktion während proteotoxischem Stress darstellt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen