Charakterisierung pathophysiologischer Wechselwirkungen zwischen dem neurotoxischen Protein TDP-43 und den proteolytischen Prozessen in Saccharomyces cerevisiae

Titelangaben

Leibiger, Christine:
Charakterisierung pathophysiologischer Wechselwirkungen zwischen dem neurotoxischen Protein TDP-43 und den proteolytischen Prozessen in Saccharomyces cerevisiae.
Bayreuth , 2018 . - XVIII, 199, XXI S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

An der Amyotrophen Lateralsklerose (ALS), der häufigsten Form der Motoneuronerkrankung, erkranken jährlich bis zu 375.000 Personen weltweit. Der Verlust der Motoneurone führt zu muskulärer Atrophie und in der Regel innerhalb von fünf Jahren nach Ausbruch der Krankheit zum Tod. Fast alle ALS-Patienten zeigen eine zelluläre Fehllokalisation des nukleären Proteins TDP 43 ins Zytoplasma, wo es aggregiert vorliegt. TDP 43 ist ein ubiquitär vorkommendes RNA- und DNA-bindendes Protein mit vielfältigen Aufgaben. Die Expression von humanem TDP 43 im Modellorganismus Hefe rekapituliert relevante Krankheitsmerkmale aus höheren Organismen und Patienten, wie zytoplasmatische Aggregatbildung und Zytotoxizität. Ferner sind zahlreiche zelluläre Mechanismen, wie die Proteinqualitätskontrolle, zwischen Hefe und Mensch konserviert. Der Abbauweg von TDP 43 in der Zelle (sowohl im Neuron als auch in Hefe) ist noch nicht endgültig geklärt. Es gibt Hinweise, dass die proteolytischen Systeme, wie Autophagie, Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) und der endosomal-vakuoläre Weg an der Eliminierung von TDP-43 beteiligt sind. Ausgehend von einem Tüpfeltestscreens mit 109 Deletionsmutanten sollte in der Arbeit die Rolle dieser Wege beim Abbau von zytotoxischem TDP 43 untersucht werden. Die Ergebnisse lassen auf ein neues Paradigma bei der TDP 43-Eliminierung schießen. So ist das UPS, zumindest in dieser Arbeit, nicht deutlich an der Beseitigung des Proteins beteiligt. Dahingegen ist der endosomal-vakuoläre Weg vorrangig für den Abbau von zytotoxischem TDP 43 verantwortlich, während die Autophagie als kompensatorisches System dient. Hierzu passen Beobachtungen, dass die vakuoläre Fusion und die Vakuole wichtig für den Abbau von TDP 43 sind. Interessanterweise unterstützt TDP-43 den terminalen Abschnitt der Autophagie, aber hemmt den endosomal-vakuolären Verlauf und somit den Weg, der für seinen eigenen Abbau relevant ist. TDP 43 kolokalisiert mit der E3-Ubiquitinligase Rsp5 (wichtig für den endosomal-vakuolären Weg). Die Ubiquitinylierung von TDP-43 durch Rsp5 könnte demnach zur Entfernung von TDP 43 beitragen. Eine Steigerung der Rsp5-Aktivität, des endosomal-vakuolären Wegs, der vakuolären Fusion sowie Funktion könnte die Degeneration von Neuronen verzögern. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit die Auswirkung der TDP 43-Überexpression auf die Proteinzusammensetzung in einer Hefezelle quantitativ beschrieben. 18 Proteine waren signifikant angereichert und 33 Proteine abgereichert. Hitzeschockproteine, wie Ssa4 und Hsp31, das Hefehomolog zum Parkinson-Erkrankungs-relevanten Protein DJ-1, reicherten sich an. Inwieweit diese Beobachtungen relevant für pathophysiologische Vorgänge sind, muss in weiterführenden Studien untersucht werden.

Abstract in weiterer Sprache

Each year, up to 375.000 people develop amyotrophic lateral sclerosis (ALS), the most frequent motor neuron disease, worldwide. Loss of functional motor neurons normally results in muscular atrophy and death within five years after disease onset. Almost all ALS patients show cellular mislocalization of nuclear TDP 43 into the cytoplasm, where it forms aggregates. TDP 43 is a ubiquitously expressed RNA- and DNA-binding protein with diverse functions. Expression of human TDP 43 in the model organism yeast recapitulates disease-relevant features similar to those in higher models and patients, like cytoplasmic aggregation and cytotoxicity. In addition, numerous cellular mechanisms, like protein quality control, are conserved from yeast to human. The degradation pathway of TDP 43 in the cell (both in neurons and yeast) is still uncertain. There are evidences, that proteolytic systems, like autophagy, the ubiquitin-proteasome system (UPS) and the endosomal-vacuolar pathway, are involved in degradation of TDP 43. In this study, based on drop dilution assays with 109 deletion mutants, the importance of these pathways for cytotoxic TDP 43 degradation has been investigated. The results suggest a new paradigm for the elimination of TDP 43. At least in this work, UPS is apparently not involved in protein elimination. In contrast, the endosomal-vacuolar pathway is primarily responsible for TDP 43 reduction, while autophagy serves as a compensatory system. Consistent with these observations, vacuolar fusion and function are important for TDP 43 degradation. Interestingly, TDP 43 induces the terminal steps of autophagy, but inhibits the endosomal-vacuolar pathway, that is relevant for the own degradation. TDP 43 colocalizes with E3 ubiquitin ligase Rsp5 (important to the endosomal-vacuolar pathway). Therefore, the ubiquitination of TDP 43 by Rsp5 could contribute for removal of TDP 43. An improvement of Rsp5 activity, endosomal-vacuolar pathway and vacuolar fusion and function could delay the neuronal degradation. Moreover, in this work, the impact of TDP 43 overexpression on the protein composition in yeast cells was quantitatively described. 18 proteins were significant upregulated and 33 proteins were downregulated. Heat shock proteins, like Ssa4 and Hsp31, the yeast homolog to the Parkinson’s disease relevant protein DJ-1, were particularly enriched. To what extent these observations are relevant for pathophysiological processes must be investigated in further studies.