Universität zu Köln

Kutzner, Carl Elias ORCID: 0000-0003-4053-2231 (2024). Protein homeostasis in muscle cells under mechanical stress conditions in health and disease. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Protein homeostasis (proteostasis) describes the balance of synthesis, folding, and degradation of proteins in a given cell or tissue, and is mediated by molecular chaperones and E3 ubiquitin ligases that are essential for the assembly, maintenance, and repair of complex protein machineries and for the response to stressful challenges. Especially in the sarcomeres of striated muscle, a tissue under constant stress and use, myosin motor proteins and actin filaments mediate contraction and the generated force leads to mechanical stress and misfolding of the intricate protein components. Conversely, inactivity and muscular diseases present stressful challenges that result in the increased demand for the degradation of damaged or excess proteins. The myosin chaperone UNC-45 is involved in the folding and assembly of myofilaments and has been implicated in the maintenance and response to mechanical stress. However, the exact roles of UNC-45 in human muscular disease, in muscle proteostasis, and particularly regarding the myosin motor protein under mechanical stress remain incompletely understood. This work reports pathogenic variants in the UNC45B gene that cause progressive myopathy characterized by eccentric cores. Clinical observations, biochemical experiments, and transgenic rescue assays in Caenorhabditis elegans reveal that the disease mechanism involves alterations in UNC45B mRNA splicing and UNC-45B protein levels, as well as disruptions in UNC-45 localization, folding, and interaction with myosin. A ubiquitin fusion reporter strain in C. elegans body wall muscle allows to further explore proteostasis responses to UNC-45 mutation. In addition, a transgenic model for the OPTogenetic Induction of Mechanical MUscle Stress in C. elegans (OptIMMuS) in combination with sensitive proximity labeling assays identifies the small heat shock proteins of the HSP-16 family as well as the TRIM E3 ubiquitin ligase NHL-1 and its binding partner F40A3.6 as new interactors of UNC-45 and myosin. Genetic, behavioral, and co-immunoprecipitation experiments in myosin misfolding mutants and in a ligase-dead nhl-1 mutant provide evidence that the ubiquitylation activity of this TRIM protein regulates myosin protein abundance and function under mechanical stress. Together, this work establishes a role for UNC-45 in human muscular disease and in the molecular response to mechanically induced myosin misfolding in otherwise healthy muscle. These findings suggest that UNC-45 determines the fate of misfolded myosin molecules under mechanical stress and cooperates with a TRIM E3 ligase and the ubiquitin-proteasome system in myosin proteostasis in the muscle.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Proteinhomöostase in Muskelzellen unter mechanischen Stressbedingungen in Gesundheit und Krankheit German
Translated abstract:	Abstract Language Proteinhomöostase (Proteostase) beschreibt das Gleichgewicht von Synthese, Faltung und Abbau von Proteinen in Zellen oder Geweben und wird durch molekulare Faltungshelfer (Chaperone) und E3-Ubiquitin-Ligasen vermittelt, die essentiell sind für den Aufbau, die Wartung und die Reparatur komplexer Proteinmaschinen und in Reaktion auf Stress. Insbesondere in den Sarkomeren der quergestreiften Muskulatur, einem Gewebe, das ständiger Belastung und Nutzung ausgesetzt ist, ermöglichen Myosin-Motorproteine zusammen mit Aktinfilamenten die Kontraktion und erzeugen eine Kraft, die zu mechanischer Belastung und Fehlfaltung komplexer Proteinkomponenten führt. Hingegen stellen Nichtbeanspruchung und Muskelerkrankungen stressige Herausforderungen dar, die zu einem erhöhten Abbau beschädigter oder überschüssiger Proteine führen. Das Myosin-Chaperon UNC-45 ist sowohl an der Faltung und Assemblierung von Myofilamenten als auch an der Instandhaltung und der Antwort auf mechanische Belastung beteiligt. Welche genaue Rolle UNC-45 bei menschlichen Muskelerkrankungen, bei der Muskel-Proteostase und insbesondere im Hinblick auf das Myosin-Motorprotein unter mechanischer Belastung spielt, ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Diese Arbeit berichtet von pathogene Varianten im UNC45B-Gen, die eine progressive Myopathie verursachen, gekennzeichnet durch exzentrische Cores. Klinische Beobachtungen, biochemische Experimente und transgene Rettungstests in Caenorhabditis elegans zeigen, dass der Krankheitsmechanismus mit Veränderungen im UNC45B-mRNA-Spleißen und im UNC-45B-Proteinspiegel sowie Störungen der UNC-45-Lokalisierung, -Faltung und -Interaktion mit Myosin einhergeht. Ein Ubiquitin-Fusionsreporterstamm im Muskel von C. elegans ermöglicht außerdem die Untersuchung von Proteostase-Antworten auf UNC-45-Mutationen. Darüber hinaus identifiziert ein transgenes Modell für die OPTogenetische Induk¬tion von Mechanischem MUskelStress in C. elegans (OptIMMuS) in Kombination mit sensitiven Proximity-Labeling-Assays die kleinen Hitzeschockproteine der HSP-16-Familie sowie die TRIM E3-Ubiquitin-Ligase NHL- 1 und den Bindungspartner F40A3.6 als neue Interaktoren von UNC-45 und Myosin. Genetische, Verhaltens- und Co-Immunpräzipitationsexperimente in Myosin-Fehlfaltungsmutanten und einer Ligase-toten nhl-1-Mutante liefern Hinweise darauf, dass die Ubiquitylierungsaktivität dieses TRIM-Proteins die Myosin-Proteinmenge und -Funktion unter mechanischem Stress reguliert. Zusammengefasst belegt diese Arbeit, dass UNC-45 eine Rolle bei menschlichen Muskelerkrankungen und bei der molekularen Reaktion auf mechanisch induzierte Myosin-Fehlfaltungen im ansonsten gesunden Muskel spielt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass UNC-45 das Schicksal fehlgefalteter Myosin-Moleküle unter mechanischer Belastung bestimmt und mit einer TRIM-E3-Ligase und dem Ubiquitin-Proteasom-System bei der Myosin-Proteostase im Muskel zusammenarbeitet. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Kutzner, Carl Elias ckutzner@uni-koeln.de orcid.org/0000-0003-4053-2231 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-734251
Date:	2024
Place of Publication:	Köln
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	CECAD - Cluster of Excellence Cellular Stress Responses in Aging-Associated Diseases Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Athletic and outdoor sports and games Chemistry and allied sciences Life sciences Medical sciences Medicine Natural sciences and mathematics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language proteostasis English muscle English mechanical stress English mechanischer Stress German Myosin English Chaperone English Ubiquitin English
Date of oral exam:	16 April 2024
Referee:	Name Academic Title Hoppe, Thorsten Prof. Dr. Krüger, Marcus Prof. Dr. Deuerling, Elke Prof. Dr. Riemer, Jan Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/73425