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| In den letzten Jahren hat die Lebenserwartung der Menschen stark zugenommen, wodurch auch die Anzahl älterer Menschen dramatisch gestiegen ist. Dementsprechend hat die Anzahl der altersbedingten Krankheiten wie Krebs, neurodegenarative Erkrankungen und Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems ebenfalls stark zugenommen. Die immer weiter alternde Gesellschaft hat einen starken sozialen und wirtschaftlichen Effekt. Ein besseres Verständnis der molekularen Abläufe, die den Alterungsprozess steuern, ist von zentraler Bedeutung, um die allgemeine Lebensqualität zu verbessen und für die Entwicklung von neuen therapeutischen Behandlungen für altersassoziierte Krankheiten.
Ein Zeichen der Alterung ist die Abnahme der Proteinhomöostase (Proteostasis) in somatischen Zellen. Allerdings sind pluripotente Zellen, so wie embryonale Stammzellen (hESCs), unsterblich in Zellkultur und altern nicht, was man auf ihre erhöhte Proteinhomöostase zurückführen kann. Wir vermuten, dass ein besseres Verständnis der Regulierung der Proteinhomöostase in pluripotenten Stammzellen wichtige Informationen über die Identität pluripotenter Stammzellen und ihres Alterungsprozesses liefern wird.
Im ersten Teil unserer Studie untersuchten wir, wie Homöostasesignalwege die Identität und Funktion von hESCs regulieren. hESCs haben eine erhöhte proteasomale Aktivität, was ihnen die Fähigkeiten zur Selbsterneuerung, Pluripotentität und Differenzierung erlaubt. Allerdings ist der genaue Mechanismus, wie die erhöhte proteasomale Aktivität, Identität und Funktion der hESCs reguliert wird, nicht bekannt. Unserer Hypothese besagt, dass erhöhte proteasomale Aktivität essenziell zur Erhaltung der idealen Konzentration von Regulationsproteinen ist. E3 Ubiquitinligasen sind Enzyme, die Ubiquitin auf ihre spezifischen Substrate übertragen. Hier haben wir zuerst alle E3 Ubiquitinligasen identifiziert, die nur in hESCs hochreguliert sind und nicht in differenzierten Formen. Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass bestimmte HECT E3 Ligasen wie HERC2 und UBE3A, so wie Enzyme mit RING-Domäne, wie UBR7 und RNF181 in HESCs stark exprimiert sind. Unserer via massenspektrometrischer Analyse erstelltes Interaktom deutete eine Verbindung zwischen den genannten Proteinen und hESC Identität an. Bei einem Verlust von hochregulierten E3 Ligasen kann man signifikante Veränderungen im Transkriptom und im Proteom von hESCs feststellen. Allerdings haben keine dieser Veränderungen einen starken Einfluss auf Marker der Pluripotenz oder auf die Differenzierungsfähigkeit von Zellen. Nichtdestotrotz hat die massenspektrometrische Analyse gezeigt, dass die globale, proteasomale Inhibierung wichtige biologische Prozesse ändert und die hESC Identität mit beeinflusst. Ebenfalls beeinflusst werden Proteinsynthese, RNA Biogenese und die Telomerfunktion. Insgesamt zeigt unsere Analyse, dass proteasomale Aktivität mit biologischen Prozessen verbunden ist, welche die hESC Identität beeinflussen.
In dem zweiten Teil dieser Arbeit wurde untersucht, wie erhöhte proteasomale Aktivität die Proteostase von mutiertem HTT (mHTT) in pluripotenten Stammzellen beeinflusst. Der besondere Fokus lag auf dem inhärenten E3 Ubiquitin-Ligasenetzwerk. Proteostase ist für Zellen lebensnotwendig für die Entwicklung des Organismus und für die Zellfunktion. Eine Störung der Proteostase führt zu einer Anreicherung von beschädigten, falsch gefalteten und aggregierten Proteinen. Dieser Prozess ist eng verlinkt mit altersbedingten Krankheiten wie Huntington-Krankheit (HD). HD entsteht durch abnormale Zunahme der Polyglutamine-Wiederholungen (polyQ) des Huntigton Proteins, was zu seiner Aggregierung mit anschließender Toxizität führt. Besonders bemerkenswert ist, dass die Länge von pathologischem PolyQ kein Einfluss auf die Überlebensfähigkeit, Selbsterneuerung oder auf die Pluripotenz induzierte Stammzellen hat, die von huntington-kranken Patienten (HD-iPSCs) isoliert wurden, hat. Diese Beobachtung legt die Vermutung nahe, dass diese Zellen einen Mechanismus haben, der ihnen erlaubt, die Proteostase von mutiertem HTT zu wahren. In dieser Arbeit haben wir den Mechanismus untersucht, durch den iPSCs ihre Proteostase erhalten können. Unsere Ergebnisse zeigen, dass proteasomale Aktivität die Menge von HTT reguliert und die Anreicherung von PolyQ-Aggregaten verhindert. Es ist beachtenswert, dass iPSCs eine hohe Menge der E3 Ligase UBR5 generieren, welche direkt mit HTT interagiert und die Proteinmengen von sowohl Wildtyp, als auch von Mutanten reguliert. Ein Verlust des Proteins UBR5 führt zu einer starken Akkumulation von HTT und PolyQ-Aggregaten in HD-iPSCs. Weiterhin haben wir herausgefunden, dass der Verlust von UBR5 Orthologen in C. elegans zur schnelleren Bildung von PolyQ-Aggregaten und zu Neurotoxizität führt. Auffällig ist, dass die ektopische Expression von UBR5 ausreichend ist, um Polyubiquitylierung zu induzieren und mutiertes HTT zu degradieren, was in den HD Modelzellsystemen zur Abnahme von PolyQ-Aggregaten führt. Ferner bestimmt eine erhöhte Expression von UBR5 die globale Proteostase in iPSCs. Außerdem verhindert sie Aggregatbildung von falsch gefalteten Proteinen, die aus dem normalen Metabolismus resultieren. Zusammenfassend zeigt unsere Arbeit, dass UBR5 als ein besonderer Modulator der supervorsichtigen Proteostase in iPSCs dient. | German |
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