Universität zu Köln

Khodakarami, Amirabbas (2017). Investigating the role of the CCT chaperonin in stem cell identity and aging. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

With the constant increase in the age of the population in many countries of the world, understanding the molecular mechanisms of aging is of central importance. This increase in the age of societies in developed countries has been achieved through improvements in healthcare and drug development. However, aging is associated with a myriad of diseases that not only affect the quality of life for the elderly, but also impose a major challenge on the socio-economic and healthcare systems. Thus, gaining a better understanding of the aging process at the molecular level could lead to novel therapies against aging and age-associated diseases. Functional decay of somatic stem cells, which leads to hampered tissue regeneration is one of the main hallmarks of aging. Human embryonic stem cells (hESCs) can replicate indefinitely while maintaining their undifferentiated state and, therefore, are immortal in culture. This capacity is among others dependent on enhanced protein homeostasis (proteostasis) mechanisms, since any imbalance in protein quality control could potentially compromise the resulting lineage of cells. Decline in the proteostasis is also known as a main contributor to aging. Thus, studying proteostasis of hESCs is a novel paradigm, that will not only help us gain a better understanding of hESC biology, but could also provide a link between hESC immortality, organismal longevity and stress resistance. In the frame of this study, we aimed to investigate the regulation of proteostasis in hESCs and its relevance to stemness, stress resistance, aging and age-associated diseases. We tried to define key candidates responsible for enhanced proteostasis in hESCs by comparing hESCs and differentiated cells using quantitative proteomics and RNA-sequencing, and were able to identify several proteostasis-related proteins, which are differentially expressed. Recent studies demonstrate that hESCs have increased proteasome activity in comparison to their differentiated counterparts. This increased proteasome activity was found to be essential for hESC identity and their differentiation into neural cells. Elevated expression of PSMD11, a subunit of the 19S proteasome, is required for the enhanced proteasome activity in hESCs. In addition, ectopic expression of rpn-6 (C. elegans orthologue of PSMD11) was sufficient to confer proteotoxic stress resistance and extend lifespan in this model organism. In this study we show that PSME4, a distinct form of proteasome activator, resembles the high expression levels of PSMD11 in hESCs. However, unlike PSMD11, this protein was found to be III dispensable for stem cell function and organismal longevity under normal growth conditions. Besides the proteasome, we also sought to understand how the chaperome regulates immortality and aging. The human chaperome is formed by 332 chaperones and cochaperones that regulate the folding and function of proteins. We show that human pluripotent stem cells exhibit dramatic differences in expression of molecular chaperones. In particular, we observed much higher expression and increased assembly of the TRiC/CCT complex, a chaperonin that facilitates the folding of 10% of the proteome. This highly conserved molecular machine forms a~1MDa complex in the cytosol of eukaryotic cells, consisting of two back-to-back rings, each containing seven to nine subunits of ~60 kDa. TRiC/CCT is responsible for the folding of many essential proteins, including components of the cytoskeleton such as actin and tubulin or cell cycle regulators, and its dysregulation is associated with a myriad of diseases including cancer and neuropathy. We found that ectopic expression of a single subunit (CCT8) is sufficient to increase TRiC/CCT assembly. Moreover, enhanced TRiC/CCT assembly is required for the striking ability of pluripotent stem cells to maintain proteostasis of aggregation- prone huntingtin (HTT), the mutant protein underlying Huntington’s disease (HD). Since the levels of CCT subunits are further decreased in somatic tissues during organismal aging, we examined whether modulation of CCT8 can delay the aging process and proteostasis dysfunction by using C. elegans as a model organism. Notably, upregulation of CCT8 levels in somatic tissues triggers TRiC/CCT assembly and extends organismal lifespan particularly under proteotoxic conditions. Ectopic expression of CCT8 also ameliorates the age-associated demise of proteostasis and corrects proteostatic deficiencies in worm models of Huntington’s disease. Our results suggest proteostasis is a common principle that links organismal longevity with hESC immortality.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Aufgrund der steigenden Lebenserwartungen in den Bevölkerungen vieler Länder, entwickelt sich die Erforschung der molekularen Mechanismen des Alterns zu einer wichtigen wissenschaftlichen Diziplin. Der beeindruckende Anstieg der durchschnittlichen Lebenserwartung in Industrieländern wurde durch herausragende Verbesserungen des Gesundheitswesens und der Arzneientwicklung ermöglicht. Dies ist jedoch mit extremen Herausforderungen verbunden, die das wachsende Aufkommen altersbedingter Krankheiten sowohl an das fiskale, als auch das Gesundheitssystem stellt. Ein detaillierteres erständnis des Alterungsprozesses auf molekularer Ebene könnte daher zu verbesserten Therapien gegen solche Krankheiten im speziellen und den Alterungsprozess im Allgemeinen führen. Funktionaler Abbau somatischer Stammzellen, welcher zu einer gestörten Geweberegeneration führt, ist eines der Kennzeichen des Alterns. Dagegen behalten menschliche embryonale Stammzellen (hES-Zellen) ihre Replikationsfähigkeit und ihren undifferenzierten Status auf unbestimmte Zeit bei und sind daher in Zellkultur theoretisch unsterblich. Diese Eigenschaft beruht unter anderem auf verstärkten Proteinhomeostase- (Proteostase-) mechanismen, da ein Ungleichgewicht in der Proteinqualitätskontrolle die resultierende Zelllinie negativ beeinträchtigen kann. Eine Abschwächung der Proteostase stellt zudem einen Hauptfaktor für den Alterungsprozess dar. Eine eingehendere Untersuchung der Proteostase von hES-Zellen dient daher nicht nur einem besseren Verständnis der hES-Zellbiologie, sondern könnte auch eine Verbindung zwischen der Unsterblichkeit von hES-Zellen, organismischer Langlebigkeit und Stressresistenz herstellen. Das Ziel der vorliegenden Studie war die Untersuchung der Proteostaseregulation in hES-Zellen und deren Relevanz für die Stammzellenfähigkeit, die Stressresistenz, den Alterungsprozess und die Entstehung altersbedingter Erkrankungen. Durch den Vergleich quantitativer Proteomanalyse- sowie RNA-Sequenzierungdaten von hES- und differenzierten Zellen wurden mehrere potentielle Kandidatenproteine identifiziert, die in Zusammenhang mit erhöhter hES-Zellproteostase stehen. Jüngste Studien zeigten, dass hES-Zellen eine erhöhte Proteasomaktivität im Vergleich zu differenzierten Zellen aufweisen. Diese verstärkte Proteasomaktivität ist essentiell für die Bewahrung der hES-Zellidentität und für ihre Differenzierung zu neuronalen Zellen. Eine erhöhte Expression der 19S Proteasomuntereinheit PSMD11 ist notwendig für die verstärkte Proteasomaktivität in hES-Zellen. Darüber hinaus war die ektopische Expression von rpn-6, dem C. elegans-spezifische Ortholog von PSMD11, ausreichend, um Resistenz gegen proteotoxischen Stress sowie eine Verlängerung der Lebensspanne in diesem Modelorganismus zu verleihen. In dieser Arbeit zeigen wir, dass eine unterschiedliche Art von Proteasomaktivator, PSME4, ähnlich hohe Expressionslevel wie PSMD11 in hES-Zellen aufweist. Im Gegensatz zu PMSD11, ist jenes Protein jedoch verzichtbar für die Stammzellfunktion und die organismische Lebensdauer unter normalen Wachstumsbedingungen. Das menschliche Chaperom besteht aus 332 verschiedenen Chaperonen und Co- Chaperonen, die die korrekte Faltung und Funktion von Proteinen gewährleisten. Wir zeigen, dass menschliche pluripotente Stammzellen dramatische Unterschiede in der Expression von molekularen Chaperonen aufweisen können. Wir beobachtetet im Besonderen eine deutlich verstärkte Expression sowie erhöhte Formierung des TRiC/CTT-Komplexes, einem Chaperonin, das für die Faltung von 10% des Proteoms verantwortlich ist. Diese hochkonservierte, molekulare Maschine formt einen etwa 1MDa Komplex im Cytosol eukariotischer Zellen und besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Ringen aus jeweils sieben bis neun Untereinheiten mit einer Größe von ~60 kDA. TRiC/CCT ist für die Faltung vieler essentieller Proteine verantwortlich, darunter Komponenten des Cytoskeletts wie Actin und Tubulin, sowie Zellzyklusregulatoren. Die Dysregulierung dieses Komplexes ist mit einer Vielzahl von Krankheiten verbunden, darunter verschiedene Krebsarten und Neuropathien. Wir konnten herausfinden, dass die ektopische Expression einer einzigen Untereinheit (CCT8) ausreicht, um die Formierung von TRiC/CCT zu erhöhen. Erhöhter TRiC/CCT Aufbau war zudem notwendig für die herausragende Eigenschaft pluripotenter Stammzellen, die Proteostase des aggregationsanfälligen Huntingtin (HTT), einem Protein, dessen mutierte Form ursächlich für die Krankheit Chorea Huntington ist, aufrecht zu erhalten. Da die Zahl von CCT-Untereinheiten im somatischen Gewebe während des Alterns weiter fällt, untersuchten wir, ob die Modulation von CCT8 den Alterungsprozess und die Proteostasedysfunktion des Modelorganismus C. elegans hinauszögern kann. Die Hochregulierung der CCT8-Level in somatischen Geweben leitet die Formierung des TRiC/CTT-Komplexes ein und verlängert die organismische Lebensdauer besonders unter proteotoxischen Bedingungen. Ektopische CCT8-Expression verbesserte zudem den altersbedingten Abfall der Proteostase und korrigierte die proteostatischen Defizite in Wurmmodellen von Chorea Huntington. Unsere Ergebnisse deuten auf Proteostase als gemeinsames Prinzip hin, welches organismische Lebensdauer mit der Unsterblichkeit von hES-Zellen verbindet. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Khodakarami, Amirabbas amirabbass_67@yahoo.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
Corporate Creators:	Universität zu Köln
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-76815
Date:	9 May 2017
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Ehemalige Fakultäten, Institute, Seminare > Faculty of Mathematics and Natural Sciences > no entry
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Chaperonin, CCT, Stem cells, Ageing, Proteostasis, Huntington's disease English
Date of oral exam:	7 July 2017
Referee:	Name Academic Title Vilchez, David Dr. Hoppe, Thorsten Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7681