Koyuncu, Seda (2019). Mechanism suppressing proteostasis collapse in pluripotent stem cells and its demise in Huntington’s disease. PhD thesis, Universität zu Köln.

[img]
Preview
PDF
Seda Koyuncu final thesis .pdf - Published Version

Download (36MB) | Preview

Abstract

With the significant extension in human life expectancy during the last decades, the number of older people is increasing dramatically. As a consequence, the incidence of age-related diseases such as cancer, neurodegenerative and cardiovascular diseases is also increasing. Our ever-aging population also has considerable social and economic impact. Therefore, understanding the underlying molecular mechanisms of the aging process is of central importance to improve the quality of life and develop novel therapeutic approaches for aging-related diseases. A decline in protein homeostasis (proteostasis) in somatic cells is a hallmark of aging. On the other hand, pluripotent stem cells such as human embryonic stem cells (hESCs) have shown to be immortal in culture and do not age, correlating with higher proteostasis mechanism. Thus, we hypothesized that understanding the regulation of the proteostasis network in pluripotent stem cells may provide valuable information for the better understanding of pluripotent stem cell identity and the aging process. In the first part of this study, we aimed to investigate how proteostasis pathways regulate hESC identity and function. hESCs have higher proteasome activity which is essential to maintain their self-renewal and pluripotency as well as their ability to differentiate. However, the underlying mechanisms by which enhanced proteasome activity regulates hESCs identity and function remain unknown. We hypothesized that increased proteasome activity could be essential to maintain proper concentration of many regulatory proteins. Since E3 ubiquitin ligases are responsible for the ubiquitin transfer to the specific substrate, we first identify which E3 ligases are up-regulated in hESCs compared with their differentiated counterparts. We found that some HECT-domain E3 enzymes such as HERC2 and UBE3A and some RING-domain E3 enzymes such as UBR7 and RNF181 are highly expressed in hESCs. Our interactome data indicates a possible link of these enzymes with hESC identity function. Interestingly, loss of different up-regulated E3 ligases leads to significant changes at both the transcriptome and proteome of hESCs. Nevertheless, these changes do not have strong effect on either pluripotency markers or differentiation capacity. On the contrary, by using a shot label-free proteomics approach, we show that global proteasome inhibition induces an alteration in key biological processes of hESCs identity such as protein synthesis, RNA biogenesis, telomere function. Therefore, our data suggests that enhanced proteasome activity is connected with other biological pathways of hESCs identity. In the second part of this study, we aimed to investigate how enhanced proteasome activity determines proteostasis of mutant HTT (mHTT) in pluripotent stem cells by specifically focusing on the intrinsic E3 ubiquitin ligase network. Proteostasis is essential for organismal development and cell function. Impairment of proteostasis leads to accumulation of damaged, misfolded and aggregated proteins, a process linked with the onset of age-related diseases such as Huntington’s disease (HD). HD is caused by abnormal expansions of polyglutamine repeats (polyQ) in the Huntingtin protein, leading to its aggregation and concomitant toxicity. Remarkably, the length of pathological polyQ does not influence survival, self-renewal and pluripotency of induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived from HD patients (HD-iPSCs). These results suggest that iPSCs might have enhanced mechanisms to maintain proteostasis of mutant HTT. Here, we examined the mechanisms by which iPSCs maintain proteostasis of HTT. We find that proteasome activity determines HTT levels and prevents the accumulation of polyQ aggregates in HD-iPSCs. Notably, iPSCs have increased levels of the E3 ubiquitin ligase UBR5, which interacts with HTT and regulates the degradation of both mutant and wild-type HTT protein levels. Moreover, loss of UBR5 results in accumulation of HTT protein as well as polyQ-expanded aggregates in HD-iPSCs. Furthermore, we find that knockdown of the orthologue of UBR5 hastens polyQ-expanded aggregation and neurotoxicity in a C. elegans model of HD. Strikingly, ectopic expression of UBR5 is sufficient to induce polyubiquitination and degradation of mutant HTT, decreasing polyQ aggregates in HD cell models. Moreover, higher UBR5 expression determines global proteostasis of iPSCs preventing the aggregation of misfolded proteins ensued from normal metabolism. Thus, our data put UBR5 as a novel modulator of super-vigilant proteostasis of iPSCs.

Item Type: Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:
AbstractLanguage
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
Creators:
CreatorsEmailORCID
Koyuncu, Sedaskoyunc2@uni-koeln.deUNSPECIFIED
URN: urn:nbn:de:hbz:38-98990
Subjects: Life sciences
Uncontrolled Keywords:
KeywordsLanguage
Huntington' Disease, UBR5, E3 ligases, stem cellsEnglish
Faculty: Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions: Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Exzellenzcluster Cellular Stress Responses in Aging-Associated Diseases (CECAD)
Language: English
Date: 15 August 2019
Date of oral exam: 15 February 2019
Referee:
NameAcademic Title
Vilchez, DavidDr.
Hoppe, ThorstenProf. Dr.
Kampinga, HarmProf. Dr.
Refereed: Yes
URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/9899

Downloads

Downloads per month over past year

Export

Actions (login required)

View Item View Item