RNA-bindende Proteine in neurodegenerativen Erkrankungen: Transportvorgänge und Pathomechanismen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Dorothee Dormann
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Modelle zum Verständnis von Erkrankungen des Nervensystems ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 246137224

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Dieses Forschungsprojekt befasste sich mit der Rolle von RNA-Bindeproteinen in der Pathogenese neurodegenerativer Erkrankungen wie ALS (Amyotrophe Lateralsklerose) und FTD (Frontotemporale Demenz). ALS und FTD sind derzeit unheilbar, und die betroffenen Patienten sterben in der Regel innerhalb weniger Jahre nach Ausbruch der Krankheit. Gehirne von ALS- und FTD-Patienten weisen charakteristische Proteinaggregate im Zytosol von Neuronen und Gliazellen auf, deren Hauptkomponenten die RNA-Bindeproteine TDP-43 und FUS sind. In unserem Projekt wollten wir die molekularen Mechanismen entschlüsseln, die eine Fehllokalisierung und Aggregation von TDP-43 und FUS ins Zytoplasma bewirken. Ein solches Verständnis ist wichtig, um therapeutische Strategien gegen die Dysfunktion der RNA-Bindeproteine und die Neurodegeneration zu entwickeln. Unsere früheren Arbeiten hatten gezeigt, dass ein effizienter Transport von FUS und TDP-43 in den Zellkern essentiell für neuronale Funktion ist und dass spezifische Kernimportrezeptoren für den Kernimport sowie das Chaperoning der aggregationsanfälligen RNA-Bindeproteine zuständig sind. Auf diese Weise wird eine Phasentrennung und nachfolgende Aggregation der Proteine im Zytoplasma verhindert. In diesem Projekt konnten wir zeigen, dass FUS durch ein Netzwerk von Kernimportrezeptoren löslich gehalten wird und dass Kernimportrezeptoren außerdem auch argininreiche Repeat-Proteine, die bei genetischen Formen der ALS/FTD auftreten, direkt binden und pathologische Interaktionen mit verschiedenen zellulären Komponenten abpuffern können. Darüber hinaus untersuchten wir, wie verschiedene posttranslationale Modifikationen zusammenwirken, um den Kernimport und die Aggregation von RNA-bindenden Proteinen zu regulieren. Unsere früheren Arbeiten hatten gezeigt, dass posttranslationale Methylierung von Argininen die Phasentrennung und Aggregation von FUS unterdrückt. In diesem Projekt konnten wir nun zeigen, dass Arginin durch das Enzym PAD4 posttranslational in Citrullin umgewandelt werden kann, wodurch der Kernimport und die Phasentrennung/Aggregation von FUS reduziert werden. Darüber hinaus fanden wir heraus, dass Arginine in RG-Regionen von FUS wichtig für die Bindung und Prozessierung spezifischer zellulärer RNAs sind. Zuletzt untersuchten wir krankheitsassoziierte Phosphorylierungsstellen im TDP-43-Protein und fanden heraus, dass diese posttranslationale Modifikation die Phasentrennung und Aggregation von TDP-43 hemmt, was darauf hindeutet, dass dies eine zelluläre Reaktion sein könnte, um TDP-43 in einem löslichen, funktionellen Zustand zu halten. Zusammenfassend entdeckten wir neuartige zelluläre Qualitätskontrollmechanismen, die der pathologischen Fehllokalisierung und Aggregation krankheitsbedingter RNA-Bindeproteine entgegenwirken, und gewannen so neue Einblicke in die molekularen Grundlagen neurodegenerativer Erkrankungen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• FG-nucleoporins caught in the act of liquid–liquid phase separation. Journal of Cell Biology, 219(1).
  Dormann, Dorothee
  
• A Quantitative Assay to Measure Stress Granule Association of Proteins and Peptides in Semi-permeabilized Human Cells. BIO-PROTOCOL, 10(24).
  Hutten, Saskia & Dormann, Dorothee
  
• Molecular mechanisms of neurodegeneration. Seminars in Cell & Developmental Biology, 99(2020, 3), 131-132.
  Dormann, Dorothee
  
• Nuclear Import Receptors Directly Bind to Arginine-Rich Dipeptide Repeat Proteins and Suppress Their Pathological Interactions. Cell Reports, 33(12), 108538.
  Hutten, Saskia; Usluer, Sinem; Bourgeois, Benjamin; Simonetti, Francesca; Odeh, Hana M.; Fare, Charlotte M.; Czuppa, Mareike; Hruska-Plochan, Marian; Hofweber, Mario; Polymenidou, Magdalini; Shorter, James; Edbauer, Dieter; Madl, Tobias & Dormann, Dorothee
  
• Gestörter Kerntransport und Phasentrennung von RNA-Bindeproteinen. BIOspektrum, 27(4), 365-367.
  Hutten, Saskia & Dormann, Dorothee
  
• Phosphorylation Regulates CIRBP Arginine Methylation, Transportin-1 Binding and Liquid-Liquid Phase Separation. Frontiers in Molecular Biosciences, 8(2021, 10, 19).
  Lenard, Aneta J.; Hutten, Saskia; Zhou, Qishun; Usluer, Sinem; Zhang, Fangrong; Bourgeois, Benjamin M. R.; Dormann, Dorothee & Madl, Tobias
  
• The chains of stress recovery. Science, 372(6549), 1393-1395.
  Dormann, Dorothee
  
• The phase separation-dependent FUS interactome reveals nuclear and cytoplasmic function of liquid–liquid phase separation. Nucleic Acids Research, 49(13), 7713-7731.
  Reber, Stefan; Jutzi, Daniel; Lindsay, Helen; Devoy, Anny; Mechtersheimer, Jonas; Levone, Brunno Rocha; Domanski, Michal; Bentmann, Eva; Dormann, Dorothee; Mühlemann, Oliver; Barabino, Silvia M L & Ruepp, Marc-David
  
• The RNA-binding protein FUS is chaperoned and imported into the nucleus by a network of import receptors. Journal of Biological Chemistry, 296(2021, 1), 100659.
  Baade, Imke; Hutten, Saskia; Sternburg, Erin L.; Pörschke, Marius; Hofweber, Mario; Dormann, Dorothee & Kehlenbach, Ralph H.
  
• Disease‐linked TDP‐43 hyperphosphorylation suppresses TDP‐43 condensation and aggregation. The EMBO Journal, 41(8).
  Gruijs da Silva, Lara A; Simonetti, Francesca; Hutten, Saskia; Riemenschneider, Henrick; Sternburg, Erin L; Pietrek, Lisa M; Gebel, Jakob; Dötsch, Volker; Edbauer, Dieter; Hummer, Gerhard; Stelzl, Lukas S & Dormann, Dorothee
  
• Editorial: The Role of Protein Post-Translational Modifications in Protein-RNA Interactions and RNP Assemblies. Frontiers in Molecular Biosciences, 8(2022, 1, 4).
  Giambruno, Roberto; Grzybowska, Ewa A.; Fawzi, Nicolas L. & Dormann, Dorothee
  
• Hormone-Inducible Transport Reporter Assay to Study Nuclear Import Defects in Neurodegenerative Diseases. Methods in Molecular Biology (2022), 81-90. Springer US.
  Hutten, Saskia & Dormann, Dorothee
  
• Post-translational modifications on RNA-binding proteins: accelerators, brakes, or passengers in neurodegeneration?. Trends in Biochemical Sciences, 47(1), 6-22.
  Sternburg, Erin L.; Gruijs da Silva, Lara A. & Dormann, Dorothee
  
• TDP-43 condensates and lipid droplets regulate the reactivity of microglia and regeneration after traumatic brain injury. Nature Neuroscience, 25(12), 1608-1625.
  Zambusi, Alessandro; Novoselc, Klara Tereza; Hutten, Saskia; Kalpazidou, Sofia; Koupourtidou, Christina; Schieweck, Rico; Aschenbroich, Sven; Silva, Lara; Yazgili, Ayse Seda; van Bebber, Frauke; Schmid, Bettina; Möller, Gabriel; Tritscher, Clara; Stigloher, Christian; Delbridge, Claire; Sirko, Swetlana; Günes, Zeynep Irem; Liebscher, Sabine; Schlegel, Jürgen; ...& Ninkovic, Jovica
  
• Creating overview and summary figures. Trends in Biochemical Sciences, 48(2), 97-99.
  Critcher, Meg; Gruijs da Silva, Lara A.; Dormann, Dorothee; Campbell, Zachary T.; Le, Thi Khanh; Rocchi, Palma & Sorgenfrei, Michèle
  
• Targeting the glycine-rich domain of TDP-43 with antibodies prevents its aggregation in vitro and reduces neurofilament levels in vivo. Acta Neuropathologica Communications, 11(1).
  Riemenschneider, Henrick; Simonetti, Francesca; Sheth, Udit; Katona, Eszter; Roth, Stefan; Hutten, Saskia; Farny, Daniel; Michaelsen, Meike; Nuscher, Brigitte; Schmidt, Michael K.; Flatley, Andrew; Schepers, Aloys; Gruijs da Silva, Lara A.; Zhou, Qihui; Klopstock, Thomas; Liesz, Arthur; Arzberger, Thomas; Herms, Jochen; Feederle, Regina; ... & Edbauer, Dieter