Charakterisierung der Funktion von SUMO-gerichteten Ubiquitin-Netzwerken bei der Koordinierung von nukleären und zytosolischen Proteinqualitätskontrollsystemen

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Müller
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465470262

Die Kompartimentierung von zellulären Prozessen in membranösen oder membranlosen Organellen (MLO), wie nukleären PML-Bodies (NBs) und Paraspeckles oder zytosolischen Stressgranula (SG), ist ein Schlüsselkonzept biochemischer Prozesse. MLOs fungieren als RNA- oder Protein-Qualitätskontrollzentren, deren Bildung, Abbau und Zusammensetzung sehr empfindlich gegenüber zellulärem Stress ist. Ein Beispiel sind zytosolische Stressgranula, die aus untranslatierten mRNAs und RNA-bindenden Proteinen bestehen und sich als Reaktion auf Hitze- oder Redoxstress im Zytosol bilden. Nukleäre RNA-bindende Proteine, wie FUS und TDP-43, werden in SGs rekrutiert, aber nach Stressabbau und SG-Auflösung wieder in den Zellkern verlagert. Bei neurodegenerativen Erkrankungen wie der amyotrophen Lateralsklerose (ALS) und der frontotemporalen Lobardegeneration (FTLD) können pathogene Mutanten von TDP-43 oder FUS die Bildung von persistenten Stressgranula induzieren. Proteotoxischer Stress und die Expression von TDP-43- oder FUS-Mutanten verursachen auch eine Anreicherung des nukleären Pools beider Proteine in nukleären Granula, was zeigt, dass die Dynamik nukleärer und zytosolischer membranloser Organellen eng mit der zellulären Stressantwort verbunden ist. Regulatorische Prinzipien, wie z.B. die Beteiligung von posttranslationalen Modifikationen an diesen Prozessen, sind unverstanden. Darüber hinaus ist die molekulare Basis des Zusammenspiels von nukleären und zytosolischen membranlosen Organellen unter normalen und pathologischen Bedingungen nicht im Detail erforscht. Wir konnten zeigen, dass der SUMO-gerichtete Ubiquitin Ligaseweg (StUbL) entscheidend an der Auflösung von Stressgranula bei der Stresserholung beteiligt ist. Im StUbL-Weg, der als Reaktion auf zellulären Stress induziert wird, werden Proteine zunächst mit polymeren SUMO-Ketten markiert, wodurch ihre anschließende Ubiquitylierung durch die Ub-Ligase RNF4 ausgelöst wird. Der Signalweg wird als ein System zur Qualitätskontrolle von Kernproteinen angesehen, das mit PML NBs assoziiert ist. Wir haben nun herausgefunden, dass der ordnungsgemäße Abbau von SGs nach der Freisetzung von Stress SUMO, PML und RNF4 erfordert, was ein bislang unbekanntes Zusammenspiel zwischen SGs und PML NBs offenbart. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass der StUbL-Signalweg die Ubiquitylierung und subzelluläre Kompartimentierung von ALS/FTDL-assoziierten Mutanten von FUS und TDP-43 kontrolliert. Wir zielen darauf ab (i) die SUMO/StUbL-regulierte Dynamik von SGs und PML NBs zu untersuchen (ii) das SUMO-RNF4-abhängige Zusammenspiel von SGs und NBs in Proteostase-Netzwerken zu verstehen (iii) die Stressregulation von SUMO und Ub-Dekonjugasen im StUbL-Weg aufzuklären (iv) den Einfluss des SUMO Signalweges auf pathogene TDP-43-Mutanten zu verstehen.Eine bessere Kenntnis dieser Prozesse wird unser Verständnis der gestörten Proteostase bei neurodegenerativen Pathologien verbessern und neue Wege für therapeutische Interventionen eröffnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen