Role of the MID1/α4 protein complex in Huntington’s disease

Abstract

Huntington‟s disease (HD), is a progressive neurodegenerative disorder in which the defective HD gene contains an unstable expansion of the CAG repeats in its coding region. This mutation leads to the translation of expanded polyglutamine (poly Q) stretches in the N-terminal part of the huntingtin protein. CAG repeat motifs are found in a variety of mRNAs. Expansion of these repeats is a common pathogenic mechanism in so called trinucleotide repeat expansion disorders (TREDs). During this thesis a novel mechanism specifically regulating the translation of CAG repeat containing mRNAs by the MID1 protein complex as a control unit has been identified. The MID1 protein is a microtubule-associated ubiquitin ligase, which binds to the 4 regulatory subunit of PP2A and thereby controls its activity. Additionally, PP2A and its regulatory subunit, α4, integrate the MID1 complex into the mTOR pathway, one of the main translation regulatory pathways. Within the frame of this work it has been shown, that the MID1 protein complex, which is dysfunctional in patients with a midline malformation disorder Opitz BBB/G syndrome (OS), binds to RNA structures containing CAG repeats. It has been demonstrated, that amplification of CAG repeats in huntingtin exon1 mRNAs led to increased binding to the MID1 ribonucleoprotein (RNP) complex and that the protein synthesis directed by CAG repeat containing mRNAs increases with the amount of repeats. Moreover, knockdown of essential components of the MID1 protein complex resulted in a significant reduction of protein produced from the CAG repeat containing mRNAs. It has also been established, that the significant reduction in huntingtin protein aggregates amount seen after interference with the MID1 protein complex was not influenced by proteasome or autophagy degradation processes. Taken together the data presented in this thesis, suggest that CAG repeats in mRNAs are critical for the regulation of huntingtin protein translation. Furthermore, they suggest that the MID1 complex might be a novel and a very promising drug target for the development of therapeutic strategies against CAG repeat expansion disorders.

Chorea Huntington ist eine neurodegenerative Erkrankung und wird durch Mutationen im HTT-Gen verursacht, welche zu einer Elongation eines CAG- Trinukleotid-Motivs führen. Die aus dem Triplett CAG resultierende mRNA codiert für die Aminosäure Glutamin, somit führt die erhöhte Zahl der CAG- Tripletts zur Translation eines Polyglutamin-Motivs im N-terminalen Bereich des HTT-Proteins. Derartige Elongationen von Trinukleotid-Motiven spielen neben der Huntington Krankheit auch bei weiteren Erkrankungen eine Rolle. In der vorliegenden Arbeit wurde eine bislang unbekannte regulatorische Rolle des MID1-Protein-Komplexes auf die Translation von mRNA's mit CAG-Trinukleotid- Motiven beschrieben. Das MID1-Protein ist eine Mikrotubulus-assoziierte Ubiquitin-Ligase, die eine regulatorische Untereinheit der PP2A – das α4-Protein – binden, und somit die ubiquitin-abhängige Degradation von PP2A steuern kann. Ferner stellen PP2A und α4 eine Verbindung zwischen dem MID1 -Protein-Komplex und dem mTOR-Signalweg, welcher bei der Translation-Kontrolle eine wichtige Rolle spielt, her. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass der MID1 -Protein-Komplex, dessen Misregulation mit der Entstehung einer Mittelllinien- Erkrankung – dem Opitz BBB/G Syndrom – verbunden ist, an mRNA's mit CAG- Trinukleotid-Motiven bindet. Eine Vervielfältigung der CAG-Tripletts der HTT mRNA führt zu einer verstärken Bindung des MID1-Ribonukelotid-Komplexes. Nach Verringerung der Expression von MID1-Komplex-Bestandteilen mithilfe von RNA- Interferenz zeigte sich eine deutlich verringerte Translation von mRNA's mit CAG-Trinukleotid-Motiven. Außerdem wurde eine signifikante Verringerung der HTT Aggregate nach Misregulation des MID1-Komplexes beobachtet, welche nicht durch Degradationprozesse wie Autophagie oder proteasomalem Abbau beeinflusst wurde. Zusammenfassend zeigen die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse, dass CAG-Trinukleotid-Motiven in der HTT-mRNA eine kritische Rolle bei der Translation des HTT-Proteins spielen. Weiterhin machen die hier gezeigten Daten den MID1-Protein-Komplex zu einem vielversprechenden Ziel für die Entwicklung von Substanzen, die bei CAG-Trinukleotid-Motiv-Erkrankungen Anwendung finden könnten.