Regulation der intrazellulären Homöostase von energieabhängigen Proteasesystemen

Abstract

Für die intrazelluläre Homöostase und Aktivität energieabhängiger Proteolysesysteme in Pro- und Eukaryonten ist eine strenge Kontrolle essentiell. Während eubakterielle Clp-Proteasen weitestgehend nur über differentielle Genexpression kontrolliert werden, werden die eukaryontischen 26S Proteasomen sowohl über Genexpression als auch über den Einbau und die Aktivierungskinetik ihrer aktiven b-Untereinheiten reguliert. Wir konnten zeigen, dass in Gram-positiven Bakterien die Proteasen ClpCP und ClpEP negativ durch die differentielle Stabilität des CtsR Repressors reguliert werden. Säugerzellen sind in der Lage, ein Absenken der proteasomalen Enzymaktivität durch die Neuformation von Proteasomen in einem positiven autoregulatorischen feed-back Mechanismus zu kompensieren. Ein komplexes und immer noch nicht vollständig verstandenes Biogeneseprogramm, das die Biosynthese aller Untereinheiten und deren Assemblierung und Maturierung umfasst, führt zur Bildung von konstitutiven (c20S) oder Immunoproteasomen (i20S). Das Helferprotein POMP ist dabei essentiell für die koordinierte Rekrutierung und Prozessierung der beta-Untereinheiten. Zwei Hemiproteasom-Intermediate dimerisieren unter Konformationsänderungen zum Preholoproteasom-Intermediat, wo die finale Reifung unter Freisetzung der aktiven Zentren und die Degradierung von POMP stattfindet. Interferon-gamma induziert POMP und die Immunountereinheiten, die nach einem prinzipiell gleichen Schema zu i20S assemblieren. Die Dynamik des Prozesses wird durch die schnelle Aktivierung von beta5i/LMP7 und die sofortige beta5i/LMP7-abhängige Degradation von POMP bestimmt. Infolge dieser molekularen Interaktionen ist die Biogenese von i20S etwa vierfach schneller als die von c20S. i20S besitzen allerdings auch im Vergleich zu c20S eine wesentlich kürzere Halbwertszeit, so dass es sich bei der i20S Biogenese um eine transiente Antwort handelt. Viren und maligne entartete Zellen haben Strategien entwickelt, um einer effizienten Eliminierung durch das Immunsystem zu entgehen. So trägt die Blockierung der Proteasomenaktivität von HIV-Tat in vivo durch direkte Interaktion mit a- und b-Untereinheiten direkt zum immune escape des HI-Virus bei. Ein neuer Mechanismus, der zum Prozess der Onkogenese beiträgt, wurde für humane Tumorzelllinien beschrieben. Die preferentielle Expression der nichtfunktionellen beta5i-Isoform LMP7_E1 in humanen Tumorzellen resultiert in beta5i/LMP7-Mangel und daraus folgend in i20S-Defizienz.

A stringent control of the intracellular balance and activity of energy- dependent proteolysis systems is vital for pro- and eukaryotic cells. While eubacterial Clp-proteases are mainly controlled by gene expression, eukaryotic 26S proteasomes can be controlled by gene-expression as well by the incorporation and activation dynamics of their active beta-subunits. We reported, that the proteases ClpCP and ClpEP in Gram-positive bacteria are negatively regulated by the differential stability of the CtsR repressor. Mammalian cells are able to compensate for the inhibition of intracellular proteasomal activity by de novo formation of proteasome complexes in a positive autoregulatory feed-back loop. Both, constitutive (c20S) as well as immunoproteasomes (i20S) are exclusively formed de novo following a sophisticated and not yet fully understood biogenesis program involving the biosynthesis of all subunits, their assembly and maturation processes. Importantly, biogenesis of eukaryotic 20S complexes is assisted by helper factors. The proteasome maturation protein POMP is essentially required for coordination of the recruitment of the beta-subunit proforms and their processing by a cis- and trans autocatalysis. Final activation of the beta- subunits requires the formation of the preholoproteasome assembly intermediate by dimerization of two hemiproteasome intermediates that undergo structural rearrangements. Concomitantly, the cis and trans-autocatalytic removal of the beta-subunit-propeptides liberates the active site threonines of the now fully active 20S core proteasome. At this stage the degradation of POMP signals the successful completion of the proteasome biogenesis program. Assembly of i20S basically follows the same principle after the coincident induction of POMP and the three immunosubunits by Interferon-gamma. The dynamics of this process is determined by the rapid activation of beta5i/ LMP7 and the immediate beta5i/LMP7-dependent degradation of POMP. The molecular interplay between POMP and the beta5i subunit LMP7 essentially accelerate immunoproteasome biogenesis compared to constitutive 20S proteasome assembly nearly four-fold. Moreover, i20S formation is a transient response, since immunoproteasomes exhibit a considerably shortened half-life compared to constitutive proteasomes. Viruses and malignant cells have developed strategies to escape elimination of the immune system. The inhibition of proteasome activity in cells by HIV-1 Tat through direct interaction with alpha- and beta-subunits contributes to the immune escape of the HI-virus. In addition, we described a novel mechanism that supports to the process of oncogenesis. Human cancer cells preferentially express the non-functional immunosubunit-variant LMP7E1, which results in i20S deficiency.