Untersuchungen zur Rolle von Ataxin-2 im zellulären mRNA-Metabolismus

Abstract

Die Spinozerebellare Ataxie Typ 2 (SCA2) ist eine dominant vererbte neurodegenerative Erkrankung, die zur Familie der Polyglutaminerkrankungen gehört. Ausgelöst wird SCA2 durch eine Verlängerung einer CAG- Trinukleotidexpansidon im SCA2-Gen, die für einen Polyglutaminbereich im Genprodukt Ataxin-2 (ATXN2) kodiert. Die zelluläre Funktion von ATXN2 ist bisher unbekannt, und die molekularen Mechanismen, welche zur Pathogenese der Erkrankung beitragen, sind noch nicht verstanden. Jedoch wurde in post mortem Gehirnen betroffener Menschen ein erhöhter ATXN2-Level festgestellt, was auf einen pathogenen Beitrag der ATXN2-Konzentration in der Krankheit weisen könnte.

In dieser Arbeit konnte die Interaktion von ATXN2 mit zwei am mRNA- Metabolismus beteiligten Proteinen gezeigt werden. Zum einen assoziiert ATXN2 mit dem Poly(A)-Bindeprotein (PABP), welches bei der Translationsinitiation eine entscheidende Rolle spielt, und unter Stress-Bedingungen in sogenannten "Stress Granules" (SGs) lokalisisert. Diese zytoplasmatischen Strukturen stellen Orte der mRNA Lagerung und Selektion unter Stress-Bedingungen dar. Des weiteren kann ATXN2 als ein weiteres Markerprotein der SGs angesehen werden, da es unter allen hier getesteten Stress-Bedingungen in diesen Strukturen lokalisiert. Weiterhin interagiert ATXN2 mit der DEAD/H-box RNA Helikase DDX6, welches ebenfalls eine Komponente von SGs darstellt und zusätzlich in P-bodies lokalisiert. In eukaryotischen P-bodies findet ein Haupt-mRNA-Degradationsweg statt. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass veränderte ATXN2-Expressionslevel die Formation von SGs und P-bodies stören.Weiterhin gelang der Nachweis, dass die endogene ATXN2-Konzentration unter Stress-Bedingungen ansteigt und somit ATXN2 bei zellulären Stressantwort-Mechanismen eine Rolle spielen könnte. Weiterhin reguliert ATXN2 die intrazelluläre Konzentration seines Interaktionspartners PABP. Diese Daten implizieren, dass die zelluläre ATXN2-Konzentration einen wichtigen Faktor für die Formation von SGs und P-bodies darstellt, welches Hauptkompartimente in der Zelle für die Kontrolle und Regulation von mRNA-Abbau, Stabilität und Translation sind. Zusätzlich zu seiner offensichtlich wichtigen Rolle im mRNA-Metabolismus, konnte die Funktion von ATXN2 in dieser Arbeit weiterhin mit Plastin-Proteinen in Zusammenhang gebracht werden. ATXN2 interagiert mit den Paralogen L- und T-Plastin, und eine Überexpression von ATXN2 führt zu einer Akkumulation von endogen expremiertem T-Plastin. Da die Plastine einen wichtigen Faktor in der Aktin-Filament-Formation darstellen, legen diese Ergebnisse nahe, dass eine erhöhte ATXN2-Konzentration indirekt auf den Aktin-Metabolismus der Zelle einwirken kann. Auf Grund der hier vorgestellten Daten kann geschlossen werden, dass eine Erhöhung der zellulären ATXN2-Konzentration weitreichende Auswirkung auf die Homöostase von Zellen hat, die zur Pathogenese von SCA2 beitragen könnten.

Spinocerebellar ataxia type 2 (SCA2) is a dominantly inherited neurodegenerative disorder, which belongs to the family of polyglutamine disorders. SCA2 is caused by a CAG trinucleotide expansion in the SCA2 gene, which encodes for a polyglutamine strech in the gene product ataxin-2 (ATXN2). The cellular function of this protein is not yet understood and the molecular mechanisms contributing to the pathogenesis of the disorder are not known to date. In post mortem brains of patients, an enhanced concentration of ATXN2 was discovered and this finding could point towards a role of elevated ATXN2-levels in the pathomechanism of the disease. In this work, I was able to show that ATXN2 interacts with two proteins involved in the cellular mRNA metabolism. First, it associates with the poly(A)-binding protein (PABP), which is implicated in the translational initiation, and which localizes to the so called stress granules (SGs) under stress conditions. These cytoplasmic structures represent sites of mRNA triage, and ATXN2 seems to be another marker protein of these structures, since it localized to SGs under all tested stress conditions. Secondly, ATXN2 also interacts with the DEAD/H-box RNA helicase DDX6, which is a further component of SGs and additionally of P-bodies. Eukaryotic P-bodies represent the site of one central mRNA degradation pathway. I was also able to show that altered ATXN2 levels interfere with the assembly of SGs and P-bodies. Additionally, the endogenous ATXN2 concentration increases under stress conditions and it is possible that ATXN2 is involved in cellular stress response mechanisms. Moreover, ATXN2 regulates the intracellular concentration of its interactionpartner PABP. These data imply that the cellular ATXN2 concentration is important for the assembly of SGs and P-bodies, which are main compartments for regulating and controlling mRNA degradation, stability and translation. In addiditon to its important role in mRNA metabolism, we could imply ATXN2 in plastin-associated pathways, because it interacts with the paralogs L- and T-plastin. Moreover an overexpression of ATXN2 leads to an accumulation of endogenous T-plastin in cells. Because plastin proteins are important for actin-filament formation, these data imply that elevated ATXN2 levels interfere indirectly with the actin metabolism of the cell. On the basis of the data presented in this work, it can be concluded that an increase in the cellular ATXN2 concentration interferes with the homeostasis of the cell, which is likely to contribute to the pathogenesis of SCA2.