The essential role of the deubiquitinating enzyme UBPY in T cell development and function

Abstract

Mono- and polyubiquitination controls a multitude of cellular processes beside proteasomal degradation, including the activity of signaling cascades, DNA replication and repair, subcellular localization of proteins and virus budding. The reversibility of ubiquitination is ensured by a large group of deubiquitinating enzymes with important regulatory functions. The ubiquitin specific peptidase UBPY has a vital and non-redundant role, demonstrated by the fact that the conventional knockout of UBPY is embryonically lethal. Further studies revealed a function of UBPY in endocytic trafficking and in ligand-induced downmodulation of receptor tyrosine kinases. Both mechanisms play a central role in T cell development and function. UBPY was also reported to interact with a major player in TCR signaling, the adaptor molecule GADS, and with a central regulator of T cell anergy, the E3 ligase GRAIL. To investigate the T cell specific functions of UBPY, cre/LoxP targeting was used to generate a knockout mouse model lacking UBPY exclusively in T cells (UBPY-/-T ). UBPY-/-T mice have defects in immune homeostasis, causing hyperactivation of the peripheral T cells, the spontaneous development of inflammatory bowel disease and premature death of the animals. This phenotype probably underlies a defective thymocyte development in UBPY-/-T mice leading to reduced levels of single positive thymocytes and of mature T cells. UBPY, however, is not necessary for normal proliferation of thymocytes and not for endosomal trafficking of the TCR. Rather, UBPY depletion alters TCR signal transduction, leading to stronger but more transient ERK phosphorylation after TCR stimulation. This work could thus determine a previously undescribed function of a deubiquitinating enzyme in the regulation of TCR signal kinetics, with potential importance for other signal transduction pathways.

Mono- und Polyubiquitinierung reguliert eine Vielzahl von zellulären Prozessen neben der proteasomalen Degradation, die von der Aktivität von Signaltransduktionskaskaden, über DNA Replikation und Reparatur, subzellulärer Lokalisation von Proteinen bis zur Knospung (Budding) von Viruspartikeln reichen. Die Umkehrbarkeit der Ubiquitinierung wird dabei durch eine ausgedehnte Gruppe von deubiquitinierenden Enzymen mit bedeutenden regulatorischen Funktionen gewährleistet. Die Ubiquitin spezifische Peptidase UBPY erfüllt eine essentielle und nicht-redundante Rolle, was anhand des embryonal lethalen Phenotyp des konventionellen Knockouts von UBPY ersichtlich wird. Weiters wurde eine Funktion der Isopeptidase im endosomalen Transport (trafficking) und in der Liganden-vermittelten Herabregulierung von Rezeptortyrosinkinasen gezeigt. Beide Mechanismen sind wesentlich für die Entwicklung und Funktion von T-Zellen. Zudem wurde gezeigt, dass UBPY mit einem wichtigen Adaptormolekül des T-Zell-Rezeptor (TZR)-Signalwegs interagiert, GADS, sowie mit einem zentralen Steuerelement der T-Zell-Anergie, der E3 Ligase GRAIL. Um daher die T-Zell-spezifischen Funktionen von UBPY zu analysieren, wurde mittels cre/LoxP targeting ein Mausmodell generiert, in dem UBPY ausschliesslich in T-Zellen ausgeschaltet ist (UBPY-/-T ). Die UBPY-/-T Mäuse haben ein defektes Immungleichgewicht, welches sich in der Überaktivierung der peripheren T-Zellen und der spontanen Entwicklung einer entzündlichen Darmerkrankung manifestiert und zu einem vorzeitigen Tod der Tiere führt. Diesem Phänotyp dürfte die gestörte Thymozytenentwicklung in UBPY-/-T Mäusen zugrundeliegen, die zu einer Verminderung der einfach positiven (single positive) Thymozyten und der reifen T Zellen führt. UBPY ist nicht notwendig für die Proliferation von T Zellen und steuert nicht den Transport des TZR im Endozytoseweg. UBPY Depletion führt hingegen zu einer stärkeren aber verkürzten ERK-Phosphorylierung nach Stimulation durch den TZR. Diese Arbeit konnte daher eine bisher noch nicht beschriebene Funktion eines Deubiquitinierungsenzyms in der Regulation der Kinetik von TZR-vermittelten Signalen zeigen, die auch in anderen Signalwegen eine bedeutende Rolle spielen könnte.