Biochemischer Vergleich von Proteasomen aus Hirngewebe junger und alter Ratten

Abstract

Die Lebensfähigkeit einer Zelle beruht auf der örtlich und zeitlich koordinierten Funktionsfähigkeit ihrer diversen Proteine, d.h. deren Biogenese, Faltung, Lokalisation, Aktivierung und Inaktivierung sowie Elimination. Diese Protein-Homöostase oder Proteostase wiederum wird ebenfalls durch ein Netzwerk von Proteinen gesteuert und katalysiert, so dass jede Störung dieses Gleichgewichts pathologische Konsequenzen bis hin zum Zelltod nach sich ziehen kann. Da jedes einzelne Protein einem Alterungsprozess unterliegt, liegt es nahe, dass auch die Protein-Homöostase alterungsabhängige Veränderungen aufweist. Untersuchungen der an ihr beteiligten Enzyme können somit Einblicke in den Alterungsprozess per se und möglicherweise in damit einhergehende pathologische Prozesse bieten. Der Abbau von bis zu 90% der intrazellulären Proteine wird durch das Ubquitin-Proteasom-System katalysiert, dessen Veränderungen im Alterungsprozess bisher zum Teil widersprüchlich dargestellt wurden. Seit einiger Zeit wird jedoch ein möglicher Zusammenhang zwischen verschiedenen altersbedingten, vor allem neurodegenerativen Erkrankungen und einer im Alter veränderten proteasomalen Aktivität diskutiert. In der vorliegenden Arbeit wurden deshalb Proteasomen aus Hirngewebe (Cerebrum, Cerebellum und Hippocampus) junger und alter Ratten hinsichtlich ihrer Quantität, Aktivität und Struktur untersucht. Die gewonnenen Daten zeigen einen unveränderten absoluten Gehalt und ein ebenso gleich bleibendes Verhältnis von 20S und 26S Proteasomen in den drei untersuchten Hirnbereichen alter und junger Tiere. Die Proteasomkonzentration reduziert sich allerdings deutlich im Alter aufgrund einer im Vergleich zu jungen Tieren höheren Gesamtproteinmenge in den Geweben der alten Tiere. Zusätzlich zeigte sich eine altersabhängige Umstrukturierung des Proteasomspektrums; denn die grundsätzlich niedrige Konzentration an Immunoproteasomen im neuronalen Gewebe war in Proteasomen alter Tiere höher als in dem der jungen. Dies zeigte sich auch in unterschiedlichen Proteasom- Subtypen-Spektren. Diese Veränderungen waren begleitet von einer in den alten Tieren signifikant reduzierten Aktivität der 20S und 26S Proteasomen gegenüber fluorigenen Peptidsubstraten, vor allem der chymotryptischen Aktivität. Demgegenüber konnte in dieser Arbeit zum ersten mal gezeigt werden, dass die proteolytische Aktivität der 26S Proteasomen alter im Vergleich zu jungen Ratten höher ist, wenn physiologisch relevante, nämlich poly-ubiquitinierte Proteine als Substrate verwendet wurden. Da die Konzentration poly- ubiquitinierter Proteine im Cerebrum alter im Vergleich zu jungen Tieren niedriger war, weisen diese Daten auf einen wichtigen alterabhängigen Autoregulationsmechanismus des neuronalen Proteasomsystems zur Prävention einer Akkumulierung von Polyubiquitin-Konjugaten hin, der möglicherweise Voraussetzung für einen unkomplizierten, unpathologischen Alterungsprozess sein könnte.

Proteostasis is critical for the maintenance of life. As the proteolytic component of the ubiquitin- proteasome system (UPS), the proteasome plays a key role in intracellular protein degradation. It eliminates and degrades misfolded and/or malfunctioning proteins that are prone to accumulation. Thus, the proteasome participates essentially in cellular protein homeostasis. Moreover, the UPS is involved in multiple cellular processes, such as cell cycle regulation, gene-expression/-repression and antigen presentation. In neuronal cells an imbalance between protein synthesis and degradation is thought to be involved in the pathogenesis of neurodegenerative diseases during aging. Partly, this seems to be due to a decrease in the activity of the ubiquitin-proteasome system (UPS), wherein the 20S/26S proteasome complexes catalyse the proteolytic step. In this study 20S and 26S proteasomes were characterised from cerebrum, cerebellum and hippocampus of 3 week old (young) and 24 month old (aged) rats and age dependent alterations regarding 20S and 26S proteasome activity, quantity and subunit compsition were analysed. The data show that the absolute amount of 20S and 26S proteasomes is not different between both age groups. Within the majority of standard proteasomes in brain the minute amounts of immuno-subunits are slightly increased in aged rat brain. While this goes along with a decrease in the activities of 20S and 26S proteasomes to hydrolyse synthetic fluorogenic tri- peptide substrates from young to aged rats, it was shown fort he first time that the capacity of 26S proteasomes for degradation of poly-Ub-model substrates and its activation by poly-Ub-substrates is not impaired or even slightly increased in brain of aged rats. These alterations in proteasome properties are important for maintaining proteostasis in the brain during an uncomplicated aging process.