Functional aspects of the ubiquitin-proteasome system

Abstract

Synthesis and maturation of endoplasmic reticulum (ER) proteins is tightly regulated by an extensive quality control system. Perturbation of ER homeostasis may lead to an accumulation of aberrant proteins that trigger a number of signaling pathways known as unfolded protein response (UPR). The UPR results in a transient inhibition of general translation followed by an enhanced expression of genes that encode molecular chaperones and factors involved in ER-associated protein degradation (ERAD). One of the genes that are induced by the UPR encodes a protein called Herp. Herp resides at the ER membrane and associates with the ubiquitin-protein ligase Hrd1, which is a central component of membrane complexes required for ERAD. In the absence of Herp, Hrd1-dependent ubiquitylation and degradation of specific ER proteins is compromised, while the positive effect of Herp on ERAD requires its N-terminal ubiquitin-like (UBL) domain. Hence, it is suggested that Herp acts as a positive regulator of Hrd1-mediated protein degradation, counteracting the accumulation of aberrant proteins in the ER. Hrd1-mediated ubiquitylation enables extraction of proteins from the ER to the cytosol by p97, as well as their proteasome dependent degradation. Specificity of the p97 ATPase complex towards certain cellular processes is ensured by a number of cofactors. One of these cofactors is UBXD6/Rep8, a transmembrane protein that binds p97 as well as Hrd1. Inhibition of UBXD6 expression leads to a reduced amount of ER membrane-associated p97, accompanied by an impairment of ERAD. It is therefore proposed that UBXD6 recruits p97 to Hrd1 based ERAD complexes, enabling efficient extraction of ubiquitylated ER proteins to the cytosol and their degradation by the 26S proteasome. The 26S proteasome comprises the barrel shaped 20S proteasome that is connected to one or two 19S regulator complexes. The 19S regulator complex is responsible for substrate protein binding, deubiquitylation, as well as ATP dependent unfolding and translocation to the catalytic sites in the lumen of the 20S proteasome. Recognition and binding of multi-ubiquitylated proteins by the 26S proteasome has been attributed to the ubiquitin interacting motif (UIM) of the 19S regulator subunit Rpn10/Pus1. Experiments in fission yeast revealed that ubiquitin-associated (UBA) domains also display a binding preference for multi-ubiquitin chains. The proteins Rhp23 and Dph1 contain such UBA domains as well as a UBL domain, which, in contrast to the UBL domain of Herp, is able to bind the proteasome. While phenotypes of fission yeast cells carrying single deletions of Pus1, Rhp23 or Dph1 are similar to wild type cells, double deletions of Rhp23 and either Pus1 or Dph1 lead to a stabilization of proteasome substrates, accumulation of ubiquitylated proteins and severe growth defects. The data therefore suggest that Rhp23 and Dph1 represent a group of proteins that act as adapters to recruit multi-ubiquitylated substrate proteins to the proteasome.

Die Synthese und Reifung von Proteinen des endoplasmatischen Retikulums (ER) wird durch ein komplexes Qualitätskontrollsystem überwacht. So werden bei der Akkumulation fehlerhafter Proteine im ER spezifische Signalwege aktiviert, die man unter dem Begriff „Unfolded Protein Response“ (UPR) zusammenfasst. Im Zuge des UPR kommt es zu einer transienten Hemmung der Translation, gefolgt von einer verstärkten Expression von Genen, die ER-Chaperone und Faktoren des ER- assoziierten Proteinabbauwegs (ERAD) kodieren. Einer der durch den UPR induzierten Faktoren ist das in der ER-Membran lokalisierte Protein Herp. Herp assoziiert mit der Ubiquitinligase Hrd1, die zentraler Teil eines membranständigen, am ERAD beteiligten Komplexes ist. In Abwesenheit von Herp ist die Hrd1-abhängige Ubiquitinierung und der Abbau bestimmter ER-Proteine beeinträchtigt, wobei der positiven Effekt von Herp auf diese Prozesse von dessen N-terminaler "ubiquitin-like" (UBL) Domäne abhängig ist. Daraus wurde gefolgert, dass Herp als positiver Regulator des Hrd1-vermittelten Proteinabbaus fungiert, und so einer Akkumulation fehlerhafter Proteine im ER entgegenwirkt. Die Hrd1-vermittelte Ubiquitinierung von ER-Proteinen erlaubt deren Retrotranslokation in das Cytosol und den Abbau durch das Proteasom. An der Extraktion der ubiqitinierten Proteine aus dem ER ist der p97-ATPase- Komplex maßgeblich beteiligt, dessen Spezifität bezüglich unterschiedlicher zellulärer Prozesse durch eine Reihe von Kofaktoren vermittelt wird. Einer dieser Faktoren ist das Transmembranprotein UBXD6/Rep8, welches sowohl p97 als auch Hrd1 zu binden vermag. Eine Hemmung der Expression von UBXD6 resultiert in der Verminderung von ER-Membran-assoziiertem p97 und einer Beeinträchtigung des ERAD. In einem auf diesen Beobachtungen basierenden Modell rekrutiert UBXD6 p97 an Hrd1-ERAD-Komplexe, um die effiziente Extraktion ubiquitinierter ER-Proteine in das Cytosol sowie ihren sich daran anschließenden Abbau durch das 26S Proteasom zu ermöglichen. Das 26S Proteasom besteht aus dem tonnenförmigen 20S Proteasom, welches mit einem oder zwei 19S Regulatoren assoziiert ist. Der 19S Regulator vermittelt die Bindung, die Deubiquitinierung und die ATP-abhängige Entfaltung von multiubiquitinierten Substratproteinen, sowie deren Transport zu den katalytischen Zentren im Lumen des 20S Proteasoms. Die Aufgabe der Substratbindung für das 26S Proteasom wurde zunächst dem „ubiquitin interacting motif“ (UIM) der 19S Regulator- Untereinheit Rpn10/Pus1 zugeordnet. Experimente im Hefesystem zeigten aber, dass neben UIM-Strukturen auch sogenannte "ubiquitin-associated" (UBA) Domänen in der Lage sind präferentiell Multiubiquitinketten zu binden. Die Proteine Rhp23 und Dph1 enthalten neben einer derartigen UBA-Domäne auch eine UBL- Domäne, die, im Gegensatz zur UBL-Domäne von Herp, in der Lage ist das Proteasom zu binden. So besitzen Rhp23 und Dph1 die erforderlichen Strukturen, um als Substratrezeptoren des Proteasoms zu agieren. Während Hefezellen, in denen jeweils Pus1, Rhp23 oder Dph1 deletiert sind, sich im Phänotyp kaum von Wildtypzellen unterscheiden, kommt es bei der gemeinsamen Deletion von Rhp23 und entweder Pus1 oder Dph1 zu einer Stabilisierung proteasomaler Substrate, einer Akkumulation von ubiquitinierten Proteinen und zu schweren Wachstumsdefekten. Diese Daten weisen darauf hin, dass Rhp23 und Dph1 eine Gruppe von Adaptorproteinen repräsentieren, zu deren Aufgaben die Rekrutierung multiubiquitinierter Substrate für das Proteasom gehört.