• Keine Ergebnisse gefunden

Investigation of the interaction of FAT10 and VCP (p97)

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Aktie "Investigation of the interaction of FAT10 and VCP (p97)"

Copied!
87
0
0

Wird geladen.... (Jetzt Volltext ansehen)

Volltext

(1)

Investigation of the interaction of FAT10 and VCP (p97)

Dissertation submitted for the degree of Doctor of Natural Sciences (Dr. rer. nat.)

Presented by

Ricarda Schwab

at the

Faculty of Sciences Department of Biology

Date of the oral examination: 12.10.2015

First referee: Prof. Dr. Marcus Groettrup

Second referee: Prof. Dr. Martin Scheffner

(2)
(3)

Table of Content 

Table of Content ... I  Summary ... III  Zusammenfassung ... IV 

1.  Introduction ... 1 

1.1  Ubiquitin ... 1 

1.2  Ubiquitination ... 2 

1.3  Ubiquitin chains ... 3 

1.4  Deubiquitination ... 5 

1.5  Ubiquitin‐like modifiers ... 6 

1.5.1.  ISG15... 6 

1.5.2.  NEDD8 ... 7 

1.5.3.  SUMO ... 7 

1.5.4.  ATG12 and ATG8 ... 8 

1.5.5.  FAT10 ... 8 

1.6  Ubiquitin‐like and ubiquitin‐binding domains ... 13 

1.7  The Proteasome ... 14 

1.7.1.  Proteasome Activators ... 15 

1.7.2.  The immunoproteasome ... 17 

1.7.3.  Proteasome inhibitors ... 18 

1.8  Endoplasmic reticulum quality control ... 19 

1.8.1.  ERAD ... 19 

1.8.2.  Unfolded‐protein response ... 21 

1.9  VCP ... 22 

1.9.1.  VCP cofactors ... 26 

1.9.2.  VCP and diseases ... 28 

1.9.3.  VCP inhibitors ... 28 

Aim of the study ... 30 

(4)

2.  Results ... 31 

2.1  FAT10 is conjugated to VCP ... 31 

2.2  FAT10 interacts with VCP non‐covalently ... 34 

2.3  FAT10 directly interacts with VCP ... 35 

2.4  VCP function is not necessary for degradation of FAT10 conjugates ... 37 

2.5  FAT10 does not disturb the hexamerization of VCP ... 43 

2.6  FAT10 does not influence the ATPase activity of VCP ... 46 

2.7  FAT10 might influence the degradation of 1AT under ER stress ... 49 

3.  Discussion ... 52 

3.1  FAT10 is conjugated to VCP ... 52 

3.2  FAT10 interacts with VCP non‐covalently ... 54 

3.3  FAT10 directly interacts with VCP ... 55 

3.4  VCP function is not necessary for degradation of FAT10 conjugates ... 57 

3.5  FAT10 does not disturb the hexamerization of VCP ... 58 

3.6  FAT10 does not influence the ATPase activity of VCP ... 59 

3.7  FAT10 might influence the degradation of 1AT under ER stress ... 60 

4.  Materials and Methods ... 62 

4.1  Antibodies ... 62 

4.2  Cell culture ... 63 

4.3  Immunoprecipitation ... 63 

4.4  Plasmids ... 64 

4.5  Primer ... 65 

4.6  siRNA ... 66 

4.7  Quantitative real‐time PCR ... 66 

4.8  Recombinant proteins ... 66 

4.9  In vitro assays ... 68 

4.10  Gel filtration chromatography ... 69 

5.  Literature ... 70 

Danksagung ... 81 

(5)

Summary 

In the present study the interaction of the ubiquitin‐like modifier HLA‐F adjacent transcript 10  (FAT10) with the putative substrate Valosin‐containing protein (VCP) was investigated. VCP is  a hexameric ATPase associated with various activities (AAA) and extracts proteins from the  Endoplasmic Reticulum (ER) membrane or from protein complexes. In this function as a  segregase VCP is involved in different ubiquitin‐dependent processes reaching from the ER  associated degradation (ERAD) and cell cycle regulation to membrane fusion events. 

In addition to a minor covalent attachment of FAT10 to VCP, which led to the degradation of  the VCP‐FAT10 conjugate by the proteasome, the more prominent non‐covalent interaction  of both proteins was examined in more detail and the functional consequences arising out of  it. It was shown that FAT10 and VCP interact under endogenous conditions and further in vitro  experiments revealed that they interact directly. Treatment with the VCP specific inhibitor  Eeyarestatin I or use of an ATPase dead VCP mutant didn’t alter the degradation rate of bulk  FAT10 conjugates, whereas treatment with the inhibitor DBeQ increased the degradation rate  of the FAT10 conjugates. Furthermore the effect of FAT10 on VCP function was studied. 

Neither the hexamer stability nor the ATPase activity of VCP was influenced by FAT10. Only a  difference in the degradation of the ERAD model substrate 1‐Antitrypsin was observed in  preliminary experiments. Taken all results together it can be concluded that the consequences  of the VCP‐FAT10 interaction are different to consequences arising from the interaction of  VCP with ubiquitin, and that the FAT10‐VCP interaction might play a specific role in the  immune system or during inflammatory processes when FAT10 is highly up‐regulated. 

 

   

(6)

Zusammenfassung 

In dieser Arbeit wurde die Interaktion von “HLA‐F adjacent transcript (FAT) 10” (FAT10) mit  dem  potenziellen  Substrat „Valosin‐containing  protein  (VCP)“  untersucht.  VCP  ist  eine  hexamere “ATPase assoziiert mit verschiedenen Aktivitäten (AAA)” und extrahiert Proteine  aus der Membran des Endoplasmatischen Retikulums (ER) oder aus Proteinkomplexen. In  dieser Funktion als „Segregase“ ist VCP in viele ubiquitinabhängige Prozesse involviert, von  der  ER  assoziierten  Degradation  (ERAD)  und  der  Zellzykluskontrolle  bis  hin  zur  Membranfusion. 

Zusätzlich zur geringfügigen kovalenten Verknüpfung von FAT10 und VCP, die zum Abbau des  FAT10‐VCP‐Konjugats  führte,  wurde  eine  markantere  nichtkovalente  Interaktion  beider  Proteine  erforscht.  Es konnte  gezeigt  werden,  dass  FAT10  und  VCP  unter  endogenen  Bedingungen interagieren und in vitro Experimente zeigten, dass sie direkt miteinander  interagieren. Anwendung des VCP‐spezifischen Inhibitors Eeyarestatin I oder Einsatz einer  VCP‐Mutante  ohne  ATPase‐Aktivität  veränderte  die  Abbaurate  der  gesamten  FAT10‐

Konjugate nicht, hingegen die Anwendung des Inhibitors DBeQ beschleunigte den Abbau der  Konjugate. Ausserdem wurde der Effekt von FAT10 auf die Funktion von VCP untersucht. 

Weder die Stabilität des Hexamers, noch die ATPase‐Aktivität von VCP wurden von FAT10  beeinflusst. Lediglich ein Unterschied im Abbau des ERAD Modellsubstrats 1‐Antitrypsin  konnte  beobachtet  werden,  was  jedoch  als  vorläufiges  Ergebnis  zu  betrachten  ist. 

Zusammenfassend lassen die Resultate den Schluss zu, dass die Auswirkungen der FAT10‐VCP‐

Interaktion andere sind, als die der Interaktion von Ubiquitin mit VCP und die FAT10‐VCP‐

Interaktion eine spezielle Rolle im Immunsystem oder während entzündlicher Prozesse  spielen könnte, wenn die Expression von FAT10 hochreguliert ist. 

 

   

(7)

1. Introduction 

Cells have evolved sophisticated control mechanisms that sense misfolded or redundant  proteins in order to eliminate them and thereby maintain homeostasis. Besides autophagy the  main protein degradation pathway goes via the ubiquitin‐proteasome‐system (UPS). Target  proteins are marked with ubiquitin, a 76 amino acid polypeptide that is recognized by a  multicatalytic complex, the proteasome. It cleaves proteins into short peptides to prevent  their accumulation and thus it takes part in regulation of many cellular processes from gene  transcription, signalling and protein quality control up to antigen presentation. 

In the following sections the key players of the UPS as well as associated proteins and  processes are described in more detail. 

 

1.1 Ubiquitin 

The small molecule ubiquitin was initially discovered as a factor required for ATP‐dependent  protein  breakdown (Schlesinger,  Goldstein et  al.  1975,  Ciechanover,  Elias  et  al.  1980,  Ciechanover, Heller et al. 1980, Wilkinson, Urban et al. 1980) and is conserved between  species (Schlesinger and Goldstein 1975). In mammals ubiquitin is encoded by the four genes  Uba52, Uba80, Ubb and Ubc. The first two genes encode each one fusion protein with a  ribosomal subunit, the latter two encode tandem repeats in head‐to‐tail formation translated  as precursors which need to be processed by specific hydrolases (Ozkaynak, Finley et al. 1984,  Lund, Moats‐Staats et al. 1985, Jonnalagadda, Butt et al. 1989). This liberates a 76 amino acid  polypeptide of 8.5 kilodalton (kDa) with a ‐grasp‐fold and a C‐terminal diglycine motif  necessary for conjugation to substrate proteins.  

Ubiquitination is ‐ besides phosphorylation ‐ the most frequent posttranslational modification  and is one possibility to regulate cellular processes by degradation or changing the localisation  or activity of involved proteins. Recently ubiquitin itself was found to be phosphorylated which  creates an additionally mechanism to regulate ubiquitinated proteins (Kane, Lazarou et al. 

2014, Kazlauskaite, Kondapalli et al. 2014, Koyano, Okatsu et al. 2014). 

 

 

(8)

1.2 Ubiquitination 

The conjugation of ubiquitin to its substrates is executed by a three enzyme cascade resulting 

in an isopeptide bond between the carboxyl group of the C‐terminal glycine of ubiquitin and  the ‐amino group of a lysine in a substrate protein. However, ubiquitin can also be attached  via a linear peptide bond to the N‐terminus of a substrate or to other ubiquitins or to a serine,  threonine or cysteine to build an ester or thioester.  

The cascade starts with an ubiquitin‐activating enzyme (E1) (Hershko, Heller et al. 1983)  binding ubiquitin and ATP to build an ubiquitin adenylate with release of pyrophosphate. This  results in a thioester bond of the carboxyl group of ubiquitin to the active site cysteine of the  E1 and to free AMP. A second ubiquitin is recruited to the adenylation site and the first  ubiquitin is transferred to the active site cysteine of the ubiquitin‐conjugating enzyme (E2). 

After the transthiolation reaction the ubiquitin ligase (E3) catalyses the transfer of ubiquitin  onto the ‐amino group of a lysine in a substrate protein (Scheffner, Nuber et al. 1995). 

Homologous to E6‐AP carboxyl terminus (HECT) E3 ligases take over ubiquitin to form a  thioester intermediate at their active site cysteine and transfer it to the substrate (Huibregtse,  Scheffner et al. 1995). Really interesting new gene (RING) E3s which don’t have an active site  cysteine bring substrate and E2 into close proximity to allow a direct transfer of ubiquitin onto  the substrate (Joazeiro, Wing et al. 1999). This is achieved by two zinc ions coordinated  between cysteine and histidine residues in a crossbrace arrangement, the so called RING‐

finger. The most abundant E3s belong to the Cullin‐RING E3 ligase (CRL) superfamily (Feldman,  Correll et al. 1997, Skowyra, Craig et al. 1997).  

U‐box E3s have a similar scaffolding function without zinc ions (Aravind and Koonin 2000,  Hatakeyama, Yada et al. 2001). RING‐between‐RING (RBR) E3s work like RING E3s but have an  active site cysteine in one of their RING‐like domains to transfer a thioester intermediate  (Aguilera, Oliveros et al. 2000). A special member of the RBR family is the linear ubiquitin chain  assembly complex (LUBAC) consisting of HOIL‐1L and the HOIL‐1L interacting protein (HOIP)  linking ubiquitin molecules in a head‐to‐tail conformation to each other (Kirisako, Kamei et al. 

2006). 

The target of an ubiquitin molecule is specified by the consecutive action of the three 

(9)

McGrath, Jentsch et al. 1991) and UBA6 (Chiu, Sun et al. 2007, Jin, Li et al. 2007, Pelzer, Kassner  et al. 2007), have a selection of about 35 E2s in humans (van Wijk, de Vries et al. 2009). A  supposed redundancy of the E1s is contradicted by the fact that the UBA6 specific E2 (USE) 1  accepts transfer of ubiquitin only from UBA6 (Jin, Li et al. 2007) and the knockout of UBA6  (Chiu, Sun et al. 2007) or UBA1 is lethal (McGrath, Jentsch et al. 1991). However substrate  specificity is achieved at the final conjugation step and thus there are hundreds of E3s encoded  in the human genome to accomplish ubiquitination of a myriad of substrates (Metzger,  Pruneda et al. 2014).  

 

1.3 Ubiquitin chains 

The kind of ubiquitination determines the fate of the substrate protein. Monoubiquitination  at single or multiple lysine residues is important for regulation of signalling processes or  endocytosis (Haglund, Sigismund et al. 2003). Additionally to the modification of a substrate  by a single molecule more ubiquitin molecules can be attached to one another and depending  on the chosen lysine (K) residue within ubiquitin (K6, 11, 27, 29, 33, 48, 63) different chains  can be build (Figure 1). 

At least four ubiquitins linked at K48 were believed to be the principal chain type that  designate the substrate protein for degradation by the proteasome (Chau, Tobias et al. 1989). 

Later it was shown that K11 chains (Baboshina and Haas 1996, Xu, Duong et al. 2009) and all  other chain types, except K63, contribute to degradation via the proteasome, too (Xu, Duong  et al. 2009). For instance mainly K11 chains are found to associate with UBA/UBX proteins  (Alexandru, Graumann et al. 2008) which interact with Valosin‐containing protein (VCP)  (Hartmann‐Petersen, Wallace et al. 2004, Schuberth, Richly et al. 2004), a key component in  endoplasmic  reticulum  associated  degradation  (ERAD)  (Ye,  Meyer  et  al.  2001).  And  interestingly the E3 ligase anaphase‐promoting complex/cyclosome (APC/C) assembles K11  chains on substrates that need to be degraded during cell cycle (Jin, Williamson et al. 2008). 

K63 chains are implicated in the DNA‐damage response (Hofmann and Pickart 1999) and in  signalling events leading to the activation of the transcription factor NF‐B (Deng, Wang et al. 

2000) but have also been described in endocytosis of cell surface receptors (Geetha, Jiang et  al. 2005, Duncan, Piper et al. 2006).  

(10)

                         

 

Figure 1: Lysine residues in ubiquitin. All lysine residues within ubiquitin are highlighted in red with blue  nitrogen atoms and putative function of chains are indicated. The sulphur atom in Met1 is depicted in green. 

The C‐terminal Gly75‐Gly76 motif involved in isopeptide bond formation is marked in red for oxygen atoms  and blue for nitrogen atoms (Komander 2009). 

 

Other types required in NF‐B activation are linear chains (Rahighi, Ikeda et al. 2009) with the  C‐terminal glycine of one ubiquitin connected to the N‐terminal methionine of the next  ubiquitin. The function of other linkages is not that clear yet. It was shown for Notch signalling  that K29 linked chains lead to degradation of a regulator protein via the lysosome (You and  Pickart 2001), whereas the use of K29 chains in the ubiquitin fusion degradation pathway  rather points to degradation by the proteasome (Johnson, Ma et al. 1995). Mixed chains have  been proposed to regulate E3 ligase activity (Ben‐Saadon, Zaaroor et al. 2006) and even  branched chains have been observed (Kim and Goldberg 2012) whereas their function is still  elusive. 

     

(11)

1.4 Deubiquitination 

The modification of a protein by ubiquitin is a highly regulated process and is also reversible. 

It’s known from the degradation machinery that there are enzymes that can cut the isopeptide  linkage between the substrate protein and the attached ubiquitin (Swaminathan, Amerik et  al. 1999, Verma, Aravind et al. 2002). As about 85 deubiquitinating enzymes (DUBs) are  encoded in the human genome, it is obvious that there must be a greater variety in specificity  and selectivity  for substrates and particular types of polyubiquitin chains. Despite the  differences in number and type of additional domains DUBs can be divided into five classes  defined by the structure of their catalytic domain: ubiquitin‐specific protease (USP), ovarian  tumour (OTU), ubiquitin C‐terminal hydrolase (UCH), Josephin (MJD) cysteine proteases and  the Jab1/Mov34/Mpr1 (JAMM) metalloproteases. 

The cysteine proteases need a histidine‐asparagine/aspartate to activate the cysteine for the  nucleophilic attack on the peptide linkage (Storer and Menard 1994). Most of the proteases  have these residues in a row but some USP (Hu, Li et al. 2002) and OTU (Edelmann, Iphofer et  al. 2009) family members have to undergo conformational changes – sometimes induced by  the substrate – to get the residues aligned in order to be activated. Thereby specificity for a  substrate  can  be  accomplished,  e.g.  OTUB1  cleaves  only  K48  linked  ubiquitin  chains  (Edelmann, Iphofer et al. 2009, Wang, Yin et al. 2009) and OTULIN cleaves linear ubiquitin  chains (Keusekotten, Elliott et al. 2013, Mevissen, Hospenthal et al. 2013). 

Many DUBs are found in complexes with other proteins, often E2 conjugating enzymes or E3  ligases, which can regulate their activity or localisation and vice versa (Sowa, Bennett et al. 

2009, Keusekotten, Elliott et al. 2013). Structural studies suggest that the binding of partner  proteins induces  conformational changes that keeps the catalytic residues aligned and  stabilizes the DUB in an active conformation (Samara, Datta et al. 2010). 

 

 

 

(12)

1.5 Ubiquitin‐like modifiers 

Although ubiquitin is the most abundant modifier there are other family members that share  not so much sequence homology but the three dimensional ubiquitin fold and that are  targeted to proteins in a similar way. All ubiquitin‐like modifiers (ULMs) can be conjugated to  lysines of substrate proteins via a diglycine motif at their C‐terminus which is executed by a  three enzyme cascade, partially the same as for ubiquitin. The best studied ULMs are shortly  described in the paragraphs below. 

 

1.5.1. ISG15 

Interferon‐stimulated gene (ISG) 15 was the first family member discovered after ubiquitin in 

1979 (Farrell, Broeze et al. 1979). It is not constitutively expressed but can be induced together  with its conjugation machinery by interferon (IFN)  and  (Nielsch, Pine et al. 1992, Yuan and  Krug 2001)and lipopolysaccharide (LPS) (Hamerman, Hayashi et al. 2002). After processing of  the precursor ISG15 is a 15 kDa protein consisting of two domains with 29% and 27% sequence  homology to ubiquitin, respectively. The E1 enzyme UBE1L (Yuan and Krug 2001) hands over  the activated ISG15 to the bispecific ubiquitin E2 UbcH8 (Zhao, Beaudenon et al. 2004). The  RING E3 estrogen‐responsive finger protein (EFP) (Zou and Zhang 2006) and the E3 HECT  domain and RCC1‐like domain containing protein (Herc) 5 (Dastur, Beaudenon et al. 2006) 

were first found to mediate the transfer of ISG15 to its target proteins, e.g. serine protease  inhibitor (serpin) 2a (Hamerman, Hayashi et al. 2002), PLC1, JAK1, STAT1 or ERK1 (Malakhov,  Kim et al. 2003). ISG15 can be deconjugated by USP18 (UBP43) (Malakhov, Malakhova et al. 

2002) and by USP3, 5, 13 and 14 (Catic, Fiebiger et al. 2007).  

Considering its expression during infection and its secretion by monocytes and lymphocytes  (Knight and Cordova 1991) ISG15 was thought to be involved in the IFN type I induced immune  response,  but  in  the  first  place  ISG15‐/‐  mice  showed  no  obvious  phenotype  (Osiak,  Utermohlen et al. 2005) as well as UBE1L‐/‐ mice (Kim, Yan et al. 2006). Only later ISG15 and  ISGylation could be shown to be important in some cases of viral infection (Lenschow, Lai et  al. 2007), however its role in tumorigenesis is still not clear (Bektas, Noetzel et al. 2008, Feng, 

(13)

1.5.2. NEDD8 

Neural‐precursor‐cell‐expressed‐developmentally‐down‐regulated (NEDD) 8 (Kamitani, Kito  et al. 1997) or related‐to‐ubiquitin (Rub) 1 in yeast (Liakopoulos, Doenges et al. 1998) is in  respect of sequence homology the closest relative of ubiquitin with 53% identity and 72% 

similarity. The NEDD8 precursor is processed to a 76 amino acid polypeptide by NEDD8‐

specific protease 1 (NEDP1, also known as DEN1) (Gan‐Erdene, Nagamalleswari et al. 2003) or  ubiquitin C‐terminal hydrolase (UCH)‐L3 (Wada, Kito et al. 1998). It is conjugated by the  heterodimeric E1 APPBP1‐UBA3 via the E2 Ubc12 (Osaka, Kawasaki et al. 1998) and several  E3s to substrate proteins to modulate their activity. For example the neddylation of p53  inhibits its transcriptional activity (Xirodimas, Saville et al. 2004). In contrast neddylation of  parkin stimulates its E3 ligase activity (Choo, Vogler et al. 2012). Likewise neddylation of cullins  activates the multisubunit Cullin‐RING ubiquitin E3 ligases (CRLs) (Hori, Osaka et al. 1999),  which can be deneddylated by the COP9 signalosome (CSN) (Lyapina, Cope et al. 2001). 

Interestingly an attachment of NEDD8 to ubiquitin was observed in which NEDD8 terminated  ubiquitin chain (Singh, Zerath et al. 2012). 

 

1.5.3. SUMO 

The small ubiquitin‐related modifier (SUMO) has four isoforms in mammals with partially  overlapping functions in cell cycle progression (Dieckhoff, Bolte et al. 2004), nuclear protein  import (Kirsh, Seeler et al. 2002) and protein stabilisation (Desterro, Rodriguez et al. 1998). 

Sentrin/SUMO‐specific proteases (SENPs) can not only hydrolyse the precursors but can also  cut the isopetide bonds to substrates (Gong and Yeh 2006). After activation of SUMO by the  Aos1‐UBA2 heterodimer (Gong, Li et al. 1999), the E2 enzyme UBC9 (Schwarz, Matuschewski  et al. 1998) is able to transfer SUMO directly to substrates, but this can also be mediated by  the E3 enzyme RanBP2‐RanGAP1 (Werner, Flotho et al. 2012) or by protein inhibitor of  activated STAT (PIAS) 1 (Kahyo, Nishida et al. 2001). SUMO can be assembled in chains  (Tatham, Jaffray et al. 2001) which can be ubiquitinated by the ligase RNF4 which leads to  proteasomal degradation of the substrate (Tatham, Geoffroy et al. 2008). 

 

(14)

1.5.4. ATG12 and ATG8 

Autophagy‐related gene (ATG) 12 was the first ULM identified to be involved in autophagy  (Mizushima, Noda et al. 1998). It’s already translated with a free diglycine motif and can  directly be activated by the E1 ATG7 and conjugated by the E2 ATG10 to its substrate ATG5. 

This ATG12‐ATG5 conjugate recruits factors required for phagophore elongation and closure,  like the coiled‐coil protein ATG16. Together they build a complex which has E3‐like activity for  ATG8‐Phosphatidylethanolamine (PE) (Fujita, Itoh et al. 2008). 

ATG8 (LC3 in humans) is an exception in the ULM family as it targets PE and is not conjugated  to proteins (Ichimura, Kirisako et al. 2000). After processing by the cysteine protease ATG4,  ATG8 is activated by ATG7, transferred to its E2 ATG3 and finally conjugated to the amino  group of PE incorporated into the phagophore (Kirisako, Ichimura et al. 2000). 

 

1.5.5. FAT10 

In 1996 Fan et al. found seven new genes in the human major histocompatibility complex  (MHC) class I region at the human leukocyte antigen (HLA)‐F locus on chromosome 6, one of  them showing high similarity to a doubled ubiquitin (Fan, Cai et al. 1996). Thus the 18 kDa  protein was named diubiquitin or ubiquitin D.  Later the nomenclature HLA‐F adjacent  transcript (FAT) 10 was asserted. 

FAT10 was first found to be expressed in mature dendritic cells and mature B‐cells (Bates, 

Ravel et al. 1997), but then it was discovered that FAT10 is strongly upregulated in all cell types  after stimulation with the proinflammatory cytokines Interferon (IFN)  and Tumour necrosis  factor (TNF)  (Liu, Pan et al. 1999, Raasi, Schmidtke et al. 1999). Further studies revealed that  under non‐inflammatory conditions  endogenous FAT10 expression is highest in spleen,  thymus, gut and lymph nodes of mice (Lukasiak, Schiller et al. 2008), suggesting a role of FAT10  in the immune system. The mild phenotype of FAT10 knockout mice under laboratory  conditions  merely  can  be  challenged  by  lipopolysaccharide  (LPS)  to  induce  endotoxin  hypersensitivity (Canaan, Yu et al. 2006). This hints to an involvement in specialized immune  reactions as FAT10 ‐ in contrast to other parts of the adaptive immune system ‐ is found only 

(15)

The two domains of FAT10 have 29% and 36% sequence homology to ubiquitin, respectively,  but only 20% homology to each other (Bates, Ravel et al. 1997). Although the structure is not  yet completely solved (Theng, Wang et al. 2014), both domains are expected to have the  typical ubiquitin fold with a five amino acid linker in between which is assumed to allow  flexible positioning to each other (Figure 2). Corresponding to the amino acid sequence of  ubiquitin human FAT10 harbours four lysines (K27, 33, 48 and 63) at the same positions  whereas in mice only lysine 48 is conserved. Different to ubiquitin FAT10 contains two  cysteines per domain but it exhibits the C‐terminal diglycine motif as a common feature of all  ULMs (Bates, Ravel et al. 1997). Most of them ‐ as well as ubiquitin itself ‐ are produced as  precursors and need to be processed. However FAT10 is translated with a free diglycine motif  and can be directly attached to lysines in substrate proteins in a ubiquitin‐like manner (Raasi,  Schmidtke et al. 2001) by an enzyme cascade sharing even the same enzymes with ubiquitin. 

 

   

Figure 2: Ribbon model of ubiquitin (left) and FAT10 (right). Both domains of FAT10 display the typical ‐grasp  fold of ubiquitin, witha central ‐helix (turquoise) surrounded by ‐sheets (purple) (Groettrup, Pelzer et al. 

2008). 

 

FAT10 is activated by the E1 enzyme UBA6 which was found to prefer ubiquitin for thioester  formation (Chiu, Sun et al. 2007, Pelzer, Kassner et al. 2007). Nevertheless Gavin et al. 

measured a higher binding affinity of FAT10 to UBA6 in vitro (Gavin, Chen et al. 2012). It is  assumed that massive expression of FAT10 during infections changes the ratio to ubiquitin  increasing the probability for FAT10 to be taken by UBA6 for activation (Chiu, Sun et al. 2007,  Gavin, Chen et al. 2012). The E2 conjugating enzyme UBA6 specific enzyme (USE) 1 is bispecific 

(16)

for ubiquitin and FAT10, too (Aichem, Pelzer et al. 2010), and takes over – as its name indicates 

‐ both ULMs only from UBA6. However, FAT10 can’t be activated and conjugated by the UBA6  dependent E2s Ubc5 and Ubc13 or by the second ubiquitin E1 (UBE1) and corresponding E2s  (Chiu, Sun et al. 2007). Knockdown of either UBA6 or USE1 massively reduce FAT10 conjugates  proposing that these are the main if not only E1 and E2 enzymes for FAT10, respectively (Chiu,  Sun et al. 2007, Aichem, Pelzer et al. 2010). 

As there are no E3 ligases for FAT10 published yet, one might speculate that in vitro the E1  UBA6 and the E2 USE1 are sufficient for conjugation to substrate proteins likewise it was  published for SUMO (Tatham, Jaffray et al. 2001, Werner, Flotho et al. 2012). Recently it could  be demonstrated that at least in vitro even the E1 UBA6 is sufficient for conjugation of FAT10  to its substrate protein UBE1 (Bialas, Groettrup et al. 2015), which might be due to high  protein concentrations and thus close proximity of all involved proteins. Nevertheless the  need for an E3 ligase to allow substrate specific FAT10ylation in vivo can’t be ruled out and  several attempts have been done to identify putative candidates, which are still under  investigation (J. Bialas, unpublished data). 

The incomplete knowledge about the FAT10‐conjugation enzyme cascade arises the question  about deconjugating enzymes. Expression of linear ubiquitin‐GFP in cells leads to rapid  cleavage of the fusion proteins, whereas FAT10‐GFP stays intact (Hipp, Kalveram et al. 2005). 

But keeping in mind that FAT10 does not need to be processed to liberate its diglycine motif  it seems to be likely that there is no enzyme cleaving linear FAT10 fusions. On the other hand  endogenous FAT10 conjugates are degraded at the same rate as free FAT10 which is very short  lived (Hipp, Kalveram et al. 2005), why it might be possible that there are no deconjugating  enzymes for FAT10 at all. 

The first substrate identified was the E2 enzyme USE1 which auto‐FAT10ylates itself leading  to its degradation by the proteasome (Aichem, Pelzer et al. 2010, Aichem, Catone et al. 2014). 

This auto‐modification relies on the active site cysteine of USE1 which transfers the activated  FAT10 onto its lysine323, however when it’s mutated another lysine is chosen (Aichem,  Catone et al. 2014). Interestingly also the ubiquitin E1 enzyme UBA1 (also UBE1) is a substrate  of FAT10 and becomes degraded by the proteasome (Rani, Aichem et al. 2012, Bialas,  Groettrup et al. 2015), which might be a mechanism to bias the conjugation machinery 

(17)

Involvement of FAT10 in other degradation mechanisms can be assumed e.g. because of the  modification of the autophagy adapter protein p62 (Aichem, Kalveram et al. 2012). It is multi‐

monoFAT10ylated meaning modified with one FAT10 at several lysines simultaneously which  marks p62 for degradation via the proteasome. Additionally p62 interacts also non‐covalently  with FAT10 (Aichem, Kalveram et al. 2012), but a function for the interaction couldn’t be 

established yet. 

NEDD8 ultimate buster 1 long (NUB1L; see also in section 1.6), which is inducible by IFN (Kito,  Yeh et al. 2001), was shown to interact non‐covalently with the N‐terminal domain of FAT10  accelerating its degradation. As NUB1L interacts also with the proteasome subunit Rpn10 it  was proposed to transfer FAT10 to Rpn10 in order to facilitate the degradation of FAT10 (Hipp,  Raasi et al. 2004, Tanji, Tanaka et al. 2005, Rani, Aichem et al. 2012). 

FAT10 itself was reported to be modified by ubiquitination (Hipp, Kalveram et al. 2005,  Buchsbaum, Bercovich et al. 2012) and by at least slight acetylation (Kalveram, Schmidtke et  al. 2008). As it was shown that degradation of FAT10ylated substrates is independent of  further ubiquitination (Hipp, Kalveram et al. 2005, Schmidtke, Kalveram et al. 2009), the  significance of these modifications for the function of FAT10 is still under debate. 

 

Despite the characterization of the degradation of some substrates the role of FAT10 in  biological processes is poorly understood. Before substrate proteins or even E1 and E2  enzymes were identified, the spindle assembly checkpoint protein mitotic arrest deficiency  (MAD) 2 was found as an non‐covalent interaction partner of FAT10 (Liu, Pan et al. 1999). 

Because it’s expressed in B‐cells and dendritic cells the authors speculated that FAT10  modulates cell growth during development and activation. Further investigation by Ren et al. 

showed delocalization of MAD2 from the kinetochore upon FAT10 overexpression, leading to  missegregation of chromosomes (Ren, Kan et al. 2006), which could be inhibited by siRNA  knockdown of FAT10 at simultaneous TNF treatment (Ren, Wang et al. 2011). As FAT10  expression was claimed to be upregulated in hepatocellular, colorectal, ovarian and uterus  carcinomas it is implied to promote tumorigenesis (Lee, Ren et al. 2003). The tumour  suppressor p53 was first linked to FAT10 as a negative regulator of expression and a loss of  p53 leading to transcriptional upregulation of FAT10 contributing to tumorigenesis (Zhang,  Jeang et al. 2006). Additionally, FAT10 was described to upregulate transcriptional activity of 

(18)

p53 and modify inactive p53 (Li, Santockyte et al. 2011). Choi et al. proposed a synergistic  activation of FAT10 expression by NF‐B and STAT3 which leads to p53 repression (Choi, Kim  et al. 2014). Further FAT10 was suggested, besides mutant p53, to be used as prognostic  marker for gastric cancer (Ji, Jin et al. 2009).  

Contradictory to the statements mentioned before cytokine‐induced expression of FAT10  could be a response to pro‐inflammatory stimuli of the surrounding tissue to fight the tumour. 

The simultaneous upregulation of the immunoproteasome subunit LMP2, changing the subset  of MHC class I ligands (see also section 1.7.2) argues for this (Lukasiak, Schiller et al. 2008). 

Whether FAT10 expression promotes or suppresses induction of apoptosis is discussed very  oppositional. Some groups could demonstrate that FAT10 overexpression induces apoptosis  in mouse fibroblasts, HeLa cells and renal tubular epithelial cells (Liu, Pan et al. 1999, Raasi,  Schmidtke et al. 2001, Ross, Wosnitzer et al. 2006) and that FAT10 knockdown protects from  apoptosis (Ross, Wosnitzer et al. 2006). In a recent study FAT10 was found to interfere with  the NF‐B pathway by modifying leucine‐rich repeat Fli‐I‐interacting protein (LRRFIP) 2  (Buchsbaum, Bercovich et al. 2012). FAT10‐modified LRRFIP can’t be recruited to the LPS‐

sensing Toll‐like receptor (TLR) 4 anymore and therefore NF‐B mediated transcription of  apoptosis inhibitors is prevented. In contrast, Ren et al. observed a protective function of  FAT10 expression from TNF induced apoptosis in the colon cancer cell line HCT116 (Ren, Kan  et al. 2006).  

Various other interaction partners were found which point to different tasks of FAT10. The  histone deacetylase (HDAC) 6  mediates  the  transport  of polyubiquitinated  proteins to  aggresomes upon proteasome inhibition. It acts as a linker between ubiquitin chains and  dynein which brings substrates to these inclusion bodies for degradation via autophagy. Under  these conditions FAT10 interacts non‐covalently with HDAC6 and localizes to aggresomes, too  (Kalveram, Schmidtke et al. 2008). 

A possible role for FAT10 in eye development was suggested recently. The aryl hydrocarbon  receptor‐interacting protein‐like 1 (AIPL1) which is mutated in Leber’s congenital amaurosis  (LCA) was shown to interact with NUB1 (van der Spuy and Cheetham 2004) and free as well as  conjugated FAT10 build a ternary complex (Bett, Kanuga et al. 2012). The authors claimed that 

(19)

is abolished by pathogenic mutations in AIPL1. Additionally AIPL1 associates with UBA6 which  implicates further regulation of FAT10ylation (Bett, Kanuga et al. 2012).  

As FAT10 seems to be involved in various processes and its role there is heavily discussed, a  lot of investigation is needed to shed light on its actual impact on these pathways. 

 

1.6 Ubiquitin‐like and ubiquitin‐binding domains 

Additionally to ubiquitin‐like modifiers there are proteins containing one or more integral  ubiquitin‐like folds which are not conjugated to substrate proteins. The ubiquitin‐like (UBL)  domain is a common feature present in proteins like proteasome shuttle factors, E3 ligases,  DUBs or even kinases. A slightly modified ubiquitin analogue is the ubiquitin‐regulatory x  (UBX) domain of VCP cofactors (reviewed in (Schuberth and Buchberger 2008); see also  section  1.9.1).  In  contrast  the  Phox  and  Bem1  (PB1)  domain  containing  proteins  are  functionally unrelated. 

Besides the domains having the ubiquitin‐like structure there are domains possessing a more  or less high affinity to bind to ubiquitin itself or to ubiquitin family members. Most of these  ubiquitin‐binding (UBD) domains share a similar ‐helix‐based structure and bind to the same  hydrophobic patch around isoleucine 44 in ubiquitin such as the ubiquitin‐associated (UBA)  domain,  ubiquitin‐associating  (UAS),  ubiquitin‐interacting  motif  (UIM),  double‐sided  ubiquitin‐interacting motif (DUIM), motif interacting with ubiquitin (MIU), the coupling of  ubiquitin conjugation to ER degradation (CUE) domain or the von Willebrand factor type A  (VWA) domain. Other UBDs like Npl4 zinc finger (NZF) or polyubiquitin‐associated zinc finger  (PAZ), the ubiquitin‐conjugating (UBC) domain, ubiquitin‐conjugating enzyme variant (UEV),  GRAM‐like ubiquitin‐binding in Eap45 (GLUE), Jab1/MPN and PLAA family ubiquitin binding  (PFU) domains differ in structure and binding site preference (reviewed in (Grabbe and Dikic  2009)).  

As mentioned above UBL and UBD domains can interact with each other and often they are  comprised even in the same protein. Many of them, as most of the UBL‐UBA domain proteins,  participate in the process of protein degradation but their overall domain structure and the  specific event as well as other processes they are involved in are diverse (reviewed in (Su and  Lau 2009)). For example, NEDD8 ultimate buster‐1 long (NUB1L) binds FAT10 via its UBA 

(20)

domains and via its UBL domain it binds to the von Willebrand factor type A (VWA) domain of  the 26S proteasome subunit Rpn10 and additionally to Rpn1 ((Rani, Aichem et al. 2012); see  also section 1.7.1) to accelerate the degradation of FAT10‐coupled substrate proteins. The  cofactors of VCP inclosing a UBX domain also have a UBA domain give rise to the UBA‐UBX  domain protein family, but other combinations are possible, too, (Schuberth and Buchberger  2008). 

 

1.7 The Proteasome 

The ubiquitin‐proteasome‐system (UPS) is the major mechanism of eukaryotic cells to degrade  proteins in order to maintain protein homeostasis. The centre of the pathway is the 26S  proteasome, a multi‐subunit ATP‐dependent complex degrading ubiquitinated proteins not  only in the cytoplasm but also in the nucleus. It consists of a 20S core particle (CP) cleaving its  substrates endocatalytically and 19S regulatory particles (RP, PA700) which can associate at  both sites to control the entry of the substrates (Figure 3). The 20S proteasome is found in  Bacteria, Archaea and Eukarya and its overall structure is well conserved. It consists of four  stacked heptameric rings forming a barrel‐like shape with a central pore divided into three  chambers (Lowe, Stock et al. 1995, Groll, Ditzel et al. 1997). In eukaryotes the outer rings are  composed  of  seven  different ‐subunits,  the inner rings  of  seven  different ‐subunits  including the three catalytically active ones with N‐terminal threonine residues as active‐site 

nucleophiles. Those subunits favour different amino acids as signal for hydrolysis of peptide  bonds. 1 (PSMB6, Y, ) comprises a caspase‐like activity cleaving after acidic amino acids, 2  (PSMB7, Z, MC14) has a trypsin‐like activity preferring basic amino acids and 5 (PSMB5, X,  MB1) bares a chymotrypsin‐like activity choosing hydrophobic residues. 

Proteasomes are the main proteases supplying ligands for major histocompatibility complex  (MHC) class I molecules as they produce peptides of eight to ten amino acids in length with  preferentially  hydrophobic  or basic  amino acids  at the C‐terminus  as  anchor residues  particularly fitting into the cleft of the MHC molecules. 

The  transcription  factor  nuclear  factor  erythroid  2‐related  factor  (Nrf)  1  is  a  type  II 

(21)

the proteasome. Upon impaired proteasome function Nrf1 is only partially processed and  thereby activated. It increases the transcription of all proteasome subunits and PA200 as well  as VCP and its cofactors Ufd1, Npl4 and p47 (see section 1.9) to compensate the reduced  degradation capacity (Sha and Goldberg 2014). 

                           

Figure 3: Scheme of the 26S proteasome. The 20S core particle consists of four heptameric rings stacked onto  each other. The outer rings are built of ‐subunits and the inner rings are comprised of ‐subunits including  the catalytically active ones 1, 2 and 5. The 19S regulatory particle contains the AAA subunits Rpt1‐6 which  build together with Rpn1, 2 and 13 the base for the assembly of the subunits Rpn3, 5‐9, 11, 12 and 15 which  form a lid. The 19S particle regulates the entry of substrates into the catalytic chamber of the core particle. 

 

1.7.1. Proteasome Activators 

The ‐subunits of the 20S CP confine the entry of the substrate into the pore by building a  gate which can be opened through conformational changes caused by binding of the 19S RP  or the other proteasome activators (PA) 11S RP (PA28) or Blm10 (PA200). This gains the access  of substrates which need to be degraded and restricts uncontrolled proteolysis (reviewed in  (Forster, Unverdorben et al. 2013)). 

(22)

The base of the 19S RP is composed of regulatory‐particle triple‐A proteins (Rpt) 1‐6 forming  a ring and the regulatory particle non‐ATPase proteins (Rpn) 1, 2 and 13. The subunits Rpn 3,  5‐9, 11, 12 and 15 form a lid which is connected to the base via Rpn10 (Figure 3). The C‐termini 

of the Rpt subunits extend into pockets between the ‐subunits of the 20S CP and the N‐

termini of the‐subunits are arranged at the inside of the RP ring (reviewed in (Kunjappu and  Hochstrasser 2014)). Ubiquitin chains attached to substrates are recognized by the receptor  subunits Rpn10 and Rpn13 so that the substrate can be grasped by the Rpt subunits to  translocate the protein through the ring which is ATP‐dependent and thereby unfold it. In the  meantime the deubiquitinating enzyme Rpn11 removes the ubiquitin chain from the substrate  which then can enter the cylinder of the 20S CP and reach the middle chamber where the  cleavage of the substrate occurs (Verma, Aravind et al. 2002). The ubiquitin chain can be  further processed and the single moieties can be reused for conjugation. 

The other two proteasome activators PA28 and PA200 bind to the ‐ring of the 20S CP the  same way as the 19S RP in order to open the gate but in an ATP‐independent manner. The  activators can also combine with the 19S RP to build a hybrid proteasome (Hendil, Khan et al. 

1998, Cascio, Call et al. 2002). PA200 is a 250 kDa monomer which was indicated to activate  the proteasome during in DNA repair and spermatogenesis by stimulating the caspase‐like  activity of the 20S CP (reviewed in (Savulescu and Glickman 2011)). PA28is a subtype of PA28  mainly expressed in the nucleus forming a homoheptameric ring. It was shown to selectively  stimulate the trypsin‐like activity without affecting the other two activities and to promote 

ubiquitin‐independent degradation of some substrates involved in cell cycle progression and  induction of apoptosis. The other subtype of PA28 is the heteroheptamer PA28 3  and 4 

 subunits, whose expression is induced by the cytokine IFN, assemble to form a ring which  associates with the 20S proteasome in the cytosol. PA28 is involved in the MHC I restricted  antigen presentation as it enhances processing of small peptides resulting in MHC I ligands  (reviewed in  (Vigneron and  Van den Eynde 2014)).  This relates  to double‐cleavage  of  substrates presumably by retention of the substrates in the catalytic chamber (Dick, Ruppert  et al. 1996). Accordingly it was demonstrated that PA28 promotes presentation of virus  antigens leading to an increased recognition by T‐cells (Groettrup, Ruppert et al. 1995). 

(23)

1.7.2. The immunoproteasome 

As response to an infection the proinflammatory cytokine IFN is produced which in turn  triggers a lot of reactions to fight pathogens. One of those downstream effects is the induction  of proteasome subunits which substitute the catalytically active subunits in newly assembled  proteasomes.  

In the so called immunoproteasome the subunits 1 and 5 are replaced by low‐molecular  mass peptide 2 (LMP2 or 1i) and LMP7 (5i), respectively, which are encoded in the MHC 

class II locus (Brown, Driscoll et al. 1991, Glynne, Powis et al. 1991, Kelly, Powis et al. 1991,  Ortiz‐Navarrete, Seelig et al. 1991). 2 is exchanged by multicatalytic endopeptidase complex  like‐1 (MECL‐1 or 2i), which is not encoded in the MHC (Boes, Hengel et al. 1994, Groettrup,  Kraft et al. 1996, Hisamatsu, Shimbara et al. 1996). 

Because of the altered cleavage specificities of the immunoproteasome, meaning a lower  caspase‐like activity and higher chymotrypsin‐like activity, a different subset of MHC I ligands  is produced (Gaczynska, Rock et al. 1994). Ligands with hydrophobic amino acids at their C‐

terminus have a higher affinity to the cleft of the MHC I molecules. Thus these peptides are  preferentially presented on the cell surface which leads to the activation of a different T‐cell  repertoire (Fehling, Swat et al. 1994, Van Kaer, Ashton‐Rickardt et al. 1994, Chen, Norbury et  al. 2001, Basler, Youhnovski et al. 2004). As the peptides are often derived from viral or  tumour proteins a more efficient immune response is initiated. In return primarily the  constitutive proteasome is capable to  produce  antigenic peptides resulting from some  proteins (Chapiro, Claverol et al. 2006). In experiments using knockout (KO) mice and  inhibitors of the inducible subunits it became clear that not only the cleavage specificity but  sometimes just their presence is needed for proper antigen presentation by protecting  peptides from cleavage by the constitutive proteasome (Basler, Lauer et al. 2012). Not only  the generation of antigens for presentation but also the production of inflammatory cytokines  is changed. This is an important observation for the therapy of autoimmune diseases, which  can be ameliorated by treatment with specific immunoproteasome inhibitors (Muchamuel,  Basler et al. 2009, Basler, Dajee et al. 2010, Basler, Mundt et al. 2014). 

As mentioned above the immunoproteasome subunits are only incorporated into newly  assembled proteasomes interdependently. Therefore mainly immunoproteasomes containing 

(24)

all three inducible subunits are built (Groettrup, Standera et al. 1997, Griffin, Nandi et al. 

1998). But there are exceptions leading to intermediate proteasomes containing 1, 2 and 

5i (Dahlmann, Ruppert et al. 2000, Guillaume, Chapiro et al. 2010). This might give rise to a  greater variety of peptides for presentation on MHC I molecules. 

In normal body cells the presence of immunoproteasomes is tightly regulated as they have a  much shorter half‐life than constitutive proteasomes (Heink, Ludwig et al. 2005), whereas in  cells of the lymphoid tissues such as thymus, spleen and lymph nodes immunoproteasomes  are permanently expressed (Stohwasser, Standera et al. 1997). In cortical thymic epithelial 

cells a third type of proteasome is expressed, the thymoproteasome with the catalytic subunit 

5t, which is important for positive selection of T‐cells (Murata, Sasaki et al. 2007).  

 

1.7.3. Proteasome inhibitors 

In order to study the role of the proteasome in various cellular processes previous known  protease inhibitors were adopted. Depending on the structure of the peptide aldehyde  leupeptin,  inhibitors  with  higher  potency  and  increased  selectivity  towards  the  20S  proteasome were developed, e.g. MG115 and MG132 (Rock, Gramm et al. 1994). To increase  selectivity further other classes of molecules, like epoxyketones, e.g. the natural compound  epoxomycin, or boronic ester derivatives, were refined. Belonging to the latter, the compound  MG‐341 (PS‐341 and later Bortezomib) was found to be a reversible inhibitor of the 20S  proteasome. Under the trade name Velcade® it is intensively applied for treatment of Multiple  Myeloma. Because of reduced resistance and relapse rates, also Carfilzomib (Kyprolis®) is now  used as treatment. However, because of the massive side effects of the available drugs, there  is still need for design of more selective compounds (reviewed in (Dou and Zonder 2014)).  

The immunoproteasome was identified as valuable target for treatment of haematological  malignancies and autoimmune diseases. For example the LMP7 selective inhibitor ONX‐0914  (PR‐957) was successfully implemented in mouse models for treatment of experimental  arthritis (Muchamuel, Basler et al. 2009), experimental colitis (Basler, Dajee et al. 2010), and  experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE)(Basler, Mundt et al. 2014). 

(25)

1.8 Endoplasmic reticulum quality control 

Proteins  that  need  to  be  secreted  or  inserted  into  membranes  are  cotranslationally  transported  into  the  Endoplasmic  Reticulum (ER) where their  folding and assembly  is  monitored by the Endoplasmic reticulum quality control (ERQC). The signal recognition  particle (SRP) binds signal sequences in newly synthesized polypeptides in the cytosol and 

thereby arrests translation (Walter and Blobel 1981). The SRP is recognized by a receptor in  the ER membrane which brings it to the translocon, a complex consisting of Sec61,  and   (Deshaies, Sanders et al. 1991). After its release the ribosome starts again translation of the  polypeptide through the translocon pore into the ER lumen where it is bound by chaperones  to assist folding. Subsequently the signal sequence of the polypeptide is cleaved by signal  peptidases (Jackson and Blobel 1977) and the preformed oligosaccharide consisting of three  glucose, nine mannose and two N‐acetylglucosamin residues (Glc3Man9GlcNAc2) is added to  an  asparagine.  This  oligosaccharide  is  directly  trimmed  by  glucosidase  I  and  II  to  GlcMan9GlcNAc2 so that the lectin‐like chaperones calnexin (CNX) and calreticulin (CRT) can  interact with the polypeptide to prevent aggregation and promote proper folding (Rodan,  Simons et al. 1996). The CNX/CRT interacting oxidoreductase ERp57 catalyzes the formation  of disulphide bonds between the cysteines of the protein which is released upon removal of  the last glucose by glucosidase II. The UDP‐glucose/glycoprotein glucosyl transferase (UGGT)  controls the folding state of the protein and adds glucose again to repeat the assisted folding. 

Correctly folded proteins are transported to their destination (Araki and Nagata 2011). 

 

1.8.1. ERAD 

When proteins ultimately can’t be folded correctly they have to be removed from the ER to  prevent their accumulation. This process is called ER‐associated degradation (ERAD) and at  least in yeast it can be divided into ERAD‐C (cytosol), ERAD‐M (membrane) and ERAD‐L (lumen)  depending on the localisation of the substrate and therefore on the involved enzymes  (Carvalho, Goder  et al. 2006). In mammals these pathways are defined by complexes  containing the ubiquitin E3 ligases Ring finger protein (RNF) 5 (or RMA1), glycoprotein (gp) 78  or HMG‐CoA reductase degradation (Hrd) 1 which share some cofactors and partially target 

(26)

the same substrates (Morito, Hirao et al. 2008). During repeated folding cycles the probability  of  the  glycosylated  proteins  to  be  exposed  to  ER‐mannosidase  I  increases.  Trimmed  oligosaccharides are recognized by ER degradation‐enhancing ‐mannosidase like (EDEM)  proteins which can cut off even more mannosidase residues. They hand over the substrate  proteins to the chaperone Binding immunoglobulin Protein (BiP, GRP78) which retains the  substrate  until  retrotranslocation  into  the  cytosol  in  an  unfolded  state.  The  reduced  glycosylation increases hydrophobicity of the proteins which is recognized by the lectins OS‐9  and XTB‐3B. Abnormal non‐glycosylated proteins are also directly recognized by BiP and co‐

chaperones of the DnaJ family without the help of EDEM proteins. BiP, XTB‐3B and OS‐9  interact via SEL1L with the transmembrane HRD1 ubiquitin E3 ligase complex. Derlin‐1, which  is associated with Hrd1 or gp78, interacts with Sec61 and promotes the transport of the  substrate through the translocon into the cytosol. On the cytoplasmic site of the ligase  complex the associated E1 UBA1 and the E2 UBC6e (Ube2j1) start the enzyme cascade  resulting in the ubiquitination of the substrate mostly at serines or threonines. UBXD8 and  UBXD2 are membrane bound cofactors which recruit the Valosin‐containing protein (VCP,  p97) to the ligase complex. VCP is an ATPase involved in the release of the translocated ERAD  substrates in order to make them accessible to degradation by the proteasome. Although VCP  can also interact with Hrd1 and gp78 directly, it needs its cofactors Ufd1 and Npl4 to deliver  the ubiquitinated substrates for processing. Additionally the deubiquitinating enzymes Ataxin‐

3, VCIP135 and YOD1 associate with VCP to modify ubiquitination of either substrates or parts  of the ERAD machinery (reviewed in (Araki and Nagata 2011, Christianson and Ye 2014). When  the substrates are translocated into the cytosol they are handed over to ubiquitin receptors  like Rad23 or Dsk2 which bind to the proteasome to deliver the substrate for degradation  (Medicherla, Kostova et al. 2004). There are some characteristic proteins like the T‐cell  receptor  ‐chain (TCR),  ‐1  antitrypsin  (1AT)  or  the  cystic  fibrosis  transmembrane  conductance regulator (CFTR) which can be used as model substrates to study ERAD‐related  processes (reviewed in (Baek, Cheng et al. 2013)). 

   

(27)

1.8.2. Unfolded‐protein response 

In case of accumulation of proteins that don’t fold properly because of mutations or stress  conditions and thus can’t be exported from the ER, the unfolded‐protein response (UPR) takes  place to reduce ER stress. Three principal branches of the UPR have been defined by the ER‐

resident signalling components as inositol requiring enzyme (IRE) 1, doublestranded RNA‐

activated protein kinase (PKR)‐like ER kinase (PERK) and activating transcription factor (ATF) 6  pathway. They employ different mechanisms for reducing the amount of unfolded proteins  by  translational  control  or  production  of  helpful  proteins  in  order to  restore  protein  homeostasis and normal ER function (reviewed in (Walter and Ron 2011)). 

ATF6 is a transmembrane protein with a large ER‐luminal domain bound to the chaperone BiP. 

Upon accumulation of unfolded proteins ATF6 is released from BiP and transported from the  ER to the Golgi. ATF6 is cut by the Golgi‐resident site‐1 protease (S1P) and subsequently by  S2P next to the membrane which releases the N‐terminal part of ATF6 into the cytosol. This  N‐terminus acts as a transcription factor for BiP, glucose‐regulated protein (GRP) 94 and other  ER‐resident chaperones (Walter and Ron 2011). 

During ER stress the transmembrane kinase PERK oligomerizes, phosphorylates itself and  inhibits the translation initiation factor eIF2 by phosphorylation. Translation of most proteins  is stopped to reduce the burden of protein folding in the ER. However, some mRNAs are  particularly translated when eIF2 is inactive, e.g. the transcription factor ATF4 which targets  the transcription factor C/EBP homologous protein (CHOP) and growth arrest and DNA 

damage‐inducible (GADD) 34. CHOP induces expression of genes involved in apoptosis,  whereas GADD34 is a subunit of the protein phosphatase PP1C which dephosphorylates eIF2 

thus restoring its normal activity (Walter and Ron 2011). 

IRE1 is a transmembrane protein with  kinase  and  endoribonuclease activity.  Unfolded  proteins lead to oligomerization and autophosphorylation of IRE1. This activates its nuclease  activity towards the mRNA of the X‐box binding protein (XBP) 1 excising one intron. The  translated protein XBP‐1s acts as a transcription factor for chaperones and other ERAD  proteins as well as for proteins involved in lipid synthesis (Walter and Ron 2011). 

   

(28)

1.9 VCP 

Cell cycle‐deficient (Cdc) 48 was first found in yeast mutants to play a role in cell cycle  progression (Moir, Stewart et al. 1982). Time after time a lot of processes were described  where Cdc48 is involved in or it’s even essential for. In mammals the protein was named  Valosin‐containing protein (VCP), as it enclosed the sequence of a peptide named valosin  (Koller and Brownstein 1987), or p97 because of its molecular weight. In Xenopus it was found  to build an oligomer with ATPase activity (reviewed in (Baek, Cheng et al. 2013)). 

Now it is known that VCP is one of the most abundant proteins in eukaryotic cells. It was  classified as an ATPase associated with various cellular activities (AAA) which is a protein  family with a common structure and similar function as unwinding, disassembly, unfolding or  extraction of substrate proteins. Like all type II AAA proteins each subunit of VCP consists of  two ATPase domains D1 and D2 and a cofactor‐binding N‐terminal N domain as well as an  unstructured C‐terminus (Figure 4). The subunits assemble into a homo‐hexameric barrel‐

shape with a central pore built by the ATPase domains and the N domains arranged at the  outside of the D1 ring. Both ATPase domains contain the three motifs Walker A for binding,  Walker B for hydrolysis and a second region of homology (SRH) needed for efficient hydrolysis  of ATP. As the D1 domain has a higher affinity for ADP, D2 displays higher ATPase activity. The  energy of ATP hydrolysis causes major conformational changes of the whole complex which  can be used for transferring mechanical forces to unfold or segregate substrate proteins (Pye,  Dreveny et al. 2006, Briggs, Baldwin et al. 2008). The precise procedure of extracting a  substrate from membranes or protein complexes, whether it is unfolded at the VCP surface  by movements of the N domains or if it’s threaded through the channel or only partially  inserted, is not known (reviewed in (Meyer and Weihl 2014).  

           

(29)

                     

Figure 4: Structure of VCP. Each subunit consists of an N‐terminal domain (green), the two AAA ATPase  domains D1 (cyan) and D2 (blue), and a C‐terminal tail (grey). D1 and D2 form two stacked hexameric rings. 

The N‐domain is positioned at the outside of the D1 ring. ATP hydrolysis in D2 induces conformational changes  in VCP that is used to transfer forces onto target substrates to promote their unfolding (Meyer, Bug et al. 

2012). 

Commonly one condition for the action of VCP is the ubiquitination of its substrates. It was  described to bind polyubiquitin chains directly via the N domain (Dai and Li 2001, Ye, Meyer  et al. 2003), but mostly via cofactors that exhibit stronger affinity for ubiquitin. These  substrates are often facilitated for degradation by the proteasome thus VCP is part of the  ubiquitin‐proteasome‐system  (UPS).  But  there  are  substrates  that  are  degraded  independently from VCP which might be determined by localization, structure or solubility of  the substrate. Moreover, some substrates not marked for degradation are targeted for  segregation from their interaction partners by VCP. It associates with either the heterodimer  Ubiquitin‐fusion degradation (Ufd) 1‐ Nuclear pore localization (Npl) 4 or with the cofactor  p47 or UBXD1 to so called core complexes which are recruited by further cofactors to specify  localization and action of the complex (see also section 1.9.1). Ubiquitin ligases and DUBs that  bind directly or indirectly to VCP can modify ubiquitination patterns and thereby change the  destiny of substrates (Baek, Cheng et al. 2013). 

In  the  ubiquitin‐fusion  degradation (UFD)  pathway  the  consecutive  action  of  enzymes  associated with VCP leads to the degradation of substrate proteins by the proteasome. 

Proteins involved in this pathway were discovered by screening for genes essential for  degradation of substrates artificially fused to ubiquitin. In vivo substrates are ubiquitinated by 

Referenzen

ÄHNLICHE DOKUMENTE

• execute interaction fragment partially, skip rest, and jump to

It has recently been shown (78) however, that the observed differences between the experimental bound structures and a molecular dynamics (MD) ensemble of un- bound ubiquitin

A Rub1-Ub Heterodimer Can Be Synthesized Both within Cells and in Vitro—Given the interaction observed for Rub1 with the Ub chain-binding domains of all three non-protea-

Rather, similar to nonproteolytic roles of ubiquitin, SUMO modification has been shown to covalently modify a large number of proteins with important roles in many cellular

To identify the subunit(s) within the 19S RP that mediate FAT10 and NUB1L binding to the proteasome, interaction of each individual 19S RP subunit with FAT10 and NUB1L was

Thus, to investigate if the effect of RLD2 is restricted to E6AP autoubiquitination or if RLD2 in general acts as an activator of E6AP, E6AP-mediated ubiquitination of a Ring1B

The unique properties of UBA6 challenge two major paradigms of ULM conjugation: first, UBE1 and UBA6 are the first examples of E1 enzymes that both activate the same member of the

With help of the UBL-UBA domain protein NUB1L, FAT10 is able to promote the degradation of its conjugates by the 26S proteasome.. Under condi- tions of proteasome impairment,