Podcasts about proteasomen

Tumorerkrankungen stellen die zweithäufigste Todesursache in den Industrieländern nach den kardiovaskulären Erkrankungen dar. Trotz moderner Therapien verlaufen diese Erkrankungen vor allem im fortgeschrittenen Stadium immer noch häufig letal. Es besteht also Bedarf neue, innovative Therapieansätze zu verfolgen und zu optimieren. Die Gentherapie ermöglicht die Umsetzung attraktiver Strategien zur Behandlung von Tumorerkrankungen. Solche Strategien basieren entweder auf einem Gentransfer in Tumorzellen mit dem Ziel diese so zu modifizieren, dass sich daraus ein anti-Tumor Effekt ergibt (Überexpression immunmodulatorischer Faktoren, Suizidgene), oder auf der systemischen Überexpression solubler Faktoren, die zu einer Hemmung des Tumorwachstums führen (z. B. antiangiogene Faktoren). Solche Ansätze konnten in jüngster Zeit erfolgreich in Tiermodellen umgesetzt werden. Ergebnisse aus klinischen Studien sind demgegenüber bislang enttäuschend ausgefallen. Limitationen der verwendeten Vektorsysteme werden dafür verantwortlich gemacht. Daher ist die weitere Optimierung der Vektorsysteme von entscheidender Bedeutung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung des Tumor-Gentransfers in soliden Tumoren basierend auf dem Adeno-assoziierten Virus (AAV). AAV ist ein einzelsträngiges DNS-Virus. Auf dem Weg zur Transgen-Expression stellt die Doppelstrangsynthese einen wesentlichen limitierenden Schritt dar. In dieser Arbeit wurden modifizierte AAV-Vektoren, die primär eine doppelsträngige DNS zur Verfügung stellen, im Hinblick auf die Effizienz des Tumor-Gentransfers unter in vitro- Bedingungen systematisch untersucht. Es wurden dazu AAV-Vektoren hergestellt, die primär eine doppelsträngige DNS zur Verfügung stellen. Es konnte gezeigt werden, dass bei Verwendung von doppelsträngigem AAV (dsAAV), bei dem etwa 10 % der Vektoren einer Präparation doppelsträngige DNS aufweisen, die Transduktionsrate in soliden Tumorzelllinien bis auf das 4-fache erhöht werden kann. Durch die Verwendung eines self-complementary AAV (scAAV) Vektors, bei den in über 90 % Viren generiert werden, die eine doppelsträngige DNS aufweisen, konnte die Transduktionsrate weiter bis auf das bis zu 17-fache gegenüber konventionellen einzelsträngigen AAV gesteigert werden. Der Abbau von AAV über Proteasomen wurde in Epithelien der Atemwege als ein Faktor charakterisiert, der für eine Verminderung der Gentransfer-Effizienz verantwortlich ist. In dieser Arbeit konnte durch Einsatz eines Proteasomen-Inhibitors (MG132) gezeigt werden, dass dieser Mechanismus auch für den Gentransfer in Tumorzellen eine wichtige Rolle spielt. Dies trifft vor allem für die Tumorzelllinien zu, die durch MG132 nicht in die Apoptose getrieben werden. In vitro konnte somit durch kombinierte Verwendung von scAAV sowie MG132 der Tumor-Gentransfer in bestimmten Zelllinien -wie zum Beispiel in der Kolonkarzinom-Zelllinie HT29 um den Faktor 20- verbessert werden. Bei der Anwendung der modifizierten AAV-Vektoren in einem HeLa-SCID-Mausmodell zeigte sich aber eine deutliche Abnahme der Gentransfer-Effizienz unter in vivo-Bedingungen. In vergleichenden Experimente an Tumor-Spheroiden von HeLa-Zellen und einer humanen Neuroblastom-Zelllinie wurde herausgearbeitet, dass die extrazelluläre Matrix (ECM) eine hemmende Rolle beim AAV-vermittelten Gentransfers in HeLa-Spheroide ausübt, während sie beim Gentransfer in Tumoren neuronalen Ursprungs (Neuroblastom) signifikant geringer ausfällt. Um AAV als Vektor für den in vivo Tumor-Gentransfer einsetzen zu können, müssen Strategien gefunden werden, um die Barriere, die durch die extrazelluläre Matrix gegeben ist, zu überwinden. Ein Targeting der Vektoren, das heißt, eine gezielte Veränderung des natürlichen Tropismus der Viren, stellt dazu einen attraktiven Lösungsansatz dar.

Die Funktion der Niere basiert auf einer intakten glomerulären Filtrationseinheit, für deren Aufrechterhaltung den Podozyten eine tragende Rolle zugeschrieben wird. Podozyten formen die Schlitzmembran und sind durch ihre anionische Glykokalix für die größen- und ladungsselektive Filtration des Blutes im Glomerulus zur Bildung eines proteinfreien Ultrafiltrats verantwortlich. Podozyten-Schädigung führt zu einem Verlust der Filtrationsschlitze, zu einem Ablösen der Podozyten von der GBM und zur Ausscheidung von hochmolekularen Proteinen im Urin (Proteinurie). Ziel der vorliegenden Arbeit war die Identifikation von molekularen Regulationsmechanismen. Vorarbeiten zeigten eine Induktion der ILK bei Podozyten- Schädigung in humanen Nierenerkrankungen, zwei Tiermodellen und in Podozyten- Zellkultur. Anhand eines ILK-Inhibitors konnte in vitro gezeigt werden, dass die ILKInduktion zu einer gesteigerten Proliferation und zu einer verminderten Zell-Matrix- Adhäsion führt. Durch den Einfluß der ILK auf GSK-3β wurden Elemente des Wnt- Signaltransduktionsweges rekrutiert. Die nucleäre Translokation von β-Catenin beeinflusste auf transkriptioneller Ebene das Schlitzmembranmolekül P-Cadherin in Podozyten. P-Cadherin wurde auf mRNA- und Protein-Ebene reprimiert (siehe Abbildung 8.1). Die Applikation des ILK-Inhibitors in einem Proteinuriemodell verminderte die strukturellen Schädigungen innerhalb der Glomeruli. Immunfluoreszenzen und Co-Immunpräzipitationen ermöglichten die Identifikation eines neuen, cytoskeletalen Interaktionspartners von ILK, bei dem es sich um das kürzlich beschriebene PDZ-LIM Domänen Protein CLP-36 (siehe Abbildung 8.1) handelt. In Podozyten wird CLP-36 an Serin- und Threonin-Resten phosphoryliert. Eine direkte Phosphorylierung von CLP-36 durch die ILK konnte mit den verwendeten in vitro Experimenten zunächst nicht nachgewiesen werden. CLP-36 assoziiert neben FActin mit den Alpha-Actinin-Isoformen 1 und 4. Die Expression und molekulare Interaktion von CLP-36 und Alpha-Actinin-4 in Podozyten konnte bestätigt werden. Mutierte Formen von Alpha-Actinin-4 führen bei Menschen zu einem Podozyten- Schaden, einhergehend mit starker Proteinurie.Über die Regulation von nativem Alpha-Actinin-4 und seinem Interaktionspartner CLP-36 war bei erworbenen Nierenerkrankungen noch nichts bekannt. Diese sollte im Rahmen dieser Arbeit untersucht werden. Bei humanen Nierenerkrankungen, insbesondere bei FSGS-Patienten, fand sich eine deutliche Reduktion von Alpha- Actinin-4 und CLP-36 Protein bei gleich bleibender mRNA-Expression. Die Analyse der Primärsequenz beider Moleküle ergab, dass diese durch Proteasomen degradiert werden könnten. Die Ubiquitinierung von Alpha-Actinin-4 konnte experimentell bestätigt werden, für CLP-36 fanden sich Hinweise auf eine Poly-Ubiquitinierung. Untersuchungen mit dem Translationsblocker Cycloheximid ergaben eine Halbwertszeit von mehr als 20 Stunden für beide Moleküle. Bei zusätzlicher Inhibition mit einem Proteasom-Inhibitor wurde deren proteasomale Degradation verhindert. Der Verlust beider Proteine bei oxidativem Stress konnte ebenfalls durch Inhibition der Proteasomen unterbunden werden. In dem murinen Proteinuriemodell entsprach die Regulation von CLP-36 und Alpha-Actinin-4 auf Protein- und mRNA-Ebene den Befunden an Patientenmaterial. Die Inhibition der Proteasome blockierte den Verlust von Alpha-Actinin-4 Protein in vivo. Die vorgestellten Daten identifizieren neue molekulare Regulationsmechanismen bei Podozyten-Schädigung und leisten einen Beitrag zum besseren Verständnis der zellulären Prozesse bei Nierenerkrankungen.

Neurodegenerative Polyglutamin (polyQ)-Erkrankungen sind durch neuronalen Zellverlust und die Bildung von intrazellulären Proteinablagerungen (Aggregaten) charakterisiert, deren Rolle nicht exakt geklärt ist. Es wird jedoch davon ausgegangen, daß sie die Pathogenese reflektieren und untrennbar mit dem Erkrankungsprozeß verbunden sind. In dieser Arbeit wurde das polyQ-Protein Ataxin-3 (AT3) untersucht, welches, wenn es einen verlängerten polyQ-Bereich besitzt, die Spinozerebellare Ataxie 3 (SCA3) hervorruft. Mit Hilfe von AT3-Deletionsmutanten wurde gezeigt, daß die Entfernung des N-Terminus von polyQ-verlängertem AT3 zu dessen Aggregation in vitro, in Hefe und in Neuroblastomazellen führt. Entsprechend löst die proteolytische Spaltung von pathologischem Volllängen-AT3 die SDS-resistente Aggregation in vivo aus. Hinweise auf die Calcium-abhängigen Calpaine als AT3-schneidende Proteasen wurden in vitro mit Säugetierzell-Lysaten erhalten. Gereinigtes Calpain II generiert mehrere AT3-Fragmente in vitro, einschließlich C-terminaler Fragmente, die den polyQ-Bereich enthalten. In Zellkultur resultiert die Aktivierung von Calpainen in einer verstärkten AT3-Proteolyse, während eine Inhibition von endogenem Calpain durch Calpeptin oder Calpastatin zu einer verringerten AT3-Spaltung und reduzierter Aggregation in Säugerzellen führt. Zusammenfassend unterstützen diese Daten die "toxic fragment"-Hypothese, die als Voraussetzung für Pathogenese und Aggregation von polyQ-Proteinen deren proteolytische Spaltung postuliert. Toxizität der polyQ-Proteine soll unter anderem aus der Rekrutierung von anderen zellulären Proteinen wie Transkriptionsfaktoren, Chaperonen, Ubiquitin und Proteasomen in die polyQ-Aggregate resultieren. Obwohl Wildtyp-AT3 nicht selbständig aggregiert, koaggregiert es mit polyQ-verlängertem AT3-Fragment, was mit einer verringerten AT3-Konzentation in der Zelle korreliert. Einer Konformationsänderung des Wildtyp-AT3, induziert von pathologischem polyQ, folgt in vitro eine Rekrutierung in frühe Aggregationsintermediate und letztendlich die Integration in stabile Koaggregate. Weitere Experimente zeigten, daß die Expression der molekularen Chaperone (Hitzeschockproteine) Hsp70 und Hsp40 zusammen mit polyQ-verlängertem AT3-Fragment die Aggregation vermindert und den proteasomalen AT3-Abbau in vivo verstärkt. Das Chaperon p97 (VCP) zeigt eine konzentrationsabhängige Modulation der Aggregation in vitro. Schließlich konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, daß eine Veränderung der zellulären Lokalisation durch Fusion von AT3-Konstrukten mit Kernlokalisations- und Kernexportsignalen keinen Einfluß auf die Aggregationsfähigkeit in Neuroblastomazellen hat. Das putative endogene Kernlokalisationssignal von AT3 mit der Sequenz RKRR (282-285) wurde nicht verifiziert.

Die Expression des HIV-1 Env Glykoproteins wird von verschiedenen Faktoren beeinflußt, die sowohl auf die Env mRNA als auch auf das Glykoprotein wirken. Diese Faktoren verursachen eine sehr effiziente Suppression des Glykoproteins, weshalb nur ein geringer Anteil von Env auf der Zelloberfläche exprimiert wird, während der größte Teil im Endoplasmatischen Retikulum (ER) zurückgehalten und nachfolgend degradiert wird. In der vorliegenden Arbeit wurden die auf der Proteinebene wirksamen Faktoren untersucht, die die Expression von Env auf der Zelloberfläche beeinflussen. Wahrscheinlich aufgrund seiner komplexen Faltung und Modifikation wird ein ungewöhnlich großer Teil des Env Glykoproteins nicht von den während der Proteinsynthese bindenden Chaperonen, die Bestandteile des Qualitätskontrollsystems des ER sind, freigesetzt und in das Golgi Kompartment transportiert, sondern bleibt im ER und wird nachfolgend degradiert. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, daß ER-assoziiertes Env ubiquitiniert und nachfolgend von Proteasomen abgebaut wird. Die extrazelluläre Domäne der gp41 Untereinheit wird monoubiquitiniert, und der ubiquitinierte Anteil des Glykoproteins befindet sich im Lumen des ER. Da ubiquitiniertes Env das Molekulargewicht des reifen Proteins aufweist und dessen extrazelluläre Domäne vollständig das Lumen des ER erreicht, wird es entweder kotranslational ohne Importstop oder innerhalb des ER Lumens ubiquitiniert. Die ubiquitinierte Form bleibt mit der ER-Membran assoziiert und ist auch nach Inhibition der proteasomalen Degradation nicht im Zytosol nachweisbar, was für einen gekoppelten Prozeß des retrograden Transports und des proteasomalen Abbaus spricht. Während des Proteinexports ist außerdem eine Assoziation mit dem Sec61p Translokon-Protein nachweisbar, welches beim retrograden Transport mißgefalteter Proteine eine Rolle spielt. Die proteasomale Degradation von Env konnte sowohl in vivo als auch mit Hilfe eines in vitro Systems mit isolierten Mikrosomen und aufgereinigten Proteasomen nachgewiesen werden. Korrekt synthetisiertes und prozessiertes Env Glykoprotein, das die ER Qulitätskontrolle erfolgreich passiert hat, wird über das Golgi Kompartment zur Zelloberfläche transportiert. Dieser Weitertransport und die Oberflächenexpression des Glykoproteins wird entscheidend von der zytoplasmatischen Domäne beeinflusst. In der vorliegenden Arbeit konnten zwei Proteinmotive is1 (aa750 - 763) und is2 (aa764 - 785) identifiziert werden, die sowohl in einem heterologen, chimären Protein, als auch im gp160 Glykoprotein zu einer Inhibition der Oberflächenexpression und zur Golgi Lokalisation führen. Der Mechanismus konntezumindest teilweise auf eine Internalisierung des auf der Zelloberfläche exprimierten Proteins zurück-geführt werden.