Proteinqualitätskontrolle in Alterungs Erkrankung

Die Alterung des Menschen, definiert als eine progressive Abnahme der Funktion von Zellen und Geweben, hat Wissenschaftler seit langem fasziniert. Dieser äußerst komplexe, multifaktorielle Prozess ist der größte Risikofaktor für viele der meistverbreiteten Krankheiten wie Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen, sowie neurodegenerative Erkrankungen. Humane frühzeitige Alterungssyndrome sind durch ähnliche Merkmale gekennzeichnet, wie sie während des normalen Alterungsprozesses auftreten. Diese Krankheiten liefern wichtige Einblicke in die molekularen Mechanismen, die dem menschlichen Alterungsprozess zugrunde liegen. Eine dieser Krankheiten ist Hutchinson-Gilford Progeria-Syndrom (HGPS), eine extrem seltene, autosomal-dominante genetische Erkrankung, welche verschiedene Aspekte des normalen Alterungsprozesses widerspiegelt, wie beispielsweise der Verlust der Haare und des subkutanen Fettgewebes, gealterte Haut, Gelenksteife, sowie schwere Osteoporose, Atherosklerose und kardiovaskuläre Erkrankungen. Klassische HGPS wird durch eine de-novo-heterozygote Mutation (1824C> T, p.G608G) im Exon 11 des LMNA Gen ausgelöst, das für A-Typ Lamine kodiert. Diese Mutation aktiviert eine kryptische Spleißstelle, was zur Expression einer mutierten Form von Lamin A, das als Progerin bezeichnet wird, führt. Progerin wirkt dominant-negativ und induziert verschiedene zelluläre Defekte, einschließlich gelappter Kerne mit einer verdickten Lamina, Veränderungen in der Chromatin-Organisation und Genexpression, beeinträchtigte Zellzyklusregulierung und reduzierte replikative Lebensdauer. Die molekularen Mechanismen, die zu den zellulären Defekten in HGPS führen, sind noch unbekannt. In diesem Projekt stelle ich die Hypothese auf, dass Progerin seine schädliche Funktion durch Akkumulation und Aggregation im Zellkern ausübt, die zelluläre Proteinhomöostase beeinträchtigt und so Krankheitssymptome bewirkt. In meiner Arbeit werde ich die Wirkung von Progerin auf zwei Hauptmechanismen der Aufrechterhaltung der Proteinhomoeostase testen: 1. Chaperone, die für die richtige Faltung von naszierenden Proteinen und Verhinderung der Proteinaggregation verantwortlich sind und 2. Das proteasomale System, das beschädigte und fehlerhaft gefaltete Proteine aus der Zelle entfernt. Ich werde untersuchen, ob die Rekrutierung von Chaperonen zu Progerin-Aggregaten zu einer Beeinträchtigung der Faltung von naszierenden Proteinen, und einer verminderten Fähigkeit der Zelle neu gebildeten Aggregate zu dissoziieren, führt. Ich werde auch testen, ob Fehlregulierung des Chaperon-Netzwerks zur erhöhten Progerin- Akkumulation im Kern beiträgt. Schließlich werde ich prüfen, ob erhöhte Progerin-Ansammlung die Aktivität des Ubiquitin-Proteosom-Systems (UPS) hemmt, indem möglicherweise die Kapazität eines oder mehrerer Chaperone beinflusst wird, oder durch direkte Interaktion mit dem Proteasom. Parallel dazu werde ich fragen, ob Progerin durch proteasomalen Abbau eliminiert wird. Diese Untersuchungen sind von höchster Relevanz, da sie neue Einblicke in die Pathologie der Krankheit ermöglichen können. Längerfristig haben sie das Potenzial die Grundlage für die Entwicklung neuer Therapien zur Behandlung von HGPS zu bilden.

Hutchinson-Gilford Progeria-Syndrom (HGPS) ist eine extrem seltene, autosomal-dominante genetische Erkrankung, welche verschiedene Aspekte des normalen Alterungsprozesses widerspiegelt, wie beispielsweise Verlust der Haare und des subkutanen Fettgewebes, gealterte Haut, Gelenksteife, sowie schwere Osteoporose, Atherosklerose und kardiovaskuläre Erkrankungen. Klassische HGPS wird durch die konstitutive Produktion von Progerin, einer mutierten Form des Kernarchitekturproteins Lamin A, verursacht. Progerin induziert verschiedene zelluläre Defekte, einschließlich deformierte Kerne mit einer verdickten Lamina, Veränderungen in der Chromatinorganisation und Genexpression, beeinträchtigte Zellzyklusregulierung und reduzierte replikative Lebensdauer. Die molekularen Mechanismen, die zu den zellulären Defekten in HGPS führen, sind noch unbekannt. Das grundlegende Ziel meiner Arbeit ist es, die Auswirkungen der Progerin-Akkumulation auf die Protein- Qualitätskontrolle zu verstehen und zu untersuchen, wie die Beeinträchtigung dieses Signalwegs zum Fortschreiten des zellulären HGPS-Phänotyps beiträgt. In diesem Projekt stelle ich die Hypothese auf, dass Progerin seine schädliche Funktion teilweise durch seine Akkumulation und Aggregation im Zellkern ausübt und ich schlage einen Mechanismus vor, durch den progerinhaltige Proteinaggregate molekulare Chaperone rekrutieren und binden, was die Proteinhomöostase im Rest der Zelle beeinflusst. Meine Daten zeigen, dass in Progerin- exprimierenden Zellen die cytosolischen Chaperone Hsp110 und Hsc70 am Endoplasmatischen Retikulum (ER) akkumulieren. Diese Relokalisation wird von der Aktivierung einer adaptiven Reaktion auf ER-Stress begleitet, einschließlich eines Anstieges verschiedener ER-Chaperone, Transkriptionsaktivierung von UPR (entfaltete Proteinantwort)-Genen und erhöhter Phosphorylierung von IRE1a und PERK, zwei der Hauptmediatoren des UPR- Signalweges. Darüber hinaus zeigen Immunfluoreszenz Analyse und Superauflösende Mikroskopie die Lokalisierung von mehreren ER-Chaperonen an der Kernperipherie. Zusätzlich finde ich, dass das ER- Chaperon GRP78/BiP mit GFP-Progerin co-immunopräzipitiert, jedoch nicht mit dem Wildtyp-Lamin A, was nahelegt, dass Progerin direkt oder indirekt mit dem residenten ER- Chaperon GRP78/BiP interagiert. Verlängerter ER-Stress in Verbindung mit einer inadäquaten UPR-Antwort wurde mit Apoptose von vaskulären glatten Muskelzellen, Atherosklerose und kardiovaskulären Erkrankungen in Verbindung gebracht, welche alle Phänotypen sind, die häufig bei HGPS-Patienten beobachtet werden. In Übereinstimmung mit der beobachteten Hochregulierung des UPR-Weges in kultivierten Zellen, eine signifikante Erhöhung von mehreren UPR-Genen wurde in Herzen und in der Aorta von Progeria- Mäusen beobachtet. Zusammenfassend helfen unsere Ergebnisse dabei, jene molekularen Vorgänge besser zu verstehen, die zur HGPS-Pathologie führen. Diese Resultate haben auch das Potenzial eine Grundlage für die Entwicklung neuer Behandlungsstrategien für diese noch unheilbare Krankheit zu bilden. Langfristig gesehen wird das Verstehen von Mechanismen, die zu den rapiden Alterungsstörungen führen, nicht nur zu unserem Grundwissen über biologische Prozesse beitragen, sondern auch zu einem besseren Verständnis des normalen Alterungsprozesses.