Turnover von integralen Membranproteinen der inneren Kernmembran

Turnover von Membranproteinen der inneren Kernmembran Die Kernhülle bildet in eukaryontischen Zellen die Grenze zwischen dem Karyoplasma und dem Zytoplasma. Sie besteht aus zwei Membranschichten - der äußeren und der inneren Kernmembran. Diese sind an den Stellen, wo Kernporen in die Hülle eingelagert sind, über die Porenmembran miteinander verbunden und die äußere Kernmembran geht in das Endoplasmatische Retikulum (ER) über. Die Kernporen vermitteln den Austausch von löslichen Komponenten zwischen Karyoplasma und Zytoplasma und bilden eine Diffusionsbarriere für integrale Membranproteine. Dadurch unterscheidet sich die Proteinzusammensetzung der inneren Kernmembran deutlich von jener der äußeren Kernmembran und des ER. Bisher wurden über 60 integrale Membranproteine der inneren Kernmembran identifiziert. Nach ihrer Synthese und Einbau in die ER Membran diffundieren diese Proteine entlang der Membran bis an die zytoplasmatische Seite der Kernporen. Von dort gelangen sie entweder durch Diffusion oder durch aktiven Transport durch einen periphären Kanal entlang der Porenmembran zur inneren Membran, wo sie durch Interaktion mit Kernproteinen und Chromatin verankert werden. Der Proteinumsatz (Turnover) in der inneren Kernmembran ist hingegen noch völlig ungeklärt. Die meisten Proteine werden nach einer gewissen Zeit wieder abgebaut, einerseits um ihre Funktion zu regulieren und andererseits um durch Proteinschädigungen hervorgerufene Proteinaggregation, welche zu Erkrankungen führen kann, zu verhindern. Der Abbau von inkorrekt gefalteten integralen Membranproteinen im ER kann nach Modifizierung der Proteine durch Ubiquitinierung und deren Retrotranslokation aus der Membran über Proteasomen erfolgen. Membranproteine der Plasmamembran können auch über Lysosomen im Zytoplasma abgebaut werden. Unser Projekt behandelt die offene Frage, wie Membranproteine der inneren Kernmembran abgebaut werden. Gibt es einen Abbau im Zellkern oder müssen die Proteine zurück ins ER transportiert werden um abgebaut zu werden? Welcher Proteinabbaumechanismus ist dafür verantwortlich? Um diese Fragen zu beantworten, untersuchen wir den Turnover von mehreren inneren Kernmembranproteinen in Hefemutanten, die entweder Defekte in spezischen Abbauwegen aufweisen, oder in denen Komponenten der Abbauwege exklusiv im Zytoplasma oder im Kernplasma (de-)lokalisert sind. Weiters untersuchen wir orthologe Kernmembranproteine in Mausfibroblasten und in einem in vitro Muskeldifferenzierungs-sytem. Damit untersuchen wir, ob der Abbau in Säugetierzellen ähnlich wie in Hefe verläuft und ob der Proteinabbau sich während der Zellteilung oder der Zelldifferenzierung verändert. Die generierten Daten werden wichtige Aufschlüsse über die Abbaumechanismen von integralen Membranproteinen der inneren Kernmembran liefern. Weiters werden die Ergebnisse auch für menschliche Erkrankungen, die durch Kernproteinaggregation auf Grund von Defekten in diesen Abbaumechanismen veursacht werden, von Relevanz sein.

Proteine sind wichtige Biomoleküle, die am Aufbau von zellulären Strukturen und an vielen biochemischen Prozessen in unseren Zellen beteiligt sind. Proteine werden in der Zelle kontinuierlich gebildet und müssen, um ihre Funktion ausüben zu können, korrekt gefaltet werden. Proteine haben eine begrenzte Lebensdauer und müssen immer wieder durch neu hergestellte Proteine ersetzt werden, da sie durch inkorrekte Faltung und durch Schäden, die durch zellinterne und externe chemische Prozesse und toxische Komponenten verursacht werden, ihre Funktion verlieren und dann oft in Aggregaten abgelagert werden. Da die Anhäufung solcher Proteinaggregate viele Krankheiten verursachen kann, wie zum Beispiel viele neurodegenerative Erkrankungen oder das vorzeitige Altern Syndrom Progeria, muss die Zelle diese Aggregate effizient entfernen und die geschädigten Proteine abbauen. Dazu gibt es verschiedene, sehr komplexe biochemische Reaktionen, die in verschiedenen Bereichen der Zelle aktiv sind und für den Abbau bestimmter Typen von Proteinen verantwortlich sind. Ein relativ gut charakterisierter Abbauweg befindet sich in einem Membransystem in der Zelle, dem sogenannten Endoplasmatischen Retikulum (ER), und baut missgefaltete Proteine der Membran ab. Dieser Abbauprozess beinhaltet viele, komplex regulierte Komponenten und wird als ER-Associated Degradation (ERAD) Weg bezeichnet. Im Gegensatz zum ERAD Mechanismus, weiss man erstaunlicherweise noch nicht ob und wie Membranprotein im Zellkern abgebaut werden können, obwohl bei vielen Krankheiten die Bildung von Proteinaggregaten im Kern eine wichtige Rolle spielt.In diesem Projekt haben wir daher den Abbau von Kernmembranproteinen untersucht. Wir haben hauptsächlich Hefe als experimentelles System verwendet, da viele biochemische Prozesse zwischen Hefe und Säugetierzellen ähnlich aber in der Hefe weniger komplex sind und daher rascher identifiziert werden können. Unsere Studien haben das erste Mal beschrieben, dass Komponenten des ERAD Weges, den man bisher nur im Zytoplasma der Zelle beschrieben hat, auch im Kern lokalisiert sind und für den Abbau von Kernmembranproteinen verantwortlich sind. Wir haben auch einen zweiten unabhängigen Prozess im Kern gefunden der zusätzliche kernspezifische Komponenten enthält und andere Kernproteine abbaut. Die Resultate dieses Projektes haben zu dem neuen Konzept geführt, dass der Zellkern eine wichtige zellulare Struktur für die Proteinqualitätskontrolle und den Proteinabbau darstellt und hat zur Definition eines neuen, sogenannten Inner Nuclear Membrane Associated Degradation (INMAD) Abbauweges geführt, der teilweise ähnliche Komponenten wie der ERAD Weg verwendet aber deutlich von ERAD unterschieden werden muss, da INMAD spezifisch Proteine im Kern abbaut. Diese Resultate haben wichtige Auswirkungen für die zukünftige Entwicklung von Therapien von Krankheiten, die durch Proteinaggregate im Zellkern verursacht werden.