Regulation der Transkription durch das Ubiquitin/Proteasom-System

Regulation of Transcription by the Ubiquitin/Proteasome-System

Ein Großteil eukaryontischer Proteine wird nach regulierter Modifikation mit Ubiquitin durch das 26S-Proteasom abgebaut. In wenigen bisher bekannten Fällen wird ein ubiquitiniertes Protein durch diese Protease zwar erkannt, jedoch nur teilweise degradiert. Diese regulierte Ubiquitin/Proteasom-abhängige Prozessierung (RUP) wurde bei den Transkriptionsfaktoren NF-kB aus Säugerzellen sowie SPT23 und MGA2 aus der Bäckerhefe S. cerevisiae beobachtet. In dieser Arbeit wurde zunächst der Mechanismus deEin Großteil eukaryontischer Proteine wird nach regulierter Modifikation mit Ubiquitin durch das 26S-Proteasom abgebaut. In wenigen bisher bekannten Fällen wird ein ubiquitiniertes Protein durch diese Protease zwar erkannt, jedoch nur teilweise degradiert. Diese regulierte Ubiquitin/Proteasom-abhängige Prozessierung (RUP) wurde bei den Transkriptionsfaktoren NF-kB aus Säugerzellen sowie SPT23 und MGA2 aus der Bäckerhefe S. cerevisiae beobachtet. In dieser Arbeit wurde zunächst der Mechanismus der proteasomalen Prozes-sierung des Transkriptionsfaktors SPT23 analysiert. SPT23 wird als integrales Mem-branprotein des Endoplasmatischen Retikulums synthetisiert. Dort wird es durch die Ubiquitin-Ligase RSP5 ubiquitiniert und durch das 26S-Proteasom in eine verkürzte 90kDa-Form prozessiert. Die proteasomale Prozessierung von SPT23 setzt die Ausbildung von Homodimeren voraus und resultiert in einem stabilen Komplex aus Prozessierungssubstrat (SPT23 p90) und Dimerisierungspartner (SPT23 p120). In diesem Komplex liegt SPT23 p90 als monoubiquitiniertes Protein vor und wird so durch die konservierte CDC48UFD1/NPL4-Segregase, die in dieser Arbeit für S. cerevisiae beschrieben wurde, erkannt. CDC48UFD1/NPL4 entwindet in einer ATP-abhängigen Reaktion den membranständigen Komplex und ermöglicht den Transport von SPT23 p90 in den Zellkern. Interessanterweise erkennt CDC48UFD1/NPL4 präferentiell ubiquitinierte Proteine und ist daher ein ubiquitin-selektives Enzym. SPT23 p90 kontrolliert die Transkription der D9-Fettsäuredesaturase OLE1. Es konnte gezeigt werden, daß die Inaktivierung des Transkriptionsfaktors im Zellkern mit Hilfe des E4-Enzyms UFD2 erfolgt. Dieser Ubiquitinierungsfaktor fördert die Multiubiquitinierung von SPT23 p90 und führt es dem proteasomalen Abbau zu. Mit SPT23 p90 konnte damit das erste natürliche Substrat des E4-Enzyms UFD2 in S. cerevisiae identifiziert werden. Interessanterweise wird UFD2 mit dem Substrat und der Segregase CDC48 in einen ternären Komplex rekrutiert. In diesem Komplex kann CDC48 die Aktivität des Multiubiquitinierungsfaktors UFD2 regulieren. Die beobachteten Reaktionen sind von physiologischer Relevanz. Ist die durch UFD2 vermittelte Inaktivierung von SPT23 p90 gestört, können Zellen die OLE1-Transkription in Gegenwart ungesättigter Fettsäuren nicht reprimieren. Diese Produkte der von OLE1 katalysierten Reaktion sind dadurch für UFD2-Deletions-mutanten toxisch. Die vorgestellten Daten veranschaulichen, wie ein Transkriptionsfaktor mit Hilfe des Ubiquitin/Proteasom-Systems reguliert werden kann. Das bereits synthetisierte Protein kann durch Prozessierung und Mobilisierung schnell aktiviert werden, wobei gleichzeitig die Lebensdauer der aktiven Form begrenzt wird. Dies gibt der Hefezelle die Möglichkeit, sich effizient variablen Umweltbedingungen anzupassen.show moreshow less
The majority of eukaryotic proteins is degraded by the 26S proteasome after modification with ubiquitin. In a few cases, however, recognition by this protease does not result in complete degradation. Instead, proteins such as the mammalian transcription factor NF-kB or the related transcription factors SPT23 and MGA2 of S. cerevisiae, are only partially degraded or processed. Initially, the focus of the work was on the mechanism of proteasomal processing of transcription factor SPT23. SPT23 is sThe majority of eukaryotic proteins is degraded by the 26S proteasome after modification with ubiquitin. In a few cases, however, recognition by this protease does not result in complete degradation. Instead, proteins such as the mammalian transcription factor NF-kB or the related transcription factors SPT23 and MGA2 of S. cerevisiae, are only partially degraded or processed. Initially, the focus of the work was on the mechanism of proteasomal processing of transcription factor SPT23. SPT23 is synthesized as an inactive precursor that is anchored to the membrane of the endoplasmic reticulum (SPT23 p120). After ubiquitination mediated by the ubiquitin ligase RSP5 the precursor is processed into a shortened 90 kDa form by the 26S proteasome. Processing depends on formation of SPT23 homodimers and results in a membrane-associated dimer of an unprocessed precursor and a processed molecule (SPT23 p90). Importantly, SPT23 p90 has retained its ubiquitin modification after the processing reaction. We have identified a chaperone-like enzyme (segregase), CDC48UFD1/NPL4, that is able to unravel membrane-bound SPT23 dimers in an ATP-dependent fashion thereby mobilizing SPT23 p90 for nuclear translocation. Intriguingly, CDC48UFD1/NPL4 preferentially recognizes ubiquitinated proteins, and, hence, it is a ubiquitin-selective enzyme. SPT23 p90 controls transcription of OLE1 encoding D9-fatty acid desaturase. We were able to demonstrate that SPT23 p90 is inactivated in the nucleus by proteolysis involving the E4 enzyme UFD2. This factor mediates multiubiquitination of SPT23 p90, thereby triggering its proteasomal degradation. Thus, SPT23 p90 is the first identified physiological substrate of E4 in S. cerevisiae. Interestingly, UFD2 is recruited by CDC48 into a ternary complex containing the substrate. In this complex, CDC48 apparently controls the multiubiquitination activity of UFD2. In summary, the work has revealed a novel mechanism of transcriptional regulation by the ubiquitin/proteasome-system. A key component of this pathway is CDC48UFD1/NPL4, a chaperone-like enzyme that is able to orchestrate ubiquitin-dependent activation and degradation of the transcription factor.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Biologie
Author: Michael Rape
Advisor:Prof. Dr. Christian Lehner
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:19.12.2002
Year of Completion:2002
SWD-Keyword:Proteasom; Proteolyse; Prozessierung; Transkription <Genetik>; Ubiquitin
Tag:processing; proteasome; proteolysis; transcription; ubiquitin
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-199
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):20.01.2003