Analyse der kraftregulierten Proteinhomöostase in Muskelzellen der Maus

Abstract

Die Zelle als kleinste Einheit eines Organismus ist auf die dynamische Erhaltung ihrer Proteinausstattung - des Proteoms - angewiesen. Nur so kann sie sich an äußere Reize, wie mechanische Belastung und Umwelteinflüsse, aber auch an Zell- und Gewebe-spezifische Veränderungen anpassen. Die Gesamtheit der Prozesse, die bei der Proteom-Erhaltung eine Rolle spielen, werden unter dem Begriff der Proteostase zusammengefasst. Wichtig ist dabei vor allem das Ausbalancieren von Proteinsynthese und Proteinabbau. Für die Proteostase unter mechanischer Belastung spielt in Muskelzellen das Protein <em>Bcl2 associated anthanogene</em> 3 (BAG3) eine wichtige Rolle. BAG3 vermittelt den Abbau von mechanisch beschädigten Zytoskelettproteinen durch die sogenannte Chaperon-assistierte selektive Autophagie (CASA), bei der abzubauendes Material von Membranen umschlossen und dann zu Abbauorganellen, den Lysosomen, transportiert wird. Gleichzeitig stimuliert BAG3 durch die Regulation bestimmter Signalwege die Neusynthese von Zytoskelettproteinen und erhält so die Zellstruktur unter mechanischem Stress. Ein wichtiger Teil der Funktion von BAG3 beruht auf der Fähigkeit mit molekularen Chaperonen zu interagieren, welche entfaltete Proteine in der Zelle binden. Tatsächlich besteht der CASA-Komplex aus BAG3, dem Chaperon und kleinen Hitzeschockprotein HSPB8, dem Chaperon HSP70 und der HSP70-assoziierten Ubiquitin-Ligase CHIP. Letztere ist in der Lage an Komplex-gebundene, entfaltete Proteine ein Abbausignal in Form einer Kette von Ubiquitin-Molekülen anzuhängen und so eine Entsorgung durch CASA einzuleiten. Durch diesen Mechanismus wird das Aktin-vernetzende Zytoskelettprotein Filamin nach einer mechanischen Schädigung abgebaut. <br /> Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine eingehende zellbiologische und biochemische Analyse der BAG3-Proteostase-Maschinerie in Maus-Skelettmuskelzellen durchgeführt. Die Zellen wurden in Kulturschalen zu Myotuben differenziert und dann durch elektrische Pulsstimulierung (EPS) zur Kontraktion gebracht. Abhängig von den gewählten EPS Parametern konnten kraftinduzierte Anpassungsvorgänge der Proteostase untersucht werden. Durch siRNA-vermittelte Depletion einzelner Proteine wurde deren Bedeutung für die mechanische Stressbewältigung analysiert. <br /> Die durchgeführten Arbeiten erlaubten es neben Filamin weitere, neue Klientenproteine zu identifizieren, die in Muskelzellen mittels CASA abgebaut werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass unter akutem mechanischem Stress der konventionelle CASA-Abbauweg abgestellt wird. BAG3 kooperiert dann nicht mehr mit HSPB8 sondern mit anderen kleinen Hitzeschockproteinen und dem Protein FILIP1, um eine Entsorgung mechanisch beschädigter Proteine zu gewährleisten. <br /> Die Arbeiten belegen eine äußerst komplexe Regulation der BAG3-Proteostase-Maschinerie in Muskelzellen während der Differenzierung und unter mechanischem Stress. Es konnten neue Klientenproteine identifiziert werden, die einem BAG3-vermittelten Abbau unterliegen, und eine unerwartete Variabilität in Bezug auf BAG3-vermittelte Autophagie-Wege wurde aufgedeckt. Die erzielten Befunde tragen zu unserem Verständnis von humanen Erkrankungen bei, die auf einer gestörten BAG3-vermittelten Proteostase beruhen, wie zum Beispiel bestimmten Muskelschwächen bei Kindern und der Herzinsuffizienz.