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Adaptive mitochondrial regulation of the proteasome
Adaptive mitochondrial regulation of the proteasome
Cellular proteostasis describes all processes, which are involved in synthesis, folding and degradation of proteins. The balance between protein translation and degradation is strictly regulated in the cell to ensure its viability. For this purpose, the activity of the protein synthesis and degradation machinery can be adapted according to cellular needs. Disturbance of proteostasis leads for example to accumulation of misfolded or damaged proteins in the cell and is linked to aging and conformational diseases (proteinopathies) such as neurodegenerative, cardiovascular and pulmonary diseases. The ubiquitin-proteasome system plays a central role for the balanced protein turnover in the cell as it is responsible for the degradation of up to 80 % of all cellular proteins. The proteasome is a large protein complex, with catalytically active cleavage sites located within the 20S core proteasome. Ubiquitin-dependent degradation of folded proteins is mainly performed by the 26S proteasome, which is formed by the assembly of 20S core particle and 19S regulatory particles. Assembly and activity of the 26S proteasome are fine-tuned according to cellular needs such as growth and differentiation. Regulation of protein synthesis via the mammalian target of rapamycin (mTOR) has for example direct effects on 26S proteasome function. As 26S proteasome function is strictly dependent on energy in form of ATP, mitochondria – the powerhouses of the cell – are also involved in the regulation of protein degradation by the proteasome. Additionally, reactive oxygen species (ROS), which are mainly produced by dysfunctional mitochondria, negatively influence 26S proteasome assembly and activity. However, mitochondria are not only the main source of cellular ATP and ROS but also provide important metabolites and precursors generated by the tricarboxylic acid cycle (TCA), which are involved in central cellular processes such as proliferation. While a variety of regulatory mechanisms for protein translation and 26S proteasome mediated protein degradation have already been described, a metabolic regulation of cellular proteostasis mediated by mitochondria has not been demonstrated so far. Therefore, the main focus of the present study was to dissect a possible connection between mitochondrial metabolism and cellular proteostasis. For that three different models for mitochondrial respiratory chain dysfunction were used: mouse embryonic fibroblasts (MEFs) derived from the so-called mtDNA mutator mouse model, primary human skin fibroblasts with a mutation in the ND5 subunit of respiratory chain complex I and primary human skin and lung fibroblasts treated with the complex I inhibitor and anti-diabetic drug metformin. The different models are all characterized by respiratory chain complex I deficiency in the absence of increased ROS production. Cells maintained cellular viability and did not show signs of severe stress despite respiratory chain dysfunction. Mitochondrial complex I deficiency in mutator MEFs caused metabolic reprogramming of the TCA cycle resulting in diminished aspartate biosynthesis. Reduced aspartate levels caused downregulated proteostasis as both protein translation and 26S proteasome assembly and activity was decreased in respiration deficient cells but could be rescued by supplementation of aspartate. Furthermore, aspartate supplementation induced mTORC1 mediated protein synthesis and mTORC1-dependent transcriptional activation of defined proteasome assembly factors, which were involved in activation of 26S proteasome assembly and activity in cells with complex I deficiency. Similar data were obtained in ND5 mutant skin fibroblasts and upon metformin treatment. In contrast to diminished proteasome function, chronic respiratory chain impairment in mutator MEFs led to strongly induced immunoproteasome expression and activity. Upregulation of the immunoproteasome was accompanied by increased MHC class I antigen presentation during chronic mitochondrial dysfunction representing a so far unknown stress response which may probably serve to alert the immune system. This finding requires further analysis. These results thus uncover a novel concept of how mitochondrial metabolism adaptively adjusts protein synthesis and degradation by the proteasome to the metabolic condition of the cell. These data extend the knowledge about proteasomal regulation in the cell and have therapeutic implications for diseases and drug-targeted mitochondrial reprogramming., Die zelluläre Proteostase beschreibt alle Prozesse, die an der Synthese, Faltung und dem Abbau von Proteinen beteiligt sind. Das Gleichgewicht zwischen Proteintranslation und -abbau wird in der Zelle streng reguliert, um ihre Lebensfähigkeit zu gewährleisten. Zu diesem Zweck kann die Aktivität der Proteinsynthese- und Abbaumaschinerie entsprechend den zellulären Bedürfnissen angepasst werden. Eine Störung der Proteostase führt z.B. zur Akkumulation fehlgefalteter oder beschädigter Proteine in der Zelle und wird mit Alterung und Proteinfehlfaltungskrankheiten (Proteinopathien) wie neurodegenerativen, kardiovaskulären und Lungenerkrankungen in Verbindung gebracht. Das Ubiquitin-Proteasom-System spielt eine zentrale Rolle für einen ausgeglichenen Proteinumsatz in der Zelle, da es für den Abbau von bis zu 80 % aller zellulären Proteine verantwortlich ist. Das Proteasom ist ein großer Proteinkomplex mit katalytisch aktiven Untereinheiten, die sich innerhalb des 20S-Kern-Proteasoms befinden und die Spaltung von Proteinen in Peptide durchführen. Der Ubiquitin-abhängige Abbau gefalteter Proteine erfolgt hauptsächlich durch das 26S-Proteasom, das durch den Zusammenbau von 20S-Kern-Proteasom und 19S-Regulator gebildet wird. Assemblierung und Aktivität des 26S-Proteasoms sind auf die zellulären Bedürfnisse wie Wachstum und Differenzierung abgestimmt. Die Regulation der Proteinsynthese über den mTOR Signalweg hat zum Beispiel direkte Auswirkungen auf die Funktion des 26S-Proteasoms. Da die Funktion des 26S-Proteasoms strikt von Energie in Form von ATP abhängig ist, sind auch die Mitochondrien - die Kraftwerke der Zelle - an der Regulation des Proteinabbaus durch das Proteasom beteiligt. Zusätzlich beeinflussen reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die hauptsächlich von dysfunktionalen Mitochondrien produziert werden, den Aufbau und die Aktivität des 26S-Proteasoms negativ. Mitochondrien sind jedoch nicht nur die Hauptquelle von zellulärem ATP und ROS, sondern liefern auch wichtige Metaboliten und Vorläufermoleküle, die aus Zwischenprodukten des Citratzyklus gebildet werden und an zentralen zellulären Prozessen wie der Proliferation beteiligt sind. Während eine Vielzahl von regulatorischen Mechanismen für Proteintranslation und 26S-Proteasom-vermittelten Proteinabbau bereits beschrieben wurde, konnte eine metabolische Regulation der zellulären Proteostase, die durch Mitochondrien vermittelt wird, bisher nicht nachgewiesen werden. Der Fokus der vorliegenden Studie lag daher auf der Aufklärung eines möglichen Zusammenhangs zwischen mitochondrialem Metabolismus und zellulärer Proteostase. Dazu wurden drei verschiedene Modelle mitochondrialer Atmungskettendysfunktion verwendet: murine embryonale Fibroblasten (MEF), die aus dem so genannten mtDNA-Mutator-Mausmodell stammen, primäre menschliche Hautfibroblasten mit einer Mutation in der Untereinheit ND5 des Atmungskettenkomplexes I und primäre menschliche Haut- und Lungenfibroblasten, die mit dem Komplex-I-Inhibitor und Antidiabetikum Metformin behandelt wurden. Die verschiedenen Modelle sind alle durch ein Defizit an funktionalem Komplex I der Atmungskette gekennzeichnet, das nicht mit erhöhter ROS-Produktion verbunden ist. Die Zellen erhielten überlebenswichtige Prozesse aufrecht und zeigten keine Anzeichen von schwerem Stress trotz dysfunktionaler Atmungskette. Das mitochondriale Komplex-I Defizit in Mutator MEFs verursachte eine metabolische Umprogrammierung des TCA-Zyklus, was zu einer verminderten Aspartat-Biosynthese führte. Reduzierte Aspartatspiegel verursachten eine herunterregulierte Proteostase, da sowohl die Proteintranslation als auch die 26S-Proteasom-Assemblierung und -Aktivität in Respirations-defizienten Zellen vermindert war. Behandlung der Zellen mit Aspartat konnte die verminderte Proteostase jedoch reaktivieren. Darüber hinaus induzierte eine Supplementierung mit Aspartat mTORC1-vermittelte Proteinsynthese und mTORC1-abhängige transkriptionelle Aktivierung definierter Proteasom-Assemblierungsfaktoren, die in Zellen mit Komplex-I-Defizit an der Aktivierung der 26S-Proteasom-Assemblierung und -Aktivität beteiligt waren. Ähnliche Effekte wurden in ND5-mutierten Hautfibroblasten und bei der Behandlung von Wildtyp Zellen mit Metformin erzielt. Im Gegensatz zu einer verminderten Proteasomfunktion führte die chronische Beeinträchtigung der Atmungskette bei mutierten MEFs zu einer stark induzierten Expression und Aktivität des Immunproteasoms. Die Hochregulierung des Immunproteasoms ging während der chronischen mitochondrialen Dysfunktion mit einer erhöhten MHC I-Antigenpräsentation einher, was eine bisher unbekannte Stressantwort darstellt, die wahrscheinlich dazu dienen könnte, das Immunsystem zu alarmieren. Dieser Befund bedarf weiterer Analyse. Aus diesen Ergebnissen kann also ein neuartiges Konzept abgeleitet werden, wie mitochondrialer Metabolismus Proteinsynthese und Proteinabbau durch das Proteasom adaptiv an den Stoffwechselzustand der Zelle anpasst. Diese Daten erweitern das Wissen über proteasomale Regulation in der Zelle und haben therapeutische Bedeutung für Pathologien und medikamentös gesteuerte mitochondriale Reprogrammierung.
26S proteasome, mitochondria, respiratory complex I, aspartate metabolic reprogramming, proteasome assembly factors
Meul, Thomas
2021
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Meul, Thomas (2021): Adaptive mitochondrial regulation of the proteasome. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Cellular proteostasis describes all processes, which are involved in synthesis, folding and degradation of proteins. The balance between protein translation and degradation is strictly regulated in the cell to ensure its viability. For this purpose, the activity of the protein synthesis and degradation machinery can be adapted according to cellular needs. Disturbance of proteostasis leads for example to accumulation of misfolded or damaged proteins in the cell and is linked to aging and conformational diseases (proteinopathies) such as neurodegenerative, cardiovascular and pulmonary diseases. The ubiquitin-proteasome system plays a central role for the balanced protein turnover in the cell as it is responsible for the degradation of up to 80 % of all cellular proteins. The proteasome is a large protein complex, with catalytically active cleavage sites located within the 20S core proteasome. Ubiquitin-dependent degradation of folded proteins is mainly performed by the 26S proteasome, which is formed by the assembly of 20S core particle and 19S regulatory particles. Assembly and activity of the 26S proteasome are fine-tuned according to cellular needs such as growth and differentiation. Regulation of protein synthesis via the mammalian target of rapamycin (mTOR) has for example direct effects on 26S proteasome function. As 26S proteasome function is strictly dependent on energy in form of ATP, mitochondria – the powerhouses of the cell – are also involved in the regulation of protein degradation by the proteasome. Additionally, reactive oxygen species (ROS), which are mainly produced by dysfunctional mitochondria, negatively influence 26S proteasome assembly and activity. However, mitochondria are not only the main source of cellular ATP and ROS but also provide important metabolites and precursors generated by the tricarboxylic acid cycle (TCA), which are involved in central cellular processes such as proliferation. While a variety of regulatory mechanisms for protein translation and 26S proteasome mediated protein degradation have already been described, a metabolic regulation of cellular proteostasis mediated by mitochondria has not been demonstrated so far. Therefore, the main focus of the present study was to dissect a possible connection between mitochondrial metabolism and cellular proteostasis. For that three different models for mitochondrial respiratory chain dysfunction were used: mouse embryonic fibroblasts (MEFs) derived from the so-called mtDNA mutator mouse model, primary human skin fibroblasts with a mutation in the ND5 subunit of respiratory chain complex I and primary human skin and lung fibroblasts treated with the complex I inhibitor and anti-diabetic drug metformin. The different models are all characterized by respiratory chain complex I deficiency in the absence of increased ROS production. Cells maintained cellular viability and did not show signs of severe stress despite respiratory chain dysfunction. Mitochondrial complex I deficiency in mutator MEFs caused metabolic reprogramming of the TCA cycle resulting in diminished aspartate biosynthesis. Reduced aspartate levels caused downregulated proteostasis as both protein translation and 26S proteasome assembly and activity was decreased in respiration deficient cells but could be rescued by supplementation of aspartate. Furthermore, aspartate supplementation induced mTORC1 mediated protein synthesis and mTORC1-dependent transcriptional activation of defined proteasome assembly factors, which were involved in activation of 26S proteasome assembly and activity in cells with complex I deficiency. Similar data were obtained in ND5 mutant skin fibroblasts and upon metformin treatment. In contrast to diminished proteasome function, chronic respiratory chain impairment in mutator MEFs led to strongly induced immunoproteasome expression and activity. Upregulation of the immunoproteasome was accompanied by increased MHC class I antigen presentation during chronic mitochondrial dysfunction representing a so far unknown stress response which may probably serve to alert the immune system. This finding requires further analysis. These results thus uncover a novel concept of how mitochondrial metabolism adaptively adjusts protein synthesis and degradation by the proteasome to the metabolic condition of the cell. These data extend the knowledge about proteasomal regulation in the cell and have therapeutic implications for diseases and drug-targeted mitochondrial reprogramming.

Abstract

Die zelluläre Proteostase beschreibt alle Prozesse, die an der Synthese, Faltung und dem Abbau von Proteinen beteiligt sind. Das Gleichgewicht zwischen Proteintranslation und -abbau wird in der Zelle streng reguliert, um ihre Lebensfähigkeit zu gewährleisten. Zu diesem Zweck kann die Aktivität der Proteinsynthese- und Abbaumaschinerie entsprechend den zellulären Bedürfnissen angepasst werden. Eine Störung der Proteostase führt z.B. zur Akkumulation fehlgefalteter oder beschädigter Proteine in der Zelle und wird mit Alterung und Proteinfehlfaltungskrankheiten (Proteinopathien) wie neurodegenerativen, kardiovaskulären und Lungenerkrankungen in Verbindung gebracht. Das Ubiquitin-Proteasom-System spielt eine zentrale Rolle für einen ausgeglichenen Proteinumsatz in der Zelle, da es für den Abbau von bis zu 80 % aller zellulären Proteine verantwortlich ist. Das Proteasom ist ein großer Proteinkomplex mit katalytisch aktiven Untereinheiten, die sich innerhalb des 20S-Kern-Proteasoms befinden und die Spaltung von Proteinen in Peptide durchführen. Der Ubiquitin-abhängige Abbau gefalteter Proteine erfolgt hauptsächlich durch das 26S-Proteasom, das durch den Zusammenbau von 20S-Kern-Proteasom und 19S-Regulator gebildet wird. Assemblierung und Aktivität des 26S-Proteasoms sind auf die zellulären Bedürfnisse wie Wachstum und Differenzierung abgestimmt. Die Regulation der Proteinsynthese über den mTOR Signalweg hat zum Beispiel direkte Auswirkungen auf die Funktion des 26S-Proteasoms. Da die Funktion des 26S-Proteasoms strikt von Energie in Form von ATP abhängig ist, sind auch die Mitochondrien - die Kraftwerke der Zelle - an der Regulation des Proteinabbaus durch das Proteasom beteiligt. Zusätzlich beeinflussen reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die hauptsächlich von dysfunktionalen Mitochondrien produziert werden, den Aufbau und die Aktivität des 26S-Proteasoms negativ. Mitochondrien sind jedoch nicht nur die Hauptquelle von zellulärem ATP und ROS, sondern liefern auch wichtige Metaboliten und Vorläufermoleküle, die aus Zwischenprodukten des Citratzyklus gebildet werden und an zentralen zellulären Prozessen wie der Proliferation beteiligt sind. Während eine Vielzahl von regulatorischen Mechanismen für Proteintranslation und 26S-Proteasom-vermittelten Proteinabbau bereits beschrieben wurde, konnte eine metabolische Regulation der zellulären Proteostase, die durch Mitochondrien vermittelt wird, bisher nicht nachgewiesen werden. Der Fokus der vorliegenden Studie lag daher auf der Aufklärung eines möglichen Zusammenhangs zwischen mitochondrialem Metabolismus und zellulärer Proteostase. Dazu wurden drei verschiedene Modelle mitochondrialer Atmungskettendysfunktion verwendet: murine embryonale Fibroblasten (MEF), die aus dem so genannten mtDNA-Mutator-Mausmodell stammen, primäre menschliche Hautfibroblasten mit einer Mutation in der Untereinheit ND5 des Atmungskettenkomplexes I und primäre menschliche Haut- und Lungenfibroblasten, die mit dem Komplex-I-Inhibitor und Antidiabetikum Metformin behandelt wurden. Die verschiedenen Modelle sind alle durch ein Defizit an funktionalem Komplex I der Atmungskette gekennzeichnet, das nicht mit erhöhter ROS-Produktion verbunden ist. Die Zellen erhielten überlebenswichtige Prozesse aufrecht und zeigten keine Anzeichen von schwerem Stress trotz dysfunktionaler Atmungskette. Das mitochondriale Komplex-I Defizit in Mutator MEFs verursachte eine metabolische Umprogrammierung des TCA-Zyklus, was zu einer verminderten Aspartat-Biosynthese führte. Reduzierte Aspartatspiegel verursachten eine herunterregulierte Proteostase, da sowohl die Proteintranslation als auch die 26S-Proteasom-Assemblierung und -Aktivität in Respirations-defizienten Zellen vermindert war. Behandlung der Zellen mit Aspartat konnte die verminderte Proteostase jedoch reaktivieren. Darüber hinaus induzierte eine Supplementierung mit Aspartat mTORC1-vermittelte Proteinsynthese und mTORC1-abhängige transkriptionelle Aktivierung definierter Proteasom-Assemblierungsfaktoren, die in Zellen mit Komplex-I-Defizit an der Aktivierung der 26S-Proteasom-Assemblierung und -Aktivität beteiligt waren. Ähnliche Effekte wurden in ND5-mutierten Hautfibroblasten und bei der Behandlung von Wildtyp Zellen mit Metformin erzielt. Im Gegensatz zu einer verminderten Proteasomfunktion führte die chronische Beeinträchtigung der Atmungskette bei mutierten MEFs zu einer stark induzierten Expression und Aktivität des Immunproteasoms. Die Hochregulierung des Immunproteasoms ging während der chronischen mitochondrialen Dysfunktion mit einer erhöhten MHC I-Antigenpräsentation einher, was eine bisher unbekannte Stressantwort darstellt, die wahrscheinlich dazu dienen könnte, das Immunsystem zu alarmieren. Dieser Befund bedarf weiterer Analyse. Aus diesen Ergebnissen kann also ein neuartiges Konzept abgeleitet werden, wie mitochondrialer Metabolismus Proteinsynthese und Proteinabbau durch das Proteasom adaptiv an den Stoffwechselzustand der Zelle anpasst. Diese Daten erweitern das Wissen über proteasomale Regulation in der Zelle und haben therapeutische Bedeutung für Pathologien und medikamentös gesteuerte mitochondriale Reprogrammierung.