Die Spinozerebelläre Ataxie Typ 3 (SCA3) oder Machado-Joseph-Krankheit (MJD) gehört zur Gruppe der neurodegenerativen Polyglutaminerkrankungen (PolyQ-Erkrankungen) und ist die häufigste autosomal-dominante zerebelläre Ataxie weltweit. Ein in der Länge hochvariabler Polyglutaminabschnitt ist vermutlich die Ursache für die Toxizität der ansonsten nicht verwandten Proteine, welche die PolyQ-Erkrankungen verursachen. Abgesehen von dem verlängerten Polyglutaminbereich scheinen die physiologische Funktion und der zelluläre Kontext dieser Proteine und ihrer Interaktionspartner entscheidend für die spezifische Pathogenese und den Krankheitsverlauf zu sein. Diese Arbeit soll dazu beitragen, genetische Interaktoren zu identifizieren, welche die PolyQ-Toxizität verstärken oder vermindern, um somit die molekularen Krankheitsmechanismen zu entschlüsseln, die durch die Trinukleotid-Wiederholungen ausgelöst werden.  Dafür wurde ein humanes, von Ataxin-3 abgeleitetes Transgen in den Facettenaugen von Drosophila exprimiert.  Die daraus resultierende Degeneration der Photorezeptoren induziert einen Raue-Augen-Phänotyp (Rough Eye Phenotype, REP) in adulten Fliegen. Um genetische Modifikatoren des REP zu identifizieren, wurde die Expression bestimmter Gene (Fliegengene mit einem humanen Ortholog, insgesamt ca. 7.500) augenspezifisch per RNAi vermindert. Mögliche Veränderungen im beobachteten REP sind dann höchstwahrscheinlich auf den RNAi-vermittelten Knockdown der Genexpression zurückzuführen. Damit wären die stummgeschalteten Kandidatengene zur Modifizierung der PolyQ-induzierten Neurotoxizität fähig.  Die auf diese Weise identifizierten Genprodukte sind in verschiedene biologische Prozesse involviert und stehen stellvertretend für unterschiedlichste molekulare Funktionen. Für eine Auswahl von Kandidatengenen wurden zusätzliche Untersuchungen angestellt, um die Art und das Ausmaß der Interaktionen zu bestimmen. Dabei wurden neue Modifikatorengene analysiert, welche z. B. in die Methylierung von tRNA oder den Sphingolipid-Metabolismus involviert sind. Diese Ergebnisse können neue Erkenntnisse bei der Aufklärung der Pathogenese der MJD und anderer PolyQ-Erkrankungen hervorbringen und gleichzeitig zum Verständnis der Rolle von Ataxin-3 und seinen Modulatorproteinen beitragen.

Heat shock proteins function as molecular chaperones which help protein folding and prevent protein aggregation. My study shows that celastrol, a pharmacological compound capable of up-regulating the levels of heat shock proteins, inhibits cell death and protein aggregation caused by expanded polyglutamine containing protein, and the protective effects of celastrol are dependent on heat shock factor 1. These results suggest the potential of celastrol as a therapeutic agent in the treatment of polyglutamine diseases. Sumoylation is a protein modification which plays diverse roles in regulating the target proteins. My study shows that lamin A is a target of protein sumoylation, and two lamin A mutants associated with familial dilated cardiomyopathy, E203G and E203K, exhibit decreased sumoylation. My results also indicate that sumoylation is important for the normal localization of lamin A, and support a role for altered sumoylation in the underlying molecular mechanism of cardiomyopathies associated with the E203G/E203K lamin A mutations. In the third project, my results show that amyloid precursor protein is another target of SUMO modification, and sumoylation of amyloid precursor protein reduces the levels of amyloid β aggregates, which are the primary causative factor for Alzheimer’s disease. My results provide a new mechanism for the generation of amyloid β, and indicate the potential of up-regulating activity of the cellular sumoylation machinery as an approach against Alzheimer’s disease. My results also provide the first demonstration that SUMO E2 enzyme exists in the lumen of the endoplasmic reticulum, extending the sub-cellular reach of sumoylation to include the regulation of proteins in secretory pathways.

Moduler l’agrégation de protéines amyloïdes est thérapeutiquement pertinent (p. ex. la polyneuropathie amyloïde familiale traitée avec le Tafamidis). Cependant, pour de nombreuses amyloïdoses, il n’existe pas encore de modulateur d'agrégation efficace pour thérapie. Il a été récemment montré que combiner des composés qui modulent l’agrégation d’amyloïdes peut résulter en des effets synergiques. Une stratégie de criblage combinatoire, pour identifier des cocktails synergiques de composés, pourrait donc conduire à une percée thérapeutique pour de nombreuses amyloïdoses. Cependant, les technologies à haut débit existantes ne sont pas adaptées pour le criblage combinatoire.J’ai développé SynAggreg – une technologie in vitro à haut débit très sensible, précise, reproductible, peu coûteuse et flexible - qui permet d'identifier à la fois des inhibiteurs et des accélérateurs d'agrégation, de caractériser leur mécanisme d'action sur la cinétique d'agrégation et de les classer par leur efficacité. SynAggreg est également la première technologie adaptée au criblage combinatoire et pour l’étude d’effets synergiques de manière fiable. Enfin, cette nouvelle technologie peut être facilement adaptée à plusieurs amyloïdoses en remplaçant la partie amyloïde de la protéine de fusion par des techniques de biologie moléculaire. Ainsi, SynAggreg apparaît comme une boîte à outils pour la recherche fondamentale et appliquée et possède un fort potentiel de valorisation. / Modulating amyloid proteins aggregation is therapeutically relevant (e.g. the familial amyloid polyneuropathy treated with Tafamidis). However, for many amyloidoses, there is yet no efficient aggregation modulator for therapy. It was recently shown that combining compounds that modulate the aggregation of amyloids can result in synergistic effects. A combinatorial screening strategy to identify synergistic cocktails of compounds could thus lead to a therapeutic break through for many amyloidoses. However, existing high-throughput technologies are not adapted for combinatorial screening.I developed SynAggreg - a very sensitive, accurate, reproducible, cost effective, flexible and high-throughput in vitro technology - which allows identifying both aggregation inhibitors and accelerators, characterizing their mechanism of action on aggregation kinetics and ranking them by their efficiency. SynAggreg is also the first technology suitable for combinatorial screening and for studying reliably synergistic effects of combinations of compounds. Finally, this new technology can be easily adapted to several amyloidoses by replacing the amyloid part of the fusion protein with molecular biology techniques. Thus, SynAggreg appears as a toolbox for fundamental and applied research, and has a high potential for valorization.