Universiẗat, Diss., 2004--Tübingen.

Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) spielt eine zentrale Rolle bei kardialen Remodeling-Prozessen infolge von Kardiomyopathie und schwerer Herzinsuffizienz. Das UPS ist für die Protein-Homöostase zuständig, indem es fehlerhafte und fehlgefaltete Proteine durch eine gezielte Markierung mit Ubiquitin dem proteasomalen Abbau zuführt. Die Ultima-Ratio-Therapie von Kardiomyopathie und Herzinsuffizienz ist bis heute die Herztransplantation. Aufgrund der geringen Verfügbarkeit von Spenderherzen ist die Suche nach Alternativen von außerordentlicher Wichtigkeit. Um mögliche neue Therapiestrategien für Kardiomyopathie und schwere Herzinsuffizienz zu entwickeln, ist es deshalb von zentraler Bedeutung das UPS im humanen Myokard zu charakterisieren, um die Zusammenhänge zwischen dem UPS und der Herzmechanik genauer zu verstehen und auf diese therapeutisch einwirken zu können. Die vorliegende Arbeit untersuchte erstmalig das UPS bei fortgeschrittener ischämischer (ICM) und dilatativer Kardiomyopathie (DCM), den beiden häufigsten Indikationen für eine Herztransplantation. Vor diesem Hintergrund wurde in der vorliegenden Arbeit die Funktionsweise des UPS anhand spezifischer Marker genauer untersucht. Zu den untersuchten UPS-Komponenten zählen die Aktivität des Proteasoms, die Ubiquitinierung und die E1-E2-E3-Enzymkaskasde, über die eine Ubiquitinierung erfolgt. Für die Untersuchungen wurden Myokardproben von n=24 ICM- und n=28 DCM-Patienten verwendet, welche im Rahmen der Implantation eines linksventrikulären Herzunterstützungssystems gewonnen wurden. Als Kontrolle (n=12) diente Septumgewebe aus Morrow-Resektionen von Patienten mit Aortenstenose jedoch ohne diagnostizierte hypertrophe Kardiomyopathie und ohne Subaortenstenose. Mittels Western-Blot-Analysen wurde die Ubiquitinierung von Proteinen, die Aktivität der E3-Ligasen Muscle RING-finger protein-1 (MuRF-1) und Muscle atrophy F-box (MAFbx) sowie der Ubiquitin-Linker K48 (Proteasomaler Abbau) und K63 (Autophagie-assoziiierte Prozesse) untersucht. Weiterhin wurde die Aktivität des Trypsin- und Chymotrypsin-ähnlichen katalytischen Zentrums des Proteasoms quantifiziert. Die Aktivität der Nicotinamidadenindinucleotidphosphat (NADPH)-Oxidase wurde ermittelt, um Rückschlüsse auf die Entstehung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) ziehen zu können. Des Weiteren wurde die Ubiquitinierung sowie das Auftreten möglicher apoptotischer Vorgänge durch den Nachweis des Apoptose-induzierenden Faktors (AIF) analysiert. ICM- und DCM-geschädigtes Myokard wies deutliche Unterschiede bezüglich verschiedener Komponenten des UPS auf. In ICM- und DCM-Gewebe konnte eine Abnahme des zellulären, freien Ubiquitins im Vergleich zur Kontrollgruppe nachgewiesen werden (p=0,05). ICM-geschädigtes Myokard wies darüber hinaus einen geringen Anteil von Zellen mit Ubiquitin-positiven Ablagerungen, sogenannten Deposits, auf (p=0,03). Die Multi-Ubiquitinierung von Proteinen war im Myokardgewebe von DCM-Patienten deutlich verringert (p=0,02), die Proteinubiquitinierung über K48 und K63 jedoch zwischen den Gruppen vergleichbar. Eine Quantifzierung der verschiedenen katalytischen Zentren des Proteasoms zeigte nur einen statistischen Trend für eine verringerte Aktivität des Trypsin-ähnlichen katalytischen zentrums in ICM-geschädigtem Myokard. Die Expression der E3-Ligasen MAFbx und MuRF-1 unterschied sich nicht zwischen den Gruppen. Im Vergleich zur Kontrolle wiesen die Myokardproben der ICM-Patienten eine verringerte NADPH-Oxidase-Aktivität auf (p=0,01), was auf eine verringerte ROS-Produktion hinweist. Jedoch unterschied sich der Anteil AIF-positiver Zellen und damit die Caspase-unabhängige Apoptose nicht zwischen den Gruppen. Die vorliegende Arbeit zeigt erstmalig, dass sich die Aktivität und Expression verschiedener Komponenten des UPS in ICM und DCM unterscheiden. Deshalb liefern die vorliegenden Daten verschiedene Ansatzpunkte für die Entwicklung neuer therapeutischer Interventionen für die Herzinsuffizienz, um den Bedarf an Spenderherzen zukünftig senken zu können:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Kardiomyopathien 1 1.1.1 Dilatative Kardiomyopathie 4 1.1.2 Ischämische Kardiomyopathie 5 1.2 Kardiales Remodeling 6 1.3 Das Ubiquitin-Proteasom-System 8 1.3.1 Das Proteasom 9 1.3.2 Ubiquitin 10 1.3.3 E1-E2-E3-Enzymkomplex 10 1.3.4 Deubiquitinasen (DUBs) 12 1.4 Therapie 13 2 Zielsetzung 14 3 Material 15 4 Methoden 23 4.1 Probengewinnung 23 4.1.1 Probengewinnung bei LVAD-Implantation 23 4.1.2 Probengewinnung im Rahmen von Morrow-Resektionen 24 4.2 Verarbeitung der Proben 25 4.3 Proteinextraktion und Bestimmung der Proteinkonzentration 26 4.4 Auftrennung von Proteinen durch SDS-Polyacrylamidgelelektrophorese 27 4.5 Western-Blot 28 4.6 Immunhistologische Färbungen 30 4.6.1 Ubiquitin-Färbung 30 4.6.2 Färbung des Apoptose-induzierenden Faktors AIF 31 4.6.3 Hämatoxylin/Eosin-Färbung 31 4.7 Proteasomaktivitätsmessung 32 4.8 NADPH-Oxidase-Aktivitätsmessung 33 4.9 Statistik 34 5 Ergebnisse 35 5.1 Translation von Proteinen 35 5.2 Proteasomaktivität 36 5.3 Expression der E3-Ligasen 38 5.4 Ubiquitinierung 39 5.5 Oxidativer Stress und Apoptose 45 6 Diskussion 49 7 Zusammenfassung 60 8 Literaturverzeichnis 61 9 Abkürzungsverzeichnis 67 10 Abbildungsverzeichnis 69 11 Tabellenverzeichnis 70 Eigenständigkeitserklärung 71 Lebenslauf 72 Danksagung 73

AABBSSTTRRAACCTT Phosducin (Pdc) is a highly conserved acidic phosphoprotein, which plays an important role in the regulation of G-protein signalization in intact retina. It binds to Gβγ dimer of heterotrimeric G-protein transducin thereby decreases the pool of available transducin resulting in modulation of signal. Function of phosducin is negatively regulated by its phosphorylation followed by interaction with the 14-3-3 protein. Besides this established way of regulation, we were interested in other putative interaction partners of phosducin, like SUG1 and CRX. SUG1 is a subunit of 26S proteasome with a large scale of biological functions, especially a degradation of many transription factors. Its role in regulation of phosducin is still unclear, but is probably involved in targeting of phosducin to 26S proteasome for its degradation. Subsequently, we prepared four different expression constructs of full-length protein in order to find the best expression and purification strategy. These results suggest that all purified fusion proteins of SUG1 form stable and soluble high molecular weight oligomers. This behaviour was confirmed by dynamic light scattering and analytical ultracentrifugation measurements. In addition, this observation is consistent with previous studies of its bacterial counterpart, PAN...

Das Schädel-Hirn-Trauma (SHT) ist ein großes medizinisches Problem. Das Hirnödem mit konsekutiv erhöhten intrakraniellen Drücken ist eine häufige und schwerwiegende Komplikation des schweren SHT. Es ist der signifikanteste Prädiktor für ein schlechtes Outcome. Obwohl Glukokortikoide (GK) die Ausbildung eines Hirnödems bei neuroinflammatorischen Erkrankungen und manchen Hirntumoren reduzieren können, ist diese Substanzklasse im SHT ineffektiv oder sogar schädlich. Nach controlled cortical impact (CCI) in Mäusen, einem etablierten SHT-Modell in-vivo, zeigte sich ein Zusammenbruch der Blut-Hirn-Schranke (BHS). Des Weiteren wurde der BHS-stabilisierende Effekt der GK nach CCI durch proteasomalen Abbau des Glukokortikoidrezeptors (GR) behindert. Eine Inhibierung des Proteasoms durch den Proteasomeninhibitor Bortezomib zusammen mit einer GK-Therapie mit Dexamethason reduzierte den Abbau des GR und sorgte für eine Restitution der BHS-Integrität. Unglücklicherweise ließen sich diese Ergebnisse in-vitro nicht auf in Sauerstoff-/Glukosemangel-Modell in der humanen Hirnendothelzelllinie hCMEC/D3 übertragen. Daher konnte für die Kombinationstherapie aus dem Proteasomeninhibitor Bortezomib und Dexamethason kein positiver Effekt gezeigt werden. / Traumatic brain injury (TBI) is a major health care burden. Brain edema formation with consecutive intracranial hypertension is a frequent and serious consequence of severe TBI and remains the most significant predictor of poor outcome. Although glucocorticoids (GCs) diminish edema formation in neuroinflammatory diseases and in certain brain tumors, this substance class is ineffective or even harmful in TBI. After controlled cortical impact (CCI) in mice, which is an established in vivo model of TBI, disintegration of the blood-brain barrier (BBB) could be observed. Furthermore, the stabilizing effect of GCs on the BBB was hampered after CCI by proteasomal glucocorticoid receptor (GR) degradation. Combined application of the proteasome inhibitor Bortezomib plus dexamethasone attenuated GR degradation and restored BBB integrity. Unfortunately, these findings could not be translated into an in vitro oxygen/glucose deprivation (OGD) model in the human cerebral microvascular endothelial cell line hCMEC/D3. Thus, no beneficial effect of a combined treatment strategy could be observed.

Die effiziente Präsentation von Tumorepitopen stellt einen kritischen Faktor zur Eliminierung von Tumorzellen durch die CD8+ cytotoxische T-Lymphozyten (CTL) vermittelte Immunantwort dar. Eine wichtige Rolle spielt in diesem Zusammenhang die effiziente Generierung von Tumorepitopen durch das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS). Veränderungen von Komponenten des UPS, die an der Degradation und Prozessierung von Antigenen beteiligt sind, können daher zur Immunevasion von Tumorzellen gegenüber CTL führen. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei unterschiedliche UPS-assoziierte Immunevasionsmechanismen des malignen Melanoms identifiziert, die auf einer ineffizienten Präsentation des immundominanten Tumorepitops Melan-A26-35 basieren. Ein Mechanismus beruht auf den unterschiedlichen katalytischen Eigenschaften von Proteasomsubtypen, deren Expression durch INFgamma induziert wird. Proteasomen, die einerseits die Immunountereinheiten beta1i und/oder beta2i beinhalten, oder anderseits mit dem Proteasomaktivator 28 (PA28) assoziiert sind, führen zu einer drastisch reduzierten Generierung des Tumorepitops Melan-A26-35. In beiden Fällen ist dies auf eine ineffiziente Prozessierung des N-Terminus des Epitops zurückzuführen. Der andere Immunevasionsmechanismus steht im Zusammenhang mit der ER-assoziierten Degradation (ERAD), die den retrograden Transport von Proteinen aus dem Endoplasmatischen Retikulum (ER) ins Cytosol zur proteasomalen Degradation beinhaltet. Durch Immunselektion mittels Melan-A26-35-spezifischen CTL wurden cytolyseresistente Melanomzellen identifiziert, deren Resistenz auf eine defiziente ER-assoziierte Degradation zurückzuführen ist. Dieser Defekt beruht auf einer verminderten Expression von ERAD-Komponenten, deren Reduktion die Verfügbarkeit des Antigens Melan-A zur proteasomalen Degradation und Generierung des immundominanten Epitops Melan-A26-35 wesentlich limitiert. / Efficient presentation of tumor epitopes by MHC class I molecules on the cell surface is a prerequisite for the elimination of tumor cells by cytotoxic CD8+ T lymphocytes. The generation of these epitopes requires the degradation and processing of proteins by the ubiquitin proteasome system (UPS). Therefore alterations of UPS components can lead to tumor escape from immune recognition as a result of decreased epitope generation. In the present thesis two different UPS connected immune escape mechanisms of melanoma cells were identified. Both are based on an impaired generation of the immunodominant epitope Melan-A26-35 derived from Melan-A/MART-1 tumor antigen. One mechanism is mediated by the expression of different INFgamma-inducible proteasome immunosubunits leading to the formation of intermediate proteasome subtypes, which differ in their cleavage site preferences. Purified proteasomes harboring the immunosubunits beta1i and/or beta2i show a dramatic decrease in the generation of the Melan-A26-35 epitope. In addition, the INFgamma induced association of proteasomes with the proteaosome activator 28 (PA28) results in a reduced epitope generation. Both mechanisms are induced by an inefficient processing of the epitope’s N-terminus. The second immune escape mechanism is caused by defects of the ER-associated degradation pathway (ERAD). ERAD mediates the transport of ER-proteins back to the cytosolic compartment for proteasomal degradation. Via immunselection of tumor cells with Melan-A26-35 specific CTL, cytolysis resistant cells were identified. Resistance to CTL mediated lysis was shown to be connected to a decreased expression of ERAD components. This defect of the ERAD pathway limits the availability of the Melan-A protein and as consequence the generation of the immunodominant Melan-A26-35 epitope by proteasomes.

MHC-Klasse-I präsentierte Epitope werden überwiegend durch den proteasomalen Abbau von Poly-Ubiquitin markierten Proteinen und defekten ribosomalen Produkten (DRiPs) generiert. Die post-proteasomale Prozessierung durch zytosolische Exo- und Endopeptidasen führt jedoch hauptsächlich zur Epitop-Zerstörung und nur ein sehr geringer Anteil der Peptide entkommt der Degradation. Bisher ist noch unklar, wie die enzymatischen Aktivitäten des heterogenen Peptidase-Pools im Zytosol die finale Epitop-Prozessierung beeinflussen. In der vorliegenden Arbeit wurden heteromere Interaktionen von zytosolischen Peptidasen analysiert und ihre Wirkung auf die Prozessierung und Präsentation von proteasomal generier-ten Vorläuferpeptiden in Bezug auf die HCMVpp65495-503 Epitop-Generierung untersucht. Glycerolgradientenzentrifugationen und Immunpräzipitationsexperimente zeigten, dass die zytosolischen Peptidasen Nardilysin (NRDc) und Aminopeptidase-B (AP-B) in den gleichen Fraktionen sedimentieren und zu heteromeren Komplexen interagieren. Die siRNA- abhängige Reduktion der Proteinexpression beider Peptidasen hatte einen positiven Effekt auf die HCMVpp65 spezifische CTL-Antwort. Demnach vermindert der Peptidase-Komplex die HCMVpp65-spezifische Epitop-Präsentation auf der Zelloberfläche. Im Gegensatz dazu bewirkte ein in vitro rekonstituierter trimerer Peptidase-Komplex jedoch die verstärkte HCMVpp65 Epitop-Generierung aus einem proteasomal generierten Vorläuferpeptid. Auf der anderen Seite führte gereinigte AP-B zu der anhaltenden Zerstörung des Epitops. Die Ergeb-nisse deuten somit darauf hin, dass sowohl einzelne als auch verschiedene Interaktionen von zytosolischen Peptidasen die Prozessierung und Präsentation des HCMVpp65-Epitops unterschiedlich modulieren und somit die HCMVpp65-spezifische antivirale Immunantwort beeinflussen. / MHC class I presented antigens are generated by the degradation of poly- ubiquitinated pro-teins and defective ribosomal products (DRiPs) by a major protease, the 26S proteasome. However, the post- proteasomal processing by cytosolic exo-and endopeptidases mainly leads to epitope destruction and only a very small proportion of the peptides escape degradation. So far, it is still unclear how the enzymatic activity of the heterogeneous pool of peptidases in the cytosol affects final epitope processing and therewith immune response. In the present work heteromeric interactions of cytosolic peptidases and their effect on pro-cessing and presentation of proteasomal generated peptides were analysed with regard to HCMVpp65495-503 epitope generation. Glycerol gradient centrifugation and immunoprecipitation experiments indicate that the cyto-solic peptidases Nardilysine (NRDc) and Aminopeptidase B (AP-B) sediment in the same fractions and interact to heteromeric complexes. The siRNA dependent reduction of protein expression of these two peptidases had a positive effect on the HCMVpp65 specific CTL re-sponse. Thus the peptidase complex reduces HCMVpp65 epitope presentation on the cell sur-face possibly due to epitope destruction. In contrast to the findings of the CTL assays, an in vitro reconstituted trimeric peptidase complex resulted in the increased generation of HCMVpp65 epitopes from a proteasomal generated peptide precursor. On the other hand pu-rified AP-B led to the ongoing destruction of the epitope. The findings obtained show that single cytosolic peptidases and various interactions of cytosolic peptidases regulate the pro-cessing and presentation of the HCMVpp65 epitope differently, thereby influencing the HCMV-specific antiviral immune response.

Das Ubiquitin Proteasom System generiert die Mehrheit der antigenen Peptide, die zusammen mit MHC Klasse I Molekülen präsentiert werden, wobei durch Kooperation mit alternativen proteolytischen Systemen die Vielfalt der möglichen MHC I Liganden erhöht wird. In diesem Zusammenhang, insbesondere im Rahmen einer Immunantwort, ist die Rolle von Aminopeptidasen bislang nur ungenügend charakterisiert. In der vorliegenden Arbeit wurde der modulatorische Einfluss von zytosolischen und im ER lokalisierten Aminopeptidasen auf die Generierung des HCMV pp65495-503 Epitops durch Prozessierung von proteasomal generierten Peptidprodukten untersucht. Dafür wurde in pp65 exprimierenden Zellen die Expression einzelner Aminopeptidasen mittels siRNA inhibiert und der Effekt auf die Epitoppräsentation über die Aktivierung pp65495-503 spezifischer CTL bestimmt. Es zeigte sich, dass TPPII, LAP, AP-B und POP limitierend auf die Epitoppräsentation wirken. Damit wurden die Peptidasen AP-B und POP erstmalig in direkten Zusammenhang mit der MHC Klasse I Antigenprozessierung gebracht. Analysen weiterer zytosolischer Peptidasen wie TOP, BH und PSA zeigten keinen signifikanten Effekt auf die Epitoppräsentation, so dass diese Peptidasen an der zellulären Prozessierung des pp65 Antigens nicht beteiligt sind. Die Trimmaktivität von ERAPI und ERAPII im ER hingegen hatte einen bedeutenden Anteil an der pp65495-503 Epitopgenerierung. In Immunpräzipitationsexperimenten konnte zudem die Interaktion der ER Aminopeptidasen mit dem peptide-loading complex zum ersten Mal nachgewiesen werden. Die vorliegenden Daten geben Hinweise darauf, dass die Interaktion von ERAPI und ERAPII mit dem Komplex unabhängig von dessen vollständiger Assemblierung mit dem TAP Transporter stattfinden kann und vermutlich über Tapasin vermittelt wird. Da diese Assoziation durch IFNgamma induziert wird, könnte sie zu einer effizienteren Antigenprozessierung und -Präsentation, vor allem unter Infektionsbedingungen, beitragen. / The ubiquitin proteasome system is responsible for the generation of the majority of MHC class I presented antigenic peptides. By cooperation with alternative proteolytic systems the diversity of MHC class I ligands is increased. In this context, especially during immune response, the role of aminopeptidases is barely characterised. In this project the effect of cytosolic and ER-resident aminopeptidases on processing of proteasomal generated peptides was investigated with regard to HCMV pp65495-503 epitope generation. Therefore, expression level of single aminopeptidases was down regulated by siRNA in pp65 expressing cells and the effect of down regulation on epitope presentation was analysed by activation of pp65495-503 specific CTLs. It could be demonstrated that TPPII, LAP, AP-B and POP have negative effects on pp65 epitope presentation. With AP-B and POP two additional cytosolic aminopeptidases with a functional role in epitope processing were identified. Other aminopeptidases, that have been characterised as part of the antigen processing machinery, namely TOP, BH and PSA, did not affect pp65 epitope generation. In contrast, trimming by ERAPI and ERAPII in the ER resulted in an efficient epitope presentation. For the first time, experimental evidence was provided that the two ER-resident peptidases interact with the MHC class I peptide-loading complex (PLC). The obtained results indicate that this association takes place independently of the assembly of the entire complex including TAP and is probably mediated by tapasin. The observation that this complex formation is inducible by IFNgamma suggests that the association of ERAPI and ERAPII to the PLC accounts for a better antigen processing and presentation mainly at the site of infection.

Das 20S Proteasom bildet den Protein degradierenden Teil des Ubiquitin-Proteasom-Systems (UPS) und ist damit an wichtigen zellulären Prozessen wie Genexpressionskontrolle, Zellzykluskontrolle, Apoptose, Peptidgenerierung zur MHC Klasse I Präsentation und Degradation fehlgefalteter Proteine beteiligt. Die einzelnen Schritte der Biogenese des 20S Proteasoms in Eukaryoten sind bisher nur in Ansätzen verstanden. In dieser Arbeit wird die Untereinheitenzusammensetzung von Biogeneseintermediaten und ihre subzelluläre Lokalisation und Organisation in humanen Zelllinien untersucht. Durch die Etablierung eines in vitro Systems konnten distinkte Assemblierungsintermediate humaner Proteasomen generiert werden und ein (-Ring als früheres Intermediat im in vitro System nachgewiesen werden. Aufschluss über den weiteren Vorgang der Assemblierung wurden durch in vivo Experimente mit radioaktiv markierten HeLa Zellextrakten gewonnen. So konnten vor allem neu synthetisierte und zuletzt eingebaute Untereinheiten identifiziert werden. Hierzu gehören die Untereinheiten ?1 und (7, die aufgrund ihrer in trans agierenden C-terminalen Verlängerungen einen Dimerisierungsprozess zweier Halbproteasom-Vorläuferkomplexe forcieren. Darüber hinaus kann die Untereinheit (1 aufgrund der gewonnen Erkenntnisse als die wahrscheinlich den (-Ring schließende Untereinheit im Vorläuferkomplex postuliert werden. Proteasomale Assemblierungsintermediate konnten außerdem durch immuncytochemische und biochemische Methoden am ER von humanen Zelllinien lokalisiert werden. Dabei scheint dem Assemblierungsfaktor POMP eine Schlüsselrolle zuzukommen, da dieser eine Assoziation der Vorläuferkomplexe mit dem ER erst ermöglicht. In dieser Arbeit sind weitere Schritte des komplexen Biogenese-Vorgangs konstitutiver 20S Proteasomen in humanen Zelllinien aufgeklärt worden und es konnte erstmals die subzelluläre Lokalisation für Assemblierungsintermediate in humanen Zellen beschrieben werden. / The 20S Proteasom represents the protein degrading part of the Ubiquitin- Proteasom- System and is therefore a participant in important cellular processes like gene expression, cell cycle control, apoptosis, peptide generation for MHC class I presentation and degradation of misfolded proteins. Only the beginnings of the individual steps of the 20S proteasome biogenesis in eucaryotes are so far understood. Tis work examines the subunit composition of assembly intermediates and their subcellular localisation and organisation in eucaryotic cells. Distinct assembly intermediates of human proteasomes have been generated by establishing an in vitro system. As an earlier intermediate in the in vitro system an (-ring could be identified. In vivo experiments using radioactive marked total lysates of HeLa cells shed light on the following sequence of assembly. Thus new synthesised and finally incorporated subunits could be indentified. Two of this subunits are (1 and (7 which could force the dimerisation process of two half-proteasome-precursor by their trans acting c-terminal extensions. Furthermore the (1 subunit has been identified as the (-ring completing subunit in the precursor complex. In addition it was possible to detect proteasomal assembly intermediates through immuncytochemical and biochemical methods on the ER of human cell lines. Thereby the assembly factor POMP plays a key role as it allows in the first place the precursor association with the ER. This work clarifies further steps of complex procedure of biogenesis of constitutive 20S proteasomes in human cell lines and allows the characterisation of the subcellular localisation of assembly intermediates in human cells for the first time.

Proteasomen sind Protease-Komplexe, die im Nucleo- und Cytoplasma eukaryontischer Zellen vorkommen. 26S-Proteasomen bestehen aus einem proteolytisch aktiven 20S-Kernkomplex und zwei regulatorischen 19S-Komplexen. Die Regulatorkomplexe erkennen Proteinsubstrate und kontrollieren den Zugang der Substrate in den katalytisch aktiven 20S-Komplex. Die Assemblierung des 20S-Komplexes erfolgt über Halbproteasomen, in denen Ringe aus a-Untereinheiten mit pro-b-Untereinheiten assoziiert sind . Modellvorstellungen zufolge erfolgt die Dimerisierung zweier Halbproteasomen in ein kurzlebiges Intermediat, das naszierende 20S-Proteasom, bevor die aktiven b-Untereinheiten autokatalytisch prozessiert werden. Der konservierte Maturierungsfaktor Ump1 ist mit proteasomalen Vorläuferkomplexen assoziiert und wird nach der Dimerisierung der Halbproteasomen und der Prozessierung der katalytischen Untereinheiten im Inneren des naszierenden 20S-Proteasoms degradiert. Auch Ump1-assoziierte proteasomale Vorläuferkomplexe sind vorwiegend nukleär. Grundlage dieser Arbeit war die Identifizierung des Proteins Blm3 als Proteasomen-assoziiertes Protein in Kernextrakten aus S. cerevisiae. Fluoreszenzmikroskopisch konnte die nukleäre Lokalisation von Blm3 in vivo gezeigt werden. Durch Glycerin-Dichtegradientenzentrifugation und die Charakterisierung von durch native Gel­elektrophorese aufgetrennten Komplexen konnte gezeigt werden, dass Blm3 an Ump1-assoziierte proteasomale Vorläuferkomplexe gebunden vorliegt. Durch native Gelelektrophorese und GFP-Markierungstechniken wurden Ump1-assoziierte Vorläuferkomplexe in Halbproteasomen und naszierende Proteasomen fraktioniert. Es konnte gezeigt werden, dass Blm3 nicht mit Halbproteasomen, sondern mit naszierenden 20S-Proteasomen interagiert. Im Dblm3-Deletionsstamm wurde durch Pulse Chase-Analysen eine beschleunigte Kinetik der Prozessierung des naszierenden Proteasoms und eine beschleunigte Degradation des Maturierungsfaktors Ump1 beobachtet. Das Protein Blm3 verzögert die Reifung des naszierenden Proteasoms in das maturierte 20S-Proteasom. Blm3 übt vermutlich einen koordinierenden oder regulatorischen Effekt auf die Maturierung und letztlich auf die Aktivierung des 20S-Proteasoms aus. / Proteasomes are multisubunit protease complexes that occur in the nucleo- and cytoplasm of eucaryotic cells. They participate in a variety of biological processes. 26S proteasomes consist of a proteolytically active 20S core complex and two regulatory 19S complexes. The regulatory complexes recognize substrate proteins and control the substrate access into the catalytically active 20S complex. The hollow cylindrical 20S complex consists of four heptameric staggered rings. The two inner rings contain seven different b-subunits each, three of which are catalytically active. The two outer rings possess seven different catalytically inactive a-subunits each. The assembly of the 20S complex occurs via half proteasomes in which rings of a-subunits are associated with pre-b-subunits. According to models, the dimerization of two half proteasomes into a short-lived intermediate, the nascent 20S proteasome, takes place before the active b-subunits are processed autocatalytically. The conserved maturation factor Ump1 is associated to half proteasomes and is, after their dimerization and the processing of the catalytical subunits, degraded inside the nascent 20S proteasome. In yeast, proteasomes are essentially localized at the nuclear periphery. Ump1-associated half proteasomes are also predominantly nuclear. The protein Blm3 was found associated with the Ump1-associated half proteasome in nuclear extracts of S. cerevisiae. By fluorescence microscopy, the nuclear localization of Blm3 could be shown in vivo. Ump1-associated precursor complexes were fractionated into half proteasomes and nascent proteasomes by native gel electrophoresis and GFP labelling techniques. It could be shown that Blm3 interacts with nascent proteasomes but not with half proteasomes. In a Dblm3 deletion strain, an accelerated kinetics of processing of proteasomal precursor complexes as well as an accelerated degradation of the maturation factor Ump1 could be observed by pulse chase analysis. Accordingly, the protein Blm3 delays the maturation of the nascent proteasome into the mature 20S proteasome. As a coordinating protein, Blm3 presumably exerts a regulating effect onto the maturation and, finally, onto the activation of the 20S proteasome.

Hypertrophie bezeichnet eine zelluläre Anpassungsleistung, die durch vermehrte Arbeitsbelastung ausgelöst wird und durch Zunahme von Zellgröße und Proteinsynthese sowie durch Veränderungen der Genexpression bei konstanter Zellzahl gekennzeichnet ist. Beim Ubiquitin-Proteasom-System handelt es sich um den wichtigsten intrazellulären Proteinabbaumechanismus eukaryontischer Zellen. Darüber hinaus spielt es eine wichtige Rolle im regulierten Abbau zellulärer Signalmediatoren und Transkriptionsfaktoren. In einem Hypertrophiemodell mit neonatalen Rattenkardiomyozyten wurde die Wirkung von Proteasominhibitoren auf die Ausbildung einer Hypertrophie untersucht. Behandlung mit Proteasominhibitoren (MG132, MG262) führte dabei zu einer dosisabhängigen Reduktion des Effekts der eingesetzten hypertrophieinduzierenden Agonisten (Isoproterenol, Angiotensin II, Phenylephrin). So konnte mit Hilfe morphometrischer Analysen Phalloidin-gefärbter Kardiomyozyten eine Verringerung des Zellwachstums gezeigt werden. Western Blots belegten eine verringerte Expression von Hypertrophiemarkerproteinen (beta-myosin heavy chain, alpha-sarcomeric actin, alpha-smooth muscle actin). Analog zu diesen Befunden konnte in einem Reportergenassay die Abnahme der Expression des brain natriuretic peptide (BNP) gezeigt werden. Eine reduzierte RNA- und Proteinsynthese konnte mit Hilfe der Inkorporation radioaktiver Substrate nachgewiesen werden. Als Nachweis für die effiziente Inhibition des Proteasoms durch MG132 dienten Western Blots akkumulierter, polyubiquitinierter Proteine, die reduzierte proteasomale Degradation fluorogener Substrate sowie die Akkumulation eines grün fluoreszierenden Proteins nach Transfektion mit einem Ubiquitin-GFP-Konstrukt. Als mögliche Mechanismen des antihypertrophen Effekts der Proteasominhibitoren konnten eine verringerte Aktivierbarkeit der MAP Kinasen ERK 1/2 (Western Blots) sowie eine reduzierte Aktivität des Transkriptionsfaktor NFkappaB (Reportergenassay) identifiziert werden. / Myocardial hypertrophy is an important adaptive response of the heart to increased workload. It is characterized by an increase in cell size and protein synthesis, and alterations in gene expression. The ubiquitin-proteasome-system is the major pathway for intracellular protein degradation in eucaryotic cells. It plays a major role in the regulated degradation of central signal mediators and transcription factors. In a model system of neonatal rat cardiomyocytes we investigated the effects of proteasome inhibitors on myocardial hypertrophy. Treatment with specific proteasome inhibitors reduced the hypertrophic effects of all used agonists (e.g. isoproterenol, phenylephrin) dose-dependently: 0.05-1 µM MG132 resulted in a marked reduction of cell size as determined by morphometric analysis of phalloidin-stained myocytes. Moreover, western blot analysis showed a concentration-dependently reduced expression of hypertrophic marker proteins (beta-myosin heavy chain, alpha-sarcomeric actin, alpha-smooth muscle actin). This correlated well with a suppressed expression of brain natriuretic peptide in reportergene assays. Reduced RNA and protein synthesis was determined by incorporation of radioactively labeled substrates. Efficient inhibition of the proteasome by MG132 was confirmed by increased accumulation of multi-ubiquitinated proteins in western blot analysis, by reduced degradation of fluorogenic substrates and by accumulation of a ubiquitin-conjugated variant of the green fluorescent protein. Suppression of cardiomyocyte hypertrophy by proteasome inhibition corresponded to reduced ERK 1/2 activation (determined by phospho-specific antibodies) and decreased NFkappaB activation (determined by luciferase assays).