Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) ist das wichtigste System für den Abbau von nicht mehr benötigten oder beschädigten Proteinen innerhalb der eukaryotischen Zelle und ist somit an der Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase beteiligt. Ein Abfall der proteasomalen Aktivität führt zu intrazellulärem Stress. Die Zelle wirkt diesem Abfall entgegen, indem sie die proteasomalen Gene verstärkt exprimiert und dadurch die Neubildung von 26S Proteasomen bewirkt. Während in der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae mit Rpn4 der Transkriptionsfaktor für die verstärkte Expression identifiziert wurde, war dieser in Säugetieren noch nicht bekannt. In der vorliegenden Arbeit konnte TCF11 (transcription factor 11) als der verantwortliche Transkriptionsfaktor identifiziert werden, der in der humanen Endothelzelllinie Ea.hy926 die Transkription der proteasomalen Gene nach Proteasominhibition induziert. Unter physiologischen Bedingungen ist TCF11 ein N-glykosyliertes ER-ständiges Membranprotein, welches durch die ER-assoziierte Protein Degradation, unter der Mitwirkung des E3-Enzyms HRD1 und der AAA-ATPase p97, schnell abgebaut wird. Nach der Proteasominhibition kommt es zur Akkumulation von oxidierten Proteinen, und TCF11 wird aktiviert und in den Zellkern transportiert. Im Zellkern bindet TCF11 an AREs (antioxidant response element) in den proteasomalen Promotoren und aktiviert dadurch die Transkription der proteasomalen Gene. Darüber hinaus reguliert TCF11 auch die Expression von zahlreichen Enzymen, die die Ubiquitinierung von Proteinen katalysieren. Dadurch wird die zelluläre Homöostase wiederhergestellt und TCF11 sehr wahrscheinlich durch die neu gebildeten Proteasomen abgebaut. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen auf, dass die Integrität des UPS nach Proteasominhibition in der humanen Endolthelzelllinie Ea.hy926 über einen TCF11 abhängigen Rückkopplungsmechanismus aufrechterhalten wird. / The ubiquitin-proteasome-system (UPS) is the most important system for regulated protein degradation in eukaryotes. Therefore it is involved in the regulation of cellular homeostasis. Reduced proteasome activity results in proteotoxic stress. To counteract for reduced proteasome activity, eukaryotic cells enhance proteasome gene expression, which results in formation of new 26S proteasomes and recovery of physiological conditions. While in bakers yeast Saccharomyces cerevisiae the transcription factor Rpn4 is responsible for enhanced proteasome gene expression in response to proteasome inhibition, in mammals the responsible transcription factor was unknown. In this thesis, transcription factor TCF11 (transcription factor 11) was identified as a key regulator for 26S-proteasome formation in the human cell line Ea.hy926 to compensate for reduced proteolytic activity. Under non-inducing conditions N-glycosylated TCF11 resides in the endoplasmic reticulum (ER) membrane, where TCF11 is targeted to ER-associated protein degradation system requiring the E3-ubiquitin ligase HRD1 and the AAA-ATPase p97. Proteasome inhibitors trigger the accumulation of oxidant-damaged proteins, and promote the nuclear translocation of TCF11 from the ER, permitting activation of proteasome gene expression by binding of TCF11 to antioxidant response elements (ARE) in their promoter regions. Furthermore TCF11 controlls the expression of additional UPS-related genes. Thus the transcriptional feedback loop regulating human proteasome dependent protein degradation to counteract proteotoxic stress caused by proteasome inhibition was uncovered.

Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) stellt eines der wichtigsten zellulären Abbausysteme dar. Es vermittelt die Degradation fehlgefalteter, beschädigter sowie regulatorischer Proteine. Folglich ist es essentiell für die Proteinqualitätskontrolle und für eine Vielzahl zellulärer Prozesse. Eine Störung des UPS steht im engen Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen und malignen Tumoren. Adaptive Mechanismen ermöglichen es der Zelle das UPS an den stetig schwankenden Bedarf proteolytischer Aktivität anzupassen. So wirkt eine erhöhte Expression proteasomaler Gene einem Abfall der proteasomalen Aktivität entgegen. Der Transkriptionsfaktor TCF11/Nrf1 wurde hierbei als Hauptregulator identifiziert. Unter physiologischen Bedingungen ist TCF11/Nrf1 in der ER-Membran lokalisiert und wird über das ER-assoziierte Degradationssystem (ERAD) abgebaut. In Antwort auf Proteasominhibition wird der Transkriptionsfaktor aktiviert und in den Nukleus transferiert. Hier vermittelt er durch Bindung der regulatorischen antioxidative response elements die Genexpression proteasomaler Untereinheiten. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass es sich bei diesem autoregulatorischen Rückkopplungsmechanismus um einen generellen adaptiven Regulationsmechanismus in Mammalia handelt. Zudem ergaben weitere Untersuchungen, dass der durch Proteasominhibition hervorgerufene oxidative Stress, die TCF11/Nrf1-vermittelte Aktivierung der Genexpression fördert. Die induzierende Wirkung von oxidativem Stress wurde ferner unter Verwendung des Pro-Oxidans Rotenon bekräftigt. Dieses Neurotoxin induziert die TCF11/Nrf1-abhängige Transkription proteasomaler Untereinheiten und folglich die Neubildung aktiver Proteasomkomplexe. Der Transkriptionsfaktor förderte ferner die Zellviabilität Rotenon-behandelter SH-SY5Y Zellen. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass die TCF11/Nrf1-vermittelte Genexpression proteasomaler Untereinheiten bedeutend für die Aufrechterhaltung der Redox- sowie der Protein Homöostase ist. / The ubiquitin proteasome system (UPS) represents a major protein degradation machinery. It facilitates the degradation of misfolded and damaged as well as regulatory proteins, thereby ensuring protein quality control and regulation of various cellular processes. Disturbances of the UPS are strongly associated with neurodegeneration and cancer. Adaptive mechanisms enable the cell to deal with changing demand in proteolytic activity. A rise in proteasomal gene expression compensates for decreased proteasomal activity. This adaption is mainly regulated by the transcription factor TCF11/Nrf1. Under unstressed conditions TCF11/Nrf1 resides in the ER-membrane where it is degraded via the ER-associated protein degradation system (ERAD). Proteasome inhibition causes the nuclear translocation of TCF11/Nrf1. In the nucleus, it mediates the gene expression of proteasomal subunits by interacting with their regulatory antioxidant response elements. Within this thesis, it was shown, that this autoregulatory feedback loop represents a general adaptive mechanism in mammalian cells. Moreover, experiments using antioxidative compounds revealed, that the oxidative stress induced by proteasomal inhibition promotes the TCF11/Nrf1-dependent proteasomal gene expression. The inducing effect of oxidative stress was verified using the pro-oxidant rotenone. This neurotoxin activates the transcription of the proteasomal genes resulting in the formation of newly synthesised, active proteasome complexes. Thus, TCF11/Nrf1 exerts a cytoprotective function in response to oxidative and proteotoxic stress in SH-SY5Y cells. In conclusion, this thesis revealed that TCF11/Nrf1-dependent induction of the proteasome expression promotes the maintenance of the redox as well as protein homeostasis.