Es wird allgemein angenommen, dass Proteine exponentiell degradiert werden. Das bedeutet, dass neu synthetisierte als auch alte Proteine mit gleicher Wahrscheinlichkeit degradiert werden. Es tauchen jedoch immer mehr Hinweise dafür auf, dass das nicht immer der Fall sein muss. Um diese Fragestellung systematisch anzugehen, haben wir eine Methode zur metabolischen Pulsmarkierung mit der nichtkanonischen Aminosäure Azidohomoalanine (AHA) entwickelt. AHA ermöglicht die Anreicherung von neu synthetisierten Proteinen direkt nach einem Puls oder nach einer „chase“ (Nachverfolgung) Periode in AHA freiem Medium. Wir kombinierten diese Methode mit SILAC und Shotgun Proteomik um zu quantifizieren wieviel Protein nach verschiedenen chase-Perioden übrig bleibt. Damit konnten wir Degradationsprofile für tausende von Proteinen erstellen. Unsere Daten zeigen, dass mehr als 10 % der Proteine nicht exponentiell degradiert werden (NED). Diese Proteine werden mit fortschreitendem Alter ausschließlich stabiler. Proteasomale Degradation von überschüssigen Proteinkomplexuntereinheiten scheint einen Großteil der NEDs zu erklären. Beim Vergleich zwischen murinen und humanen Zellen stellte sich heraus, dass NED teilweise konserviert ist. Das liegt scheinbar daran, dass diese Zellen trotz unterschiedlichem Ursprungs einheitlich bestimmte Untereinheiten überproduzieren. Da überschüssige NED Proteine bereits unter Standardbedingungen degradiert werden, nahmen wir an, dass die zusätzliche Überproduktion eines NED Proteins seine Level im stationären Zustand nicht verändern sollte. Um dies zu zeigen, quantifizierten wir Degradationskinetiken von Proteinen einer aneuploidenZelllinie. Wir fanden, dass NED Proteine, die auf trisomischen Chromosomen codiert sind, nicht in gleichem Maße ihr stationäres Level steigerten wie exponentiell degradierte Proteine. In Übereinstimmung mit unserer Hypothese verzeichneten wir stattdessen eine Zunahme der anfänglichen Degradationsraten dieser NED Proteine. / Proteins are thought to be degraded exponentially. That means that newly synthesized proteins have the same probability to be degraded as old proteins. However, evidence has accumulated showing that this is not true in all cases. To analyze this more systematically, we developed a method employing metabolic pulse-labeling by the non-canonical amino acid azidohomoalanine (AHA). AHA enables enrichment of newly synthesized proteins directly after pulse or after chase in AHA-free medium. We used SILAC and shotgun proteomics to quantify how much protein remains after different lengths of chase to create degradation profiles for thousands of proteins. Importantly, these degradation profiles allowed us to detect changes in degradation kinetics as the proteins age. We found that more than 10 % of proteins are non-exponentially degraded (NED). These protein are exclusively stabilized by age. Proteasomal degradation of excess protein complex subunits seems to explain a large fraction of NED. Comparing NED in mouse and human cells, we found that NED is at least partially conserved, seemingly due to cells consistently making too much of certain subunits. These overproduced subunits are on average shorter and more structured than the exponentially degraded proteins within the same complex. Finally, since excess NED proteins are degraded during baseline conditions, we hypothesized that making more of a NED protein would not increase its steady state levels. We employed an aneuploidy cell model and found that indeed NED proteins encoded on trisomic chromosomes did not increase in steady state levels to the same extent as exponentially degraded proteins. Instead, we recorded an increase in initial degradation of these proteins. In summary, we present a method for global pule-chase experiments allowing the detection of age-dependent protein degradation with possible implications for the understanding of aneuploidy and cancer.

PCNA est une protéine essentielle qui intervient dans de nombreux mécanismes cellulaires et qui possède de nombreuses modifications post-traductionnelles (MPTs) dont les fonctions de certaines, restent encore inconnues. Afin d’étudier la fonction de ces MPTs, nous avons développé un nouvel outil génétique permettant in cellulo, de substituer la protéine endogène PCNA par une version mutée de la protéine appelée version de complémentation. La technique consiste à cotransfecter des cellules en culture avec deux types de plasmides. Un premier plasmide permet l’invalidation du gène de PCNA endogène dans les cellules transfectées par le système CRISPR-Cas9. Le deuxième plasmide dit de complémentation permet l’expression d’une forme mutée de PCNA. Sur l’ensemble d’une banque de mutants testés, deux mutants de PCNA se sont avérés être létaux (D122A et E124A). Nous avons démontré que ces deux sites sont impliqués dans l’initiation d’une voie de dégradation ubiquitine dépendante CRL4Cdt2 essentielle pour la mise en place de la protéolyse d’un cocktail de protéines (cdt1, p21, set8) durant la phase S. Nous avons démontré que les cellules mutantes pour PCNA (D122A et E124A) accumulent la protéine p21. Ce défaut de dégradation de p21 provoque alors des évènements de re-réplication menant à terme à la mort des cellules mutantes. / PCNA is an essential protein that is involved in many cellular mechanisms and has many post-translational modifications (PTMs). The functions of some PTMs, still remain unknown. In order to study the function of these PTMs, we have developed a new genetic tool allowing, in cellulo, the substitution of endogenous PCNA protein with a mutated version of the protein named complementation version. The technique involves cotransfection of the cells in culture with two types of plasmids. A first plasmid allows invalidation of the endogenous PCNA gene in transfected cells by the CRISPR-Cas9 system. The second plasmid, named complementation plasmid allows the expression of a mutated form of PCNA. In the whole bank of tested mutants, two PCNA mutants were found to be lethal (D122A and E124A). We have demonstrated that these two sites are involved in the initiation of an ubiquitin-dependent protein degradation CRL4Cdt2 pathway essential for the proteolysis of a protein cocktail (cdt1, p21, set8) during the S phase. We demonstrated that PCNA mutant cells (D122A and E124A) accumulate p21 protein. This lack of degradation of p21 then causes re-replication events leading ultimately to the mutant cells death.

Signal peptide peptidase (SPP) and SPP-like (SPPL) aspartyl intramembrane proteases are known to contribute to sequential processing of type II-oriented membrane proteins referred to as regulated intramembrane proteolysis. The ER-resident family members SPP and SPPL2c were shown to also cleave tail-anchored proteins, including selected SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor) proteins facilitating membrane fusion events. Here, we analysed whether the related SPPL2a and SPPL2b proteases, which localise to the endocytic or late secretory pathway, are also able to process SNARE proteins. Therefore, we screened 18 SNARE proteins for cleavage by SPPL2a and SPPL2b based on cellular co-expression assays, of which the proteins VAMP1, VAMP2, VAMP3 and VAMP4 were processed by SPPL2a/b demonstrating the capability of these two proteases to proteolyse tail-anchored proteins. Cleavage of the four SNARE proteins was scrutinised at the endogenous level upon SPPL2a/b inhibition in different cell lines as well as by analysing VAMP1-4 levels in tissues and primary cells of SPPL2a/b double-deficient (dKO) mice. Loss of SPPL2a/b activity resulted in an accumulation of VAMP1-4 in a cell type- and tissue-dependent manner, identifying these proteins as SPPL2a/b substrates validated in vivo. Therefore, we propose that SPPL2a/b control cellular levels of VAMP1-4 by initiating the degradation of these proteins, which might impact cellular trafficking.

Die ER-assoziierte Proteindegradation (ERAD) ist Teil des Qualitätskontrollsystems am ER, um der Akkumulation von fehlgefalteten Proteinen im ER entgegenzuwirken. Hierbei werden ERAD-Substrate mit Hilfe von E3-Ligasen wie z.B. HRD1 ubiquityliert und anschließend durch den p97-Ufd1-Npl4 Komplex aus der ER-Membran extrahiert. Im Zytosol werden diese extrahierten Proteine vom 26S Proteasom abgebaut. Für die Retrotranslokation von ERAD- Substraten werden zudem die Membranproteine Derlin-1 und VIMP benötigt, welche mit p97 assoziieren und einen Proteinkomplex bilden. HERP ist ein ER-lokalisiertes Protein, dessen Synthese durch den UPR (unfolded protein response) als Antwort auf die Akkumulation von fehlgefalteten Proteinen im ER induziert wird. Dies deutet auf eine Rolle von HERP im ERAD hin. Interessanterweise besitzt HERP eine sogenannte UBL-Domäne. Für andere Proteine mit UBL-Domäne konnte eine Interaktion dieser Domäne mit dem Proteasom nachgewiesen werden. Daher kann angenommen werden, dass HERP ebenfalls mit dem Proteasom interagiert und dies zur ER- Membran rekrutiert, wo es für den Abbau von ERAD-Substraten benötigt wird. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Rolle von HERP innerhalb des UPR zu ermitteln. Die hier präsentierten Daten zeigen, dass HERP essentiell für den Abbau des ERAD-Modell- Substrates CD3-delta ist. Somit hat HERP tatsächlich eine Rolle im ERAD. Außerdem wird eine direkte Interaktion von HERP mit der E3-Ligase HRD1 nachgewiesen. Es wird zudem gezeigt, dass HERP und HRD1 einen Proteinkomplex mit p97, Derlin-1 und eventuell auch mit VIMP bilden. Dieser ERAD Komplex ist folglich sowohl für die Ubiquitylierung als auch die Retrotranslokation von ERAD-Substraten verantwortlich und garantiert somit die effiziente Prozessierung von Proteinen aus dem ER. Zudem wird gezeigt, dass die UBL-Domäne von HERP im Gegensatz zu anderen UBL- Domänen nicht mit dem Proteasom interagiert. Somit kann nicht mehr davon ausgegangen werden, dass Proteasombindung eine Gemeinsamkeit aller Proteine mit UBL-Domäne ist. Dagegen wird eine Interaktion der UBL-Domäne von HERP mit dem deubiquitylierenden Enzym USP7 nachgewiesen. Dies deutet darauf hin, dass auch Deubiquitylierung eine wichtige Rolle im ERAD-Prozess spielt. / ER-associated protein degradation (ERAD) is part of the ER quality control system dealing with the accumulation of misfolded proteins in the ER. This process requires polyubiquitylation of ERAD substrates involving E3 ligases, such as HRD1, and their subsequent extraction from the ER membrane by the p97-Ufd1-Npl4 complex. Retrotranslocation of substrates into the cytosol for degradation by the 26S proteasome also involves the membrane proteins Derlin-1 and VIMP, which are associated with p97 to form a protein complex. The ER-resident protein HERP was shown to be upregulated by the unfolded protein response pathway (UPR) upon the accumulation of misfolded proteins in the ER. It was therefore considered to function in ERAD. Interestingly, HERP contains a UBL domain. In other proteins this domain facilitates an interaction with the proteasome, suggesting that HERP might recruit the proteasome to the ER membrane for efficient ERAD. The aim of this study was to investigate the function of HERP within the UPR. The findings presented here demonstrate that HERP is essential for the degradation of a model ERAD substrate. Thus, HERP indeed has a role in ERAD. Moreover, the data show that HERP directly interacts with the E3 ligase HRD1 and the two proteins form a common protein complex with p97, Derlin-1 and possibly also with VIMP. This suggests that both ubiquitylation and retrotranslocation of ER proteins are performed by one protein complex, enabling an efficient processing of ERAD substrates. This study also demonstrates that the UBL domain of HERP does not share the proteasome binding property of other UBL domains, suggesting that proteasome binding cannot be considered a general feature of all UBL domains. Instead, the HERP UBL domain is able to interact with the deubiquitylating enzyme USP7. Therefore, deubiquitylation might also be an important aspect in the proteasome-dependent degradation of misfolded ER proteins.