A key prerequisite for cellular and organismal health is a functional proteome. A variety of human protein misfolding diseases are associated with the occurrence of amyloid protein aggregates, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS) or Huntington’s disease. The proteins involved in disease manifestation all contain aggregation-prone sequences of low compositional complexity. Such sequences are also known as prion-like, because of their sequence similarity to yeast prions. Yeast prion proteins are a specific subset of amyloid forming proteins with distinct physio-chemical and functional features, which give them transmissible properties. The aggregation properties of yeast prions and disease-related prion-like proteins reside in structurally independent, prion-forming domains (PrDs). These domains are highly enriched for uncharged polar amino acids, such as glutamine (Q) and asparagine (N). These compositional features can be used to predict prion-like proteins bioinformatically. To investigate the prevalence of prion-like proteins across different organisms, we analyzed a range of eukaryotic proteomes. Our analysis revealed that the slime mold D. discoideum contains the highest number of prion-like N/Q-rich proteins of all organisms.
Based on this finding, we hypothesized that D. discoideum could be a valuable model system to study protein homeostasis (proteostasis) and the molecular basis of protein misfolding diseases. To explore how D. discoideum manages its highly aggregation-prone proteome, we analyzed the behavior of several well-characterized misfolding-prone marker proteins (variants of the disease-causing exon 1 of the huntingtin protein as well as wildtype and variant versions of the Q/N-rich yeast prion Sup35NM). Intriguingly, these proteins did not form cytosolic aggregates in D. discoideum, as they do in other organisms. Aggregates, however, formed as a result of heat stress, which indicates that the tested proteins have the capacity to aggregate, but are kept under tight control under normal conditions.
Furthermore, when the stress level was reduced, the stress-induced aggregates dissolved, suggesting that D. discoideum has evolved mechanisms to reverse aggregation after a period of acute stress. Together, these findings reveal an unusual resilience of D. discoideum to aggregation-prone proteins, which very likely results from specific adaptations in its proteostasis network. By studying these specific adaptations, we could get important insight into the strategies that nature employs to control and maintain a highly aggregation-prone proteome. So far, our experimental investigations have revealed evidence for three specific adaptations.
First, we identified the disaggregase Hsp101 as a key player in the acute stress response of D. discoideum. A functional analysis of Hsp101 in yeast and D. discoideum revealed that it supports thermotolerance. Second, we found evidence for an important role of the nucleus and nucleolus in proteostasis. We discovered that a small fraction of highly aggregation-prone proteins accumulated in the nucleus or nucleolus of D. discoideum cells. The magnitude of this nuclear accumulation could be increased by proteasome impairment, which suggests that the ubiquitin-proteasome system (UPS) is involved. This finding is consistent with previous studies in other organisms and hints at the possibility that D. discoideum disposes of aggregation-prone proteins by degrading them in the nucleus/nucleolus. Third and finally, we found that cells containing nuclear accumulations are asymmetrically distributed in the multicellular developmental stage (slug), suggesting that D. discoideum employs cell-sorting mechanisms to dispose of cells with accumulated protein damage.
Although our current understanding of proteostasis in D. discoideum is preliminary, we have gained important insight into the molecular mechanisms and cellular pathways that D. discoideum uses to counteract protein aggregation. Findings from this work will inform similar comparative studies in other organisms and will impact our molecular understanding of protein misfolding diseases and aging. / Eine wesentliche Voraussetzung für die Gesundheit von Zellen und Organismen ist ein funktionales Proteom. Eine Reihe von humanen Protein- Missfaltungs-Erkrankungen, wie Chorea Huntington und Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) werden mit dem Auftreten von amyloiden Protein- Aggregaten in Verbindung gebracht. Sämtliche Proteine, die in der Pathogenese dieser Krankheiten eine Rolle spielen, enthalten aggregations-anfällige Sequenzen mit geringer Sequenzkomplexität. Solche Sequenzen werden als Prion-ähnlich bezeichnet, da sie in ihrer Zusammensetzung den Prionen aus der Hefe S. cerevisiae gleichen. Die Prion-Proteine der Hefe gehören zu einer Unterart von amyloid-aggregierenden Proteinen, die durch bestimmte physikochemische und funktionelle Eigenschaften einen infektiösen Charakter erhalten. Die Aggregations-Eigenschaften von Hefeprionen und aggregationsanfällige Proteinen, die mit Erkrankungen in Verbindung gebracht werden, basieren auf strukturell unabhängigen, Prion-bildenden Domänen (prion domain, PrD). Diese Domänen sind angereichert mit polaren Aminosäuren wie Glutamin und Asparagin. Diese Zusammensetzung kann dazu verwendet werden prion-ähnliche Proteine bioinformatisch vorherzusagen. Um die Verbreitung von Prion-ähnlichen Proteinen in verschiedenen Organismen zu untersuchen, analysierten wir eine Reihe von eukaryotischen Proteomen.
Unsere Analyse zeigte, dass der Schleimpilz D. discoideum die höchste Anzahl von Prion-ähnlichen N/Q-reichen Proteinen aufzeigt. Aufgrund dieser Erkenntnisse erstellten wir die Hypothese, dass D. discoideum ein nützlicher Modellorganismus sein könnte, um Protein Homöostase (Proteostase) sowie die molekulare Basis von Proteins-Missfaltungs-Erkrankungen zu ergründen. Um zu analysieren, wie D. discoideum mit seinem höchst aggregations-anfälligen Proteom umgehen kann, untersuchten wir das Verhalten mehrerer bereits charakterisierter aggregations-anfälliger Marker-Proteine in D. discoideum. Hierbei verwendeten wir Varianten des krankheits-erzeugenden Exon 1 des humanen Huntingtin Protein sowie den wild-typ und Varianten des N/Q-reichen Hefe Prions Sup35. Interessanterweise bildeten diese Proteine, anders als in anderen Organismen, keine zytosolischen Aggregate in D. discoideum aus. Aggregate wurden jedoch unter Hitzestress-Bedingungen gebildet. Dies deutet darauf hin, dass die getesteten Proteine durchaus das Vermögen zu aggregieren besitzen, jedoch unter normalen Wachstumsbedingungen streng kontrolliert werden.
Wenn, darüberhinaus das Stress- Level gesenkt wurde, kam es zur Auflösung der stress-induzierten Aggregate. Dies deutet darauf hin, dass D. discoideum Mechanismen entwickelt hat, um Aggregate nach Perioden von akutem Stress wieder aufzulösen. Zusammengenommen enthüllen diese Erkenntnisse eine ungewöhnliche Widerstandsfähigkeit gegenüber aggregations-anfälligen Proteinen. Diese beruht höchstwahrscheinlich auf spezifischen Modifikationen im Proteostase Netzwerk. Durch die Analyse dieser spezifischen Anpassungen könnten wichtige Einblicke in die Strategien gewährt werden, welche die Natur benutzt, um ein höchst aggregations-anfälliges Proteom zu erhalten und zu kontrollieren. Bisher erbrachten unsere Experimente Anhaltspunkte für drei spezifische Anpassungen.
Erstens zeigten wir, dass die Disaggregase Hsp101 eine Schlüsselrolle in der akuten Stressantwort in D. discoideum einnimmt. Eine funktionale Analyse von Hsp101 in D. discoideum und Hefe zeigte, dass die Disaggregase Thermotoleranz fördert. Zweitens haben wir Anhaltspunkte, dass der Nukleus und der Nukleolus eine wichtige Rolle in der Proteostase einnehmen. Eine geringe Fraktion der überaus aggregations-anfälligen Proteine akkumuliert im Nukleus oder Nukleolus von D. discoideum. Das Ausmaß der nuklearen Akkumulation konnte erhöht werden, wenn das Proteasom beeinträchtigt wird. Dies deutet darauf hin, dass das Ubiquitin-Proteasom-System involviert sein könnte. Diese Beobachtung ist im Einklang mit jüngsten Berichten aus anderen Organismen und daraus folgt, dass D. discoideum möglicherweise aggregations-anfällige Proteine durch Abbau im Nukleus entsorgt. Drittens konnten wir feststellen, dass Zellen, die nukleare Akkumulationen enthalten, asymmetrisch in der multizellulären Entwicklungs-Struktur des Pseudoplasmodiums verteilt sind.
Dies deutet darauf hin, dass D. discoideum möglicherweise den Zellsortierungsmechanismus während der Entwicklung nutzen kann, um Zellen mit angereicherten Protein-Schäden zu beseitigen. Auch wenn das gegenwärtige Verständnis der Proteostase in D. discoideum nur vorläufig ist, haben wir wichtige Einblicke in die molekularen Mechanismen und zellulären Prozesse erhalten, die D. discoideum verwendet, um Protein-Aggregation zu verhindern. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden ähnliche vergleichende Studien in anderen Organismen beeinflussen und Auswirkungen auf unser molekulares Verständnis über Protein-Missfaltungs-Erkrankungen und das Altern haben.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:28129 |
| Date | 29 April 2014 |
| Creators | Malinovska, Liliana |
| Contributors | Alberti, Simon, Tanaka, Elly, Kampinga, Harm H., Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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