Elucidating the DDI2-TCF11/NRF1 axis of proteasome gene activation and its impact on various stress signaling pathways

Abstract

Proteotoxic and oxidative stress causes the accumulation of damaged and misfolded proteins in cells and thus demands a higher proteolytic capacity. Impairment in the maintenance of cellular proteostasis leads to a variety of disorders, especially neurodegenerative and age-related diseases. The ubiquitin proteasome system (UPS) is the major intracellular degradation machinery in eukaryotes and ensures the proteolysis of regulatory proteins in a vast number of signaling pathways. A transcriptional feedback-loop controls many genes encoding factors of the UPS in response to proteotoxic insults via activation of the bZIP transcription factor TCF11/NRF1, a master regulator of proteasome gene expression, antioxidant response and proteostasis in mammalian cells. While the ER-tethered TCF11/NRF1 is permanently degraded via ER-associated degradation (ERAD) under non-stressed conditions, the stabilization and cleavage by the aspartyl protease DDI2 and its nuclear translocation is crucial for the activation of rescue factors. However, the exact mechanisms of TCF11/NRF1 activation by DDI2 as well as the functional complexity and physiological role of this protease remain elusive. A detailed characterization of a DDI2 knockout (KO) in human endothelial cells and a mouse model revealed that absence of DDI2 leads to severe proteotoxic stress with critically diminished activation of TCF11/NRF1. The impaired ability to react with formation of new proteasomes provokes an induction of the PERK-arm of the unfolded protein response (UPR) along with the integrated stress response (ISR). In addition, we could provide evidence that DDI2 is essential for physiological growth and embryonic development since KO mice die due to unresolved proteotoxic stress and cellular senescence. Endothelial DDI2 KO cells are able to overcome growth arrest and cell death by induction of a non-canonical type I interferon response and to counteract the translational arrest by fine-tuning of eIF2α phosphorylation.Proteotoxischer und oxidativer Stress führen zur Akkumulation von beschädigten und fehlgefalteten Proteinen in Zellen und erfordern daher eine erhöhte proteolytische Kapazität. Eine Beeinträchtigung der zellulären Proteostase resultiert in einer Vielzahl von Krankheitsbildern, insbesondere neurodegenerativen und altersbedingten Erkrankungen. Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) stellt die zentrale intrazelluläre Abbaumaschinerie in Eukaryoten dar und gewährleistet die Proteolyse regulatorischer Proteine in zahlreichen Signalwegen. Ein transkriptioneller Rückkopplungsmechanismus als Antwort auf proteotoxischen Stress reguliert viele Gene, die für Faktoren des UPS kodieren. Dies geschieht über die Aktivierung des bZIP-Transkriptionsfaktors TCF11/NRF1, einem Hauptregulator der Proteasom-Genexpression, der antioxidativen Antwort und der Proteostase in Säugerzellen. Während das an das endoplasmatische Retikulum (ER) gebundene TCF11/NRF1 unter homöostatischen Bedingungen kontinuierlich über die ER-assoziierte Degradation (ERAD) abgebaut wird, ist dessen Stabilisierung, proteolytische Spaltung durch die Aspartylprotease DDI2 und anschließende nukleäre Translokation essenziell für die Aktivierung von kompensatorischen Mechanismen. Die genauen Mechanismen der TCF11/NRF1-Aktivierung durch DDI2 sowie die funktionelle Komplexität und physiologische Rolle dieser Protease sind jedoch noch unzureichend charakterisiert. Eine detaillierte Analyse eines DDI2-Knockouts (KO) in humanen Endothelzellen sowie in einem Mausmodell ergab, dass das Fehlen von DDI2 zu ausgeprägtem proteotoxischem Stress mit stark eingeschränkter TCF11/NRF1-Aktivierung führt. Die beeinträchtigte Hochregulation der Proteasomen-Expression provoziert eine Aktivierung des PERK-Arms der UPR (unfolded protein response) sowie der integrierten Stressantwort (ISR). Zudem konnte gezeigt werden, dass DDI2 für physiologisches Wachstum und embryonale Entwicklung essenziell ist, da Knockout-Mäuse aufgrund von unbewältigtem proteotoxischem Stress und zellulärer Seneszenz sterben. Dagegen können DDI2-KO-Endothelzellen den Wachstumsstillstand und Zelltod durch Induktion einer nicht-kanonischen Typ-I-Interferon-Antwort überwinden und den translationalen Arrest durch eine Feinregulation der eIF2α-Phosphorylierung kompensieren