Eine wichtige Funktion des Ubiquitin-Proteasom Systmes (UPS) ist die
Generierung von Peptiden, die von dem Molekül MHC I auf der Zelloberfläche den
CD8+ T-Lymphozyten präsentiert werden. Zahlreiche Untersuchungen
dokumentieren, dass ein gestörtes UPS mit vielen neurodegenerativen
Erkrankungen einhergeht. Unter inflammatorischen Prozessen findet durch einen
Austausch der katalytisch-aktiven konstitutiven gegen die katalytisch-aktiven
induzierbaren Untereinheiten die Bildung des Immunoproteasoms (iP) statt. Das
iP bewirkt eine effizientere Peptid-Generierung und eine erhöhte Protein-
Abbau-Rate. In neuralen Zellen wurde dieser induzierbare Proteasom-Komplex vor
allem bei neurodegenerativen Erkrankungen beobachtet. Dennoch ist die Funktion
des iP in Zellen des zentralen Nervensystems (ZNS) bislang ungeklärt. Fokus
dieser Arbeit war das Immunoproteasom in neuralen Zellen in vitro und in vivo
unter physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen. In der
experimentellen autoimmunen Encephalomyelitis erkrankten iP-defiziente Tiere
im Vergleich zu den Wildtyp-Mäusen früher und schwerer. Während des
inflammatorischen Prozesses im ZNS konnte eine iP-Synthese in Gliazellen,
jedoch nicht in Neuronen beobachtet werden. Das Fehlen eines iP-Komplexes
führte in den Zellen des ZNS zu einer Akkumulation von Poly-Ubiquitin-
Konjugaten, und in der Folge zur Apoptose und einem verstärkten pro-
inflammatorischen Stimulus. Die in vitro-Experimente mit neuronalen
Zellkulturen (HT-22, neurale differenzierte Vorläuferzellen, primäre neuronale
Mischkultur) zeigten, dass Neurone auch unter physiologischen Bedingungen
keinen iP-Komplex synthetisieren. Die in vivo-Daten konnten dadurch bestätigt
werden, dass das pro-inflammatorische Zytokin Interferon-gamma (IFNg) nur in
den Gliazellen der primären Kulturen die de novo-Synthese des iPs induzierte.
Es zeigte sich, dass die Bindungsstelle des Interferon-regulierenden Faktors 1
im neuronalen Promotor der für die Assemblierung und proteolytischen Aktivität
des iPs essentiellen Untereinheit LMP7 methyliert vorliegt. In den primären,
reifen Neuronen konnte eine Induktion der LMP7-Untereinheit in Abhängigkeit
der Aktionspotential-Blockade mit dem Zytokin IFNg gezeigt werden.
Überraschender-weise konnte in isolierten, primären Neuronen eine Korrelation
zwischen der Oberflächen-expression des MHC I-Moleküls und der iP-Synthese
beobachtet werden. Außerdem konnte eine Beteiligung des iPs an der
synaptischen Plastizität dokumentiert werden. Die in dieser Arbeit
vorgestellten Daten zeigen erstmalig, dass unter physiologischen und
pathophysiologischen Bedingungen die Expression des Immunoproteasoms in
Neuronen epigenetisch und in Abhängigkeit von der elektrischen Aktivität
reguliert wird, und die wichtige Funktion des Immunoproteasoms während einer
neurodegenerativen Erkrankungen daher auf seine Rolle in Gliazellen
zurückzuführen ist.The proteasome, one crucial component of the ubiquitin-proteasome system
(UPS), assists as an ATP-dependent multi-catalytic protease in different
essential processes of eukaryotic cells. The generation of peptides, which are
presented on the cell-surface to CD8+ t-lymphocytes, is one of the main
functions of the proteasome. A dysfunction of the UPS is connected to various
neurodegenerative diseases. Under inflammatory stimuli the exchange of the
catalytically active subunits, which transforms the constitutive proteasome
into the inducible proteasome, results in the de novo synthesis of the
immunoproteasome (iP). The iP implicates a more efficient peptide-generation
for the MHC I complex caused by a higher protein-turnover. The inducible
proteasome is known to be expressed in neural cells especially in
neurodegenerative diseases. The precise function, however, has not been
revealed so far in the cells of the central nervous system (CNS). Main focus
of the investigations was to define the role of the iP in neural cells in in
vitro and in vivo experiments under physiological and pathophysiological
conditions like neuroinflammation. By the induction of experimental autoimmune
encephalomyelitis in iP-deficient mice an earlier onset and higher severity of
the disease in these animals was discovered. The de novo-synthesis of the iP
was only observed in glia-cells but not in neurons during pro-inflammatory
processes in the CNS. Animals without an iP-complex accumulated more poly-
ubiquitin conjugates resulting in apoptosis and enhanced pro-inflammatory
stimuli. In vitro experiments revealed that neuronal cells (HT-22,
differentiated neural progenitor cells and primary neurons) do not synthesize
the iP-complex under physiological conditions and by induction of the iP with
the pro-inflammatory cytokine interferon-gamma (IFNg) in glia-cells the in
vivo data was confirmed. Furthermore it was shown that the interferon
regulatory factor 1 binding site of the neuronal promoter of the LMP7 subunit,
which is essential for the assembly and the proteolytic activity of the iP, is
methylated. Interestingly, inhibition of action potential combined with IFNg
treatment lead to the synthesis of the iP-complex in electrically active
neurons. In addition a correlation between the neuronal surface expression of
the MHC I molecule and the de novo synthesis of the iP was also determined in
isolated primary neurons. Aside from that the involvement of the inducible
proteasome-complex in the synaptic plasticity was observed. IP-deficient
neural cells were characterized by a diminished electrical activity under pro-
inflammatory stimuli and an enhanced chemical long-term depression. This work
shows for the first time, that in neurons the expression of the immuno-
proteasome is regulated by epigenetic factors and electrical activity and that
the important function of the iP during neurodegenerative diseases is
attributed to its crucial role in glia-cells
