Preissler, Steffen

Apollo (Cambridge)

612 WISSENSCHAFTBIOspektrum  |  06.20  |  26. Jahrgangansteigt. Neben der klassischen Chaperon-funktion hat BiP eine wichtige Aufgabe bei der Regulation des UPR und ist somit essen-ziell für die Proteinhomöostase im ER. BiP gehört zur Familie der Hsp70-Chape-rone und besteht aus einer Nukleotidbinde-domäne (NBD) sowie einer Substratbindedo-mäne (SBD). Beide sind über ein Linkerpep-tid miteinander verbunden (Abb. 1A). Die Interaktion zwischen BiP und seinen Sub-straten ist hoch dynamisch und wird alloste-risch reguliert. Dabei gehen aufeinander folgende Zyklen von Adenosintri phos-phat(ATP)-Bindung und -Hydro lyse mit gro-ßen Konformationsänderungen in BiP einher. Im ATP-gebundenen Zustand hat BiP eine geringe Affi nität für Substrate, wohingegen die ATP-Hydrolyse zu starker Substratbin-dung führt. Des Weiteren beeinflussen Kofaktoren einzelne Schritte des Zyklus: J-Domänenproteine rekrutieren Substrate und stimulieren die ATP-Hydrolyserate von BiP, während Nukleotidaustauschfaktoren die Dissoziation von Adenosindiphosphat (ADP) beschleunigen (Abb. 1B). Zur Aufrechterhaltung der Proteinhomöo-stase muss BiP im richtigen stöchiometri-schen Verhältnis zu seinen Substraten vor-liegen. Eine Überproduktion von BiP beein-trächtigt beispielsweise die Sekretion einiger Proteine sowie die Aktivierung des UPR. Eine grundlegende Frage ist deshalb, wie die Ver-fügbarkeit von aktivem BiP effi zient an sich rasch ändernde Proteinsyntheseraten und Substratkonzentrationen angepasst werden kann. Eine Regulation ausschließlich durch Produktion und Abbau von BiP scheint zu langsam, um eine effektive Anpassung an kurzzeitige Veränderungen zu gewährleis-ten. Interessanterweise wurden kürzlich Mechanismen beschrieben, welche die Akti-vität von vorhandenem BiP regulieren: Oligo-merisierung und AMPylierung.Die Oligomerisierung von BiPSeit langem wird bereits beobachtet, dass gereinigtes BiP homotypische Komplexe, also Oligomere, bildet, deren molekulare Architek-tur und physiologische Relevanz jedoch lange STEFFEN PREISSLERCAMBRIDGE INSTITUTE FOR MEDICAL RESEARCH, UNIVERSITY OF CAMBRIDGE, UKMaintenance of protein homeostasis depends on cellular stress response pathways that mediate adaptive changes in gene expression. In the endoplasmic reticulum additional mechanisms adjust the availa-bility of the abundant Hsp70-type chaperone, BiP, during short-term fl uctuations in the unfolded protein load. Here, recent insights into the regulation of BiP by incorporation into inactive oligomers and reversi-ble AMPylation are discussed. DOI: 10.1007/s12268-020-1455-6© Der Autor 2020ó Etwa ein Drittel der im Genom eukaryoti-scher Zellen codierten Proteine wird sekre-tiert oder in Membranen eingebaut. Die meis-ten dieser Proteine werden bereits während ihrer Synthese zu einem spezialisierten Organell, dem endoplasmatischen Retikulum (ER), transportiert. Dort falten sekretorische Proteine in ihre native Struktur und werden ggf. in größere Komplexe eingebaut bevor sie zu ihren Zielorten weitertransportiert wer-den. Zudem fi nden ER-spezifi sche Maturie-rungsprozesse, wie N-Glykosylierung und die Bildung von Disulfi dbindungen, statt. Die Faltung neu-synthetisierter Proteine ist der störanfälligste Schritt der Genexpression und  eine große Herausforderung für Zellen. Daher ist das ER mit einem stringenten Qua-litätskontrollsystem ausgestattet, das die kor rekte Faltung von Proteinen begünstigt und den Abbau fehlgefalteter Proteine einlei-tet, bevor sie das ER verlassen. Störungen in diesen Prozessen können zelluläre Funktio-nen beeinträchtigen und stehen im Zusam-menhang mit einer Vielzahl von Krankheiten  [1].Proteinhomöostase im ERMolekulare Chaperone sind Proteine, die mit anderen entfalteten oder fehlgefalteten Pro-teinen interagieren und somit deren Aggre-gation verhindern. Dadurch spielen Chape-rone eine zentrale Rolle in der Proteinquali-tätskontrolle (PQ) und tragen entscheidend zur zellulären Faltungskapazität bei. Um die zelluläre Proteinhomöostase zu wahren, müssen sich Chaperone und ihre Substrate stets im Gleichgewicht zueinander befi nden. Ein Überschuss an entfalteten Proteinen führt zu zellschädigendem Faltungsstress. Wenn sich die Konzentration entfalteter Pro-teine ändert, muss daher die Faltungskapa-zität entsprechend angepasst werden. Faltungsstress kann u. a. durch oxidative Veränderungen von Proteinen, Hitze oder Mutationen verursacht werden. Eine Ände-rung des Chaperonbedarfs tritt aber auch dann auf, wenn sich die Proteinsyntheserate ändert. Zelluläre Signalwege erhöhen daher bei Anhäufung entfalteter Proteine die Expression von Chaperonen, um die Balance zwischen Chaperonen und Substraten wie-derherzustellen. Im Fall des ER übernimmt diese Aufgabe der unfolded protein response (UPR)  [2]. Für sekretorische Zelltypen viel-zelliger Organismen ist die dynamische Anpassung der Faltungskapazität im ER von besonderer Bedeutung, da diese großen phy-siologischen Schwankungen der Proteinsyn-these unterliegen. Dies betrifft v. a. Zellen des Immun- und Nervensystems sowie der Drüsengewebe. Das ER-Chaperon BiPBiP (immunglobulin heavy-chain binding pro-tein) ist eines der wichtigsten Chaperone im ER. Es liegt dort bereits unter normalen Bedingungen in hoher Konzentration vor, die bei anhaltendem Faltungsstress sogar weiter ProteinfaltungRegulation der Chaperonaktivität im endoplasmatischen RetikulumBIOspektrum  |  06.20  |  26. Jahrgang613ten zur Verfügung. Entsprechend konnten BiP-Oligomere in Lysaten von Säugerzellen nachgewiesen werden, welche jedoch ver-schwanden, wenn kurz vor der Lyse Faltungs-stress im ER induziert wurde  [3]. Die AMPylierung von BiPBiP wird unter bestimmten Bedingungen kovalent modifi ziert. Frühe Zellkulturstudien legten den Schluss nahe, dass es sich dabei um ADP-Ribosylierung handelt. Dies konnte jedoch über Jahrzehnte hinweg nicht zwei-felsfrei bewiesen werden. Einiges deutete aber darauf hin, dass BiP durch die Modifi ka-tion inaktiviert wird: Die Modifi kation tritt verstärkt auf, wenn die Proteinsynthese abnimmt und die Konzentration der BiP-Substrate sinkt. Umgekehrt verschwindet sie rasch bei Faltungsstress. Jüngste Studien fanden nun heraus, dass FICD, ein im ER lokalisiertes Enzym, Adeno-sinmonophosphat (AMP) auf BiP übertragen kann  (Abb. 2 und 3 ,  [4, 5]). Dies geschieht unter Verwendung von ATP. Die daraus ent-stehende Modifi kation wird AMPylierung genannt und ähnelt chemisch der ADP-Ribo-sylierung. Fic-Adenylytransferasen gehören zu einer Familie von AMPylierenden Enzymen, die bislang hauptsächlich in pathogenen Bakte-rien untersucht wurden. FICD ist der einzige eukaryotische Vertreter aus dieser Familie und kommt nur in höher entwickelten Meta-zoen vor. Deletion des FICD-Gens in Säuger-zellen führt zum vollständigen Verlust nach-weisbarer BiP-Modifi kation, was nahelegt, dass AMPylierung die quantitativ wichtigste Modifi kation von BiP ist  [6]. Weitere bioche-mische und strukturbiologische Analysen zeigten, dass BiP an einer einzigen Amino-säure in der SBD (Threonin 518) AMPyliert wird. Dadurch wird BiP allosterisch in einer Konformation festgehalten, die dem ATP-gebundenen Zustand ähnelt, was die Anre-gung der ATP-Hydrolyserate durch J-Domä-nenproteine verhindert und den Chaperon-zyklus blockiert  [7, 8]. Diese Eigenschaften erklären, warum modifi ziertes BiP nur eine geringe Affi nität für Substrate besitzt. Erstaunlicherweise kann FICD die AMPy-lierung von BiP auch rückgängig machen, wobei AMP hydrolytisch abgespalten wird (deAMPylierung) und BiP seine vollständige Funktionsfähigkeit wiedererlangt (Abb. 3 ,  [9]). Damit ist FICD ein seltenes Beispiel für ein Enzym, welches mittels eines einzigen aktiven Zentrums eine chemische Gruppe an ein Zielprotein sowohl kovalent anbringen Eigenschaft steht Oligomerisierung von BiP in direkter Konkurrenz mit Substratbindung. Diese Art der Speicherung von überschüssi-gem BiP kann somit hinderliche Interaktionen mit neu synthetisierten und korrekt gefalteten Proteinen verhindern. Erhöht sich hingegen der Chaperonbedarf, steht BiP um gehend für die Interaktion mit konkurrierenden Substra-unklar blieb. Neue biochemische Analysen zeigten nun, dass diese Oligomere auf Sub-stratinteraktionen zwischen einzelnen BiP-Proteinen beruhen, wobei die SBD eines BiP-Moleküls die Linkerregion eines benachbar-ten Moleküls bindet (Abb. 2 ,  [3]). Dadurch sind die meisten Substratbindestellen inner-halb der Oligomere belegt. Aufgrund dieser ˚ Abb. 1: Aufbau und nukleotidabhängige Konformationen von BiP. A, BiP besteht aus einer Nuk-leotidbindedomäne (NBD) und einer Substratebindedomäne (SBD), welche über ein Linkerpeptid miteinander verbunden sind. B, Im ATP-gebundenen Zustand besitzt BiP geringe Substratbinde-affi nität. ATP-Hydrolyse zu ADP und Orthophosphat (Pi), welche durch J-Domänenproteine (JDP) stimuliert werden kann, verursacht eine Konformationsänderung und führt zu verstärkter Substrat-bindung. Der Austausch von ADP zu ATP hat den entgegengesetzten Effekt und wird durch Nukleo-tidaustauschfaktoren (NEF) beschleunigt.AB˚ Abb. 2: Posttranslationale Regulation von BiP. Bei Faltungsstress im ER häufen sich entfaltete Substratproteine an, welche direkt mit Oligomerisierung um freies, ATP-gebundenes BiP konkur-rieren. Ebenso konkurrieren entfaltete Proteine mit der Bindung von BiP an UPR-Signalmoleküle, was zu deren Aktivierung bei Faltungsstress beiträgt. Bei sinkendem Stressniveau wird über-schüssiges BiP durch FICD-abhängige, reversible AMPylierung (BiP-AMP) inaktiviert. J-Domänen-proteine (JDP) und Nukleotidaustauschfaktoren (NEF) tragen zur dynamischen Interaktion von BiP mit seinen Substraten bei.614 WISSENSCHAFTBIOspektrum  |  06.20  |  26. JahrgangLiteratur[ 1] Wang M, Kaufman RJ (2016) Protein misfolding in the endoplasmic reticulum as a conduit to human disease. Nature 529:326–335[2] Walter P, Ron D (2011) The unfolded protein response: from stress pathway to homeostatic regulation. Science 334:1081–1086[3] Preissler S, Chambers JE, Crespillo-Casado A et al. (2015) Physiological modulation of BiP activity by trans-protomer engagement of the interdomain linker. Elife 4:e08961[4] Ham H, Woolery AR, Tracy C et al. (2014) Unfolded pro-tein response-regulated Drosophila Fic (dFic) protein reversi-bly AMPylates BiP chaperone during endoplasmic reticulum homeostasis. J Biol Chem 289:36059–36069[5] Sanyal A, Chen AJ, Nakayasu ES et al. (2015) A novel link between Fic (fi lamentation induced by cAMP)-mediated ade-nylylation/AMPylation and the unfolded protein response. J Biol Chem 290:8482–8499[6] Preissler S, Rato C, Chen R et al. (2015) AMPylation matches BiP activity to client protein load in the endoplasmic reticulum. Elife 4:e12621[7] Preissler S, Rohland L, Yan Y et al. (2017) AMPylation targets the rate-limiting step of BiP’s ATPase cycle for its functional inactivation. Elife 6: e29428[8] Wieteska L, Shahidi S, Zhuravleva A (2017) Allosteric fi ne-tuning of the conformational equilibrium poises the chaperone BiP for post-translational regulation. Elife 6:e29430[9] Preissler S, Rato C, Perera LA et al. (2017) FICD acts bifunctionally to AMPylate and de-AMPylate the endoplasmic reticulum chaperone BiP. Nat Struct Mol Biol 24:23–29Open Access Dieser Artikel wird unter der Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz veröffentlicht, welche die Nutzung, Vervielfältigung, Bearbeitung, Verbreitung und Wiedergabe in jeglichem Medium und Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle ordnungsgemäß nennen, einen Link zur Creative Commons Lizenz beifügen und angeben, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die in diesem Artikel enthaltenen Bilder und sonstiges Drittmaterial unterliegen ebenfalls der genannten Creative Commons Lizenz, sofern sich aus der Abbildungslegende nichts anderes ergibt. Sofern das betreffende Material nicht unter der genannten Creative Commons Lizenz steht und die betreffende Handlung nicht nach gesetzlichen Vorschriften erlaubt ist, ist für die oben aufgeführten Weiterverwendungen des Materials die Einwilligung des jeweiligen Rechteinhabers einzuholen. Weitere Details zur Lizenz entnehmen Sie bitte der Lizenzinformation auf http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.de.KorrespondenzadresseDr. Steffen Preissler Cambridge Institute for Medical Research University of Cambridge The Keith Peters Building  Cambridge CB2 0XY, UKsp693@cam.ac.ukMechanismen hingegen erlauben eine schnellere Anpassung an kurzzeitige Schwankungen in der Konzentration entfal-teter Proteine. Möglicherweise ist dies im ER vielzelliger Organismen besonders wichtig, um bei periodisch wiederkehrenden Ände-rungen der Proteinsyntheserate eine effi zi-ente Sekretion zu gewährleisten. Es bleiben jedoch viele Fragen offen. Beispielsweise ist unklar, ob BiP noch auf anderer Ebene regu-liert wird und wie die einzelnen Steuerme-chanismen in verschiedenen Zelltypen zusammenspielen. Zudem ist FICD aufgrund seiner besonderen enzymatischen Eigen-schaften und Spezifi tät für BiP ein interes-santes Zielprotein, um die Proteinhomöosta-se im ER pharmakologisch zu beeinfl ussen. Grundsätzlich könnte die gezielte Manipula-tion der Chaperonaktivität helfen, der alte-rungsbedingten Beeinträchtigung der Prote-infaltung und den damit verbundenen Erkrankungen entgegenzuwirken. óals auch entfernen kann. Tatsächlich besitzt FICD im Grundzustand fast ausschließlich deAMPylierungsaktiviät. Das heißt, wenn der Chaperonbedarf im ER sinkt, muss FICD in den AMPylierungsmodus umschalten, um überschüssiges BiP zu inaktivieren. Wenn der Chaperonbedarf hingegen wieder ansteigt, scheint die Grundaktivität von FICD zu dominieren, was die Konzentration von aktivem BiP durch deAMPylierung erhöht. Wie die entgegengesetzten Aktivitäten von FICD an das Stressniveau im ER gekoppelt sind, ist bislang unbekannt.PerspektivenDie neuen Befunde haben unser Verständnis von der Regulation der Faltungskapazität im ER maßgeblich erweitert. Demnach spielt die UPR-abhängige Anpassung der Chaperonex-pression eine zentrale Rolle bei langfristiger Änderung des Chaperonbedarfs, z. B. wäh-rend der Zelldifferenzierung oder bei anhal-tendem Faltungsstress. Posttranslationale AUTORSteffen Preissler2001–2006 Biologiestudium an der Universität Heidel-berg. 2007–2012 Promotion an der Universität Konstanz. Seit 2013 Research Associate im Labor von Prof. Dr. D. Ron in Cambridge, UK.¯ Abb. 3: Der Chaperon- und AMPylierungs-Zyklus von BiP. Die Interaktion von BiP mit entfalteten Substraten wird von einem ATP-bindungs- und -hydrolyseabhängigen Zyklus bestimmt, der durch Nukleotidaustauschfaktoren (NEF) und J-Domänenproteine (JDP), welche selbst auch Substrate binden und BiP zuführen können, beeinfl usst wird. Bei niedriger Substrat-konzentration akkumuliert ATP-gebundenes BiP, das durch FICD unter Verwen-dung von ATP und Bildung von Pyrophosphat (PPi) AMPyliert und inaktiviert wird (BiP-AMP). Bei steigen-dem Chaperonbedarf wird BiP-AMP von FICD durch hy drolytischer Abspaltung von AMP reaktiviert und wie-der für den Chaperonzyklus bereitgestellt.

Regulation der Chaperonaktivität im endoplasmatischen Retikulum

https://www.repository.cam.ac.uk/bitstream/handle/1810/311555/12268_2020_Article_1455.pdf?sequence=3&isAllowed=y

Regulation der Chaperonaktivität im endoplasmatischen Retikulum

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Apollo (Cambridge)