Immunoproteasomen: Schutz vor Stress

607_659_BIOsp_0610.qxd
632
22.09.2010
10:15 Uhr
Seite 632
W I S S E N SCH AFT
Proteasomsystem
Immunoproteasomen:
Schutz vor Stress
ELKE KRÜGER, ULRIKE SEIFERT, PETER-M. KLOETZEL
INSTITUT FÜR BIOCHEMIE, CHARITÉ UNIVERSITÄTSMEDIZIN BERLIN
Immunoproteasomen wurden bisher vor allem mit einer verbesserten
Immunantwort in Verbindung gebracht. Jetzt zeigt sich, dass eine der
Hauptfunktionen der Immunoproteasomen der Schutz der Zellen vor
Interferon-induziertem oxidativen Stress ist.
The function of immunoproteasomes has been connected with improved
antigen presentation efficiency. Now it is shown, that the main function
of immunoproteasomes resides in the protection of cells against interferon induced oxidative stress.
ó Der ATP-abhängige Abbau von Proteinen
durch das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS)
ist eine entscheidende Kontrollinstanz vieler
zellbiologischer Regulations- und physiologischer Anpassungsprozesse. Die zentrale proteolytische Einheit des UPS ist das 20S-Proteasom mit seinen auf der Innenseite des
Enzymkomplexes liegenden katalytischen βUntereinheiten (Abb. 1). Das 20S-Proteasom
ist die katalytische Grundeinheit und Bestandteil des noch größeren 26S-Proteasoms, das
für den regulierten Abbau von Ubiquitin-markierten Proteinen verantwortlich ist (Abb. 1).
Als Substrate des 26S-Proteasoms konnten
falsch gefaltete, denaturierte oder kurzlebige
regulatorische Proteine, wie z. B. Transkriptionsfaktoren oder den Zellzyklus regulierende Proteine, identifiziert werden, die über
eine Kaskade von E1-, E2- und E3-Enzymen
mit einer Polyubiquitinkette als Abbausignal
versehen werden.
Interferon-γγ -induzierte Immunoproteasom-Synthese
Als Teil der Immunüberwachung eines Organismus bzw. der zellulären Immunantwort
spielt das UPS eine zentrale Rolle. In dieser
Funktion produziert das Proteasom von eigenen Proteinen oder in der Zelle translatierten viralen Proteinen kurze Peptidfragmente, die von MHC Klasse I-Proteinen im endoplasmatischen Reticulum gebunden und an
der Zelloberfläche den T-Lymphozyten zur
Immunüberwachung präsentiert werden.
Dabei ist die Menge der vom Proteasom produzierten antigenen Peptide limitierend für
die Effizienz der Immunantwort. Das bedeutet, dass die Regulation proteasomaler Aktivität sowie die Versorgung der Prozessierungsmaschinerie mit Proteinsubstrat eine
essenzielle Rolle spielen [1].
Interferon – ein Regulatormolekül
˚ Abb. 1: A, Das 20S-Proteasom besteht aus 28 (14 verschiedenen) Untereinheiten (UE). Die
α-UE bilden die äußeren, die β-UE die beiden inneren Ringe. Die sechs aktiven Zentren, werden
von β1, β2 und β5 gebildet. Die Basis, die an die α-UE bindet, besteht aus sechs ATPasen und
zwei Nicht-ATPase-Untereinheiten. Der Deckel enthält zehn Nicht-ATPase-Untereinheiten und
spielt eine Rolle bei der Substratbindung. B, IFN-γ induziert die Synthese der Immununtereinheiten iβ1, iβ2 und iβ5 und damit des i20S-Proteasoms (verändert nach [2] und [5]).
Ein wichtiger Regulator proteasomaler Aktivität ist das proinflammatorisch und antiviral
wirkende Zytokin Interferon-γ (IFN-γ), das
unter anderem von aktivierten T-Lymphozyten sekretiert wird. IFN-γ wirkt auf das Proteasom regulatorisch, indem es in Zellen die
Synthese von drei alternativen katalytisch
aktiven β-Untereinheiten – den Immununtereinheiten iβ1 (LMP2), iβ2 (MECL1) und iβ5
(LMP7) – induziert, die nach ihrem Einbau
in neu gebildete 20S-Proteasomen das Immunoproteasom (i20S-Proteasom) bilden (Abb.
1B). i20S-Proteasomen zeichnen sich durch
veränderte proteolytische Eigenschaften aus
und gewährleisten in den meisten Fällen eine
effizientere Produktion antigener Peptide, die
an der Zelloberfläche präsentiert werden können [2]. Deshalb wurde bisher die spezifische
Funktion des i-Proteasoms fast ausschließBIOspektrum | 06.10 | 16. Jahrgang
607_659_BIOsp_0610.qxd
22.09.2010
10:15 Uhr
Seite 633
633
lich mit dem Immunsystem und einer verbesserten Immunantwort in Verbindung
gebracht.
¯ Abb. 2: Immunfluoreszenzmikroskopie von normalen und
i-Proteasom-defizienten embryonalen
Mausfibroblasten
(MEFs) mit Immunfärbung gegen Polyubiquitin-Konjugate und
ALIS (grün) und 20SProteasomen (rot).
Nach IFN-γ-Stimulation kommt es in iProteasom-defizienten Zellen nach
48 Stunden zu einer
starken Akkumulation von ALIS, während i-Proteasom-haltige Zellen frei von
Polyubiquitin-Konjugaten sind (siehe weiße Pfeile).
Nicht verstecken – die DRiPHypothese
Da viele zelleigene und virale Proteine nach
ihrer Synthese in verschiedene zelluläre Kompartimente transportiert werden und damit
dem direkten Zugriff des UPS entzogen sind,
stellte sich die Frage nach dem Mechanismus,
der es der Zelle ermöglicht, Proteine für die
Immunantwort zu prozessieren, bevor sie
durch zelluläre Kompartimentierung der Antigenprozessierungsmaschinerie entzogen werden. Eine elegante und effiziente Lösung dieses Problems bestünde darin, einen Teil der
neu translatierten Proteine direkt nach ihrer
Synthese abzubauen. Tatsächlich scheinen
bis zu 30 Prozent der neu synthetisierten Proteine direkt nach ihrer Synthese polyubiquitiniert und durch das Proteasom abgebaut zu
werden [3]. Zur Erklärung wurde angenommen, dass es sich dabei um falsch gefaltete
oder durch inkorrekten Aminosäureeinbau
hervorgerufene fehlerhafte Proteine handelt,
die folglich als DRiPs (defekte ribosomale Proteinprodukte) bezeichnet wurden. Allerdings
ist es schwer vorstellbar, dass ein so großer
Teil neu synthetisierter Proteine defekt ist,
und es ist auch weitgehend ungeklärt, welche Defekte die DRiPs besitzen. Unabhängig
davon, stellen die DRiPs die Hauptquelle für
die vom Proteasom generierten antigenen
Peptide dar und sind somit die scheinbare
Lösung des oben beschriebenen Kompartimentierungsproblems.
Die DRiP-Hypothese erklärt jedoch nicht,
wie nach IFN-γ-Stimulation einer Zelle, die
zu einer Hochregulation der gesamten Antigenpräsentationsmaschinerie inklusive des
i20S-Proteasoms führt, die DRiP-Menge dem
erhöhten Peptidbedarf anpasst wird und welche Rolle das i-Proteasom dabei spielt.
Interferon-γγ macht Stress
Zytokine wie Interferon-γ sind wichtige Induktoren für die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und verursachen oxidativen
Stress, der zu einer oxidativen Schädigung
von Proteinen führen kann. Besonders betroffen sind hiervon vor allem neu synthetisierte, noch nicht vollständig gefaltete Proteine.
Innerhalb von 48 Stunden induziert IFN-γ
einen fast zweifachen Anstieg der intrazellulären ROS-Menge in HeLa-Zellen und humanen Lymphozyten. Parallel dazu kommt es zu
einer äußerst starken, vorübergehenden
BIOspektrum | 06.10 | 16. Jahrgang
Akkumulation oxidierter, polyubiquitinierter
Proteine. Inkubation der Zellen mit antioxidativen Agenzien verhindert die IFN-γ-induzierte oxidative Schädigung und damit auch
die Akkumulation polyubiquitinierter Proteine.
Messbares Zeichen der oxidativen Schädigung neu translatierter Proteine ist der fast
dreifache Anstieg der Menge an DRiPs. Dieser
Anstieg ist unter anderem auch das Resultat
einer durch IFN-γ stimulierten, über mTOR
(mammalian target of rapamycin) vermittelten erhöhten Translationsrate. Das bedeutet,
dass DRiPs tatsächlich defekte ribosomale
Proteine sind und dass durch die erhöhte
Translationsrate sowie die verstärkte oxidative Schädigung der neu synthetisierten Proteine das Substratangebot für die Antigenpräsentation und Immunüberwachung erhöht
wird [4].
Immunoproteasomen als
Schutzfaktor
INF-γ induziert neben der Synthese der
Immununtereinheiten β1i, β2i und β5i auch
die Synthese des Proteasom-Maturierungsproteins POMP, das für eine um den Faktor 3
beschleunigte Assemblierung des i20S-Proteasoms verantwortlich ist. Trotzdem dauert
es nach IFN-γ-Stimulation der Zellen ca. acht
bis zwölf Stunden, bis signifikante Mengen
des i20S-Proteasoms gegen das Standard-20SProteasom ausgetauscht und als Bestandteil
des neu gebildeten i26S-Proteasoms nachweisbar sind. Der durch IFN-γ induzierte Austausch des Standard-Proteasoms gegen das
i-Proteasom macht jedoch eine Disassemblierung des vorhandenen s26S-Proteasoms
notwendig. Dadurch kommt es zu einer vorübergehenden Abnahme der zellulären, proteasomalen Aktivität und aufgrund des durch
IFN-γ induzierten oxidativen Stresses zu einer
starken Akkumulation von Polyubiquitin-Konjugaten. Sichtbares Zeichen ist das vorübergehende Auftreten von ALIS (aggresome-like
induced structures), die zum Schutz nach
Stressinduktion in den Zellen gebildet und
mithilfe von Ubiquitin-Antikörpern nachgewiesen werden können (Abb. 2). Mit der allmählichen Zunahme funktionsfähiger i26SProteasomen, die Polyubiquitin-Konjugate
drei- bis viermal effizienter abbauen, als es
die Standard-26S-Proteasomen können, beschleunigt sich im Laufe der IFN-γ-Stimulation der Zellen der Abbau der PolyubiquitinKonjugate, trotz der weiter bestehenden
hohen DRiP-Rate. Das führt dazu, dass
48 Stunden nach IFN-γ-Stimulation praktisch
alle hochmolekularen Polyubiquitin-Konjugate aus der Zelle entfernt sind (Abb. 2).
Besonders deutlich wird die physiologische
Bedeutung der i-Proteasomen, wenn man den
Abbau der ALIS in embryonalen Mausfibroblasten (MEFs) von i20S-Proteasom-defizienten Mäusen untersucht. Hier zeigt sich,
dass das Fehlen der i-Proteasomen zu einer
kontinuierlichen Akkumulation von ALIS in
den Zellen führt, die jetzt nicht mehr in der
Lage sind, ALIS effizient abzubauen (Abb. 2).
Die besondere Bedeutung von i-Proteasomen
für den Schutz vor IFN-γ-induziertem oxidativen Stress zeigt sich auch in einer zweifach
607_659_BIOsp_0610.qxd
634
22.09.2010
10:15 Uhr
Seite 634
W I S S E N SCH AFT
Die primäre physiologische Funktion des
Immunoproteasoms dient damit vor allem
dem Schutz und der Aufrechterhaltung der
Lebensfähigkeit der Zellen bei Zytokin-induziertem oxidativen Stress (Abb. 3). Dieselbe
zellprotektive Funktion des i-Proteasoms
sorgt andererseits jedoch auch dafür, dass
durch den effizienten Abbau der DRiPs die
Peptidversorgung dem steigenden Bedarf der
durch IFN-γ aktivierten Antigenpräsentationsmaschinerie angepasst wird. In letzter
Konsequenz heißt das, dass durch Aufrechterhaltung des Proteingleichgewichts i-Proteasomen auch die zelluläre Immunanpassung gewährleisten.
ó
Literatur
˚ Abb. 3: IFN-γ induziert oxidativen Stress (reaktive Sauerstoffspezies, ROS). In Verbindung mit
einer gesteigerten Proteinsyntheserate kommt es daher zu einem Anstieg der DRiPs. Aufgrund
ihrer höheren proteolytischen Aktivität bauen i26S-Proteasomen die DRiPs effektiv ab, und es
kommt zu einer verbesserten Antigenpräsentation. In Abwesenheit von i26S-Proteasomen
(LMP7KO) kommt es zu einer Akkumulation der Polyubiquitin-Konjugate, der Bildung von ALIS und
gesteigerter Apoptoserate.
erhöhten Apoptoserate und einer erhöhten
Sensitivität gegenüber Apoptose-Induktoren
der i-Proteasom-defizienten, embryonalen
Fibroblastenzellen der Maus.
Immunoproteasomen spielen damit nicht
nur eine zentrale Rolle bei der Beseitigung
aggregierter, oxidativ geschädigter Proteine,
sondern sorgen gleichzeitig auch für die Aufrechterhaltung des Proteingleichgewichts in
entzündungsexponierten Geweben. Dieser
protektive Effekt wird auch in einem Mausmodel für Multiple Sklerose deutlich, in dem
das Fehlen funktionsfähiger i-Proteasomen
zu stark verschlechterten klinischen Parametern und zu einem chronischen Verlauf der
Erkrankung mit Ablagerungen von Proteinaggregaten in neuronalen Zellen führt. Die
entzündungsabhängige Akkumulation von
Proteinaggregaten in neuronalen Zellen deutet darauf hin, dass in Kombination mit oxidativem Stress eine Inhibierung des UPS oder
eine partielle Dysfunktion des i-Proteasoms in
Neuronen ursächlich mit an der Entstehung
neurodegenerativer Erkrankungen mit intrazellulärer Proteinaggregatbildung beteiligt
sein kann.
[1] Benham AM, Neefjes JJ (1997) Proteasome activity limits
the assembly of MHC class I molecules after IFN-gamma stimulation. J Immunology 159:5896–5904
[2] Kloetzel PM (2001) Antigen processing by the proteasome. Nat Rev Mol Cell Biol 2:179–187
[3] Schubert U, Antón LC, Gibbs J et al. (2000) Rapid degradation of a large fraction of newly synthesized proteins by proteasomes. Nature 404:770–774
[4] Seifert U, Bialy LP, Ebstein F et al. (2010)
Immunoproteasomes preserve protein homeostasis upon
interferon-induced oxidative stress. Cell 142:613–624
[5] Kloetzel PM (2004) Generation of major histocompatibility complex class I antigens: functional interplay between proteasomes and TPPII. Nat Immunol 5:661–669
Korrespondenzadresse:
Prof. Dr. Peter-M. Kloetzel
Institut für Biochemie
Charité Universitätsmedizin Berlin
Oudenarder Straße 16
D-13347 Berlin
Tel.: 030-450528-142/071
Fax: 030-450528-921
[email protected]
AUTOREN
Elke Krüger
Ulrike Seifert
Peter-Michael Kloetzel
Jahrgang 1968. 1987–1992 Biologiestudium; 1996 Promotion
an der Universität Greifswald.
1997–1999 Postdoktorat bei
Prof. Hecker in Greifswald. Seit
1999 Projektgruppenleiter am
Institut für Biochemie, Charité
Berlin. 2008 Habilitation. Seit
2009 Professorin für Biochemie
an der Charité.
Jahrgang 1969. 1988–1995 Humanmedizinstudium; 1995 Promotion an der Medizinischen
Hochschule Hannover. Seit 1997
am Institut für Biochemie,
Charité Berlin. Seit 2003 Leiterin der Projektgruppe MHC
Klasse I Epitop-Generierung.
Jahrgang 1948. 1970–1976
Biologie- und Biochemiestudium; 1979 Promotion HHU
Düsseldorf. 1985 Habilitation
in Heidelberg. Seit 1993
Direktor des Instituts für Biochemie, Charité Berlin. Seit
2005 Wissenschaftlicher
Direktor Charité Centrum II für
Grundlagenmedizin.
BIOspektrum | 06.10 | 16. Jahrgang