Analyse des Einflusses von UCH-L1 auf den Proteinumsatz in Neuronen

Abstract

Die Ubiquitin C-terminale Hydrolase L1 (UCH-L1) ist ein deubiquitinierendes Enzym, welches einen wichtigen Bestandteil des neuronalen Ubiquitin-Systems darstellt und bis zu 5% des gesamtlöslichen Proteins im Hirn ausmacht . Des Weiteren spielt UCH-L1 eine wichtige Rolle bei Tumorerkrankungen, bestimmten Nierenerkrankungen und ist mit verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen wie dem Morbus Parkinson oder der Lewy-Körperchen-Demenz assoziiert. Bekannte UCH-L1-defiziente Mäuse entwickeln ab der 6. Lebenswoche eine neurodegenerative Erkrankung und versterben früh im Alter von ca. 25 Wochen. Die spontanen Mutanten „gad“ und „nm3419“ exprimieren im Hirn dabei trunkierte UCH-L1-Transkripte. UCH-L1-defiziente Tiere zeigen einen reduzierten Gehalt an Monoubiquitin und eine Überaktivierung von mTORC1 bei Unterdrückung von mTORC2. Der exakte Mechanismus hinter dieser Beeinflussung von mTORC 1 und 2 ist unbekannt. Für diese Arbeit wurden konstitutive Knock-out Mäuse verwendet (UCH-L1-KO), die durch Deletion der Promotorregion bis Exon 3 keinerlei UCH-L1 Transkript oder Protein mehr exprimieren. Die Arbeit sollte die Frage beantworten, auf welche Weise UCH-L1 den Proteinumsatz in Neuronen beeinflusst und welche Bedeutung dies für die Neurodegeneration im UCH-L1-Knockout hat. Die Ergebnisse zeigen, dass eine UCH-L1-Defizienz zu einer erhöhten mTORC1-abhängigen Proteinsynthese bei gleichzeitig reduzierter Autophagozytose und überlastetem Ubiquitin-Proteasomalen-System (UPS) führt. Diese Kombination führt zu ER-Stress, welcher nach einiger Zeit nicht mehr kompensiert werden kann und vermutlich eine „unfolded protein response“ (UPR) auslöst, welche letztlich zur klinischen Symptomatik führt. Veränderungen in der Proteinbiosynthese, dem Fettstoffwechsel sowie der Autophagozythose und dem Ubiquitin-Proteasomalen System sind dabei bereits vor Beginn der Symptomatik messbar. Das Level an mono-Ubiquitin ist hingegen in präsymptomatischen Uch-l1d/d nicht verändert. Dies deutet auf eine frühe Beeinflussung der neuronalen Entwicklung durch UCH-L1 hin, welche zum einen bei heterozygoten Tieren schwächer ausfällt und zum anderen durch Rapamycin behandelt werden kann. Letzteres bietet die Möglichkeit eines individuellen Heilversuchs der von Bilguvar et al. beschriebenen Familie mit Neurodegeneration und Punktmutation des UCH-L1-Gens. Möglichweise lassen sich jedoch auch spezifische Zeitfenster finden, in denen eine prophylaktische Therapie zur Vorbeugung von neurodegenerativen Erkrankungen wie Morbus Alzheimer möglich ist. Zusätzlich bietet die Bedeutung von UCH-L1 für den Fettstoffwechsel in neurodegenerativen Erkrankungen interessante Fragen für zukünftige Forschung.

Ubiquitin C-terminal hydrolase L1 (UCH-L1) is a deubiquitinating enzyme which is predominantly expressed in the brain where it represents up to 5% of total soluble protein and takes a crucial part in the neuronal ubiquitin system. It is known for its role in tumour metabolism, specific kidney diseases and several neurodegenerative illnesses like Parkinson’s disease or Lewy body dementia. The spontaneous UCH-L1 mutants gad and nm3419 develop a neurodegenerative disease at the age of 6 weeks leading to death with approximately 25 weeks of age. Those mutants express a truncated UCH-L1 and show a reduced level of mono ubiquitin.In nm3419 UCH-L1 deficiency leads to an overactivated mTORC1 while mTORC2 is suppressed. The underlying mechanism is unknown. For this work we used a new mouse model of UCH-L1-deficiency deleting the promotor region up to exon 3 leading to a complete loss of any UCH-L1 transcript or protein. Our goal was to examine how UCH-L1 interacts with the protein metabolism in neurons and how this would affect the neurodegeneration. The results show that UCH-L1-deficiency leads to an increased mTORC-1 dependent protein synthesis with impaired function of both autophagy and ubiquitin-proteasomal-system (UPS). This induces ER-stress leading to an unfolded protein response (UPR) ending in neurodegeneration. Markers of protein-synthesis, autophagy and UPS are already changed in pre symptomatic Uch-l1d/d while there are no changes in the monoubiquitin level pointing towards an early importance of UCH-L1 for neuronal development. The impact of UCH-L1 on neurodegeneration is level-dependent since Uch-l1d/+ showed less symptoms. Strikingly, treatment with rapamycin ameliorated the neurodegenerative phenotype in Uch-l1d/d and Uch-l1d/+. This could lead to a possible treatment of patients with neurodegeneration and mutation of UCH-L1. In addition, future research could determine specific time-points for preventive treatment of neurodegenerative illnesses. Also of note, UCH-L1 seems to have a role in the lipid-metabolism which opens new questions for future research.