A role for the ubiquitin domain protein HERP in ER-associated protein degradation [Elektronische Ressource] / von Andrea Schulze

Andrea Rea

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• Biologie

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 9
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

A Role for the Ubiquitin Domain Protein
HERP in ER-associated Protein Degradation


Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)

im Fach Biologie

eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
der Humboldt-Universität zu Berlin

von
Diplom-Biologin Andrea Schulze
geboren am 10.03.1976 in Brilon

Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin
Prof. Dr. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Prof. Thomas Buckhout, PhD


Gutachter: 1.: Prof. Dr. Peter-Michael Kloetzel
2.: Prof. Dr. Wolfgang Dubiel
3.: Prof. Rasmus Hartmann-Petersen, PhD
Tag der mündlichen Prüfung: 27. September 2006



























The great tragedy of science - the slaying of a beautiful hypothesis by an ugly fact.

Thomas Henry Huxley

ABSTRACT 3

ABSTRACT
ER-associated protein degradation (ERAD) is part of the ER quality control system dealing with
the accumulation of misfolded proteins in the ER. This process requires polyubiquitylation of
ERAD substrates involving E3 ligases, such as HRD1, and their subsequent extraction from the
ER membrane by the p97-Ufd1-Npl4 complex. Retrotranslocation of substrates into the cytosol
for degradation by the 26S proteasome also involves the membrane proteins Derlin-1 and VIMP,
which are associated with p97 to form a protein complex.
The ER-resident protein HERP was shown to be upregulated by the unfolded protein
response pathway (UPR) upon the accumulation of misfolded proteins in the ER. It was
therefore considered to function in ERAD. Interestingly, HERP contains a UBL domain. In
other proteins this domain facilitates an interaction with the proteasome, suggesting that HERP
might recruit the proteasome to the ER membrane for efficient ERAD. The aim of this study
was to investigate the function of HERP within the UPR.
The findings presented here demonstrate that HERP is essential for the degradation of a
model ERAD substrate. Thus, HERP indeed has a role in ERAD. Moreover, the data show that
HERP directly interacts with the E3 ligase HRD1 and the two proteins form a common protein
complex with p97, Derlin-1 and possibly also with VIMP. This suggests that both ubiquitylation
and retrotranslocation of ER proteins are performed by one protein complex, enabling an
efficient processing of ERAD substrates.
This study also demonstrates that the UBL domain of HERP does not share the
proteasome binding property of other UBL domains, suggesting that proteasome binding cannot
be considered a general feature of all UBL domains. Instead, the HERP UBL domain is able to
interact with the deubiquitylating enzyme USP7. Therefore, deubiquitylation might also be an
important aspect in the proteasome-dependent degradation of misfolded ER proteins.




ZUSAMMENFASSUNG 4

ZUSAMMENFASSUNG
Die ER-assoziierte Proteindegradation (ERAD) ist Teil des Qualitätskontrollsystems am ER, um
der Akkumulation von fehlgefalteten Proteinen im ER entgegenzuwirken. Hierbei werden
ERAD-Substrate mit Hilfe von E3-Ligasen wie z.B. HRD1 ubiquityliert und anschließend durch
den p97-Ufd1-Npl4 Komplex aus der ER-Membran extrahiert. Im Zytosol werden diese
extrahierten Proteine vom 26S Proteasom abgebaut. Für die Retrotranslokation von ERAD-
Substraten werden zudem die Membranproteine Derlin-1 und VIMP benötigt, welche mit p97
assoziieren und einen Proteinkomplex bilden.
HERP ist ein ER-lokalisiertes Protein, dessen Synthese durch den UPR (unfolded protein
response) als Antwort auf die Akkumulation von fehlgefalteten Proteinen im ER induziert wird.
Dies deutet auf eine Rolle von HERP im ERAD hin. Interessanterweise besitzt HERP eine
sogenannte UBL-Domäne. Für andere Proteine mit UBL-Domäne konnte eine Interaktion dieser
Domäne mit dem Proteasom nachgewiesen werden. Daher kann angenommen werden, dass
HERP ebenfalls mit dem Proteasom interagiert und dies zur ER-Membran rekrutiert, wo es für
den Abbau von ERAD-Substraten benötigt wird. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die
Rolle von HERP innerhalb des UPR zu ermitteln.
Die hier präsentierten Daten zeigen, dass HERP essentiell für den Abbau des ERAD-
Modell-Substrates CD3-delta ist. Somit hat HERP tatsächlich eine Rolle im ERAD. Außerdem
wird eine direkte Interaktion von HERP mit der E3-Ligase HRD1 nachgewiesen. Es wird zudem
gezeigt, dass HERP und HRD1 einen Proteinkomplex mit p97, Derlin-1 und eventuell auch mit
VIMP bilden. Dieser ERAD Komplex ist folglich sowohl für die Ubiquitylierung als auch die
Retrotranslokation von ERAD-Substraten verantwortlich und garantiert somit die effiziente
Prozessierung von Proteinen aus dem ER.
Zudem wird gezeigt, dass die UBL-Domäne von HERP im Gegensatz zu anderen UBL-
Domänen nicht mit dem Proteasom interagiert. Somit kann nicht mehr davon ausgegangen
werden, dass Proteasombindung eine Gemeinsamkeit aller Proteine mit UBL-Domäne ist.
Dagegen wird eine Interaktion der UBL-Domäne von HERP mit dem deubiquitylierenden
Enzym USP7 nachgewiesen. Dies deutet darauf hin, dass auch Deubiquitylierung eine wichtige
Rolle im ERAD-Prozess spielt.


KEYWORDS / SCHLAGWORTE 5

Keywords
HERP, HERPUD1, UBL domain, ubiquitin-like domain, ubiquitin domain protein, UPR,
endoplasmic reticulum, ERAD, ubiquitin, ubiquitylation/ubiquitination, retrotranslocation,
protein degradation, proteasome, HRD1, p97/VCP/Cdc48, Derlin-1, VIMP, USP7, protein
complex.

Schlagworte
HERP, HERUD1, UBL-Domäne, Ubiquitin-ähnliche Domäne, Ubiquitin Domänen Protein,
UPR, Endoplasmatisches Retikulum, ERAD, Ubiquitin, Ubiquitylierung/Ubiquitinierung,
Retrotranslokation, Proteindegradation, Proteasom, HRD1, p97/VCP/Cdc48, Derlin-1, VIMP,
USP7, Proteinkomplex

TABLE OF CONTENTS 6

TABLE OF CONTENTS
Abstract................................................................................................................................. 3
Zusammenfassung ............................................................................................................... 4
Keywords....... 5
Schlagworte .......................................................................................................................... 5
Table of Contents ................................................................................................................. 6
1 Introduction 9
1.1 The ubiquitin-proteasome system................................................................................................ 9
1.1.1 The ubiquitin conjugation cascade .............................................................................................. 9
1.1.2 E3 ligases ....................................................................................................................................... 11
1.1.3 Diverse functions of ubiquitylation........................................................................................... 13
1.1.4 The 26S proteasome .................................................................................................................... 13
1.1.5 Deubiquitylating enzymes ........................................................................................................... 14
1.2 Ubiquitin domain proteins (UDPs) ........................................................................................... 15
1.2.1 Ubiquitin and ubiquitin-like proteins ........................................................................................ 15
1.2.2 UDPs as substrate carriers for the proteasome ....................................................................... 16
1.2.3 UDPs as ubiquitin-protein ligases..............................................................................................19
1.2.4 Other functions of UDPs within the ubiquitin-proteasome system .................................... 19
1.3 Unfolded protein response and ER-associated degradation.................................................. 20
1.3.1 The endoplasmic reticulum and ER quality control ............................................................... 20
1.3.2 Recognition of unfolded proteins in the ER............................................................................ 21
1.3.3 The unfolded protein response ..................................................................................................22
1.3.4 ER associated protein degradation (ERAD) 23
1.3.5 Other ERAD substrates.............................................................................................................. 25
1.3.6 ER stress induced apoptosis....................................................................................................... 26
1.3.7 The UDP HERP and the unfolded protein response ............................................................ 26
1.4 Aim of this study ...........................................................