Cross-talk between α-synuclein post-translational modifications in yeast as model of Parkinson’s disease

Abstract

Posttranslationale Modifikationen modulieren verschiedene Charakteristika von Proteinen. Sie können die Aktivität, Lokalisierung und Stabilität ihrer Substrate regulieren, verändern aber auch Eigenschaften und Strukturvon Proteinen, die mit Krankheiten assoziiert sind. Ein wichtiges Kennzeichen der Parkinson-Krankheit ist die Akkumulation von Proteinaggregaten (Lewy Körperchen). Dies führt zu neuronalem Zelltod durch verschiedene, bisher oft unbekannte Mechanismen. α-Synuclein, ein präsynaptisches, neuronales Protein, ist der Hauptbestandteil der Lewy-Körperchen und spielt eine wichtige Rolle in der Pathogenese der Parkinson-Krankheit. Es unterliegt verschiedenen posttranslationalen Modifikationen unter pathologischen Bedingungen. Die Zytotoxizität und Aggregation von α-Synuclein kann in Hefe imitiert werden. In dieser Studie werden zwei wichtigen posttranslationalen Modifikationen von α-Synuclein, Sumoylierung und Phosphorylierung von Serin 129 (S129), untersucht. Heterolog exprimertes Wildtyp-α-Synuclein und die A30P Mutante sind in Hefe an den gleichen Resten, Lysin 96 (K96) und Lysin 102 (K102), sumoyliert wie im Menschen. Eine Absenkung des zellulären Pools des Ubiquitin-ähnlichen Proteins SUMO führte zu einer starken Wachstumsreduktion von Zellen, welche α-Synuclein exprimieren. Dies korrelierte mit einer erhöhten Zahl an Zellen, die Einschlüsse bildeten. Dies legt nahe, dass Sumoylierung die Hefen vor α-Synuclein vermittelter Toxizität und Einschlussbildung schützt. Die Expression von sumoylierungsdefizienten α-Synuclein verursachte die gleiche Wachstumsrate, was die protektive Rolle der α-Synuclein Sumoylierung in cis bestätigt. Eine Überexpression der humanen Kinasen GRK5 und PLK2 erhöhten den Anteil an S129 phosphoryierten α-Synuclein. Interessanterweise wurde die α-Synuclein–vermittelte Zytotoxizität in Zusammenhang mit einer beeinträchtigten Sumoylierung durch eine höhere Kinase-abhängige S129 α-Synuclein Phosphorylierungsrate kompensiert. Phosphorylierung reduzierte die Einschlussbildung und verminderte die Wachstumshemmung. Um mehr Einblicke in eine plausible wechselseitige Beeinflussung zwischen α-Synuclein Sumoylierung und S129 Phosphorylierung zu erhalten, wurde die Beseitigung der α-Synuclein Aggregate beobachtet. Promotor „shut-off“ Studien wurden parallel mit chemischer Inhibition der zellulären Abbauwege durchgeführt. In der Abwesenheit von SUMO wurden α-Synuclein-Aggregate hauptsächlich durch das Ubiquitin-Proteasom-System abgebaut. Dies legt nahe, dass Sumoylierung den Abbau der α-Synuclein-Aggregate durch Autophagie unterstützt. In Anwesenheit der humanen Kinasen GRK5 oder PLK2, wurden die sumoylierungsdefizienten α-Synuclein-Aggregate Kinasen abhängig sowohl dem Ubiquitin-Proteasom als auch dem Autophagie-System zugeführt. Dies ging einher mit einem veränderten Ubiquitinierungs-Profil von α-Synuclein. GRK5 war in der Lage den Abbau von sumoylierungsdefizienten α-Synuclein-Aggregaten durch Autophagie partiell zu retten und außerdem das Proteasom-System zu unterstützen. In Abwesenheit von SUMO, wenn PLK2 überexprimiert wird, trugen beide Abbauwege gleich stark zur Beseitigung der α-Synuclein-Aggregate bei. Diese wechselseitige Beeinflussung zwischen α-Synuclein Phosphorylierung und Sumoylierung könnte neue Wege für eine therapeutische Intervention in der Parkinsonkrankheit und anderen Synucleinopathien eröffnen.