SFB 728

Teilprojekt A6
Nanopartikel-induzierte zelluläre Seneszenz: Die Rolle von Veränderungen der funktionellen Architektur, Proteolyse und Proteinaggregation im Zellkern

Die Struktur und Funktion des Zellkerns (Nukleus) spielt eine prominente Rolle bei zellulärer Seneszenz. Extrinsische Seneszenz ist durch Überexpression von Onkogenen und Tumorsuppressoren, DNS-Schädigung und mitogene Stimuli induzierbar. Dagegen besteht die intrinsische zelluläre Seneszenz in der Limitierung der replikativen Lebensspanne von Fibroblasten. Erste Hinweise für eine Verbindung zwischen nukleärer Architektur und Alterungsprozessen lieferten Beobachtungen in der Hefe, die eine modifizierte nukleäre Lokalisation von alternsassoziierten Genprodukten und eine veränderte Morphologie des Nukleolus in alternden Hefezellen beschrieben haben. Veränderungen der funktionellen Architektur des Zellkerns sind zudem diagnostisch für Progerie-Syndrome, z.B. das Werner's-Syndrom und die Hutchinson-Gilford-Progerie. Es ist bislang nicht systematisch untersucht worden, welche nukleären Prozesse die zelluläre Seneszenz befördern.

In früheren Untersuchungen konnten wir zeigen,  dass Nanopartikel aus Siliziumdioxid (Nano-SiO₂) (1.) die nukleären Funktionen Replikation und Transkription inhibieren, (2.) eine aberrante Proteinaggregation im Nukleoplasma induzieren und (3.) die Zellproliferation blockieren. Es wird ein irreversibler Wachstumsarrest ausgelöst, der die typischen Merkmale zellulärer Seneszenz erfüllt. Nano-SiO₂ induzieren nukleoplasmatische Cluster der Topoisomerase I (Topo I), in denen nukleäre Signaturproteine, Koaktivatoren der Transkription und Komponenten des Ubiquitin-Proteasomen-Systems (UPS) rekrutieren. Zudem lassen sich zelluläre Trinukleotid-„repeat“-Proteine in den Nano-SiO₂-induzierten Proteinclustern nachweisen. Diese Proteine sind ihrerseits charakteristisch für intranukleäre Einschlüsse, die mit neurodegenerativen Proteinaggregationserkrankungen wie der Chorea Huntington, Muskeldystrophien und Alterungsprozessen in Verbindung gebracht werden. Einen direkten Zusammenhang zwischen Proteinaggregation und zellulärer Alterung demonstrieren neuere Ergebnisse aus dem Labor der Antragstellerin: Manche Substanzen, die die Lebensspanne des Nematoden Caenorhabditis elegans verlängern, reduzieren signifikant die Bildung von Nano-SiO₂-induzierten Proteinaggregaten im Nukleoplasma.

Zur Aufklärung der molekularen Mechanismen von Nanopartikel-induzierter zellulärer Seneszenz sollen im Teilprojekt A6 die Struktur, Funktion und Qualitätskontrolle im „alternden“ Zellkern charakterisiert werden. Dazu ist im Projektteil A) ein Analyseprotokoll zur nukleären Morphologie, subnukleären Struktur, Replikation, Transkription, Heterochromatinbildung, Epigenetik und nukleären Proteolyse vorgesehen. In dem Projektteil B) wird der Zusammenhang zwischen zellulärer Seneszenz und Proteinaggregation, bzw. die Rolle des Ubiquitin-Proteasomen-Systems untersucht. Dabei soll auch geklärt werden, ob nukleäre Proteinaggregation bei intrinsischer Seneszenz auftritt. Beide Projektteile werden von einem Monitoring der zellulären Seneszenz begleitet, in dem die Tumorsuppressoren (p53, pRB, PML) und bekannte Seneszenzmarker (p14ARF, beta-Galaktosidase) verfolgt werden und nach neuen nukleären Markern gesucht wird.

Projektrelevante eigene Veröffentlichungen

von Mikecz A (2009): PolyQ fibrillation in the cell nucleus: Who’s bad?  Trends Cell Biol 19 (12): 685-691.

Chen M, von Mikecz A (2009):  Nanoparticle-induced cell culture models for neurodegenerative protein aggregation diseases. Inhalation Toxicology 21 (S1): 110-114.

Pluskota A, Horzowski E, Bossinger O, von Mikecz A (2009): In Caenorhabditis elegans nanoparticle-bio-interactions become transparent: silica-nanoparticles induce reproductive senescence. PLoS One 4 (8): e6622.

Chen M, Singer L, Scharf A, von Mikecz A (2008):  Nuclear polyglutamine-containing protein aggregates as active proteolytic centers.  Journal of Cell Biology 180 (4): 697-704. [highlighted in : Nature Chemical Biology 4: 231 (2008)]

von Mikecz A (2006): The nuclear ubiquitin-proteasome system (nUPS). J Cell Sci 119, 1977-1984.

Chen M, Mikecz A (2005): Formation of nucleoplasmic protein aggregates impairs nuclear function in response to SiO2-nanoparticles. Exp Cell Res 305, 51-62.

Chen M, von Mikecz A (2005): Proteasomal processing of nuclear autoantigens in systemic autoimmunity. Autoimmun Rev 4, 117-122.

Chen M, von Mikecz A (2005): Xenobiotic-induced recruitment of autoantigens to nuclear proteasomes suggests a role for altered antigen processing in scleroderma. Ann NY Acad Sci 1051, 382-389.

Chen M, Dittmann A, Kuhn A, Ruzicka T, von Mikecz A (2005): Recruitment of topoisomerase I (Scl-70) to nucleoplasmic proteasomes in response to xenobiotics suggests a role for altered antigen processing in scleroderma. Arthritis Rheum 52, 877-884.

von Mikecz A (2005): Meet the nuclear ubiquitin-proteasome system (nUPS). Zellbiologie aktuell 31, 30-33.

von Mikecz A (2005): Xenobiotic-induced autoimmunity and protein aggregation diseases share a common subnuclear pathology. Autoimmun Rev 4, 214-218.

Rockel TD, Stuhlmann D, von Mikecz A (2005): Proteasomes degrade proteins in focal subdomains of the human cell nucleus. J Cell Sci 118, 5231-5242.

Chen M, Hemmerich P, von Mikecz A (2002): Platinum-induced autoantibodies target nucleoplasmic antigens related to active transcription. Immunobiol 206, 474-483.

Chen M, Rockel T, Steinweger G, Hemmerich P, Risch J, von Mikecz A (2002): Subcellular recruitment of fibrillarin to nucleoplasmic proteasomes: implications for processing of a nucleolar autoantigen. Mol Biol Cell 13, 3576-3587.

Kießlich A, von Mikecz A, Hemmerich P (2002): Cell cycle-dependent association of PML bodies with sites of active transcription in nuclei of mammalian cells. J Struct Biol 140, 167-179.

Rockel TD, von Mikecz A (2002): Proteasome-dependent processing of nuclear proteins is correlated with their subnuclear localization. J Struct Biol 140, 189-199.

Chen M, von Mikecz A (2000): Specific inhibition of rRNA transcription and dynamic re-location of fibrillarin induced by mercury. Exp Cell Res 259, 225-238.

Chen M, Dahlmann B, Hemmerich P, Rockel D, von Mikecz A (2000): Proteasome-dependent processing of nuclear autoantigens. Autoimmunity, Autoantigens, Autoantibodies 1, 242-248.

Hemmerich P, von Mikecz A (2000): Antinuclear antibodies (ANA): fluorescent highlights on structure and function in the nucleus. Int Arch Allergy Immunol 123, 16-27.

Kießlich A, von Mikecz A, Hemmerich P (2000): The role of nuclear bodies in transcription. Autoimmunity, Autoantigens, Autoantibodies 1, 110-120.

von Mikecz A, Neu E, Krawinkel U, Hemmerich P (1999): Human ribosomal protein L7 carries two nucleic acid-binding domains with distinct specificities. Biochem Biophys Res Commun 258, 530-536.

Hemmerich P, Neu E, Macht M, Peter H-H, Krawinkel U, von Mikecz A (1998): Molecular mimicry between human ribosomal protein L7 and RNA-polymerase sigma subunit from Chlamydia. Eur J Immunol 28, 3857-3866.

Hemmerich P, Bosbach S, von Mikecz A, Krawinkel U (1997): Human ribosomal protein L7 binds RNA with an alpha-helical arginine- and lysine-rich domain. Eur J Biochem 254, 549-556.

Neu E, Hemmerich P, Peter HH, Krawinkel U, von Mikecz A (1997): Characteristic epitope recognition of autoantibodies against ribosomal protein L7 in systemic autoimmune diseases. Arthritis Rheum 40, 661-671.

von Mikecz A, Konstantinov K, Buchwald D, Gerace L, Tan EM (1997): High frequency of autoantibodies to insoluble cellular antigens in chronic fatigue syndrome. Arthritis Rheum 40, 295-305.

Konstantinov K, von Mikecz A, Buchwald D, Jones J, Gerace L, Tan EM (1996): Autoantibodies to nuclear envelope antigens in chronic fatigue syndrome. J Clin Invest 98, 1888-1896.