Protein recognition and degradation via the N-end rule pathway

Abstract

Proteine gehören zu den fundamentalen Hauptbestandteilen jeder Zelle eines lebenden Organismus. Sie spielen beispielsweise als Katalysatoren oder Energiespeicher zentrale Rollen in unzählbaren biochemischen und zellbiologischen Zusammenhängen. Proteine können nur fehlerfrei funktionieren, wenn sie in der richtigen Konzentration und Form vorkommen. Ein grundlegendes Verständnis der der Proteinstabilität zugrundeliegenden Faktoren hat weitreichende molekularbiologische Bedeutung. Die Untersuchung der molekularen Hintergründe von Proteinerkennung, -stabilität und spezifischen Proteinabbauwegen tragen zu einem Verständnis von vielen biologischen Fragestellungen bei. In unserer Arbeitsgruppe untersuchen wir die molekularen Regulationsmechanismen und biologischen Funktionen dieser Prozesse in der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) - der derzeit bestuntersuchte pflanzliche Modellorganismus -, kombiniert mit genetischen und zellbiologischen Methoden sowie modernster Biochemie. Dabei legen wir besonderes Augenmerk auf den sogenannten N-end rule pathway, die beispielsweise der Erkennung und dem Abbau von Proteinen aufgrund struktureller Merkmale dient und die eine wichtige Rolle bei der Beseitigung von fehllokalisierten und potentiell toxischen Proteinen spielt. In verschiedenen Unterprojekten geht es darum, sowohl beteiligte molekulare Komponenten aufzuspüren aber auch solche Proteine zu identifizieren, die spezifisch durch die Maschinerie erkannt und abgebaut werden. Somit gliedern sich die Projekte in die Isolierung, Charakterisierung und funktionelle Analyse von Mutanten der Signalwege sowie die Integration in biologische Zusammenhänge.

The activity and abundance of proteins within a cell are precisely controlled to ensure the physiological regulation of cellular processes. Protein quality control systems sense proteins that need to be removed from the cell. In eukaryotes, this can be achieved by targeting specific proteins for degradation by the Ubiquitin-proteasome system. The N-end rule pathway is a subset of the Ubiquitin-proteasome system and targets proteins for degradation mainly depending on the identity of a protein’s N-terminal residue or its post-translational modifications involving a hierarchical cascade of highly specific enzymes. This cascade comprises E3 Ubiquitin protein ligases, aminoacyltransferases, deamidases and dioxygenases. My main interest is on protein homeostasis (proteostasis) mediated by posttranslational protein modifications via these highly diverse enzymes and includes enzymatic mechanisms and their regulation, substrate identification and genetics of the N-end rule modification system, its role in stress conditions and development and harnessing the N-end rule pathway for genetic and biotechnological applications. Here, I describe molecular principles as well as recently found functions and applications of the N-end rule pathway. I highlight on the one hand a potentially predominant role in break-down of regulatory proteins and targets undergoing proteolytic cleavage as part of their posttranslational modification. On the other hand, I demonstrate distinct applications for the N-end rule pathway in multicellular organisms that can be used as tools in genetic and biotechnological contexts. A focus is on our current understanding of N-end rule substrate formation by protease cleavage and the roles and bottlenecks of state-of-the-art techniques in substrate identification and characterization of the role of the N-end rule in physiological processes.