Die Skelettmuskulatur dient nicht nur der Bewegung und Kraftproduktion, sondern sie stellt das größte Aminosäure- und Kohlenhydratreservoir im Körper dar. Die Balance des Aminosäurestoffwechsels im Muskel spielt eine wichtige Rolle für den gesamten Organismus. Die Skelettmuskulatur ist in der Lage schnell auf viele physiologische Impulse, wie Veränderung der Ernährungsgewohnheiten, hormonelle Stimulation, kontraktile Aktivität und körperliche Beanspruchung zu reagieren. Diese Flexibilität des Skelettmuskels wird durch unterschiedliche Proteinklassen und ihre reversiblen post-translationalen Modifikationen (PTMs) reguliert. Ein Charakteristikum des Skelettmuskels sind die unterschiedlichen Fasertypen, die für ausdauernde oder schnelle Kontraktionen ausgelegt sind. In der Tat zeigen Muskelfasern zelltyp-spezifische Regulationen und reagieren unterschiedlich auf Umweltveränderungen.Der Schwerpunkt dieser Dissertation war die Charakterisierung der potentiellen Methyltransferase Mettl21c, welche primär in langsamen Muskelfasern exprimiert wird. Die Inaktivierung von Mettl21c in Mäusen durch homologe Rekombination konnte zeigen, dass Mettl21c den autophagosomalen-lysosomalen Signalweg reguliert. Es ist jedoch völlig unklar, wie Protein-Methylierungen die Proteolyse in unterschiedlichen Fasertypen reguliert.Vorherige Studien zeigten, dass Methylierungen von Proteinen die Interaktionen, die Proteinstabilität und aktivität, sowie den Protein-Turnover und die zelluläre Lokalisation beeinflussen können. Folglich wird eine Fehlregulation von Methylierungsmustern mit der Pathologie vieler bekannter humaner Krankheiten wie Krebs, metabolischen, inflammatorischen und neurodegenerativen Erkrankungen assoziiert. Kürzlich wurde die METTL21 Familie als neue Klasse I Methyltransferasen identifiziert, die vorzugsweise Chaperone wie HSP70 und Valosin-containing protein (VCP, auch bekannt als p97 und cdc48) ansteuert und reguliert. Dies bringt die METTL21 Familie in direkten Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Einschlusskörper-Myopathie assoziiert mit einem M. Paget der Knochen und einer frontotemporalen Demenz (IBMPFD - inclusion body myopathy associated with Paget disease of the bone and frontotemporal dementia) sowie familiären Formen der amyotrophischen Lateralsklerose.Im Rahmen dieser Arbeit konnte ich zeigen, dass Mettl21c stark in langsamen Muskelfasern exprimiert wird. Mettl21c ist in der Z-Scheibe lokalisiert, in der sich viele Signalproteine befinden, die vor allem die Muskelhomöostase regulieren. Die Deletion des Mettl21c Gens in Mäusen verursacht eine massive Abnahme der Skelettmuskelleistung, was klar auf Störungen des Muskelstoffwechsels hindeutet. Eine pathologische Fehlregulation des autophagischen Flusses beeinträchtigt den Stoffwechsel des Skelettmuskels bei körperlicher Anstrengung. Um die molekulare und zelluläre Funktion von Mettl21c genauer zu untersuchen, wurden quantitative Protein-Protein-Interaktionsstudien basierend auf massenspektrometrischen Analysen durchgeführt. Diese Experimente zeigten eine starke Interaktion zwischen Mettl21c und mehreren Chaperonen, darunter Valosin-containing protein (Vcp). Vcp wird eine zentrale Rolle bei der Reifung der Autophagosomen und Fusion mit Lysosomen zugesprochen. Somit könnte Mettl21c eine Funktion bei der Regulation des Autophagie-Prozesses spielen. Morphologische Analysen mittels Elektronenmikroskopie zeigten eine Akkumulation von autophagosomalen Vakuolen in Mettl21c defizienten Muskeln. In-vitro Methylierungsassays und massenspektrometrische Analysen zeigten, dass Mettl21c Vcp am Lysin-315 trimethyliert. Diese Daten waren in Einklang mit einer verminderten Vcp Trimethylierung in langsamen Soleus Muskelfasern von Mettl21c-/- Mäusen. In einer vorangegangen Studie konnte gezeigt werden, dass eine Methylierung am Lysin-315 die ATPase/D1 Aktivität von VCP herabsetzt [2]. Zudem konnte eine verminderte Interaktion zwischen Vcp und dem inhibitorischen Kofaktor Nsfl1c in Mettl21c-/- Mäusen aufgezeigt werden. Nsfl1c ist als wichtiger Kofaktor für Vcp bekannt und eine reduzierte Interaktion erhöht vermutlich die ATPase Aktivität von Vcp. Ein Verlust der ATPase-Aktivität von Vcp führt zu neurodegenerativen Erkrankungen und hiermit verwandten Myopathien, vermutlich ausgelöst durch die Akkumulation toxischer Proteine.Durch diese Arbeit konnte ein wichtiger Beitrag zum Verständnis für die Regulation der Autophagie im langsamen Skelettmuskel durch das Zusammenspiel von Chaperonen wie Vcp, deren Kofaktoren und skelettmuskelspezifischen Methyltransferasen wie Mettl21c erbracht werden.
Verknüpfung zu Publikationen oder weiteren Datensätzen
