The expanding number of members in the various human heat shock protein (HSP) families and the inconsistencies in their nomenclature have often led to confusion. Here, we propose new guidelines for the nomenclature of the human HSP families, HSPH (HSP110), HSPC (HSP90), HSPA (HSP70), DNAJ (HSP40), and HSPB (small HSP) as well as for the human chaperonin families HSPD/E (HSP60/HSP10) and CCT (TRiC). The nomenclature is based largely on the more consistent nomenclature assigned by the HUGO Gene Nomenclature Committee and used in the National Center of Biotechnology Information Entrez Gene database for the heat shock genes. In addition to this nomenclature, we provide a list of the human Entrez Gene IDs and the corresponding Entrez Gene IDs for the mouse orthologs.

Head and neck cancer is the fifth most common malignancy and accounts for 3% of all new cancer cases each year. Despite relatively high survival rates, the quality of life of these patients is severely compromised because of radiation-induced impairment of salivary gland function and consequential xerostomia (dry mouth syndrome). In this study, a clinically applicable method for the restoration of radiation-impaired salivary gland function using salivary gland stem cell transplantation was developed. Salivary gland cells were isolated from murine submandibular glands and cultured in vitro as salispheres, which contained cells expressing the stem cell markers Sca-1, c-Kit and Musashi-1. In vitro, the cells differentiated into salivary gland duct cells and mucin and amylase producing acinar cells. Stem cell enrichment was performed by flow cytrometric selection using c-Kit as a marker. In vitro, the cells differentiated into amylase producing acinar cells. In vivo, intra-glandular transplantation of a small number of c-Kit+ cells resulted in long-term restoration of salivary gland morphology and function. Moreover, donor-derived stem cells could be isolated from primary recipients, cultured as secondary spheres and after re-transplantation ameliorate radiation damage. Our approach is the first proof for the potential use of stem cell transplantation to functionally rescue salivary gland deficiency.

Misfolding and aggregation are associated with cytotoxicity in several protein folding diseases. A large network of molecular chaperones ensures protein quality control. Here, we show that within the Hsp70, Hsp110, and Hsp40 (DNAJ) chaperone families, members of a subclass of the DNAJB family (particularly DNAJB6b and DNAJB8) are superior suppressors of aggregation and toxicity of disease-associated polyglutamine proteins. The antiaggregation activity is largely independent of the N-terminal Hsp70-interacting J-domain. Rather, a C-terminal serine-rich (SSF-SST) region and the C-terminal tail are essential. The SSF-SST region is involved in substrate binding, formation of polydisperse oligomeric complexes, and interaction with histone deacetylases (HDAC4, HDAC6, SIRT2). Inhibiting HDAC4 reduced DNAJB8 function. DNAJB8 is (de)acetylated at two conserved C-terminal lysines that are not involved in substrate binding, but do play a role in suppressing protein aggregation. Combined, our data provide a functional link between HDACs and DNAJs in suppressing cytotoxic protein aggregation.

Abstract Amyloidogenic protein aggregation is a hallmark of several human neurodegenerative conditions, including Alzheimer’s, Parkinson’s, and Huntington’s disease (HD). Mutations and/or environmental stresses trigger conformational transition of specific proteins to amyloids, conferring them with gain of toxic function, which eventually leads to cell death in distinct brain areas. Cumulative data indicate that modulation of specific molecular chaperones can alleviate many of the pathological features of protein aggregation diseases. We previously showed that the Hsp70 co-chaperone DNAJB6 is among the strongest suppressors of amyloid aggregation, and that moderate DNAJB6 overexpression significantly extents lifespan of a mouse model of aggressive HD pathology. DNAJB6 alone delays amyloidogenic aggregation in vitro by several orders of magnitude at substoichiometric ratios, but its activity in cells is less efficient, albeit still markedly superior to most known anti-amyloidogenic agents. This suggests that downstream PQC factors are necessary for full DNAJB6-mediated suppression of aggregation in vivo , which might have to be co-stimulated in therapeutic strategies targeting DNAJB6 action. We explored here the PQC pathways required for optimal DNAJB6 inhibition of polyglutamine (polyQ) aggregation, focusing on the two main cellular proteolytic machineries: proteasomes and macroautophagy. Unexpectedly, DNAJB6 activity was largely insensitive to chemical blockage of either degradative pathway. Instead, live cell imaging unveiled a co-condensation mechanism of DNAJB6 with mobile polyQ assemblies. DNAJB6 was not required for polyQ condensation, but its expression increased the percentage of cells with mobile condensates by a factor of 3, suggesting that DNAJB6 prevents polyQ condensates to convert from the soluble to the solid state. This in turn, may keep the polyQ peptides competent for (regulated) degradation and accessible to factors allowing its extraction from the condensed state.

SUMMARY J-domain protein (JDP) molecular chaperones have emerged as central players that maintain a healthy proteome. The diverse members of the JDP family function as monomers/dimers and a small subset assemble into micron-sized oligomers. The oligomeric JDP members have eluded structural characterization due to their low-complexity, intrinsically disordered middle domains. This in turn, obscures the biological significance of these larger oligomers in protein folding processes. Here, we identified a short, aromatic motif within DNAJB8, that drives self-assembly through ν-ν stacking and determined its X-ray structure. We show that mutations in the motif disrupt DNAJB8 oligomerization in vitro and in cells. DNAJB8 variants that are unable to assemble bind to misfolded tau seeds more specifically and retain capacity to reduce protein aggregation in vitro and in cells. We propose a new model for DNAJB8 function in which the sequences in the low-complexity domains play distinct roles in assembly and substrate activity. HIGHLIGHTS DNAJB8 oligomerization is mediated by a short phenylalanine-based motif in the S/T domain Mutation of a single phenylalanine yields a monomeric form of DNAJB8 Monomeric DNABJ8 binds to an aggregation-prone substrate Monomeric DNAJB8 retains substrate aggregation prevention activity

Abstract The collapse of protein homeostasis manifests itself in a toxic protein aggregation cascade, which is associated with degenerative diseases and aging. To solubilize aggregates, dedicated protein disaggregases exist in unicellular organisms, but these have no nuclear/cytosolic orthologs in metazoa. Alternative metazoan disaggregation machines have been described, but how these are operated and regulated in vivo remained unknown. We show that protein disaggregases are functionally diversified in human cells to efficiently target different types of stress-induced aggregates in sequential and temporally distinct phases. In particular, we show the selective assembly of an Hsp70-DNAJA1-DNAJB1 trimeric disaggregase that forms during late phase of stress recovery., i.e. , after VCP-dependent solubilization of non-native proteins that accumulate in cellular condensates such as nucleoli or stress granules. When activated, the trimeric disaggregase provides resistance to stress toxicity and contributes to amyloid disposal. Strikingly, this disaggregase collapses early in cells undergoing replicative aging with important underlining pathophysiological consequences.

Biogenesis of nuclear pore complexes (NPCs) includes the formation of the permeability barrier composed of phenylalanine-glycine-rich nucleoporins (FG-Nups) that regulate the selective passage/crossing of biomolecules. The FG-Nups are intrinsically disordered and prone to liquid-liquid phase separate 1,2 and aggregate when isolated 3 . It has remained largely unclear how FG-Nups are protected from making inappropriate interactions during NPC biogenesis. We found that DNAJB6, a molecular chaperone of the heat shock protein network, formed foci next to NPCs. The number of these foci decreases upon removal of proteins involved in the early steps of interphase NPC biogenesis. Reversely, when this process is stalled in the last steps, the number of DNAJB6-containing foci increases and they could be identified as herniations at the nuclear envelope (NE). Immunoelectron tomography showed that DNAJB6 localizes inside the lumen of the herniations arising at NPC biogenesis intermediates. Interestingly, loss of DNAJB6 results in annulate lamellae, which are structures containing partly assembled NPCs associated with disturbances in NPC biogenesis. We find that DNAJB6 binds to FG-Nups and can prevent the aggregation of the FG-region of several FG-Nups in cells and in vitro . Together, our data show that DNAJB6 provides quality control during NPC biogenesis and is the first molecular chaperone that is involved in the surveillance of native intrinsically disordered proteins, including FG-Nups.

Abstract DNAJB6b is a molecular chaperone of the heat shock protein network, shown to play a crucial role in preventing aggregation of several disease-related intrinsically disordered proteins. Despite its importance in maintaining cellular homeostasis, the structure-functional relationship of DNAJB6b is not yet known. Using homology modeling and microsecond-long all-atom molecular dynamics (MD) simulations, we show that monomeric DNAJB6b is a transiently interconverting protein cycling between three states: a closed state, an open state (both abundant), and a novel, less abundant extended state. Interestingly, the reported regulatory autoinhibitory anchor between helix V in the G/F 1 region and helices II/III of the J-domain, which obstructs the access of Hsp70 to the J-domain remains present in all three states. This possibly suggests a mechanistically intriguing regulation in which DNAJB6b only becomes exposed when loaded with substrates that require Hsp70 processing. Our MD results of DNAJB6b carrying mutations in the G/F 1 region that are linked to limb-girdle muscular dystrophy type D1 (LGMDD1) show that this G/F 1 region becomes highly dynamic, pointing towards a spontaneous release of the autoinhibitory helix V from helices II/III. This would increase the probability of non-functional Hsp70 interactions to DNAJB6b without substrates. Our cellular data indeed confirm that non-substrate loaded LGMDD1 mutants have aberrant interactions with Hsp70.

ABSTRACT A loss of the checkpoint kinase ATM leads to impairments in the DNA damage response, and in humans causes cerebellar neurodegeneration, and a high risk to cancer. A loss of ATM is also associated with increased protein aggregation. The relevance and characteristics of this aggregation are still incompletely understood. Moreover, it is unclear to what extent other genotoxic conditions can trigger protein aggregation as well. Here, we show that targeting ATM, but also ATR or DNA topoisomerases result in a similar, widespread aggregation of a metastable, disease-associated subfraction of the proteome. Aggregation-prone model substrates, including Huntingtin exon1 containing an expanded polyglutamine repeat, aggregate faster under these conditions. This increased aggregation results from an overload of chaperone systems, which lowers the cell-intrinsic threshold for proteins to aggregate. In line with this, we find that inhibition of the HSP70 chaperone system further exacerbates the increased protein aggregation. Moreover, we identify the molecular chaperone HSPB5 as a potent suppressor of it. Our findings reveal that various genotoxic conditions trigger widespread protein aggregation in a manner that is highly reminiscent of the aggregation occurring in situations of proteotoxic stress and in proteinopathies.

Abstract Disturbances to protein homeostasis (proteostasis) can lead to protein aggregation and inclusion formation, processes associated with a variety of neurodegenerative disorders. DNAJBs are molecular chaperones previously identified as potent suppressors of disease-related protein aggregation. In this work, we over-expressed a destabilised isoform of firefly luciferase (R188Q/R261Q Fluc; Fluc DM ) in cells to assess the capacity of DNAJBs to inhibit inclusion formation. Co-expression of all DNAJBs tested significantly inhibited the intracellular aggregation of Fluc DM . Moreover, we show that DNAJBs suppress aggregation by supporting the Hsp70-dependent degradation of Fluc DM via the proteasome. The serine-rich stretch in DNAJB6 and DNAJB8, essential for preventing fibrillar aggregation, is not involved in the suppression of Fluc DM inclusion formation. Conversely, deletion of the C-terminal TTK-LKS region in DNAJB8, a region not required to suppress polyQ aggregation, abolished its ability to inhibit inclusion formation by Fluc DM . Thus, our data suggest that DNAJB6 and DNAJB8 possess two distinct domains involved in the inhibition of protein aggregation, one responsible for binding to β-hairpins that form during amyloid formation and another that mediates the degradation of destabilised client proteins via the proteasome. Summary statement Specialised DNAJB molecular chaperones are potent suppressors of protein aggregation and interact with different types of client proteins via distinct C-terminal regions