Human embryonic stem cells (hESCs) are shown to have high 26S/30S proteasome activity owing to increased expression of the 19S proteasome subunit PSMD11; FOXO4 regulates proteasome activity in hESCs by modulating PSMD11 expression, and the high proteasome activity decreases after induced differentiation. Two manuscripts in this issue of Nature converge on the role of the proteasome in longevity and stem-cell function. The first establishes a possible mechanism to explain why the removal of proliferating germline cells in the roundworm Caenorhabditis elegans extends lifespan. Worms with the glp-1(e2141) mutation lack a germ line and reallocate resources to the soma, potentially freeing up resources to invest in lifespan extension. These mutants also have sixfold higher proteasome activity than their normal counterparts, as well as increased clearance of damaged proteins associated with raised expression of the rpn-6 subunit of the 19S proteasome and the FOXO transcription factor DAF-16. Ectopic expression of rpn-6 is sufficient to extend lifespan and to protect against proteotoxic stress, suggesting that rpn-6 is a candidate to correct deficiencies in age-related protein-homeostasis disorders. The second paper starts with the hypothesis that rapidly dividing stem cells have high proteasome activity to safeguard the integrity of the genome and proteome by removing damaged proteins. Human embryonic stem cells are shown to exhibit high 26S/30S proteasome activity that decreases on induced differentiation. The high proteasome activity is due to increased expression of the 19S subunit PSMD11/RPN-6 and the modulation of its expression by FOXO4, an insulin/IGF-1-responsive transcription factor and DAF-16 orthologue. Embryonic stem cells can replicate continuously in the absence of senescence and, therefore, are immortal in culture1,2. Although genome stability is essential for the survival of stem cells, proteome stability may have an equally important role in stem-cell identity and function. Furthermore, with the asymmetric divisions invoked by stem cells, the passage of damaged proteins to daughter cells could potentially destroy the resulting lineage of cells. Therefore, a firm understanding of how stem cells maintain their proteome is of central importance. Here we show that human embryonic stem cells (hESCs) exhibit high proteasome activity that is correlated with increased levels of the 19S proteasome subunit PSMD11 (known as RPN-6 in Caenorhabditis elegans)3,4,5 and a corresponding increased assembly of the 26S/30S proteasome. Ectopic expression of PSMD11 is sufficient to increase proteasome assembly and activity. FOXO4, an insulin/insulin-like growth factor-I (IGF-I) responsive transcription factor associated with long lifespan in invertebrates6,7, regulates proteasome activity by modulating the expression of PSMD11 in hESCs. Proteasome inhibition in hESCs affects the expression of pluripotency markers and the levels of specific markers of the distinct germ layers. Our results suggest a new regulation of proteostasis in hESCs that links longevity and stress resistance in invertebrates to hESC function and identity.

Glycogen synthesis is normally absent in neurons. However, inclusion bodies resembling abnormal glycogen accumulate in several neurological diseases, particularly in progressive myoclonus epilepsy or Lafora disease. We show here that mouse neurons have the enzymatic machinery for synthesizing glycogen, but that it is suppressed by retention of muscle glycogen synthase (MGS) in the phosphorylated, inactive state. This suppression was further ensured by a complex of laforin and malin, which are the two proteins whose mutations cause Lafora disease. The laforin-malin complex caused proteasome-dependent degradation both of the adaptor protein targeting to glycogen, PTG, which brings protein phosphatase 1 to MGS for activation, and of MGS itself. Enforced expression of PTG led to glycogen deposition in neurons and caused apoptosis. Therefore, the malin-laforin complex ensures a blockade of neuronal glycogen synthesis even under intense glycogenic conditions. Here we explain the formation of polyglucosan inclusions in Lafora disease by demonstrating a crucial role for laforin and malin in glycogen synthesis.

Abstract Proteins containing polyglutamine (polyQ) repeats are prone to aggregation and can lead to distinct human pathologies. For instance, Huntington’s disease is caused by an abnormal expansion of the polyQ stretch (> Q35) of Huntingtin (HTT) protein. However, plants express hundreds of proteins containing polyQ regions, but no pathologies arising from these factors have been reported to date. Here, we ask how plants maintain the proteostasis of polyQ-containing proteins, which are intrinsically enriched in the plant proteomes. To this end, we overexpressed an aggregation-prone fragment of human HTT (Q69) in plant cells. In contrast to invertebrate and mammalian transgenic models, we find that Arabidopsis thaliana plants suppress Q69 aggregation. This elevated proteostasis ability is mediated through the import and degradation of Q69 in chloroplasts. Conversely, inhibition of chloroplast protein import either genetically or pharmacologically reduces the capacity of plant cells to prevent Q69 aggregation. We find that Q69 interacts with the chloroplast stromal processing peptidase (SPP). Notably, expression of synthetic Arabidopsis SPP is sufficient to suppress aggregation of polyQ-expanded HTT in human cells. Beyond ectopically expressed Q69-HTT, endogenous polyQ-containing proteins also aggregate in Arabidopsis upon inhibition of chloroplast import. Among them, the plastid casein kinase 2 (pCK2), which contains a polyQ region next to the chloroplast targeting sequence motif, can also be localized into the nucleus. Upon inhibition of chloroplast import, pCK2 accumulates at higher levels in the nucleus and forms diamond-shaped amyloid-like fibrils surrounding the chloroplasts. These results indicate that the differential conformation and redistribution of pCK2 to the nucleus depends on chloroplast import efficiency, providing a role of polyQ repeats in chloroplast to nucleus communication ( i . e . retrograde signaling). Together, our findings establish chloroplast protein import and proteases as determinants of polyQ proteostasis, with important implications for plant biology that can also lead to therapeutic approaches for human diseases that involve protein aggregation.

Abstract The biological purpose of plant stem cells is to maintain themselves while providing new pools of differentiated cells that form organs and rejuvenate or replace damaged tissues 1-3 . Protein homeostasis, or proteostasis, is required for cell function and viability 4-7 . However, the link between proteostasis and plant stem cell identity remains unknown. In contrast to their differentiated counterparts, we find that root stem cells can prevent the accumulation of aggregated proteins even under proteotoxic stress conditions such as heat stress or proteasome inhibition. Notably, root stem cells exhibit enhanced expression of distinct chaperones that maintain proteome integrity. Particularly, intrinsic high levels of the TRiC/CCT chaperonin determine stem cell maintenance and their remarkable ability to suppress protein aggregation. Overexpression of CCT8, a key activator of TRiC/CCT assembly 8 , is sufficient to ameliorate protein aggregation in differentiated cells and confer resistance to proteotoxic stress in plants. Taken together, our results indicate that enhanced proteostasis mechanisms in stem cells could be an important requirement for plants to persist under extreme environmental conditions and reach extreme long ages. Thus, proteostasis of stem cells could provide insights to design and breed plants tolerant to environmental challenges caused by the climate change.

Abstract Huntington’s disease (HD) is a movement disorder caused by a mutation in the Huntingtin gene, that leads to severe neurodegeneration and inevitable death of the patients. Molecular mechanisms of HD are still not sufficiently understood, and no cure is currently available. Here, we demonstrate neuroprotective effects of hepatoma-derived growth factor (HDGF) in cellular and mouse models of HD. We show that HDGF expression levels in neuronal cell types inversely correlate with cellular vulnerability to HD. Moreover, lack of endogenous HDGF shortened lifespan and worsened rotarod performance of R6/2 HD model mice. AAV-mediated delivery of HDGF into the brain reduced mutant Huntingtin inclusion body load, but had no significant effect on motor behavior or lifespan. Interestingly, both nuclear and cytoplasmic versions of HDGF were equally efficient in rescuing mutant Huntingtin toxicity in cell culture models of HD. Moreover, extracellular application of a recombinant HDGF protein improved viability of mutant Huntingtin-expressing primary neurons and reduced mutant Huntingtin aggregation in neural progenitor cells differentiated from human patient-derived induced pluripotent stem cells (iPSCs). Our findings provide new insights into the pathomechanisms of HD and suggest neuroprotective potential of HDGF in neurodegeneration.

In previous work, we investigated ubiquitination changes during aging in C. elegans. We identified 2,163 peptides undergoing age-related ubiquitination changes in wild-type animals, corresponding to 1,050 proteins. While many lysine sites had increased ubiquitination with age, a larger number exhibited decreased ubiquitination. Longevity pathways, such as reduced insulin signaling and dietary restriction, prevented ubiquitination changes. Treatment with a broad-spectrum inhibitor of deubiquitinating enzymes (DUBs) or knockdown of specific DUBs ameliorated ubiquitination loss in old worms. Moreover, we identified proteins that accumulate with aging due to reduced ubiquitination and subsequent proteasomal degradation. Our conclusions were supported by multiple approaches, including ubiquitin and total proteomics, western blot, and ubiquitin-less mutations. Concerns were raised by a laboratory regarding the possibility of our protocol omitting insoluble proteins due to a centrifugation step after protein extraction and solubilization. To address these concerns, we have focused on proteins previously reported to become insoluble with aging in C. elegans. Our proteomics experiments successfully detected and quantified all these proteins in old worms. In many cases, the proteins that become insoluble with aging did not change or even increased at the total levels. However, they often exhibited ubiquitination changes, primarily a loss of ubiquitination. Independent work combining analysis of conformational changes with our datasets demonstrated that 92% of the age-dependent metastable proteins exhibit differential ubiquitination during aging. In addition, we performed experiments to confirm that the buffers used for proteomics and western blot efficiently solubilize most of the proteome. Importantly, the analysis of total homogenates combining clear lysates and the remaining debris after protein extraction also revealed decreased ubiquitination during aging, whereas DUB inhibitor treatment (4 h) in old worms restored ubiquitination levels. These data further support our previous conclusions regarding extensive ubiquitination changes during aging in C. elegans.

Abstract Developmental programmed cell death (dPCD) in Arabidopsis thaliana is an integral part of the differentiation process of the root cap, a specialized organ surrounding meristematic stem cells. dPCD in lateral root cap (LRC) cells depends on the transcription factor ANAC033/SOMBRERO (SMB) and is followed by rapid cell-autonomous corpse clearance, involving the senescence-associated nuclease BFN1 downstream of SMB. Based on transcriptomic analyses, we observed the downregulation of BFN1 during colonization of A. thaliana by the beneficial root endophyte Serendipita indica . Roots of smb3 mutants, deficient in root cap dPCD and corpse clearance, are covered by uncleared LRC cell corpses and hypercolonized by S. indica from the root tip upwards. The bfn1-1 mutant exhibits an attenuated delayed corpse clearance phenotype, but still enhances colonization by S. indica . These results highlight that the constant production and clearance of LRC cells, in addition to its function in root cap size control, represents a sophisticated physical defense mechanism to prevent microbial colonization in close proximity to meristematic stem cells. Furthermore, we propose a mechanism by which S. indica manipulates dPCD in A. thaliana roots by downregulating BFN1 to promote fungal colonization through delayed clearance of dead cells, which present potential sources of nutrients.

Abstract When cells have increased energy demand, they respond by elevating the production of new mitochondria through the process of mitochondrial biogenesis. This complex physiological undertaking requires precise coordination of mitochondrial and nuclear gene expression to extend the existing mitochondrial network in the cell. Using C. elegans as a model system we have identified stress-induced transcription factor SPTF-3 as a novel regulator of mitochondrial biogenesis on-demand upon increased heat stress, dietary restriction, and acute starvation. We show that SPTF-3 also regulates ATFS-1, the main transcriptional regulator of UPR mt (mitochondrial unfolded protein response). Thus, by orchestrating two parallel programs – mitochondrial biogenesis and UPR mt , SPTF-3 safeguards mitochondrial wellbeing and function upon stress, thus allowing survival in unfavorable conditions. Mitochondrial biogenesis is induced by disturbances in cytoplasmic ribosomal assembly, which leads to preferential translation of SPTF-3. Importantly, we demonstrated that the role of SPTF-3 in the regulation of mitochondrial biogenesis upon nutrient deprivation is conserved in mammals through its homolog SP1.