Identification and functional characterization of cyclin Y/CDK16 phosphorylation substrates, regulating cellular stress response mechanisms

Amelang, Jan; Panstruga, Ralph; Lüscher, Bernhard; Huber, Michael

doi:HT031386297

Identification and functional characterization of cyclin Y/CDK16 phosphorylation substrates, regulating cellular stress response mechanisms = Identifizierung und funktionelle Charakterisierung von Cyclin Y/CDK16-Phosphorylierungssubstraten, die zelluläre Stressreaktionsmechanismen regulieren

Amelang, Jan^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jan Amelang, Master of Science

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Lüscher, Bernhard (Thesis advisor)^RWTH* ; Huber, Michael (Thesis advisor)^RWTH* ; Panstruga, Ralph (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-00787
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1026280/files/1026280.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Autophagie-Regulation (frei) ; CDK16 / Cyclin Y-Komplex (frei) ; CDK16 / cyclin Y complex (frei) ; Proteomik (frei) ; Proteostase & ER-Stress (frei) ; Stressgranulen-Dynamik (frei) ; Substratidentifikation (frei) ; Translation unter zellulärem Stress (frei) ; autophagy regulation (frei) ; proteomics (frei) ; proteostasis & ER stress (frei) ; stress granule dynamics (frei) ; stress-induced translation control (frei) ; substrate identification (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Cyclin Dependent Kinase 16 (CDK16), auch bekannt als PCTAIRE 1 oder PCTK1, ist ein atypisches Mitglied der Familie der Cyclinabhängigen Kinasen (CDK), das einen ternären Komplex mit Cyclin Y (CCNY) und 14-3-3-Proteinen eingeht. Cyclin Y wirkt als Aktivator für CDK16 und bildet einen aktiven Kinasekomplex, der als vielseitiger Regulator an verschiedenen zellulären Prozessen beteiligt ist, einschließlich der Regulation der Autophagie, der Kontrolle der Translation und der Dynamik der Stressantwort. Diese Dissertation untersucht die Substrate und Interaktoren von CDK16 mithilfe von Proteomik Techniken und konzentriert sich auf seine funktionale Relevanz in der Autophagie und in der zellulären Stressantwort. Unsere ersten Untersuchungen verwendeten BioID-Massenspektrometrie, um Interaktoren und Phosphorylierungs-Substrate von Cyclin Y/CDK16 zu analysieren, was mehrere Proteine identifizierte, die an der Autophagie beteiligt sind, einschließlich BAG3 und ULK1. Insbesondere hebt die Phosphorylierung an S289 auf BAG3 und die Validierung von ULK1 als Substrat die regulatorische Rolle von CDK16 in Autophagie-Prozessen hervor, die durch AMPK-Signaling stimuliert werden können. Die GO-Term Analyse unterstützt außerdem die Rolle von CDK16 innerhalb der Mechanismen der Autophagie. Über die Autophagie hinaus identifizierten wir ASPSCR1/TUG und LARP6 als neue Phosphorylierungs-Substrate von CDK16, wobei TUG speziell den Zerfall von VCP/p97 bei der endoplasmatischen Retikulum-assoziierten Degradation (ERAD) erleichtert könnte und somit seinen Beitrag zur Proteinqualitätskontrolle und zur Modulation des ER-Stresses unterstreicht. Die Phosphorylierungsanalyse von LARP6 weist auch auf eine mögliche Beteiligung an der Organisation des Zytoskeletts hin, wodurch CDK16 weiter mit der zellulären strukturellen Integrität verknüpft wäre. Ein zentrales Ergebnis war die Rolle von CDK16 in der Dynamik von Stressgranula (SG) durch Wechselwirkungen mit SERBP1, einem RNA-bindenden Protein. Wir zeigten, dass SERBP1 von Cyclin Y/CDK16 an S234 phosphoryliert wird, was die Bildung und Stabilität von SG beeinflusst. Interessant ist hierbei außerdem, dass die siRNA-vermittelte Verringerung sowohl von CDK16 als auch von SERBP1 zu einem additiven Anstieg der SG-Bildung führte, was auf unabhängige, aber konvergente Signalwege in der Regulation der Stressantwort hindeutet. Diese Störung der SG-Dynamik zeigte sich als beeinträchtigend für die Proteinsynthese unter Stress, da sowohl die Verringerung von CDK16 als auch von SERBP1 die Produktion neu synthetisierter Proteine um über 30 % reduzierte. Zusammenfassend hebt diese Arbeit Cyclin Y/CDK16 als wichtige Kinase hervor, die die zelluläre Homöostase durch ihre Beteiligung an der Autophagie, der Regulation von Stressgranula und der Kontrolle der Translation koordiniert. Die beschriebenen regulatorischen Mechanismen vertiefen nicht nur unser Verständnis der zellulären Rollen von CDK16, sondern eröffnen auch neue Behandlungsmöglichkeiten für Krankheiten, die mit Problemen der Autophagie und der Stressgranula in Verbindung stehen.

Cyclin dependent kinase 16 (CDK16), also known as PCTAIRE-1 or PCTK1, is an atypical member of the Cyclin-dependent kinase (CDK) family that forms a ternary complex with Cyclin Y (CCNY) and 14-3-3 proteins. Cyclin Y acts as an activator for CDK16, forming an active kinase complex that serves as a regulator involved in diverse cellular processes, including autophagy regulation, translation control, and stress response dynamics. This thesis explores CDK16’s substrates and interactions through advanced proteomic techniques, focusing on its functional relevance in autophagy and cellular stress management. Our initial investigations used BioID mass spectrometry to identify Cyclin Y/CDK16 interactors and phosphorylation targets, revealing multiple proteins involved in autophagy, including BAG3 and ULK1. Specifically, phosphorylation at S289 on BAG3 and validation of ULK1 as a substrate underline CDK16’s regulatory role in autophagic processes, coordinated through AMPK signaling. GO term analysis further supports CDK16's role within autophagy mechanisms. Beyond autophagy, we identified ASPSCR1/TUG and LARP6 as novel CDK16 phosphorylation substrates, with TUG specifically facilitating VCP/p97 disassembly in endoplasmic reticulum-associated degradation (ERAD), thus underlining its contribution to protein quality control and ER stress modulation. Phosphorylation analysis of LARP6 also highlighted its involvement in cytoskeletal organization, further linking CDK16 to cellular structural integrity. A key finding was the role of CDK16 in stress granule (SG) dynamics through interactions with SERBP1, a prominent RNA-binding protein. We demonstrated that SERBP1 is phosphorylated by Cyclin Y/CDK16 at S234, impacting SG formation and stability. Notably, siRNA-mediated knockdown of both CDK16 and SERBP1 resulted in an additive increase in SG formation, suggesting independent yet convergent pathways in stress response regulation. This disruption of SG dynamics was found to affect protein synthesis under stress, as both CDK16 and SERBP1 depletion reduced nascent protein production by over 30%. In sum, this work highlights Cyclin Y/CDK16 as an important kinase coordinating cellular homeostasis through its involvement in autophagy, stress granule regulation, and translation control. The regulatory mechanisms described not only deepen our understanding of CDK16’s cellular roles but also present new possibilities for treatment in diseases related to problems with autophagy and stress granule issues.

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