premature translational termination and the rapidly degraded

140
Premature Translational Termination and the Rapidly Degraded Polypeptide Pathway by Joshua Rene Lacsina Department of Pathology Duke University Date:_______________________ Approved: ___________________________ Christopher V. Nicchitta, Supervisor ___________________________ JenTsan Ashley Chi ___________________________ Salvatore V. Pizzo ___________________________ Herman F. Staats Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the Department of Pathology in the Graduate School of Duke University 2011

Upload: duonghanh

Post on 02-Feb-2017

221 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

 

 

 

Premature Translational Termination and the Rapidly Degraded Polypeptide Pathway 

by 

Joshua Rene Lacsina 

Department of Pathology 

Duke University 

 

Date:_______________________ 

Approved: 

 

___________________________ 

Christopher V. Nicchitta, Supervisor 

 

___________________________ 

Jen‐Tsan Ashley Chi 

 

___________________________ 

Salvatore V. Pizzo 

 

___________________________ 

Herman F. Staats 

 

 

 

 

Dissertation submitted in partial fulfillment of 

the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the Department of 

Pathology in the Graduate School 

of Duke University 

 

2011 

 

 

 

 

ABSTRACT 

Premature Translational Termination and the Rapidly Degraded Polypeptide Pathway 

by 

Joshua Rene Lacsina 

Department of Pathology 

Duke University 

 

Date:_______________________ 

Approved: 

 

___________________________ 

Christopher V. Nicchitta, Supervisor 

 

___________________________ 

Jen‐Tsan Ashley Chi 

 

___________________________ 

Salvatore V. Pizzo 

 

___________________________ 

Herman F. Staats 

 

 

 

 

An abstract of a dissertation submitted in partial 

fulfillment of the requirements for the degree 

of Doctor of Philosophy in the Department of 

Pathology in the Graduate School 

of Duke University 

 

2011 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Copyright by 

Joshua Rene Lacsina 

2011 

 

 

 

iv

Abstract

Nearly thirty percent of all newly synthesized polypeptides are targeted for 

rapid proteasome‐mediated degradation. These rapidly degraded polypeptides (RDPs) 

are the primary source of antigenic substrates for the major histocompatibility complex 

(MHC) class I presentation pathway, allowing for the immunosurveillance of newly 

synthesized proteins by cytotoxic T lymphocytes. Despite the recognized role of RDPs in 

MHC class I presentation, it remains unclear what molecular characteristics distinguish 

RDPs from their more stable counterparts. It has been proposed that premature 

translational termination products may constitute a form of RDP; indeed, in prokaryotes 

translational drop‐off products are normal by‐products of protein synthesis and are 

subsequently rapidly degraded.  

To study the cellular fate of premature termination products, the antibiotic 

puromycin was used to modulate prematurely terminated polypeptide production in 

human cells. At low concentrations, puromycin doubled the fraction of rapidly 

degraded polypeptides, with enhanced degradation predominantly affecting small 

polypeptides, consistent with rapid degradation of truncated translation products. 

Immunoprecipitation experiments using anti‐puromycin antisera demonstrated that the 

majority of peptidyl‐puromycins are rapidly degraded in a proteasome‐dependent 

manner. Low concentrations of puromycin increased the recovery of cell surface MHC 

 

 

v

class I‐peptide complexes, indicating that prematurely terminated polypeptides can be 

processed for presentation via the  MHC class I pathway. In the continued presence of 

puromycin, MHC class I export to the cell surface was inhibited, coincident with the 

accumulation of polyubiquitinated proteins. The time‐ and dose‐dependent effects of 

puromycin suggest that the pool of peptidyl‐puromycin adducts differ in their targeting 

to various proteolytic pathways which, in turn, differ in the efficiency with which they 

access the MHC class I presentation machinery. These studies highlight the diversity of 

cellular proteolytic pathways necessary for the metabolism and immunosurveillance of 

prematurely terminated polypeptides which are, by their nature, highly heterogeneous.

 

 

vi

Dedication

To my parents, Rene and Teresa Lacsina, for their faith, inspiration, 

encouragement, and love. Thank you for always believing in me. 

 

 

 

vii

Contents

Abstract ......................................................................................................................................... iv 

List of Figures ............................................................................................................................... xi 

Acknowledgements .................................................................................................................. xiii 

1. Introduction ............................................................................................................................... 1 

1.1 Overview ........................................................................................................................... 1 

1.2 MHC class I presentation and the ubiquitin‐proteasome system: a short primer .. 3 

1.3 The fast and the furious: a historical perspective on rapidly degraded 

polypeptides (RDPs) and defective ribosomal products (DRiPs) ................................... 6 

1.3.1 The defective ribosomal product hypothesis .......................................................... 6 

1.3.2 The discovery and re‐discovery of rapidly degraded polypeptides .................... 7 

1.3.3 Measurement of the RDP fraction: controversy and refutation .......................... 10 

1.3.4 RDPs and the protein economy of cells .................................................................. 11 

1.3.5 Substrate‐dependent differences in RDP degradation pathways ...................... 12 

1.3.6 DRiPs and RDPs: “They are who we thought they were” .................................. 13 

1.4 The search for RDPs: premature translational termination products ..................... 15 

1.4.1 Premature translational termination in prokaryotes ............................................ 15 

1.4.2 Does premature translational termination occur in eukaryotes? ....................... 16 

1.5 Puromycin: mechanism of action and experimental applications........................... 19 

1.6 Overview of Results Chapters ...................................................................................... 23 

2. Materials and Methods........................................................................................................... 24 

2.1 Materials .......................................................................................................................... 24 

 

 

viii

2.2 Construction of the SIINFEKL Tandem Repeat reporter (TRx9) ............................. 25 

2.3 Cell culture ...................................................................................................................... 27 

2.4 Metabolic radiolabeling and pulse‐chase .................................................................... 27 

2.5 Denaturing immunoprecipitation ................................................................................ 29 

2.6 Flow cytometry ............................................................................................................... 29 

2.7 MHC class I peptide stripping and recovery.............................................................. 30 

2.8 Western blotting ............................................................................................................. 31 

2.9 RNA interference ............................................................................................................ 33 

2.10 Data analysis ................................................................................................................. 33 

3. Premature translational termination products are rapidly degraded polypeptides ..... 34 

3.1 Overview ......................................................................................................................... 34 

3.2 Development and characterization of a model system to study the products of 

premature translational termination ................................................................................. 35 

3.3 Stimulating premature translational termination increases the fraction of rapidly 

degraded polypeptides ........................................................................................................ 48 

3.4 The products of premature translational termination are rapidly degraded 

polypeptides .......................................................................................................................... 53 

3.5 Summary .......................................................................................................................... 59 

4. Premature translational termination promotes antigenic peptide presentation via the 

major histocompatibility complex class I pathway ................................................................ 61 

4.1 Overview ......................................................................................................................... 61 

4.2 Effects of stimulating premature translational termination on steady state cell 

surface expression of MHC class I molecules and cell death ......................................... 63 

 

 

ix

4.3 Effects of stimulating premature translational termination on MHC class I export

 ................................................................................................................................................. 68 

4.3.1 Construction of the SIINFEKL tandem repeat reporter ....................................... 68 

4.3.2 Application of the SIINFEKL tandem repeat reporter to measure the recovery 

of cell surface MHC class I‐peptide complexes .............................................................. 71 

4.3.3 Effects of puromycin on the recovery of cell surface MHC class I‐peptide 

complexes ............................................................................................................................ 73 

4.3.4 Inducing premature translational termination promotes the accumulation of 

polyubiquitinated proteins ............................................................................................... 79 

4.4 RNA interference‐mediated knockdown of candidate RDP factors increases flux 

through the RDP pathway .................................................................................................. 81 

4.4.1 Pth2 .............................................................................................................................. 81 

4.4.2 CHIP ............................................................................................................................ 84 

4.5 Summary .......................................................................................................................... 87 

5. Discussion ................................................................................................................................ 88 

5.1 Summary of primary findings and overview ............................................................. 88 

5.2 Rapid degradation of prematurely terminated polypeptides .................................. 89 

5.3 MG132‐resistant degradation of low molecular weight RDPs ................................ 93 

5.3.1 The controversies of “proteasome‐independent” degradation .......................... 94 

5.3.2 Non‐proteasomal proteases ..................................................................................... 96 

5.4 Relationship between premature translational termination products and MHC 

class I presentation ............................................................................................................... 98 

5.4.1 Models of MHC class I behavior in response to puromycin treatment ............. 99 

5.4.1.1 mTORC1 model .................................................................................................. 99 

 

 

x

5.4.1.2 Aggregation model .......................................................................................... 101 

5.4.1.3 Substrate heterogeneity model....................................................................... 102 

5.4.2 Puromycin in other studies of the MHC class I pathway .................................. 106 

5.5 Candidate RDP pathway factors ................................................................................ 108 

5.6 Implications for human health ................................................................................... 109 

References .................................................................................................................................. 111 

Biography ................................................................................................................................... 124 

 

 

xi

List of Figures

Figure 1: The MHC class I antigen presentation pathway ...................................................... 4 

Figure 2: Puromycin and notable structural features ............................................................ 20 

Figure 3: Contrasting effects of cycloheximide and puromycin on [35S]‐methionine 

incorporation during protein synthesis ................................................................................... 37 

Figure 4: Contrasting effects of cycloheximide and puromycin on the profile of newly 

synthesized polypeptides .......................................................................................................... 39 

Figure 5: Treatment with protein synthesis inhibitors during radiolabeling has no effect 

on steady state protein levels .................................................................................................... 40 

Figure 6: Puromycin stimulates the production of truncated polypeptides in a 

concentration‐dependent manner ............................................................................................ 46 

Figure 7: Treatment with puromycin increases the fraction of rapidly degraded 

polypeptides ................................................................................................................................ 50 

Figure 8: Effects of puromycin on the degradation profile of newly synthesized 

polypeptides. ............................................................................................................................... 52 

Figure 9: Purification of premature translational termination products using puromycin‐

specific antisera ........................................................................................................................... 55 

Figure 10: Rapid degradation of premature translational termination products .............. 58 

Figure 11: Contrasting effects of cycloheximide and puromycin on steady‐state levels of 

cell surface Kb ............................................................................................................................... 65 

Figure 12: Contrasting effects of cycloheximide and puromycin on cell death ................. 67 

Figure 13: Construction of the SIINFEKL tandem repeat ..................................................... 69 

Figure 14: MHC class I‐peptide complex recovery assay using a fluorescent reporter 

encoding antigenic peptides ...................................................................................................... 72 

Figure 15: Effects of puromycin on the expression of functional fluorescent reporter 

protein ........................................................................................................................................... 74 

 

 

xii

Figure 16: Effects of puromycin on the recovery of cell surface Kb‐SIINFEKL complexes

 ....................................................................................................................................................... 75 

Figure 17: Effects of puromycin on the recovery of total cell surface Kb ............................ 76 

Figure 18: Dose‐dependent effects of puromycin on the recovery of cell surface MHC 

class I‐peptide complexes .......................................................................................................... 78 

Figure 19: Puromycin treatment leads to increased levels of polyubiquitinated proteins

 ....................................................................................................................................................... 80 

Figure 20: Knockdown of Pth2 by RNA interference increases the fraction of RDPs ....... 82 

Figure 21: Knockdown of CHIP by RNA interference increases the fraction of RDPs ..... 85 

Figure 22: The mTORC1 model .............................................................................................. 100 

Figure 23: The substrate heterogeneity model ...................................................................... 105 

 

 

 

 

xiii

Acknowledgements

To the Monterey Bay Aquarium, who opened the heart and mind of a young boy 

to the wonders of biology. I am forever in your debt. 

To the dual inspiration of my high school teachers, Jack Arnold and Roz Zanides, 

for instilling in me a love for molecular biology and theater respectively, the two halves 

without which I am not whole. For York, that wonderful high school on the hill.  

To my many, many research mentors, spanning a decade and a half across two 

continents: at Hopkins Marine Station, Stephanie Clendennen, and Trish Schulte; at the 

Institute for Cell Biophysics in Pushchino, Russia, Vladimir Pechatnikov, Vladislav 

Dolgachev, and Natalia Dolgacheva; at Stuyvestant High School, Anne Manwell; at 

Stanford, Glenn Rosen; at Harvard, Judy Lieberman, Joe Sodroski, Greg Babcock, Woj 

Wojtowicz, Jason LaBonte, Christoph Grundner, and Wen Yuan. 

To Chris Nicchitta, for welcoming me into his laboratory, for helping me take my 

first tentative steps into the wonders of cellular immunology, and all the conversations 

we have had these past few years. To all the members of the Nicchitta lab, past and 

present, for teaching me about science and life. Angela Jockheck‐Clark, Lilly Zheng, 

Jason Maynard, Rebecca Dodd, Sam Stephens, Brook Pyhtila, Lyuda Kadyrova, Qiang 

Chen, J. Taylor Herbert, Deanna Crossman, Christine Nwosu, Mariam Totonchy, Robert 

Ng, Rebecca Poliner, Helen Rankin and Ben Contrella. Special thanks to David Reid and 

 

 

xiv

Sujatha Jagannathan for their contributions to my dissertation work. And a special 

thanks to Xiongfei Liu, not only for his contributions to my dissertation, but also for the 

privilege of being his teacher and having him as my first research student. To my 

committee members, Ashley Chi, Matthias Gromeier, Sal Pizzo, and Herman Staats, for 

their criticism and advice that strengthened this dissertation. 

To the Duke Medical Scientist Training Program, the Duke Program in Cell and 

Molecular Biology, and the Department of Pathology, for giving me the opportunity to 

realize my dream of becoming a physician‐scientist. To my DukeMed, CMB, Pathology, 

and especially MSTP classmates, for their constant encouragement and friendship. To 

MSTP Director Emeritus Sal Pizzo, for giving me the opportunity to come to Duke, for 

his enthusiasm, stories, and laughter, and for the lunches in his conference room, which 

are dearly missed. To current MSTP Director Chris Kontos, for his cheerfulness, 

encouragement, and understanding. And to MSTP Associate Director Dona Chikaraishi, 

for her devotion to the program and its students. 

To my partner and instigator in all things malaria polysome, Greg LaMonte. 

Duke would never have won the 2010 National Championship if it hadn’t started with 

Polysomapalooza. To our bosses, Ashley and Chris, for not pulling the plug before we 

hit just the right amount of crazy to get the experiments working. 

To the Chi Unit and associated acts: Greg LaMonte, “J‐Tay” Taylor Herbert, 

Carolyn Sangokoya, Jeff Mito, and Jon Kotula, for long lunches and laughter. 

 

 

xv

To Kelly Crace, for helping me understand my values and focus on them to 

become a better person. For the invaluable advice of my advisory deans, Phil Goodman 

and Mark Sebastian, in guiding me to be a better physician. For Ken Lyles, my foremost 

clinical mentor and friend—it is an honor to be your Enforcer. 

To the Duke Catholic Center, for offering me a faith home and a loving 

community. To Fathers Joe Vetter, John McDonagh, and Mike Martin, and to Catherine 

Preston and the community of Catholic graduate students at Duke. 

For the Feagin Leadership Forum, who have mentored and guided me to be a 

leader and teacher of physicians and scientists. 

For the Marks Family, who have given new meaning to love, sacrifice, and 

generosity. For my closest colleague, my fiercest advocate, my best friend, and my love, 

Odessa Marks, who fights for me when I am unwilling to fight for myself. 

For the unwavering support of my family around the world, but especially for 

the love of my parents, Rene and Teresa Lacsina, without whom none of this would be 

possible. I love you. 

And most of all, to God. To you be all the praise and glory! For the opportunity 

to help those in need, and for the gift you give all scientists—a chance to glimpse the 

workings of your creation, and to behold its beauty in awe and wonder. 

Thanks for the memories!

 

1. Introduction

1.1 Overview

A critical function of immunosurveillance is the detection and targeted 

destruction of cells that have been infected with viruses or have undergone malignant 

transformation. This “search and destroy” function is accomplished by cytotoxic T 

lymphocytes (CTLs) bearing T cell receptors specific for peptides presented by major 

histocompatibility complex class I (MHC I) molecules on the cell surface. MHC I‐peptide 

complexes are primarily generated via the cytosolic degradation of proteins by the 

ubiquitin‐proteasome system. The resultant peptide degradation products are 

transported into the endoplasmic reticulum (ER), where peptides are loaded onto MHC 

I molecules for export and presentation on the cell surface. Thus, the MHC I pathway 

allows for sampling of the cellular proteome so that CTLs can detect peptides derived 

from non‐self proteins, namely viral proteins or proteins bearing mutations. 

Over the past decade, there has been increasing evidence that the majority of 

peptides presented via the MHC I pathway do not derive from the turnover of aged, 

defunct proteins (termed “retirees”) (Dolan et al. 2011a), but rather from newly 

synthesized polypeptides that are rapidly degraded by the proteasome (Schubert et al. 

2000; Reits et al. 2000; Princiotta et al. 2003; Qian et al. 2006a). This rapidly degraded 

polypeptide (RDP) fraction has a half‐life of ~10 minutes, comprising nearly a third of all 

proteins synthesized and 70% of proteasomal substrates (Schubert et al. 2000; Princiotta 

 

et al. 2003; Qian et al. 2006a). A fraction of all proteins appears to be directed to the RDP 

pool, even proteins that are metabolically stable. This implies that any newly 

synthesized polypeptide can be directed either to the pool of stable proteins, which 

display an average half‐life of 1‐2 days, or to the RDP pool (Yewdell and Nicchitta 2006; 

Yewdell 2007).  

This dissertation focuses on a major unanswered question about RDP biology: 

what are RDPs? Specifically, it is unclear what molecular characteristics distinguish 

substrates directed to the stable protein pool versus the RDP pool. The studies described 

in this work test the hypothesis that the products of premature translational termination 

are a source of RDPs (Yewdell et al. 1996; Dolan et al. 2011b). Support for this model 

comes from studies of E. coli, where it has been estimated that nearly 25% of translation 

initiation events result in the production of prematurely terminated translation products 

(Manley 1978; Tsung et al. 1989; Jørgensen and Kurland 1990). While there is, as of yet, 

no direct evidence for these premature termination events occurring in eukaryotes, there 

are data that suggest premature termination events are a well‐conserved (and perhaps 

inescapable) by‐product of translation.  

In the following sections, I will outline our current knowledge about the rapidly 

degraded polypeptide pathway and evidence suggesting that premature translational 

termination products compose a general subclass of RDPs. I will begin by briefly 

reviewing the biology of the ubiquitin‐proteasome system and the MHC class I 

 

presentation pathway. Next, I will discuss the historical development of the RDP field, 

starting with the emergence of the “defective ribosomal product (DRiP) hypothesis” as a 

means to account for the rapidity of CTL‐mediated detection of viral infection, and the 

experimental studies that have subsequently developed the theoretical framework of the 

RDP model. I will then review studies of how premature translational termination 

products are produced and metabolized in prokaryotes, as a touchstone for examining 

truncated polypeptides as candidate RDPs in eukaryotes. In the final section, I will 

introduce the antibiotic puromycin as a tool to study the biology of premature 

translational termination. 

1.2 MHC class I presentation and the ubiquitin-proteasome system: a short primer

Antigenic peptides presented on MHC class I molecules derive from the 

degradation of cytosolic proteins by the proteasome (Fig. 1) (Rock et al. 1994; Hershko 

and Ciechanover 1998; Shastri et al. 2002). To tag proteins for degradation, ubiquitin 

monomers are covalently attached to exposed lysine residues on proteins by ubiquitin 

ligases (Ciechanover et al. 1980). Chains of ubiquitin monomers can be joined in this 

manner (Hershko et al. 1980), forming a polyubiquitin chain which is recognized as a 

degradation signal and bound by the 19S regulatory subunit of the proteasome. The 

substrate protein is then unfolded and translocated through the 20S core particle, a 

cylindrical macromolecular machine that proteolytically degrades the substrate into 

peptides. These peptides are then transported into the ER lumen in an ATP‐dependent  

 

 

Figure 1: The MHC class I antigen presentation pathway. Polyubiquitinated proteins 

are degraded by the proteasome into peptides, which are transported into the ER lumen 

through TAP. The peptides are  loaded onto MHC class  I molecules, which  then  traffic 

through  the  trans‐Golgi  to  the  plasma  membrane,  where  they  present  peptides  to 

cytotoxic T lymphocytes. Adapted from (Yewdell et al. 2003). 

 

 

fashion by the transporter associated with antigen processing (TAP) (Spies et al. 1992), a 

member of the ATP‐binding cassette family. In the ER, the majority of antigenic peptides 

undergo further processing by ER‐resident aminopeptidases (in humans, ERAP1 and 

ERAP2), which trim N‐terminal extensions to generate peptides of the appropriate 

length (8‐10 amino acids) for loading onto MHC class I molecules (Saric et al. 2002; 

Serwold et al. 2002; Saveanu et al. 2005). Peptide loading onto MHC class I molecules is 

facilitated by the peptide loading complex, composed of TAP, 2 microglobulin, 

calreticulin, ERp57, tapasin, and MHC class I. Once peptides bind empty MHC class I 

molecules in the ER lumen, they are exported to the trans‐Golgi for post‐translational 

modification (predominantly remodeling of N‐linked glycans) and then presented on the 

cell surface for interrogation by the T cell receptors of CTLs. Recognition of a non‐self 

peptide in the context of an MHC class I molecule triggers a signaling cascade through 

the TCR of the CTL which triggers apoptosis in the cell bearing the offending MHC I‐

peptide complex. The MHC class I system has thus evolved to sample the cellular 

proteome, allowing for CTLs to rapidly and specifically detect and delete cells infected 

with viruses and cells that have undergone malignant transformation.  

 

1.3 The fast and the furious: a historical perspective on rapidly degraded polypeptides (RDPs) and defective ribosomal products (DRiPs)

1.3.1 The defective ribosomal product hypothesis

While a detailed molecular picture of the MHC I presentation pathway has 

emerged, in 1996, Jon Yewdell and colleagues published an article that called attention 

to several unanswered questions regarding the source of degraded polypeptides that 

feed the presentation pathway. First is the problem posed by the metabolic stability of 

viral proteins, many of which have half‐lives on the order of days. How can such 

“stable” proteins be degraded quickly enough to generate MHC class I‐peptide 

complexes before the completion of the viral life cycle (as fast as 6 hours for some 

positive stranded RNA viruses)? Moreover, even with the exquisite sensitivity of the T 

cell receptor, how can viral proteins successfully compete for one of the scant 105 MHC 

class I molecules when so dramatically outnumbered by the 3x109 cellular proteins early 

in infection (Yewdell et al. 2003)? Yet despite the obstacles of metabolic stability and 

scarcity, it has been observed that CTL responses can be triggered rapidly after viral 

infection; a mere 45 minutes after infection with vesicular stomatitis virus, enough of the 

highly stable viral nucleocapsid protein had been degraded and presented to stimulate a 

CTL response specific for a nucleocapsid‐derived peptide epitope (Esquivel et al. 1992). 

How could peptide presentation from a stable viral protein take place so early after 

infection? 

 

In response to these theoretical questions and unexplained experimental 

observations, Yewdell and colleagues proposed the existence of defective ribosomal 

products (DRiPs), where “defective” serves as a catch‐all descriptor of any protein that 

has failed to reach its native, folded, functional state (Yewdell et al. 1996). These DRiPs 

were hypothesized to comprise a fraction of all newly synthesized polypeptides which 

(for whatever reason) are targeted for rapid degradation. The implication of this finding 

is that proteins are directed to one of two pools, which vary markedly in stability. They 

can either be directed to the (more familiar) pool of natively folded, functional proteins 

or be targeted to the DRiP pool as rapidly degraded polypeptides (or RDPs).  

1.3.2 The discovery and re-discovery of rapidly degraded polypeptides

In the years following the publication of the DRiP hypothesis, researchers sought 

to test the predictions of the DRiP model. First, investigators proceeded to determine the 

fraction of newly synthesized polypeptides degraded shortly after synthesis to estimate 

the percentage of polypeptides targeted to the RDP pool (Schubert et al. 2000). This was 

done by pulse‐labeling cells with [35S]‐methionine for short periods of time, followed by 

a chase with unlabeled “cold” methionine to track the degradation of the labeled 

population of proteins. By comparing the degradation of new proteins during the chase 

between cells treated with and without a proteasome inhibitor, the investigators 

determined that ~30% of newly synthesized polypeptides were targeted for rapid, 

proteasome‐mediated degradation. This seemingly large fraction of RDPs was observed 

 

both in cultured cell lines and in cells cultured ex vivo from mouse lymph nodes. The 

addition of proteasome inhibitor rescued both cellular proteins and viral proteins from 

rapid degradation. The polypeptides rescued from rapid degradation were 

predominantly found in the insoluble fraction following cellular fractionation. In 

support of polyubiquitinated proteins serving as a source of RDPs, the addition of 

protein synthesis inhibitors led to a depletion in the cellular pool of polyubiquitinated 

proteins. Finally, this study tested a major prediction of the DRiP hypothesis: that MHC 

class I presentation requires ongoing protein synthesis (to produce rapidly degraded 

substrates), and should therefore be highly sensitive to translational inhibitors. Indeed, 

the addition of protein synthesis inhibitors led to a significant decrease in the export of 

MHC I‐peptide complexes from the ER. In total, this study provided the first direct 

evidence for the reliance of MHC class I presentation on ongoing protein synthesis, in 

support of the DRiP hypothesis. Furthermore, the finding that nearly a third of all newly 

synthesized proteins are rapidly degraded was surprising, given the inefficiency this 

implies for eukaryotic translation.  

Shortly after this initial study to the characterize the RDP pool was completed, 

cellular immunologists realized that biochemical studies of protein turnover extending 

over the previous three decades had already reported the existence of distinct “short‐“ 

and “long‐lived” protein pools in eukaryotic cells. In 1973, Poole and Wibo were the first 

to describe a way to selectively measure proteins of long and short half‐lives in rat 

 

fibroblasts (Poole and Wibo 1973). This work was extended by a series of metabolic 

pulse‐chase studies conducted by Wheatley and colleagues, who demonstrated a 

biphasic protein degradation profile in cells—an initial, rapid degradation phase 

comprising 35% of all newly synthesized polypeptides followed by a more gradual 

degradation kinetic (Wheatley et al. 1980). Wheatley also demonstrated that short 

labeling times are necessary to effectively measuredly RDPs, because shortening the 

time of radiolabeling led to an increase in the measured fraction of rapidly degraded 

proteins. This result showed that longer radiolabeling times led to an underestimation of 

the rapidly degraded protein fraction, due to ongoing protein degradation during 

labeling (before the initiation of the chase). The dependence of the measured RDP 

fraction on labeling time was again reported by Fuertes and colleagues during their 

studies of short‐ and long‐lived protein pools in fibroblasts (Fuertes et al. 2003). In 

summary, experiments spanning three decades consistently report the presence of a pool 

of rapidly degraded polypeptides. Perhaps even more remarkable is the fact that the 

estimate of the RDP fraction has consistently ranged from 30‐35%, even before the 

advent of cell‐permeable proteasome inhibitors.  

Other lines of experimental evidence for RDPs have emerged to complement the 

biochemical studies of protein degradation described above. One prediction of the DRiP 

hypothesis is that the flux of antigenic peptides through TAP into the ER should depend 

on translational activity. To test this prediction, Reits and colleagues discovered that the 

 

10 

lateral mobility of TAP in the ER membrane is inversely proportional to the flux of 

peptides through TAP (Reits et al. 2000). By employing TAP tagged with green 

fluorescent protein (GFP) and measuring lateral TAP mobility in the ER membrane by 

fluorescence recovery after photobleaching (FRAP), Reits and colleagues discovered that 

inhibiting protein synthesis led to an increase in TAP mobility, while influenza infection 

significantly decreased the mobility of TAP. These TAP mobility studies demonstrated 

that peptide flux, which is fueled by protein degradation, also requires ongoing protein 

synthesis.  

1.3.3 Measurement of the RDP fraction: controversy and refutation

The estimate of the RDP fraction comprising 30% of protein synthesis was called 

into question by a study from Vabulas and Hartl (Vabulas and Hartl 2005), which 

reported that newly synthesized polypeptides are not rescued by proteasomal inhibition 

except under conditions of amino acid starvation. They attribute this to their finding that 

proteasomal inhibition acutely impaired the supply of amino acids for protein synthesis 

during starvation. The authors interpreted this to mean that the radiolabeled proteins 

rescued by proteasomal inhibition were not RDPs but rather an artifact of increased 

utilization of [35S]‐Met during severe starvation for amino acids. By extension, the 

authors argued that the fraction of polypeptides degraded shortly after synthesis is 

relatively minor.  

 

11 

A number of lines of experimental evidence refute the arguments of Vabulas and 

Hartl, and instead support the interpretation that the radiolabeled polypeptides rescued 

by proteasomal inhibition represent bona fide RDPs (Yewdell and Nicchitta 2006). First, 

the early biochemical studies reporting the existence of RDPs were conducted prior to 

the development of proteasome inhibitors (Poole and Wibo 1973; Wheatley et al. 1980). 

Second, radiolabeled polypeptides can be recovered with proteasomal inhibitors even 

without prior starvation for methionine. Third, the fact that RDPs were predominantly 

recovered in the insoluble fraction indicates that RDPs have biochemical characteristics 

that are distinct from bulk cellular protein. Indeed, a pulse‐chase experiment from the 

Vabulas and Hartl study itself shows that 20% of newly synthesized polypeptides were 

degraded during the first 30 minutes of the chase (after 10 minutes of radiolabeling). 

Finally, no matter what the absolute fraction of RDPs is in cells, studies of the kinetics of 

CTL responses to viral infection clearly indicate the presence of some fraction of 

metabolically stable polypeptides that are degraded and presented shortly after 

synthesis. 

1.3.4 RDPs and the protein economy of cells

The re‐discovery of the RDP pool highlighted the need for quantitative studies to 

establish the protein economy of cells—a complete accounting of protein synthesis, 

protein degradation and the generation of MHC class I‐peptide complexes. For their 

quantitative studies of L929 cells, Princiotta and colleagues used purified protein 

 

12 

standards to determine the number of ribosomes, proteasomes, and proteins in each cell. 

In addition, they used fusion protein reporters encoding influenza nucleoprotein, the 

antigenic peptide SIINFEKL, and eGFP to make sensitive measurements of the kinetics 

of protein synthesis and antigen presentation by flow cytometry. 

The authors demonstrated that ~45% of cellular ATP supplies are consumed by 

protein synthesis. Given that 25‐30% of newly synthesized polypeptides are targeted for 

rapid degradation, this implied that the synthesis of RDPs uses 11% of the energy 

consumed by the cell (a seemingly large fraction of resources to synthesize products that 

are immediately destroyed). The efficiency of MHC class I‐peptide complex generation 

was measured to be one for every 500‐3000 degraded polypeptides. The studies also 

highlighted that while RDPs are the primary source of MHC class I peptides, they are 

not necessarily the most efficient source, on a peptide per protein basis; indeed, many 

slowly degraded polypeptides were more efficient sources of MHC I peptide epitopes. 

This study marked the first complete accounting of protein synthesis and degradation, 

offering quantitative insights into the efficiency of antigen presentation and the relative 

contributions of slowly versus rapidly degraded polypeptides to the MHC class I 

peptide pool. 

1.3.5 Substrate-dependent differences in RDP degradation pathways

Qian and colleagues performed a detailed biochemical analysis of RDPs and 

their degradation characteristics (Qian et al. 2006a). Cells were fractionated using the 

 

13 

non‐ionic detergent Triton X‐100 (TX‐100) to separately characterize TX‐100‐soluble and 

‐insoluble RDPs. Approximately 75% of the RDPs were TX‐100‐soluble, while the 

remaining 25% were TX‐100‐insoluble. Notably, the degradation of RDPs in the TX‐100‐

insoluble fraction was insensitive to the inactivation of the E1 ubiquitin‐activating 

enzyme, knockdown of the 19S regulatory subunit of the 26S proteasome, and 

modulation of Hsc70 activity, whereas TX‐100‐soluble RDPs were sensitive to all these 

factors. Furthermore, peptide presentation from a defined reporter protein continued 

despite the inactivation of E1. These findings were interpreted to mean that TX‐100‐

insoluble RDPs represent severely misfolded polypeptides that are degraded in a 

ubiquitin‐independent manner by the 20S proteasome. This study provided the first 

evidence of substrate‐dependent heterogeneity in RDP degradation pathways, a theme 

that will be revisited in the experiments presented in Chapter 4.  

1.3.6 DRiPs and RDPs: “They are who we thought they were”

In the years following the (re)discovery of RDPs, several groups generated 

evidence that antigenic peptides derived from the degradation of newly synthesized 

proteins. An immunodominant epitope from the nucleoprotein of lymphocytic 

choriomeningitis virus ceased to be presented after protein expression was turned off 

using a tetracycline‐regulated promoter, despite the large pool of nucleoprotein in the 

cell (Khan et al. 2001). In another series of studies, ‐galactosidase (‐gal) was expressed 

from an inducible promoter, leading to high levels of ‐gal expression (Donohue et al. 

 

14 

2006). This correlated with the presentation of ‐gal‐derived peptides. In contrast, 

peptide expression decreased after the promoter expressing ‐gal was turned off, 

despite high ‐gal concentrations in the cytosol. Two groups independently 

demonstrated that the presentation of peptides from Epstein‐Barr virus nuclear antigen 

1 (EBNA1) requires active EBNA1 synthesis and is independent of steady state EBNA1 

levels (Tellam et al. 2004; Voo et al. 2004). Tellam and colleagues extended their studies 

to demonstrate that RDPs comprise a significant fraction of newly synthesized EBNA1 

proteins, and that RDP production was correlated directly with EBNA1 translational 

efficiency (Tellam et al. 2007). Furthermore, processing of EBNA1‐derived peptides 

depended more on RDP generation than the turnover of EBNA1. In total, these studies 

provided strong evidence for the dependence of peptide presentation on active synthesis 

(and rapid degradation) of the antigen. 

The initial investigations of DRiPs demonstrated that protein synthesis inhibitors 

rapidly inhibited the export of new MHC class I molecules (Schubert et al. 2000). To 

verify that this was indeed due to depletion of the supply of rapidly degraded substrates 

(and not other components of the presentation pathway), Qian and colleagues treated 

cells with MG132 in order to rescue a pool of DRiPs from degradation (Qian et al. 

2006b). They then washed out the proteasome inhibitor to allow the DRiPs to degrade 

and be presented, while simultaneously adding cycloheximide to prevent new DRiP 

synthesis (CHX). This led to a burst in antigen presentation, absent protein synthesis, 

 

15 

indicating that the effects of CHX are indeed limited to inhibiting substrate supply to the 

MHC class I pathway.  

Measurements of DRiP‐derived peptides predominantly involved the use of 

reporter fusion proteins. To test whether antigenic peptides were derived from DRiPs 

when expressed from a viral protein in the context of the native virus, Dolan and 

colleagues inserted the antigenic SIINFEKL peptide into the stalk of influenza A virus 

neuraminidase (NA) (Dolan et al. 2010). SIINFEKL presentation was tightly correlated 

with active synthesis of NA, suggesting that DRiPs are the main source of virus‐derived 

antigenic peptides in the context of a natural infection.    

1.4 The search for RDPs: premature translational termination products

A decade and a half after the publication of the DRiP hypothesis, the molecular 

characteristics that distinguish RDPs from stable proteins still remain mysterious. In this 

section, I propose that premature translational termination products are RDP pathway 

substrates, and review the evidence in support of this proposal.  

1.4.1 Premature translational termination in prokaryotes

Products of premature translational termination have been proposed as a source 

of substrates for the RDP pathway (Yewdell et al. 1996; Dolan et al. 2011b). Support for 

this model comes from studies of protein synthesis in E. coli. A study of the lacZ gene 

revealed that 31% of the total ‐galactosidase monomers expressed were synthesized as 

prematurely terminated polypeptide fragments, with a premature termination event 

 

16 

occurring once every 3200 codons (Manley 1978). A similar study was again conducted 

on the lacZ gene, where it was determined that 24% of all initiation events resulted in the 

production of a prematurely terminated polypeptide (Jørgensen and Kurland 1990). 

These findings indicate that a substantial fraction of prokaryotic protein synthesis 

results in the production of truncated polypeptides.  

The extent to which peptidyl‐tRNA drop‐off occurs in vivo was investigated in a 

series of studies using E. coli strains carrying temperature sensitive mutants of peptidyl‐

tRNA hydrolase. Peptidyl‐tRNA hydrolase catalyzes hydrolysis of the ester bond in 

peptidyl‐tRNAs that have dissociated from the ribosome (Menninger et al. 1973). 

Growth at the non‐permissive temperature resulted in the accumulation of peptidyl‐

tRNAs, indicating that they dissociate from ribosomes as by‐products of translation 

(Menninger 1976). The rate at which peptidyl‐tRNAs dissociated from ribosomes was 

estimated to be between 1 in 90 to 1 in 2600 elongation steps. Peptidyl‐tRNA 

accumulation at the non‐permissive temperature led to the inhibition of translation 

initiation and cell death (Atherly 1978; Menninger 1979). These findings indicate that the 

premature dissociation of peptidyl‐tRNAs is a natural by‐product of prokaryotic protein 

synthesis.  

1.4.2 Does premature translational termination occur in eukaryotes?

There is currently no direct evidence for peptidyl‐tRNA drop‐off in eukaryotic 

translation. However, there are several lines of indirect evidence that suggest premature 

 

17 

termination events are occurring. Studies of the distribution of ribosomes on mRNAs by 

both polysome microarrays (Arava et al. 2003) and ribosomal footprinting (Ingolia et al. 

2009) indicate relatively higher ribosomal density at the 5’ end of mRNAs. The latter 

study was particularly informative in that it was able to resolve the position of 

individual ribosomes at the level of single nucleotide resolution. For the first 30‐40 

codons, ribosomal density was very high, followed by a decrease over the next 100‐200 

codons down to a uniform density. The authors interpret these findings as reflecting 

either an increase in elongation rate or premature termination events.  

The presence of Pth homologs in eukaryotes (de Pereda et al. 2004, Ishii et al. 

2006) suggests conservation of the mechanisms for premature translational termination 

and disposal of the resulting drop‐off products, although the nature of these 

degradation pathways remains to be characterized biochemically. Characterization of 

the catalytic properties of Pth2 in humans indicates that Pth2 is more efficient in 

catalyzing ester bond hydrolysis than the E. coli Pth enzyme (de Pereda et al. 2004). 

Interestingly, the yeast homolog of Pth2 binds the ubiquitin‐like domains of Rad23 and 

Dsk2, which are responsible for the delivery of polyubiquitinated proteins to the 

proteasome (Ishii et al. 2006). Pth2 inhibited the interaction of Rad23 and Dsk2 with the 

proteasome, thereby inhibiting the degradation of polyubiquitinated protein. The 

involvement of Pth2 in the ubiquitin‐proteasome pathway suggests that the hydrolysis 

 

18 

of peptidyl‐tRNAs is functionally connected to protein degradation pathways in 

eukaryotes.  

Targeting of peptidyl‐tRNAs for rapid degradation may be coupled to signals 

induced by ribosomal stalling. The clearance of ribosomes stalled during elongation is 

regulated by the proteins Dom34 (Pelota in mammals) and Hbs1, which are paralogs of 

the eukaryotic release factors (Atkinson et al. 2008). These proteins were originally 

identified in the context of no‐go decay, an mRNA quality control pathway that 

degrades mRNAs bearing ribosomes which have stalled due to the presence of stable 

RNA stem‐loops, pseudoknots, or rare codons (Doma and Parker 2006; Passos et al. 

2009). A recent structural study of the Dom34/Hbs1 complex bound to the ribosome led 

the authors to propose a model in which Dom34/Hbs1 competes with elongation factors 

for ribosomal binding (Becker et al. 2011). When the ribosome stalls, Dom34/Hbs1 

binding is favored over the elongation factors, leading to destabilization of the mRNA‐

tRNA interaction with the ribosome and ribosomal dissociation. This mechanism 

appears to be conserved regardless of the cause for the ribosomal stall. In vitro 

reconstitution experiments demonstrate that Dom34/Hbs1 triggers the premature 

discharge of nascent polypeptides as intact peptidyl‐tRNAs (Shoemaker et al. 2010; 

Pisareva et al. 2011). Although peptidyl‐tRNA drop‐off remains to be shown in live cells, 

the function of the Dom34/Hbs1 complex offers a possible mechanism through which 

 

19 

prematurely terminated polypeptides could be generated in vivo and coupled to 

proteolysis. 

One example has been reported for the endogenous generation of truncated 

polypeptides as a DRiP source. Studies of the Epstein‐Barr virus encoded nuclear 

antigen 1 (EBNA1) protein demonstrated that translation initiates normally on EBNA1 

transcripts, but leads to the synthesis of truncated EBNA1 DRiPs that are efficiently 

degraded for MHC class I peptide presentation (Cardinaud et al. 2010). Furthermore, 

sequences within the EBNA1 mRNA auto‐inhibit the expression of the truncated 

polypeptide and thereby downstream antigen presentation. Although EBNA1 may be 

seen as a “special case,” it demonstrates in principle that truncated polypeptides can 

serve as an efficient source substrates for the RDP pathway in human cells. 

1.5 Puromycin: mechanism of action and experimental applications

I sought to use puromycin as a means to generate prematurely terminated 

polypeptides for studies of the RDP pathway. As a structural mimic of tyrosyl‐tRNA 

(Fig. 2), puromycin binds the ribosomal A site during elongation and binds covalently to 

the C‐terminus of the nascent polypeptide. Without a tRNA to remain tethered to the 

mRNA, the truncated peptidyl‐puromycin adduct then dissociates from the ribosome 

(Nathans 1964; Vázquez 1979). For experimental applications, puromycin offers the 

advantages of both stimulating and covalently tagging prematurely terminated 

polypeptides. 

 

20 

 

Figure 2: Puromycin and notable structural features. 

Puromycin has a well‐established history of use for studies of protein 

degradation. In E. coli, proteins synthesized in the presence of puromycin showed 

increased degradation (Kemshead and Hipkiss 1974), while puromycin had no effect on 

proteins synthesized prior to its addition to cells (Goldberg 1972). Reticulocytes and 

hepatoma cells were shown to possess a mechanism for the rapid degradation of 

peptidyl‐puromycins, though this proteolytic activity was lost in cell‐free lysates 

(McIlhinney and Hogan 1974). Multiple groups observed the formation of high 

molecular weight aggregates following puromycin treatment in a variety of both 

prokaryotic and eukaryotic cell types, leading many to suggest the aggregates 

represented proteolytic intermediates (Prouty et al. 1975; Daniels et al. 1980; Klemes et 

 

21 

al. 1981). Livers from senescent mice were impaired in their ability to degrade peptidyl‐

puromycins following puromycin administration in vivo (Lavie et al. 1982).  

A number of intellectual and technological advancements now make it possible 

to use puromycin specifically for the study of RDPs. The previous studies were 

conducted before the mechanisms of the ubiquitin‐proteasome system were understood, 

and well before the development of cell permeable, small molecule inhibitors of the 

proteasome which rescue RDPs from degradation (Rock et al. 1994). Reports of the 

special “short‐lived” protein pool from Poole, Wibo, and Wheatley were (seemingly) not 

picked up on, at the time, by investigators using puromycin.  

But it was the development of anti‐puromycin antibodies that greatly expanded 

the range of experimental applications for puromycin (Hansen et al. 1994). Initially, 

these antibodies were used to immunoprecipitate nascent chains and identify their 

bound chaperones (Hansen et al. 1994; Teter et al. 1999; McCallum et al. 2000) or 

interactions with the translocon (Pariyarath et al. 2001). After the early immunologic 

studies that formally tested the DRiP hypothesis, Lelouard and colleagues used 

puromycin to generate DRiPs and study their behavior in dendritic cells via 

immunofluorescent microscopy (Lelouard et al. 2004). Puromycin‐tagged DRiPs were 

found to traffic rapidly to specialized structures known as dendritic cell aggresome‐like 

induced structures (DALIS)—large cytoplasmic aggregates which function as storage 

depots for polyubiquitinated proteins and protect DRiPs from being degraded.  

 

22 

The most recent technical innovation using anti‐puromycin antibodies has been 

the application of puromycin to studies of protein synthesis. The underlying principle of 

this family of techniques is that puromycin incorporation can be used as a proxy 

measure of protein synthesis, without the need for radiolabeling. The first of these 

techniques to be published was called surface sensing of translation, or SUnSET, which 

takes advantage of the appearance of puromycin‐tagged polypeptides on the cell surface 

(Schmidt et al. 2009). In SUnSET, puromycin‐treated cells are stained with anti‐

puromycin antibodies and then measured for cell surface puromycin expression by flow 

cytometry. By this method, puromycin incorporation can be used to measure protein 

synthesis with single cell resolution. SUnSET has now been used successfully applied in 

vivo for studies of protein synthesis in skeletal muscle (Goodman et al. 2011). In this 

study, mice were injected intraperitoneally with puromycin, followed by harvesting of 

tissues for Western blotting and immunohistochemistry to measure puromycin 

incorporation. In both applications of SUnSET, puromycin signal gave similar results to 

radiolabeling, validating the use of this approach to measure translational activity. 

Finally, anti‐puromycin antibodies have been used to detect the subcellular localization 

of actively translating ribosomes, using a technique called ribopuromycylation (RPM) 

(David et al. 2011). In RPM, translating ribosomes are stained by puromycin attachment 

to the nascent chain. The addition of cycloheximide (CHX) arrests the nascent chain on 

 

23 

the ribosome, allowing one to stain for puromycin and characterize the subcellular 

distribution of active ribosomes. 

The development of anti‐puromycin antibodies has led to valuable insights into 

the biology of nascent polypeptides, DRiP regulation in professional antigen presenting 

cells, in vivo studies of protein synthesis, and the subcellular localization of translation. 

In my studies, I propose to use puromycin to generate and track the fate of prematurely 

terminated polypeptides.  I hypothesize that the products of premature translational 

termination are preferentially targeted to the RDP pathway. Throughout the studies in 

this dissertation, I employ both quantitative biochemical analysis and assays of antigen 

presentation to determine the effects of stimulating premature translational termination 

on the behavior of the RDP pathway. 

1.6 Overview of Results Chapters

In the following sections, I will present evidence that premature translational 

termination products are rapidly degraded polypeptides. In Chapter 3, I will describe 

the development of a model system that utilizes puromycin to generate and track the 

fate of truncated polypeptides. I will then use this system to investigate the effects of 

stimulating premature translational termination on the degradation of RDPs and to 

directly measure the stability of truncated polypeptides. In Chapter 4, I will explore the 

time‐ and concentration‐dependent effects of prematurely terminated polypeptides on 

MHC class I presentation.  

 

24 

2. Materials and Methods

2.1 Materials

Cycloheximide (CHX), puromycin (puro) and the proteasome inhibitor MG132 

were purchased from Sigma (St. Louis, MO). Mouse anti‐Kb and corresponding isotype 

control antibodies were purchased from BD (Franklin Lakes, NJ). AlexaFluor 647 

(AF647)‐conjugated goat anti‐mouse IgG, anti‐green fluorescent protein (GFP) rabbit 

serum, and methionine/cysteine‐deficient Dulbecco’s Modified Eagle Medium (Met/Cys‐ 

DMEM) were purchased from Invitrogen (Carlsbad, CA). The following reagents were 

also used: trichloroacetic acid (TCA, Mallinckrodt Chemicals, Phillipsburg, NJ), FK2 

mouse anti‐mono‐ and polyubiquitin conjugate (Millipore, Billerica, MA), E7 mouse 

anti‐‐tubulin (Developmental Studies Hybridoma Bank, University of Iowa, Iowa City, 

IA), and rabbit anti‐Pth2/Bit1 (Cell Signaling, Danvers, MA). Anti‐puromycin rabbit 

serum was kindly provided by Peter Walter (UCSF, San Francisco, CA). The following 

were the kind gifts of Jon Yewdell (NIAID, Bethesda, MD): AF647‐conjugated 25‐D1.16, 

a monoclonal mouse antibody specific for the MHC class I‐peptide complex Kb‐

SIINFEKL (Porgador et al. 1997), human embryonic kidney 293 cells stably expressing 

the mouse MHC class I allele, H‐2Kb (293‐Kb) (Qian et al. 2006a), and a plasmid 

containing NP‐SIINFEKL‐eGFP (NSe), composed of influenza nucleoprotein (NP) fused 

to the ovalbumin antigenic peptide SIINFEKL and enhanced green fluorescent protein 

 

25 

(eGFP) (Princiotta et al. 2003). Rabbit anti‐CHIP antisera, CHIP‐specific siRNA, and non‐

targeting siRNA were the kind gift of Doug Cyr (UNC, Chapel Hill, NC). 

2.2 Construction of the SIINFEKL Tandem Repeat reporter (TRx9)

The NSe construct was subcloned from pSC11 into pcDNA6B (Invitrogen) for 

transfection‐based expression using the EcoRV (5’) and NotI (3’) restriction sites, making 

the plasmid NSe‐pc6B. The method used to construct the tandem repeat was initially 

described in (Türkel and Farabaugh 1993). Prior to constructing the tandem repeat, it 

was necessary to eliminate the XbaI site in NSe‐pc6B via site‐directed mutagenesis using 

the following primers (mutation underlined). Forward: 5’‐

GGCCGCTCGAGCCTAGAGGGCCC‐3’. Reverse: 5’‐

GGGCCCTCTAGGCTCGAGCGGCC‐3’. This creates a silent TC mutation. Synthetic 

oligonucleotides were prepared encoding the antigenic SIINFEKL peptide flanked by 5 

amino acids from the chicken ovalbumin gene sequence: LEQLESIINFEKLTEWTS. The 

oligonucleotides (oligos) contain an NheI site at the 5’ end and an XbaI site at the 3’ end. 

Sense: 5’‐

CTAGGTGCTAGCCTTGAGCAGCTTGAGTCGATCATCAACTTCGAAAAGCTAACT

GAATGGACCAGTTCTAGA‐3’. Antisense: 5’‐

CTAGTCTAGAACTGGTCCATTCAGTTAGCTTTTCGAAGTTGATGATCGACTCAAG

CTGCTCAAGGCTAGCAC‐3’. The oligos were annealed by mixing 2 g of the sense 

and antisense strands in 1x T4 Ligase Buffer (New England Biolabs, Ipswich, MA), then 

 

26 

heating the mixture to 70 OC for 10 minutes, followed by gradual cooling to room 

temperature. The oligo duplex contains sticky ends that are compatible with the NheI 

restriction site. NSe‐pc6B was linearized with NheI and gel purified using a QIAquick 

Gel Extraction Kit (QIAGEN, Valencia, CA). The annealed oligo was then ligated into 

the NheI site of NSe‐pc6B, downstream of the existing SIINFEKL peptide between the 

nucleoprotein (NP) and eGFP open reading frames. Ligation eliminated the NheI site in 

the plasmid but introduced a new NheI site in the 5’ end of the ligated oligo. 

Directionality of the oligo insert was verified by PCR screening.  

To construct the tandem repeat, NSe‐pc6B containing the SIINFEKL oligo was 

subjected to a double digest with Nhe I/Xho I or Xba I/Xho I in separate reactions. The 

5’‐NheI‐XhoI‐3’ fragment and 5’‐XhoI‐XbaI‐3’ fragment (each of which contains one 

SIINFEKL element). These fragments were then ligated to one another; the NheI and 

XbaI sticky ends are compatible and ligate to one another, however the ligation results 

in elimination of the restriction site at the junction. The product of the ligation reaction is 

NSe‐pc6B containing two SIINFEKL elements (plus the SIINFEKL outside the tandem 

repeat unit already present in NSe, for three total, TRx3). The tandemly repeated 

SIINFEKL elements are flanked by NheI and XbaI (like the original oligo), but are joined 

at the junction between the NheI and XbaI sticky ends (which no longer forms a 

restriction site). Using the new construct to repeat the double digests and ligation for 

two additional cycles (causing two additional rounds of duplicating the SIINFEKL 

 

27 

element) produces NSe‐pc6B containing 9 total SIINFEKL elements (TRx9). All 

sequences were verified by the Duke University Comprehensive Cancer DNA 

Sequencing Facility (Durham, NC).  

2.3 Cell culture

293‐Kb cells were cultured in DMEM with 10% fetal bovine serum at 37 OC and 

5% CO2. Unless otherwise indicated, cell monolayers were used at 85% confluency. 

2.4 Metabolic radiolabeling and pulse-chase

Radiolabeling and pulse‐chase conditions to measure RDPs were adapted from 

(Qian et al. 2005). 293‐Kb cells were harvested and resuspended at a concentration of 107 

cells/ml in methionine‐deficient (Met/Cys‐) DMEM prewarmed to 37 OC supplemented 

with 1 mM glutamine, 1 mM sodium pyruvate and 25 mM HEPES. Cells were labeled 

without prior methionine starvation with 300 Ci/ml 35S‐methionine/cysteine (EasyTag 

Express Protein Labeling Mix, Perkin Elmer, Waltham, MA) at 37 OC. To terminate 

labeling and precipitate polypeptides, TCA was added to a final concentration of 10% 

w/v and samples were incubated on ice for 10 min. Precipitates were washed twice in 

acetone, air‐dried, resuspended in solubilization buffer (5% SDS, 0.5 M Tris) and heated 

at 95 OC for 10 min to fully solubilize polypeptides. Radiolabeled polypeptides were 

measured by liquid scintillation counting using a Packard Liquid Scintillation Analyzer 

Tri‐Carb 2100TR. Alternatively, radiolabeled polypeptides were separated on either 10% 

or 16%/6% (total/crosslinker) polyacrylamide gels by tricine SDS‐PAGE (Schägger 2006) 

 

28 

to resolve low molecular weight polypeptides or on 7.5% polyacrylamide Laemmli gels 

by standard SDS‐PAGE to resolve high molecular weight polypeptides. Gels were 

stained for total protein with Coomassie blue, dried, and exposed to a PhosphorImager 

plate overnight at room temperature or to HyBlot CL Autoradiography Film (Denville 

Scientific, Inc., Metuchen, NJ) at ‐80 OC for 4 days. PhosphorImager plates were scanned 

using a Typhoon 9400 (GE Healthcare) and quantified using ImageQuant TL version 7.0 

(GE Healthcare) or ImageJ (NIH). 

To generate lane intensity plots, custom Python scripts developed by David Reid 

(Duke University) were used to measure the sum of pixel intensities at each vertical 

position in a lane, with the sum plotted as a function of vertical position in the gel. To 

calculate the total signal in a specified region of a lane, the sum of pixel intensities was 

integrated over the given range. 

For pulse‐chase experiments, cells were radiolabeled at a concentration of 107 

cells/ml for 5 minutes, as previously described. Pulse labeling was terminated by the 

addition of >10‐fold excess volume of ice‐cold chase solution (Dulbecco’s phosphate 

buffered saline (DPBS) with 1% bovine serum albumin (BSA), 10 mM unlabeled 

methionine, 200 M CHX) and placing the samples on ice. Cells were quickly pelleted by 

centrifugation for 30 s at 3400 xg, then washed twice with 1 ml chase solution and 

resuspended in chase media at a concentration of 2.2x106 cells/ml (Met/Cys‐ DMEM with 

10 mM methionine and 200 M CHX). For the chase, cells were incubated at 37 OC in a 

 

29 

water bath; the chase was terminated at specific time points by the addition of TCA to a 

final concentration of 10% v/v and placing samples on ice, as described above. 

2.5 Denaturing immunoprecipitation

Solubilized TCA precipitates from radiolabeled cells were used at a 

concentration of 4x104 cell equivalents per 10 l of solubilization buffer, unless otherwise 

indicated. For each immunoprecipitation (IP) reaction, 10l of solubilized TCA 

precipitate was diluted into 990 l of IP buffer (1% Triton X‐100, 25 mM HEPES, 150 mM 

NaCl, 1 mM EDTA) and precleared with 15 l of Pansorbin cells (EMD, Gibbstown, NJ) 

for 30 minutes at room temperature. To precipitate peptidyl‐puromycins, 1 l of anti‐

puromycin serum was incubated with the precleared lysate for 1 hour at room 

temperature with gentle mixing. Immune complexes were captured by adding 15 l of a 

50% slurry of Pierce protein A/G agarose beads (Thermo Fisher, Rockford, IL) and 

incubating for 1 hour at room temperature with gentle mixing. Beads were washed four 

times with 1 ml IP buffer, then mixed with 22 l sample buffer (300 mM Tris, pH 6.8, 

36% glycerol, 10% SDS, 0.012% bromophenol blue) with 50 mM dithiothreitol (DTT) and 

heated to 95 OC for 5 minutes. Beads were pelleted and the supernatants were used for 

liquid scintillation counting or tricine SDS‐PAGE. 

2.6 Flow cytometry

Twenty‐four hours prior to drug treatment, 293‐Kb cells were seeded into a 6‐

well plate at a density of 2x105 cells/well. Cells were treated for 12 hours with various 

 

30 

drugs, then harvested and stained with 0.5 g of either isotype control or anti‐Kb 

antibody in 100 l of FACS buffer (DPBS with 1% BSA and 0.02% sodium azide) on ice 

for 45 minutes. Cells were washed twice with FACS buffer, and then stained with 1 g of 

AF647‐goat anti‐mouse IgG in 100 l of FACS buffer on ice for 45 minutes. Cells were 

washed twice more with FACS buffer, then resuspended in 300 l FACS buffer with 2 

g/ml propidium iodide (PI, Sigma‐Aldrich, St. Louis, MO) on ice for 30 minutes. A 

similar procedure was used to measure cell surface Kb‐SIINFEKL complexes using the 

AF647‐conjugated 25‐D1.16 monoclonal antibody (1:500 dilution) except for the 

exclusion of a secondary antibody staining step.  Samples were analyzed immediately 

using an LSRII flow cytometer (BD Biosciences, San Jose, CA). PI‐positive cells were 

excluded from analyses of cell surface antibody staining. For each fluorescence channel, 

the minimum and maximum values of geometric mean fluorescence intensity (MFI) 

were standardized between trials. All flow cytometry data were analyzed using FlowJo 

version 8.6.1 (Treestar, Ashland, OR). 

2.7 MHC class I peptide stripping and recovery

Twenty‐four hours prior to reporter plasmid transfection, 293‐Kb cells were 

seeded into 10‐cm plates at a density of 106 cells/plate. For transfection, 54 g of 

polyethylenimine (PEI, 25 kDa, linear, Polysciences, Warrington, PA) was complexed 

with 18 g of reporter plasmid DNA in Opti‐MEM (Invitrogen) and incubated with cells 

for 7 hours. Media containing PEI‐DNA complexes was exchanged for fresh, prewarmed 

 

31 

media, and transfected cells were incubated for an additional 17 hours. Cells were then 

harvested and stripped of MHC I peptides as described in (Sugawara et al. 1987). Briefly, 

cell pellets were resuspended in peptide stripping buffer (0.131 M citric acid, 0.66 M 

Na2HPO4, 1% BSA, pH 3) and incubated on ice for 2 minutes. The pH was neutralized to 

7.4 and the cells were resuspended at a concentration of 105 cells/ml in standard media, 

then seeded into a 12‐well plate with varying concentrations of protein synthesis 

inhibitors. Cells were incubated for up to 4 hours at 37 OC to allow for the recovery of 

cell surface MHC class I‐peptide complexes. The cells were harvested at the indicated 

time points, stained for cell surface Kb and Kb‐SIINFEKL complexes, and analyzed by 

flow cytometry as described above.  

2.8 Western blotting

293‐Kb cells were harvested and lysed on ice in IP buffer with 1 mM 

phenylmethylsulfonyl fluoride (PMSF) for 10 minutes. Lysates were clarified by 

centrifugation at 20000 xg for 10 minutes at 4 OC. Cleared lysates were mixed 1:1 with 

sample buffer and 20 mM DTT, heated to 95 OC for 5 minutes, and separated by SDS‐

PAGE on standard 10% or 12.5% Laemmli gels, using 3x105 cell equivalents/lane. 

Proteins were transferred via overnight wet transfer in Towbin buffer (25 mM Tris, 192 

mM glycine, 20% methanol) onto a polyvinylidene fluoride (PVDF) membrane.  

For detection of ‐tubulin, membranes were blocked with 10% milk in Tris‐

buffered saline and 0.05% Tween 20 (TBS‐T). E7 (anti‐‐tubulin, 1:3000) was diluted in 

 

32 

1% milk in TBS‐T then incubated with the membranes for 1 hour at room temperature 

with gentle rocking. Membranes were washed three times with 1% milk in TBS‐T, then 

probed with the secondary antibody HRP‐goat anti‐mouse IgG (1:2500 in TBS‐T) to 

detect E7 for 30 minutes.  

For detection of polyubiquitinated proteins, membranes were blocked with 1% 

BSA in TBS‐T, then probed with FK2 antibody (1:1000 in 1% BSA TBS‐T). Membranes 

were washed three times in 1% BSA TBS‐T, then FK2 was detected using HRP‐goat anti‐

mouse (1:2500 in 1% BSA TBS‐T).  

To detect peptidyl‐tRNA hydrolase 2 (Pth2), membranes were blocked with 5% 

BSA in TBS‐T, then probed with anti‐Pth2 antibody (1:500 in 5% BSA TBS‐T) overnight 

at 4 OC with gentle rocking. Membranes were washed 3 times in 5% BSA TBS‐T, then 

probed with mouse anti‐rabbit IgG (1:1000 in 5% BSA TBS‐T) secondary antibody. 

Membranes were washed 3 additional times in 5% BSA TBS‐T, then probed with HRP‐

goat anti‐mouse IgG (1:2500 in 5% BSA TBS‐T) tertiary antibody for 30 minutes at room 

temperature with gentle rocking. 

To detect CHIP, membranes were blocked with 10% milk in TBS‐T, then probed 

with 1:250 rabbit anti‐CHIP antisera (diluted in 1% milk TBS‐T) overnight at 4 OC with 

gentle rocking. Membranes were washed 3 times in 1% milk TBS‐T, then probed with 

HRP‐goat anti‐rabbit IgG (1:2500 in 1% milk TBS‐T) secondary antibody for 30 minutes 

at room temperature with gentle rocking.  

 

33 

For all Western blots, just prior to the addition of HRP substrate, blots were 

washed 3 times in TBS‐T, then 2 additional times in TBS. HRP‐antibody conjugates were 

detected by incubating blots for 5 minutes with the SuperSignal West Pico 

Chemiluminescent Substrate (Thermo Scientific), then imaging the chemiluminescence 

on HyBlot CL Autoradiography Film. 

2.9 RNA interference

293‐Kb cells were seeded at 50% confluence in 12‐well plates 24 hours prior to 

transfection, then transfected with 100 nM Pth2 SMARTpool siRNA (Dharmacon, 

Lafayette, CO), 100 nM CHIP siRNA or 100 nM non‐targeting siRNA complexed with 2 

l of Lipofectamine 2000 (Invitrogen, Carlsbad, CA) according to the manufacturer’s 

instructions. After 7 hours, media on the cells was changed to fresh, prewarmed media. 

Seventy‐two hours after transfection, cells were harvested for Western blotting, pulse‐

chase analysis, or flow cytometry as described above. 

2.10 Data analysis

Statistical analyses were conducted using Microsoft Excel 2010. Graphs were 

generated using either Microsoft Excel 2010 or GraphPad Prism 4.0 (GraphPad Software, 

San Diego, CA). Images were assembled in Adobe InDesign CS4, Adobe Illustrator CS4, 

and Adobe Photoshop CS4 (Adobe Systems Inc., San Jose, CA). Schematics were 

generated in Microsoft PowerPoint 2010. 

 

34 

3. Premature translational termination products are rapidly degraded polypeptides

3.1 Overview

Nearly a third of all newly synthesized polypeptides are directed to the RDP 

pool, which comprises 70% of proteasomal substrates (Schubert et al. 2000; Princiotta et 

al. 2003; Qian et al. 2006a). However, the molecular characteristics of RDP pathway 

substrates remain mysterious. From the initial formulation of the DRiP hypothesis 

fifteen years ago to the present day, premature translational termination products have 

been proposed to be a source of RDP pathway substrates, although this has not yet been 

tested experimentally in eukaryotic cells (Yewdell 1996; Dolan et al. 2011b). Studies in E. 

coli have demonstrated that the drop‐off of nascent polypeptides occurs as a normal by‐

product of protein synthesis (Menninger 1976), with nearly 25% of translation initiation 

events resulting in the production of truncated polypeptides which are rapidly 

degraded (Manley 1978, Tsung et al. 1989, Jorgensen and Kurland 1990). 

To determine whether prematurely terminated polypeptides can serve as RDP 

pathway substrates, I used puromycin to stimulate premature translational drop‐off of 

nascent chains. In this chapter, I describe the development of a model system employing 

puromycin to track the fate of prematurely terminated polypeptides in mammalian cells. 

Based on my biochemical studies with puromycin, I report four primary findings: 1) 

Puromycin treatment doubles the fraction of polypeptides targeted for rapid 

degradation in cells. 2) During puromycin treatment, a fraction of polypeptides is 

 

35 

rapidly degraded via a mechanism resistant to MG132, a proteasome inhibitor. 3) Low 

molecular weight polypeptides show increased degradation in puromycin‐treated cells, 

even in the presence of MG132. 4) Prematurely terminated peptidyl‐puromycins are 

targeted for rapid degradation, a fraction of which occurs in an MG132‐resistant 

manner. These studies provide biochemical evidence to support the proposal that 

prematurely terminated polypeptides are preferentially targeted to the RDP pathway, 

suggesting that truncated polypeptides compose a general subclass of RDPs. 

3.2 Development and characterization of a model system to study the products of premature translational termination

To test the hypothesis that prematurely terminated polypeptides are RDPs, I 

sought to develop a model system in mammalian cells in which the generation of 

prematurely terminated polypeptides could be precisely controlled. To accomplish this, 

I exploited the properties of the antibiotic puromycin, a structural mimic of tyrosyl‐

tRNA. Puromycin covalently incorporates into the C‐terminus of nascent polypeptides, 

leading to their premature termination and dissociation from the ribosome (Vázquez 

1979). I postulated that the production of truncated polypeptides could be predictably 

controlled by varying the concentration of puromycin. Furthermore, with the 

development of anti‐puromycin antisera (McCallum et al. 2000), puromycin serves as a 

covalent tag that can be used to selectively purify and track the fate of prematurely 

terminated peptidyl‐puromycin adducts.  

 

 

36 

First, I sought to identify a puromycin concentration range that promotes the 

production of prematurely terminated polypeptides while maintaining a substantial 

level of protein synthesis. To accomplish this, 293‐Kb cells were radiolabeled with [35S]‐

Met in the presence of varying concentrations of puromycin ranging from 0.02‐200 M. 

Radiolabel incorporation was then determined by liquid scintillation counting to 

measure total cellular protein synthesis. For comparison, I used cycloheximide (CHX), 

an antibiotic that arrests elongating ribosomes without prematurely discharging the 

nascent chain (Vázquez 1979). CHX acts by binding the E‐site of the large ribosomal 

subunit (60S) and preventing translocation (Schneider‐Poetsch et al. 2010).  

The data in Fig. 3 illustrate the protein synthesis dose inhibition profiles for 

puromycin and CHX. CHX elicited a biphasic inhibition of [35S] incorporation, with 

~70% inhibition over the first 2 log order increase in concentration then ~20% inhibition 

over the remaining 2 log order increase. The results correspond to the linear portion and 

tail of a sigmoidal inhibitory dose‐response profile, based on comparison to a similar 

experiment done in HeLa cells (Schneider‐Poetsch et al. 2010).   

 

37 

 

Figure  3:  Contrasting  effects  of  cycloheximide  and  puromycin  on  [35S]‐methionine 

incorporation during protein  synthesis.  293‐Kb  cells were  radiolabeled with  [35S]‐Met 

for  10  minutes  in  the  presence  of  varying  concentrations  (M)  of  CHX  and  puro, 

followed  by  precipitation  of  polypeptides  with  trichloroacetic  acid  (TCA).  TCA 

precipitates  were  solubilized  and  radiolabel  incorporation  was  measured  by  liquid 

scintillation counting.  [35S] signal was normalized  to untreated controls  (n = 3; mean ± 

s.e.m.) 

Puromycin treatment yields a very different dose‐response profile. In contrast to 

CHX, treatment with 0.2 to 2 M puromycin resulted in a small but significant increase  

in [35S] labeling compared to untreated controls (p = 0.01 and p = 0.07 at 0.2 and 2 M, 

respectively), with ~90% inhibition occurring over the remaining 2 log order increase in 

concentration. These results demonstrate that inducing premature termination with low 

concentrations of puromycin allows the majority of total protein synthesis to be 

maintained (20 M) or causes it to slightly increase (0.2‐2 M). 

The stimulation of protein synthesis observed at low puromycin concentrations 

is consistent with a study reporting that moderate accumulation of misfolded  

 

38 

proteins induces a small increase in protein synthesis (Qian et al. 2010). In that study, the 

increase in misfolded proteins was found to decrease chaperone availability, thereby 

triggering signaling through the mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1), 

which in turn, phosphorylated p70 S6 kinase 1 (S6K1). Phosphorylation of the ribosomal 

S6 protein by S6K stimulated protein synthesis. This feedback loop is proposed to 

regulate protein quantity depending on protein quality; the increase in translation likely 

represents an acute response to replenish cellular proteins lost to misfolding.  In my 

system, it is reasonable to suggest that puromycin concentrations from 0.2 to 2 M 

stimulated the production of truncated polypeptides (many of which are likely to be 

misfolded or unfolded) which triggered the feedback loop to increase protein synthesis. 

To examine the molecular characteristics of puromycin‐elicited drop‐off 

products, lysates from cells radiolabeled with the same concentrations of puromycin or 

CHX used in Fig. 3 were separated by tricine SDS‐PAGE, which is better able to resolve 

low molecular weight proteins than standard Laemmli SDS‐PAGE (Schägger and von 

Jagow 1987; Schägger 2006). [35S]‐labeled proteins were visualized by phosphor imaging.  

 

39 

 

Figure 4: Contrasting effects of cycloheximide and puromycin on the profile of newly 

synthesized polypeptides. 293‐Kb cells were radiolabeled with [35S]‐Met for 10 minutes 

in  the  presence  of  varying  concentrations  (M)  of CHX  and  puro,  followed  by  TCA 

precipitation of polypeptides.  (A) TCA precipitates were solubilized and separated by 

tricine SDS‐PAGE  in a  10% gel  (left panel) or 16%/6% gel  (total/crosslinker,  lower  right 

panel) or by Laemmli SDS‐PAGE  in a 7.5% gel  (upper right panel). Gels were dried and 

exposed  to  a  PhosphorImager  plate  overnight.  (B)  and  (C)  Pixel  intensities  were 

determined  using  ImageJ  and  plotted  for  polypeptides  at  the  top  of  the  gel  in  the 

stacking/separating  gel  interface  (High MW),  resolved  proteins  in  the  separating  gel 

(Bulk), and unresolved small polypeptides  in  the dye  front  (Low MW). The sum of all 

three signals was also plotted. All values  for CHX  (B) and puromycin‐treated  (C) cells 

were normalized to untreated samples. Results are representative of three independent 

experiments. 

 

40 

 

Figure  5:  Treatment with  protein  synthesis  inhibitors  during  radiolabeling  has  no 

effect on steady state protein levels. The gels from Fig. 4A were stained with Coomassie 

blue and scanned. Results are representative of three independent experiments. 

The size distribution of [35S]‐labeled polypeptides showed considerable 

concentration‐dependent differences between CHX and puromycin‐treated cells (Fig. 

4A). This was most evident in the populations of poorly resolved polypeptides at the top 

and bottom of the gel. To distinguish between the behavior of poorly resolved high and 

low molecular weight polypeptides, as well the bulk of proteins resolved in the 

separating gel, ImageJ was used to determine the pixel intensities for each of the three 

polypeptide populations across all samples (Figs. 4B and 4C). I will discuss these 

populations, in turn, and compare their behavior to total 35S signal in the lane (Figs. 4B 

and 4C, Sum) to compare the effects of CHX and puromycin on the profile of 

polypeptides of different molecular weights.  

 

41 

High molecular polypeptides (>260 kDa) accumulated as a single band at the 

interface of the stacking and separating gel layers in 10% tricine gels. In an attempt to 

resolve these high molecular weight species, lysates from CHX and puromycin‐treated 

cells were resolved on 7.5% Laemmli gels (Fig. 4A, upper right panel). Despite better 

resolution of polypeptides between 95 and 260 kDa, the population at the 

stacking/separating gel interface persisted. While the exact identity of this population is 

unclear, it has been observed previously in the context of studying RDPs (Schubert et al. 

2000) in which it was suggested that these represent polyubiquitinated proteins, though 

this was not demonstrated explicitly. This explanation is plausible, given that 

polyubiquitin chains branch off the primary polypeptide chain, and polyubiquitin 

chains can be branched themselves. Thus, even when maximally solvated and unfolded 

by SDS, proteins conjugated to sufficiently long and branched polyubiquitin moieties 

would be poorly able to migrate through the polyacrylamide pores of the separating gel, 

and instead get trapped at the stacking/separating gel interface. Alternatively, this 

population may simply represent high molecular weight proteins or SDS‐resistant 

protein aggregates. Small, unresolved polypeptides at the dye front of the 10% tricine 

gel were successfully resolved on a 16%/6% (total/crosslinker) tricine gel (Fig. 4A, lower 

right panel). 

Increasing concentrations of CHX resulted in progressive decreases in [35S] signal 

that uniformly affected the high molecular weight (High MW) and resolved (Bulk) 

 

42 

polypeptide populations (Fig 4B), suggesting that these two populations are inhibited by 

CHX in the same manner. Unexpectedly, the production of low molecular weight (Low 

MW) polypeptides increased slightly at 0.02 M CHX, and was less potently inhibited 

by CHX from 0.02‐20 M, but was more potently inhibited by 200 M CHX. The reason 

for this behavior is unclear; the data would be consistent with ribosomes being more 

sensitive to CHX in later rounds of elongation than earlier (and this could even explain 

the biphasic inhibition profile of CHX seen in Fig. 3), but there is no reason to expect this 

based on CHX’s mechanism of action (Schneider‐Poetsch et al. 2010).  

In contrast to CHX, at puromycin concentrations from 0.02 to 2 M, the profile of 

resolved [35S]‐labeled bands was of slightly higher intensity relative to untreated 

controls (Fig. 4A), with an increase in 35S signal of 12‐16% (Fig. 4C, Bulk). This increase is 

consistent with the [35S] incorporation data showing a small increase in protein synthesis 

over this low range of puromycin concentrations (Fig. 3). Polypeptides at the top of the 

gel (Fig. 4C, High MW) showed no change in signal from 0.02 to 2 M puromycin, while 

smaller polypeptides (Low MW) increased in a concentration‐dependent manner.  

The profile shifted markedly at 20 M puromycin, where radiolabel 

incorporation into the prominent resolved bands was reduced, with a clearly discernible 

increase in background radioactivity throughout the lane, consistent with the 

appearance of highly heterogeneous, radiolabeled species. While the high molecular 

weight and resolved proteins showed a ~30% decrease in signal relative to untreated 

 

43 

controls (Fig. 4C, High MW and Bulk, respectively), there was a >250% signal increase in 

unresolved polypeptides at the dye front of the 10% tricine gel (Fig. 4A, left panel). 

These small polypeptides were successfully resolved as a heterogeneous population 

extending down to 4.6 kDa on a 16%/6% (total/crosslinker) tricine gel (Fig. 4A, lower 

right panel). The low molecular weight polypeptides whose accumulation was robustly 

stimulated by 20 M puromycin are, by definition, premature translational termination 

products. 

At 20 M puromycin, there is a ~30% inhibition of total 35S incorporation (Figs. 3 

and 4C). Because of puromycin’s mechanism of action as a premature chain terminator, 

it is instructive to explore possible mechanisms by which puromycin decreases 35S 

labeling to better understand its effects in this experimental system. First, truncation of 

polypeptides will lead to a decrease in the number of radiolabeled amino acids per 

polypeptide (assuming methionine residues are randomly distributed along the length 

of any given protein), meaning part of the decrease in 35S signal reflects the decrease in 

average polypeptide length, rather than a decrease in initiation events. Second, 

saturation of either the translational termination or initiation machinery by the high 

number of premature termination events would result in a net decrease in protein 

synthesis. (I favor saturation of initiation, since it is the rate‐limiting step of translation 

(Kapp and Lorsch 2004; Gebauer and Hentze 2004)). Third, the increase in the cellular 

load of misfolded, truncated proteins could cause a massive drop in chaperone 

 

44 

availability. Studies of the mTORC1 pathway demonstrate that sizable depletions in 

available chaperones lead to the failure of mTORC1 assembly and downstream 

translational inhibition (Qian et al. 2010). Finally, (and most significantly for this study), 

the drop in 35S incorporation likely reflects the rapid degradation of prematurely 

terminated peptidyl‐puromycin chains during radiolabeling. One or more of these 

factors is likely responsible for the partial inhibition of 35S incorporation observed 

following treatment with 20 M puromycin.  

At 200 M puromycin, there was a nearly complete loss of [35S]‐labeled high 

molecular weight and resolved polypeptide species, while there were still 25% more low 

molecular weight peptides in this sample than untreated controls (Figs. 4A and 4C). 

These data indicate that at such a high concentration of puromycin, nearly all 

translational initiation events in the cell are followed shortly by the covalent attachment 

of puromycin to nascent chains in one of the first few elongation steps, exclusively 

yielding short peptidyl‐puromycins. 

One potential concern is that the changes in 35S‐labeled polypeptide profiles are 

not due to changes in protein synthesis, but rather to off‐target effects of the inhibitors 

that globally perturb protein homeostasis. To address this concern, the gels from the 

radiolabeling studies (Fig. 4) were stained with Coomassie blue to assess changes to the 

steady state protein profile. As seen in Fig. 5, treatment with either protein synthesis 

inhibitor caused no discernible change in steady state cellular protein concentration or 

 

45 

composition across the entire concentration range, indicating that the concentration‐

specific effects of the protein synthesis inhibitors result from their effects on translation. 

To more precisely control the production of truncated polypeptides, I sought to 

obtain a more detailed picture of the dose‐response relationship between puromycin 

and the polypeptide profile. To accomplish this, cells were radiolabeled with [35S]‐Met 

over a linear range of puromycin concentrations from 0 to 20 M, and the labeled 

polypeptide composition was analyzed by tricine SDS‐PAGE (Fig. 6A). The profiles of 

radiolabeled polypeptides showed a puromycin‐dependent shift in the average intensity 

of [35S] signals from higher to lower molecular weight polypeptides. There was also a 

puromycin‐dependent increase in signal for unresolved low molecular weight 

polypeptides at the dye front. The gel data were plotted in Fig. 6B to visualize lane 

intensity profiles. Additionally, the effects of varying puromycin concentration on [35S] 

signal were determined for polypeptides of different molecular weights (Regions 1‐4 

throughout Fig. 6, plotted in Fig. 6C). For the gel regions analyzed, puromycin treatment 

resulted both in the progressive loss of polypeptides from ~60‐85 kDa in size (Region 1) 

and in the accumulation of polypeptides ~10‐12 kDa (Region 3) and <10 kDa (Region 4) 

in size, reflecting increased production of truncated polypeptides. Notably, signal for 

polypeptides ~15‐17 kDa in size (Region 2) showed minimal variation with puromycin 

concentration. 

 

46 

 

Figure  6:  Puromycin  stimulates  the  production  of  truncated  polypeptides  in  a 

concentration‐dependent manner. (A) 293‐Kb cells were radiolabeled with [35S]‐Met for 

10 minutes  in  the presence of a  linear range of puromycin concentrations  from 0  to 20 

M, followed by TCA precipitation of polypeptides. TCA precipitates were solubilized 

and  separated by  tricine SDS‐PAGE  in a 10% gel.  In  the  later panels,  the  [35S]  signals 

from the four regions indicated to the right of the gel are analyzed. (B) PhosphorImager 

signal  intensities  (arbitrary units)  from selected  lanes  in  (A). The  left side of  the graph 

corresponds  to  the  top of  the gel while  the  right  side of  the graph corresponds  to  the 

bottom of the gel at the dye front. The highlighted regions correspond to the parts of the 

gel indicated in (A). (C) The effects of puromycin concentration on [35S] signal for each of 

the  highlighted  gel  regions  in  (A)  and  (B).  Results  are  representative  of  three 

independent experiments. The data presented  in  this  figure was contributed by David 

Reid and Joshua Lacsina, in experiments designed by Joshua Lacsina. 

Interestingly, the concentration‐dependent effects of puromycin on the size 

profile of polypeptides are not consistent with a simple model in which puromycin 

 

47 

causes progressively shorter truncation of polypeptides at higher concentrations. If such 

a model were true, we would have expected to see an increase in signal in the 15‐17 kDa 

range, followed by a decrease over the course of the titration. Instead, we see the 

progressive loss of high molecular weight polypeptides (as we expect), but only the 

accumulation of polypeptides <15 kDa in size.  

What can account for this size bias in puromycin‐truncated polypeptides? I 

suggest two possible contributing factors. First, high‐resolution studies of ribosomal 

position indicate that there is a high density of ribosomes in the first 30‐40 codons of an 

mRNA, which relaxes to a uniform density in a transitional zone of 100‐200 additional 

codons (Ingolia et al. 2009). Assuming an average molecular weight of 110 Da per amino 

acid, this would correspond to a higher density of ribosomes with nascent chains 

ranging from 3.3 to 4.4 kDa, followed by ribosomes in the transitional zone with nascent 

chains 15.4 to 26.4 kDa in size. The 5’‐skewed distribution of ribosomes along transcripts 

would bias puromycin (which we assume acts stochastically) to discharge polypeptides 

in the size ranges listed, consistent with my experimental observations.  

Second, ribosomes that dissociate as a result of puromycin‐induced termination 

would be recycled for a subsequent round of initiation. As more elongation events are 

prematurely terminated, this would shift the equilibrium away from ribosomes 

participating in elongation and towards ribosomes undergoing initiation (assuming the 

translational initiation machinery is not saturated). The net result of this shift in 

 

48 

ribosomal distribution to the 5’ end of transcripts for initiation would result in 

puromycin‐induced discharge predominantly of short polypeptides. 

For the purposes of studying prematurely terminated polypeptides in the RDP 

pathway, the major finding from this series of studies was that treatment with 20 M 

puromycin markedly enhanced the production of premature termination products while 

maintaining a substantial fraction (~70%) of total protein synthesis (Figs. 3 and 4C). 

These experimental conditions were used in the studies described below to study the 

cellular fate of prematurely terminated polypeptides. 

3.3 Stimulating premature translational termination increases the fraction of rapidly degraded polypeptides

In the previous section, I identified experimental conditions that promote the 

robust production of premature translational termination products. In the following 

series of studies, I explore how inducing premature termination affects the flux of 

polypeptides through the RDP pathway. Quantitative studies of RDPs were made 

possible by the development of proteasome inhibitors permeable to live cells (Rock et al. 

1994; Kisselev and Goldberg 2001). Measurement of RDPs involves short pulse 

radiolabeling of cells, followed by a chase with excess unlabeled amino acid to track the 

degradation of the radiolabeled proteins. Conducting the pulse‐chase in the presence or 

absence of proteasome inhibitors allows measurement of both the rate of proteasome‐

dependent RDP degradation and the fraction of RDPs (Qian et al. 2005). A short pulse 

labeling period has been shown to be critical for measuring the RDP pool, because RDPs 

 

49 

are degraded during the duration of labeling, which leads to an underestimation of the 

RDP fraction (Wheatley et al. 1980; Fuertes et al. 2003). Because RDPs have a 

characteristic half‐life of ~10 minutes (Schubert et al. 2000; Qian et al. 2005; Qian et al. 

2006a), they are almost completely degraded after the first 50 minutes of the chase. For 

this reason, I term the “RDP fraction” as the fraction of polypeptides degraded after 50 

minutes.  

To determine the effects of inducing premature termination on the fraction of 

polypeptides targeted for rapid degradation, cells were pulse‐labeled for 5 minutes in 

the presence or absence of 20 M puromycin, then chased for up to 50 minutes without 

puromycin in the presence or absence of the proteasome inhibitor, MG132 (Fig. 7). In 

control cells without puromycin, 20% of the radiolabeled proteins were degraded by the 

proteasome 5 minutes into the chase in an initial, rapid degradation phase. This was 

followed by a more gradual loss in signal with a total loss of 25% of the radiolabel by the 

end of the chase relative to MG132‐treated controls. These results are consistent with 

previous reports of the biphasic degradation kinetic and measures of the fraction of 

RDPs in mammalian cells (Princiotta et al. 2003; Qian et al. 2006a).  

In contrast, in puromycin‐treated cells, 25% of the radiolabeled polypeptides had 

already been lost by the beginning of the chase in a proteasome‐dependent manner, 

indicating that they were degraded during pulse labeling. This is similar to what I 

suggested previously to explain the partial inhibition of 35S incorporation at 20 M  

 

50 

 

Figure  7:  Treatment  with  puromycin  increases  the  fraction  of  rapidly  degraded 

polypeptides. 293‐Kb cells were pulse  labeled with [35S]‐Met +/‐ 20 M puro and +/‐ 20 M MG132  for 5 minutes,  then chased  from 0  to 50 minutes  in  the presence of excess 

cold methionine, CHX and +/‐ 20 M MG132. DMSO is a solvent control for MG132. The 

chase  was  terminated  at  the  indicated  time  points  by  the  addition  of  TCA  to  cell 

suspensions to precipitate polypeptides. TCA precipitates were solubilized and [35S] was 

measured by liquid scintillation counting (n ≥ 4; mean ± s.e.m.) 

puromycin (Fig. 3). Rapid loss of radiolabeled protein continued up to 20 minutes into 

the chase, compared to the 5 minutes of rapid degradation seen in the absence of 

puromycin. I speculate that puromycin treatment prolongs the rapid degradation phase 

of the decay curve by saturating the proteasome with substrates. By the end of the 50 

min chase in puromycin‐treated cells, 49% of the radiolabeled polypeptides were 

degraded relative to MG132‐treated controls, representing a doubling of the RDP 

fraction. These findings indicate that the premature termination products induced by 

puromycin treatment were targeted for rapid degradation.  

 

51 

Interestingly, in puromycin‐treated cells there was a trend towards increased 

degradation despite the presence of proteasome inhibitor. Comparing MG132‐treated 

cells in the presence or absence of puromycin, there was an initial rapid loss of 

radiolabeled polypeptide in puromycin‐treated cells, with the eventual loss of 20% of the 

radiolabel by the end of the chase. These results indicate that a fraction of prematurely 

terminated polypeptides are degraded in an MG132‐resistant manner.   

Because puromycin treatment increased the fraction of polypeptides targeted for 

rapid degradation, I wanted to determine whether polypeptides displayed size‐

dependent differences in their sensitivity to this effect. Lysates from cells subjected to 

pulse‐chase protocols similar to those described in Fig. 7 were separated by tricine SDS‐

PAGE and radiolabeled polypeptides were visualized by phosphor imaging. In control 

cells pulse‐labeled without puromycin (Fig. 8A), MG132 treatment led to a modest 

recovery of [35S] signal that showed no bias for molecular weight. For cells pulse‐labeled 

with puromycin (Fig. 8B), there was a substantial loss in signal over the course of the 

chase in the absence of proteasome inhibitor. This loss was especially pronounced for 

low molecular weight polypeptides. The addition of MG132 to puromycin‐treated cells 

rescued [35S] signal for polypeptides of all sizes. Notably, even in the presence of 

proteasome inhibitor, there was a marked loss of low molecular weight polypeptides in 

puromycin‐treated cells over the course of the chase.  

 

52 

 

Figure  8:  Effects  of  puromycin  on  the  degradation  profile  of  newly  synthesized 

polypeptides. (A) and (B) 293‐Kb cells were pulse labeled with [35S]‐Met +/‐ 20 M puro and +/‐ 20 M MG132 for 5 minutes, then chased from 0 to 100 minutes in the presence 

of excess cold methionine, CHX and +/‐ 20 M MG132. The chase was terminated at 0, 5, 

10,  20,  50,  and  100 minutes by  the  addition of TCA  to  cell  suspensions  to precipitate 

polypeptides. Solubilized TCA precipitates from cells radiolabeled in the absence (A) or 

presence (B) of 20 M puro were separated by tricine SDS‐PAGE on 10% gels. Gels were 

dried and exposed to a PhosphorImager plate overnight. Note that for (B), the darkness 

of the image has been enhanced in order to see the contrast in degradation rates between 

(A) and (B) more clearly. Results are representative of three independent experiments. 

 

 

53 

Based on these pulse‐chase studies, I report the following findings. 1) 

Stimulating premature termination with puromycin doubles the fraction of RDPs in 

cells. 2) Low molecular weight polypeptides representing premature termination 

products are particularly unstable in puromycin‐treated cells. 3) Puromycin treatment 

results in the MG132‐resistant degradation of a fraction of polypeptides. 4) Even in the 

presence of MG132, low molecular weight polypeptides are rapidly degraded in 

puromycin‐treated cells. Taken together, the pulse‐chase data strongly suggest that the 

prematurely terminated polypeptides induced by puromycin treatment are rapidly 

degraded. The data also suggest the presence of an alternative, MG132‐resistant RDP 

pathway that acts on small, truncated polypeptides. Having examined the effects of 

puromycin on the degradation of total cellular protein, in the next section, I describe my 

efforts to specifically track the fate of prematurely terminated polypeptides. 

3.4 The products of premature translational termination are rapidly degraded polypeptides

As a structural mimic of tyrosyl‐tRNA, puromycin acts by covalently 

incorporating into the C‐terminus of nascent polypeptides, leading to their premature 

termination and dissociation from the ribosome (Vázquez 1979). Because of its covalent 

attachment to the dissociated nascent chain, puromycin can serve as an affinity tag for 

the specific detection and purification of premature termination products, which was 

made possible by the development of anti‐puromycin antibodies (McCallum et al. 2000). 

Puromycin has been used to generate DRiPs and study their trafficking by 

 

54 

immunofluorescence microscopy in a variety of cell types (Lelouard et al. 2004; Szeto et 

al. 2006). To date, however, anti‐puromycin antibodies have not been applied to study 

prematurely terminated polypeptides in the context of the RDP pathway. In this section, 

I describe the development and optimization of an immunoprecipitation (IP)‐based 

method to purify and track the fate of truncated polypeptides. 

To specifically analyze prematurely terminated polypeptides, I performed 

denaturing IPs using anti‐puromycin antisera to capture peptidyl‐puromycin 

termination products. Denaturing immunoprecipitation entails solubilization of proteins 

in SDS‐containing buffer, to dissociate protein‐protein interactions. This ensures that the 

IP step directly precipitates peptidyl‐puromycins, and not the proteins bound to them. 

SDS in the lysate is then diluted in non‐ionic detergent (in these experiments, Triton X‐

100) to a concentration that forms mixed micelles which do not disrupt antibody 

structure or antibody‐antigen binding interactions (Dimitriadis 1979).  

To establish the profile of immunoprecipitated peptidyl‐puromycins, cells were 

radiolabeled with [35S]‐Met in the presence of 20 M puromycin, followed by TCA 

precipitation of polypeptides. TCA precipitates were solubilized in SDS‐containing 

buffer, then diluted in Triton X‐100 for the anti‐puromycin IP. The results are shown in 

Fig. 9A. While non‐specific rabbit sera precipitated no appreciable signal, anti‐

puromycin sera precipitated a heterogeneous smear with a signal peak of 19 kDa. The 

immunoprecipitated population has a higher average molecular weight than the  

 

55 

 

Figure  9:  Purification  of  premature  translational  termination  products  using 

puromycin‐specific  antisera.  (A) Denaturing  IP  of  peptidyl‐puromycins.  293‐Kb  cells 

were radiolabeled for 30 minutes with [35S]‐Met, 20 M puromycin, and 20 M MG132. 

Polypeptides were precipitated with TCA, solubilized, then subjected to a denaturing IP 

using  either non‐specific  rabbit  serum  (negative  IP  control) or  anti‐puromycin  serum. 

Immunoprecipitates were separated by tricine SDS‐PAGE on 10% gels. Gels were dried 

and  exposed  to  film  for  72  hours  at  ‐80  OC.  Results  are  representative  of  three 

independent  experiments.  (B)  Optimization  of  anti‐puromycin  immunoprecipitation. 

293‐Kb cells were  radiolabeled  for 5 minutes with  [35S]‐Met, 20 M puromycin, and 20 

M  MG132.  Varying  cell  equivalents  (half‐log  serial  dilutions)  of  solubilized  TCA 

precipitate were used as  inputs  for  IPs using anti‐puromycin antisera. Radioactivity  in 

the  immunoprecipitates was measured by  liquid scintillation counting and normalized 

to the maximal radioactivity recovered. (C) Proteasomal sensitivity of newly synthesized 

peptidyl‐puromycins.  293‐Kb  cells were  radiolabeled  for varying periods of  time with 

[35S]‐Met  and  20  M  puromycin  in  the  presence  or  absence  of  20  M MG132,  then 

subjected  to TCA precipitation and denaturing anti‐puromycin  IP. Radioactivity  in  the 

immunoprecipitates was measured by  liquid  scintillation  counting  and normalized  to 

radiolabel incorporation in MG132‐treated cells at the final (5 minute) time point. 

 

56 

puromycin‐induced polypeptide profile observed previously (Fig. 6A), though this 

likely reflects the longer labeling time for the IP experiment (30 minutes) versus the 

puromycin titration (10 minutes). The relative concentration of puromycin would be 

expected to decrease gradually over the course of treatment as puromycin is utilized 

(since it is used at a non‐saturating concentration), leading to the production of longer 

polypeptides, on average. This result demonstrates that treatment with 20 M 

puromycin produces a heterogeneous population of peptidyl‐puromycins spanning a 

wide range of sizes, but is predominantly composed of low molecular weight, truncated 

products. 

To establish experimental conditions for quantitative anti‐puromycin 

immunoprecipitation, cells were labeled with [35S]‐Met and 20 M puromycin, followed 

by TCA precipitation and solubilization of polypeptides. The solubilized precipitates 

were serially diluted in half‐log steps to determine the binding isotherm of peptidyl‐

puromycins to the anti‐puromycin antibody (Fig. 9B). The peptidyl‐puromycin binding 

profile fit a one‐site binding hyperbolic curve (R2 = 0.999). Binding was approximately 

linear up to 9x104 cell equivalents, followed by an inflection and binding curve with a 

more shallow slope from 9x104 to 3.2x105 cell equivalents. To achieve a balance between 

sensitivity of detection and dynamic range, 4x104 cell equivalents were used as the input 

for the anti‐puromycin IPs described in the experiments below; this input corresponds to 

~30% of the maximal [35S] signal observed.   

 

57 

To characterize the proteasomal sensitivity of peptidyl‐puromycins, a pilot study 

was conducted in which cells were labeled with [35S]‐Met and 20 M puromycin for 

varying periods of time in the presence or absence of proteasome inhibitor, followed by 

purification of peptidyl‐puromycins via denaturing IP (Fig. 9C). In the absence of 

proteasome inhibitor, radiolabel incorporation increased linearly with time. Under 

conditions of proteasomal inhibition, radiolabel incorporation was similar to DMSO‐

treated controls for the first minute of labeling. This was followed by a sharp increase in 

peptidyl‐puromycin recovery over the next four minutes of labeling, up to a 3‐fold 

increase over cells without proteasome inhibitors. This initial finding strongly suggested 

that peptidyl‐puromycins are rapidly degraded in a proteasome‐dependent manner.  

With conditions established for the quantitative measurement of peptidyl‐

puromycins, I sought to directly test the stability of prematurely terminated 

polypeptides using the same pulse‐chase protocol I employed previously to track the 

degradation of RDPs (Figs. 7 and 8). Cells were pulse‐labeled for 5 min with [35S]‐Met 

and 20 M puromycin, then chased for up to 50 minutes in the presence or absence of 

MG132. Denaturing anti‐puromycin IPs were performed on all samples to recover and 

measure peptidyl‐puromycins by liquid scintillation counting (Fig. 10).  

In the absence of MG132, 21% of the peptidyl‐puromycins were degraded by the 

start of the chase. Peptidyl‐puromycins displayed a biphasic decay kinetic, with 30% 

being degraded during the first 5 minutes of the chase, followed by a more gradual  

 

58 

 

Figure 10: Rapid degradation of premature translational termination products. 293‐Kb 

cells were pulse labeled with [35S]‐Met, 20 M puro and +/‐ 20 M MG132 for 5 minutes, 

then chased from 0 to 50 minutes in the presence of excess cold methionine, CHX and +/‐ 

20  M  MG132.  The  chase  was  terminated  at  the  indicated  time  points  by  TCA 

precipitation.  Solubilized  TCA  precipitates  were  subjected  to  denaturing 

immunoprecipitation  using  anti‐puromycin  serum.  [35S]  in  the  anti‐puromycin 

immunoprecipitates  was measured  by  liquid  scintillation  counting.    (n  =  4; mean  ± 

s.e.m.) The data presented  in  this figure was contributed by Odessa Marks and Joshua 

Lacsina, in experiments designed by Joshua Lacsina.  

degradation profile over the final 45 minutes. By the end of the chase, 62% of the 

peptidyl‐puromycin signal was lost relative to MG132‐treated cells. These results 

confirm that peptidyl‐puromycins are subject to rapid degradation, with a nearly 2.5‐

fold higher fraction of RDPs compared to the RDP fraction of proteins from non‐

puromycin treated cells (Fig. 7). Notably, in MG132‐treated cells, 20% of the 

 

59 

immunoprecipitated peptidyl‐puromycin signal was still lost by the end of the chase 

(Fig. 10). This result mirrors the MG132‐resistant degradation profile of total protein 

from puromycin‐treated cells (Fig. 7), providing additional evidence for MG132‐

sensitive and ‐insensitive peptidyl‐puromycin degradation pathways. 

In this section, I described the development and optimization of a quantitative IP 

to specifically measure prematurely terminated polypeptides. Using this approach, I 

uncovered direct evidence to support the hypothesis that premature translational 

termination products are predominantly targeted to the RDP pathway.  

3.5 Summary

In this chapter, I tested the hypothesis that premature translational termination 

products are substrates for the RDP pathway. To accomplish this, I employed 

puromycin to precisely control the production of prematurely terminated polypeptides. 

Through titration experiments, I identified a range of puromycin concentrations that 

promote the robust production of prematurely terminated polypeptides (Figs. 4 and 6) 

while minimizing inhibition of protein synthesis (Fig. 3). Stimulating premature 

termination doubled the fraction of cellular proteins targeted for rapid, proteasome‐

mediated degradation (Fig. 7). In puromycin‐treated cells, ~20% of newly synthesized 

polypeptides were degraded via an MG132‐resistant RDP pathway (Fig. 7) which 

predominantly affects low molecular weight polypeptides (Fig. 8). Following the 

optimization of a quantitative assay to specifically measure premature termination 

 

60 

products (Fig. 9), I determined that prematurely terminated polypeptides are 

predominantly targeted for rapid degradation, a subset of which occurs via an MG132‐

resistant mechanism (Fig. 10). These studies provide direct evidence for the hypothesis 

that premature translational termination products can serve as RDP pathway substrates. 

Based on these findings, I speculate that prematurely terminated polypeptides may 

compose a general subclass of substrates for the RDP pathway in mammalian cells. 

 

61 

4. Premature translational termination promotes antigenic peptide presentation via the major histocompatibility complex class I pathway

4.1 Overview

RDPs are the primary source of antigenic peptides presented on MHC class I 

molecules (Schubert et al. 2000; Reits et al. 2000; Qian et al. 2006b; Dolan et al. 2011a). 

MHC I molecules are thereby able to sample and present peptides derived from the 

rapid degradation of newly synthesized polypeptides. By directing a fraction (~30%) of 

all translation products to the RDP pool (Schubert et al. 2000; Princiotta et al. 2003), the 

MHC I pathway can sample peptides derived from even the most metabolically stable 

proteins, including viral proteins. Selectively sampling RDPs also prevents the ~3x109 

cellular proteins from outcompeting the vastly outnumbered viral proteins for 

presentation on the ~105 MHC class I molecules per cell, especially early in infection 

(Princiotta et al. 2003; Yewdell et al. 2003). Coupling protein synthesis to 

immunosurveillance thus allows the rapid detection and elimination of virally infected 

cells by CTLs. This is critical to prevent the dissemination of viruses, some of which 

have life cycles as short as four hours (Yewdell et al. 2003).  

In the previous chapter, I reported that puromycin‐induced premature 

translational termination products are substrates for the RDP pathway. Because 

puromycin treatment increases the net production of RDPs, in this chapter, I test the 

hypothesis that inducing premature translational termination stimulates peptide 

 

62 

presentation via the MHC class I pathway. For these studies, I constructed a reporter 

(modified from Antón et al. 1999) encoding tandem repeats of the antigenic peptide 

SIINFEKL, derived from chicken ovalbumin (Rötzschke et al. 1991). The SIINFEKL 

tandem repeats are fused to eGFP, allowing functional reporter protein and MHC I 

peptides derived from reporter degradation to be measured sensitively and 

simultaneously by flow cytometry. I utilized the reporter to examine the effects of 

stimulating truncated polypeptide production on peptide generation from a model 

antigen.  

From these studies, I report three primary findings: 1) Treatment with low 

concentrations of puromycin or over a short duration increases MHC class I 

presentation. 2) Extended treatments with puromycin inhibit the MHC class I pathway. 

3) Impairment of MHC class I presentation correlates with the increased production of 

prematurely terminated polypeptides and the accumulation of polyubiquitinated 

proteins, consistent with saturation and inhibition of the proteasome. The time‐ and 

dose‐dependent effects of puromycin suggest that prematurely terminated polypeptides 

differ in their targeting to various proteolytic pathways which, in turn, differ in the 

efficiency with which they access the MHC class I presentation machinery, an emerging 

theme in the field of RDP immunology (Princiotta et al. 2003; Dolan et al. 2011a; Dolan et 

al. 2011b).  

 

63 

Towards the end of the chapter, I present my early studies on identifying the role 

of two candidate factors in the RDP pathway: Pth2 and CHIP. Interestingly, knockdown 

of these factors by RNA interference increases flux through the RDP pathway, 

suggesting they may play a role in rescuing defective proteins from rapid degradation 

or in directing them to alternative degradation pathways.  

4.2 Effects of stimulating premature translational termination on steady state cell surface expression of MHC class I molecules and cell death

Because puromycin stimulates RDP production, I sought to test the effects of 

puromycin treatment on peptide presentation via the MHC class I pathway. As in my 

initial biochemical studies, I used cycloheximide for comparison because CHX prevents 

nascent chain release from the ribosome and thereby inhibits the flux of substrates into 

the RDP pathway (Schubert et al. 2000). In the experiments described below (and in the 

previous chapter), I used human embryonic kidney 293 (HEK293) cells stably expressing 

the mouse MHC class I allele, Kb (293‐Kb) (Qian et al. 2006a). Kb presents the antigenic 

peptide SIINFEKL, to which it binds with high affinity (Rötzschke et al. 1991); Kb‐

SIINFEKL has been used extensively as a model system to study MHC class I 

presentation, leading to the development of highly sensitive and specific reagents to 

detect cell surface Kb‐SIINFEKL complexes (detailed in the next section). I therefore 

chose to study the effects of inducing premature termination in 293‐Kb cells due to their 

amenability for studies of the MHC class I pathway.  

 

64 

293‐Kb cells were treated with varying concentrations of CHX and puromycin for 

12 hours. Cell surface levels of Kb were then measured by flow cytometry, with dead 

cells excluded from the analysis by propidium iodide (PI) staining (Fig. 11A). CHX 

exhibited a sigmoidal dose response profile, with decreasing cell surface Kb from 0.06 to 

20 M, up to a maximal inhibition of ~65%. The CHX profile represents a standard 

inhibitory dose response; the remaining 35% of Kb signal at the maximum CHX 

concentration likely represents pre‐existing cell surface Kb that failed to turn over during 

the 12 hour treatment window.  

In contrast, puromycin treatment caused a trend towards increased Kb up to 0.6 

M, where a 25% increase in Kb surface expression was observed relative to untreated 

cells. This was followed by a 72% drop in Kb expression over the next two log step 

increases in puromycin, down to 35% Kb expression, as observed for CHX‐treated cells. 

The latter finding suggests that 35% Kb expression represents maximal inhibition of 

MHC I presentation within the parameters of this experiment. The puromycin dose 

response profile suggests that low levels of truncated polypeptide production stimulate 

MHC I presentation. In contrast, further increases in the production of premature 

termination products inhibit the MHC I pathway. (At 200 M puromycin, the truncated 

polypeptides produced are likely too short to be efficient MHC I pathway substrates, 

and thus result in maximal inhibition of Kb expression.) 

 

65 

 

Figure 11: Contrasting effects of cycloheximide and puromycin on steady‐state levels 

of  cell  surface Kb.  (A)  293‐Kb  cells were  treated with  the  indicated  concentrations  of 

CHX  and  puro  for  12  hours.  Cells were  harvested  and  stained  live with  propidium 

iodide  (PI) and anti‐Kb antibody. Mean  fluorescence  intensity  (MFI)  for cell surface Kb 

was measured  by  flow  cytometry  and  normalized  to untreated  cells. PI‐positive  cells 

were  excluded  from  the  analysis.  (B)  MHC  class  I  machinery  is  functional  in  the 

presence of protein synthesis inhibitors. MFI is of anti‐Kb signal, normalized to untreated 

sample. “C200” and “P200” refer to cells treated with 200 M CHX or puro, respectively 

(red bars). “+S” indicates cells treated with both 200 M protein synthesis inhibitor and 5 M SIINFEKL peptide (blue bars) (n = 3; mean ± s.e.m.) The data presented in this figure 

was  contributed  by  Xiongfei  Liu,  in  experiments  designed  by  Joshua  Lacsina  and 

Xiongfei Liu.  

 

66 

A potential concern with using protein synthesis inhibitors in these experiments 

is that they may disrupt the expression of factors needed for peptide generation or the 

formation and transport of MHC class I‐peptide complexes (raised previously and 

addressed over a shorter timescale in Qian et al. 2006b). To test this possibility, 

exogenous SIINFEKL peptide was added to cells treated with protein synthesis 

inhibitors to determine whether cell surface Kb levels could be rescued (Minami et al. 

2010). Rescue can occur via two distinct mechanisms, both of which depend on the 

functionality of the MHC I machinery. First, peptide can complex directly with and 

stabilize peptide‐receptive, “empty” MHC class I molecules on the cell surface, which 

would otherwise be recycled shortly after arrival at the plasma membrane (Rock et al. 

1991). Second, peptides can be taken up by cells and transported in a retrograde fashion 

to the endoplasmic reticulum (ER), where they are loaded onto MHC class I molecules 

and exported to the cell surface as MHC I‐peptide complexes via the standard pathway 

(Day et al. 1997). The addition of SIINFEKL peptide rescued cell surface Kb to levels 

comparable to cells that were not treated with protein synthesis inhibitors (Fig. 11B). 

These data indicate that the MHC class I machinery remains functional in cells treated 

with protein synthesis inhibitors, and that cell surface MHC class I levels accurately 

reflect the flux of substrates through the presentation pathway. 

An incidental observation during these initial flow cytometric studies was that 

samples treated with 20 M puromycin consistently had higher numbers of rounded or  

 

67 

 

Figure 12: Contrasting effects of cycloheximide and puromycin on cell death. 293‐Kb 

cells were treated with the indicated concentrations of CHX and puro for 12 hours. Cells 

were harvested  and  stained  live with propidium  iodide  (PI). The data  shown  are  the 

percentage  of  PI‐positive  cells,  subtracting  the  percentage  of  PI‐positive  cells  in  the 

untreated sample as a baseline. (n = 3; mean ± s.e.m.) The data presented  in this figure 

was  contributed  by  Xiongfei  Liu,  in  experiments  designed  by  Joshua  Lacsina  and 

Xiongfei Liu. 

floating cells when viewed by light microscopy, even more so than the highest 

concentration of puromycin (200 M). To extend this observation, flow cytometry was 

used to determine the effects of varying concentrations of CHX and puromycin on the 

percentage of PI‐positive cells. Strikingly, cells treated with 20 M puromycin showed 

the highest percentage of PI‐stained cells, even compared to cells treated with 200 M 

puromycin (Fig. 12). In contrast, cells treated with CHX showed no significant increase 

in PI staining over baseline. This experiment demonstrates an association between high 

levels of truncated polypeptide production and cell death. 

 

68 

These studies suggested that low levels of prematurely terminated polypeptides 

stimulate MHC class I presentation, while higher levels impair the presentation 

pathway. Indeed, higher levels of truncated polypeptide production were associated 

with increased cell death.  

4.3 Effects of stimulating premature translational termination on MHC class I export

Because the studies described in the previous section were conducted after 

twelve hours of treatment, I next sought to establish the time‐ and concentration‐

dependent dynamics of MHC class I responses to truncated polypeptide production. I 

postulated that puromycin might exert time‐dependent changes to the MHC I pathway 

if cells possess adaptive mechanisms to respond to the prolonged production of 

truncated polypeptides  

4.3.1 Construction of the SIINFEKL tandem repeat reporter

For my studies on MHC I presentation dynamics, I sought to complement my 

measurements of total cell surface Kb levels with experiments to track the presentation of 

peptides derived from the degradation of a model antigen. To accomplish this, I 

synthesized a reporter construct encoding a fusion protein consisting of influenza 

nucleoprotein (NP), nine tandem repeats of the SIINFEKL peptide (each flanked by its 

native amino acid sequence for proper processing), and eGFP (Fig. 14A). The reporter, 

called Tandem Repeat x9 (TRx9), can be readily utilized via flow cytometry for the  

 

69 

 

Figure 13: Construction of the SIINFEKL tandem repeat. The strategy relies on flanking 

the repeat element with two different restriction sites which have complementary sticky 

ends, but which eliminate the restriction site when joined. The NheI/XbaI pair was used 

to  build  the  reporter  for  these  studies,  TRx9.  The  repeat  element  can  be  amplified 

exponentially with each cycle of the procedure.   

 

70 

simultaneous measurement of both native, functional reporter protein by eGFP 

fluorescence, and antigenic peptides derived from reporter protein degradation, in the 

form of cell surface Kb‐SIINFEKL complexes. Cell surface Kb‐SIINFEKL was measured 

with the use of the monoclonal antibody, 25‐D1.16, which binds Kb‐SIINFEKL complexes 

with the sensitivity and specificity of a T cell receptor (Porgador et al. 1997).  

TRx9 was constructed using a previously published NP‐SIINFEKL‐eGFP 

reporter as a starting point (Antón et al. 1999; Princiotta et al. 2003; Berglund et al. 2007). 

The original reporter was designed for expression in vaccinia, which achieves 

substantially higher expression than transfected plasmids.  To increase the sensitivity 

with which changes in SIINFEKL presentation from the reporter could be detected, I 

introduced additional SIINFEKL peptides to the reporter as tandemly repeated elements 

using a cloning strategy described in (Türkel and Farabaugh 1993) (Fig. 13).  

To build TRx9, the SIINFEKL element was flanked with two different restriction 

sites which yield compatible sticky ends, but which eliminate the original restriction 

sites when ligated together. In each cloning step, restriction fragments were generated 

with separate double digests of either the 5’ or 3’ restriction site flanking the repeat 

element, plus an additional restriction site (using a third enzyme common to both 

digestion reactions) outside the repeat element. The restriction fragments containing the 

repeat element were purified from each of the two digestion reactions and ligated 

together. The resulting product contained a duplication of the repeat element, with no 

 

71 

changes in the rest of the plasmid. Also, the duplicated region was now flanked by the 

restriction sites which flanked the original element, meaning the number of repeat 

elements can be increased exponentially with each cloning step.  

4.3.2 Application of the SIINFEKL tandem repeat reporter to measure the recovery of cell surface MHC class I-peptide complexes

It is difficult to measure rapid, dynamic changes in antigen presentation by 

measuring steady state levels of MHC I, given the high background of pre‐existing cell 

surface MHC I molecules. To facilitate sensitive detection of newly exported MHC I‐

peptide complexes (derived from RDP degradation), cells transfected with the TRx9 

reporter plasmid were stripped of MHC I‐bound peptides by a short acid treatment 

(Sugawara et al. 1987). The recovery of cell surface MHC I‐peptide complexes was then 

tracked by flow cytometry to measure changes in antigen presentation. 

As shown in Fig. 14B, prior to acid stripping, cells transfected with the TRx9 

reporter (left panel) showed robust expression of the fluorescent reporter protein (eGFP, 

x‐axis) and Kb‐SIINFEKL presentation (y‐axis). Acid‐stripped cells showed complete loss 

of Kb‐SIINFEKL expression while eGFP fluorescence was maintained (middle panel). 

After a 4 hour incubation at 37 OC, Kb‐SIINFEKL expression partially recovered, 

reflecting the export of new MHC I‐peptide complexes to the cell surface (right panel). 

Over this period, eGFP fluorescence also increased (Fig. 14C), due to the continued 

synthesis of fluorescent reporter proteins. These findings demonstrate successful  

 

 

72 

 

Figure 14: MHC class  I‐peptide complex  recovery assay using a  fluorescent  reporter 

encoding  antigenic  peptides.  (A)  Schematic  of  the  modified  NP‐SIINFEKL‐eGFP 

reporter (adapted from Princiotta et al. 2003) containing eight additional tandem repeats 

of SIINFEKL  (nine  total) and  its  five  flanking amino acids  from  the native ovalbumin 

sequence, NP‐[SIINFEKL]9‐eGFP  (Tandem Repeat x9 or TRx9).  (B) Validation of MHC 

class  I  peptide  stripping  and  recovery  in  TRx9‐expressing  293‐Kb  cells.  Biexponential 

scatter plots show single cell profiles of the MFI for eGFP on the x‐axis and 25‐D1.16 on 

the  y‐axis.  Plots  show  fluorescence  profiles  immediately  pre‐  (left)  and  post‐  (middle) 

peptide stripping, and after a 4 hour  recovery  (right).  (C) Graph of MFI data  from  (B) 

normalized  to  pre‐stripping  MFI.  Results  are  representative  of  three  independent 

experiments. 

 

73 

expression of the TRx9 reporter and its application to measure the generation of MHC I‐

peptide complexes. 

4.3.3 Effects of puromycin on the recovery of cell surface MHC class I-peptide complexes

Using the acid stripping protocol outlined above, I proceeded to test the effects of 

puromycin on MHC I‐peptide complex recovery in TRx9‐expressing cells. Cells 

transfected with the TRx9 plasmid were stripped of MHC I peptides and allowed to 

recover in the presence of varying concentrations of puromycin from 60 to 180 minutes. 

Sixty minutes was chosen as the initial time point for measurement during the recovery, 

as this is the approximate timeframe for protein degradation, peptide loading, and Kb‐

SIINFEKL export to the cell surface (Qian et al. 2006b). Flow cytometry was used to 

measure functional reporter protein (by eGFP fluorescence, Fig. 15) as well as cell 

surface Kb‐SIINFEKL complexes (Fig. 16) and total Kb (Fig. 17).   

Reporter eGFP signal in untreated cells increased steadily throughout the 

recovery, reflecting the continued synthesis of reporter protein during this interval (Fig. 

15). Ninety minutes into the recovery, cells treated with either 2 M or 20 M puromycin 

showed decreased eGFP signal relative to untreated controls, causing the signal to 

plateau over the final 90 minutes. This plateau in eGFP signal could reflect: 1) 

production of truncated, non‐fluorescent reporter protein, 2) increased reporter 

degradation, or 3) impaired protein synthesis. All of these interpretations would be 

consistent with the effects of puromycin.  

 

74 

 

Figure 15: Effects of puromycin on  the expression of  functional  fluorescent  reporter 

protein. 293‐Kb cells expressing  the TRx9 reporter were stripped of cell surface MHC I 

peptides  as  in  Fig.  12.  Recovery  of  cell  surface MHC  class  I‐peptide  complexes was 

conducted in the presence of varying concentrations of puro from 0 to 180 minutes. Flow 

cytometry was  used  to  quantitate  reporter  eGFP  fluorescence  as  a  proxy measure  of 

natively folded, functional reporter protein (n = 5; mean ± s.e.m.) The data presented in 

this  figure  was  contributed  by  Odessa  Marks  and  Joshua  Lacsina,  in  experiments 

designed by Joshua Lacsina. 

All samples showed substantial generation of new Kb‐SIINFEKL complexes 

during the recovery, decelerating as the recovery progressed. To more clearly ascertain 

the effects of puromycin Kb‐SIINFEKL recovery, the raw data (Fig. 16A) for the 

puromycin‐treated cells was normalized to control (untreated) cells (Fig. 16B) as 

described in (Qian et al. 2006b). Treatment with 2 M puromycin caused no significant 

change in the recovery of cell surface Kb‐SIINFEKL complexes. In contrast, treatment 

with 20 M puromycin elicited an initial increase in Kb‐SIINFEKL levels at 60 minutes,  

 

75 

 

Figure  16:  Effects  of  puromycin  on  the  recovery  of  cell  surface  Kb‐SIINFEKL 

complexes.  (A) 293‐Kb cells expressing  the TRx9  reporter were stripped of cell surface 

MHC  I peptides  and  allowed  to  recover  in  the presence  of varying  concentrations  of 

puro from 0 to 180 minutes. Cells were stained with 25‐D1.16 to measure cell surface Kb‐

SIINFEKL complexes by flow cytometry. (B) To quantitate differences in the kinetics of 

MHC  class  I‐peptide  complex  recovery,  the  MFI  values  of  puro‐treated  cells  were 

normalized  to untreated cells as described  in  (Qian et al. 2006b)  (n = 5; mean ± s.e.m.)        

* p < 0.05 versus untreated controls. The data presented in this figure was contributed by 

Odessa Marks and Joshua Lacsina, in experiments designed by Joshua Lacsina. 

followed by a constant decline in the rate of Kb‐SIINFEKL presentation. These findings 

suggest that the initial burst of puromycin‐induced drop‐off products caused an increase 

in MHC I presentation, but that sustained production of truncated polypeptides 

inhibited the flux of reporter‐derived peptides into the MHC I presentation pathway.  

To generalize these findings to MHC I‐peptide complexes other than Kb‐

SIINFEKL, a similar experiment was conducted to measure total cell surface Kb recovery 

in the presence of varying concentrations of puromycin (Fig. 17A). Data from 

puromycin‐treated cells were normalized to the untreated samples, as before (Fig. 17B).  

 

76 

 

Figure 17: Effects of puromycin on the recovery of total cell surface Kb. (A) 293‐Kb cells 

expressing the TRx9 reporter were stripped of cell surface MHC I peptides and allowed 

to recover in the presence of varying concentrations of puro from 0 to 180 minutes. Cells 

were stained with anti‐Kb antibody and analyzed by flow cytometry. (B) MFI values of 

puro‐treated  cells were normalized  to untreated  cells as  in Figure 16B  (n = 5; mean ± 

s.e.m.) The data presented  in  this figure was contributed by Odessa Marks and Joshua 

Lacsina, in experiments designed by Joshua Lacsina. 

After acid stripping, cells displayed a time‐dependent loss of cell surface Kb molecules 

(Fig. 17A). Because MHC I molecules lacking bound peptide show decreased cell surface 

stability (Leonhardt et al. 2010), the loss of cell surface Kb after acid stripping reflects the 

shedding, unfolding, and internalization of destabilized Kb molecules, which has been 

observed previously (Qian et al. 2006b). Puromycin treatment had no discernible effect 

on Kb surface presentation during the first 90 minutes of recovery. Treatment with 2 M 

puromycin led to accelerated delivery of Kb to the cell surface from 120 to 180 minutes, a 

trend reaching statistical significance at the 180 minute time point (Fig. 17B). Cells 

treated with 20 M puromycin showed a trend towards impaired Kb surface 

 

77 

presentation from 120 minutes onwards, though this did not reach statistical 

significance. The Kb recovery studies indicate that translational drop‐off products 

induced by low concentrations of puromycin stimulate MHC class I presentation, 

whereas at higher concentrations, puromycin treatment impairs the MHC class I 

pathway. I speculate that the contrasting effects of puromycin on Kb‐SIINFEKL 

compared to Kb recovery can be attributed to differences in the efficiency of epitope 

processing from truncated products of the TRx9 reporter versus the global population of 

precursors for all Kb‐binding peptides.  

A consistent observation in the analysis of cell surface presentation of Kb‐

SIINFEKL and Kb is that higher concentrations of puromycin elicited a decrease in the 

rate of cell surface MHC class I presentation, particularly late in the recovery period. To 

extend these observations, a similar acid stripping/recovery experiment was performed 

in the presence of increasing concentrations of puromycin. After 240 minutes of 

recovery, eGFP, Kb‐SIINFEKL, and Kb were measured by flow cytometry (Fig. 18). 

Reporter eGFP fluorescence was unchanged up to 0.2 M puromycin, followed by a 

dose‐dependent decrease over the remaining concentration range. Similar to the data in 

Fig. 15, the eGFP profile is consistent with dose‐dependent production of truncated, 

non‐fluorescent reporter protein, increased reporter degradation, or decreased reporter 

synthesis.  

 

 

78 

 

Figure 18: Dose‐dependent effects of puromycin on the recovery of cell surface MHC 

class  I‐peptide complexes. 293‐Kb cells expressing  the TRx9  reporter were  stripped of 

cell  surface MHC  I  peptides  and  allowed  to  recover  for  4  hours  in  the  presence  of 

varying concentration of puromycin. MFIs for eGFP, 25‐D1.16, and Kb were measured as 

previously described and normalized to untreated cells (n = 3; mean ± s.e.m.) The data 

presented  in  this  figure was  contributed  by Odessa Marks,  Xiongfei  Liu  and  Joshua 

Lacsina, in experiments designed by Joshua Lacsina. 

Puromycin caused an initial dose‐dependent enhancement in cell surface Kb 

levels (p = 0.03 for 2 M), while the recovery of Kb‐SIINFEKL complexes was not 

significantly affected over this concentration range. The recovery of both total Kb and Kb‐

SIINFEKL dropped precipitously at 20 M puromycin with a further, less acute decrease 

at 200 M.  

In total, these MHC I recovery studies suggest that a low frequency of premature 

termination events stimulates flux through the MHC I pathway, while higher 

production of prematurely terminated polypeptides inhibits MHC I presentation, 

particularly if production is sustained (Figs. 17 and 18). Higher production of premature 

 

79 

termination products at 20 M puromycin only stimulated MHC I presentation at the 

earliest time point after acid stripping, followed by progressive inhibition of the MHC I 

pathway over time (Fig. 16). 

4.3.4 Inducing premature translational termination promotes the accumulation of polyubiquitinated proteins

If RDPs are the primary source of MHC class I peptides, why is MHC class I 

presentation inhibited under experimental conditions that produce high levels of 

prematurely terminated polypeptides? One possibility is that the increase in truncated 

polypeptides saturates the proteasome with RDP pathway substrates. To test this, cells 

were treated with varying concentrations of puromycin and the amount of 

polyubiquitinated protein was determined by Western blotting using the FK2 

monoclonal antibody, which is specific for mono‐ and polyubiquitin‐conjugated proteins 

(Fujimuro et al. 1994). CHX was again used for comparison. 

As a positive control, inhibition of the proteasome with MG132 caused a 

dramatic increase in polyubiquitinated proteins (Fig. 19), which migrated as a high 

molecular weight smear by Western blotting, as observed previously (Schubert et al. 

2000). (The lack of signal in the molecular weight range >260 kDa reflects the poor ability 

of the highest molecular weight polypeptides to transfer from the gel to the membrane.) 

Treatment with CHX resulted in a dose‐dependent decrease in polyubiquitinated 

proteins, due to CHX preventing nascent polypeptide dissociation from the ribosome. 

 

 

80 

 

Figure  19:  Puromycin  treatment  leads  to  increased  levels  of  polyubiquitinated 

proteins. 293‐Kb cells were treated for 4 hours with media alone, 20 M MG132, or the 

indicated  concentrations  of  CHX  and  puro  (M).  Lysates were  subjected  to Western 

blotting  with  FK2  (upper  panel),  a  monoclonal  antibody  specific  for  mono‐  and 

polyubiquitinated protein conjugates. ‐tubulin was probed as a  loading control  (lower 

panel). Results are representative of three independent experiments. The data presented 

in  this  figure  was  contributed  by  Xiongfei  Liu,  in  experiments  designed  by  Joshua 

Lacsina and Xiongfei Liu. 

In contrast, treating cells with 0.02 to 20 M puromycin resulted in the accumulation of 

polyubiquitinated proteins in a dose‐dependent manner, consistent with proteasomal 

saturation. In further support of this interpretation, this increase was not observed 

following treatment with 200 M puromycin, which produces premature termination 

products that are too short (only a few amino acids long) to serve as proteasomal 

substrates. These results highlight a correlation between increased production of 

prematurely terminated polypeptides, proteasomal inhibition, and impaired MHC I 

presentation. 

 

81 

4.4 RNA interference-mediated knockdown of candidate RDP factors increases flux through the RDP pathway

In this section, I present my early studies using RNA interference to test the 

putative roles for two candidate factors in the RDP pathway: Pth2 and CHIP.  

4.4.1 Pth2

The physiologic correlates of puromycin‐induced premature termination 

products are peptidyl‐tRNAs, which dissociate prematurely from the ribosome during 

elongation. In E. coli, peptidyl‐tRNAs are produced as a normal by‐product of protein 

synthesis and are metabolized by the enzyme, peptidyl‐tRNA hydrolase (Pth), which 

cleaves the carboxylic ester bond between the peptide moiety and the tRNA (Menninger 

1976). Deletion of Pth results in the toxic accumulation of peptidyl‐tRNAs, with similar 

peptidyl‐tRNA hydrolase activity being reported in archaeal species from a structurally 

unrelated protein family, Pth2 (Rosas‐Sandoval et al. 2002; Fromant et al. 2003). While 

peptidyl‐tRNA drop‐off has not been reported in eukaryotes, homologs of both Pth and 

Pth2 family members are conserved in humans, with human Pth2 showing greater 

catalytic activity than Pth (de Pereda et al. 2004).  

The studies described above suggested that Pth2 could play a role in the 

metabolism of prematurely terminated polypeptides in the RDP pathway. To test this, I 

examined the effects of siRNA‐mediated knockdown of Pth2 on the RDP pathway. 

Treatment of cells with Pth2‐targeted siRNAs produced a ~90% knockdown in Pth2 

protein expression (Fig. 20A). I then sought to determine the effects of Pth2 knockdown  

 

82 

 

Figure 20: Knockdown of Pth2 by RNA  interference  increases  the  fraction of RDPs. 

293‐Kb cells were transfected with either a non‐targeting control siRNA or Pth2‐specific 

siRNA, and assayed 72 hours later.  (A) Western blot for Pth2 (upper panel) and ‐tubulin as  a  loading  control  (lower  panel).  Knockdown  efficacy  was  measured  with  ImageJ. 

Results  are  representative  of  three  independent  experiments.  (B)  Control  and  Pth2 

knockdown cells were pulse labeled for 5 min with [35S]‐Met and 20 M puro +/‐ 20 M MG132,  then  chased  from  0  to  50 minutes  in  the presence of  excess  cold methionine, 

CHX and +/‐ 20 M MG132. The chase was  terminated at  the  indicated  time points by 

the  addition of TCA  to  cell  suspensions  to precipitate polypeptides. TCA precipitates 

were solubilized and [35S] incorporation was measured by liquid scintillation counting (n 

= 3; mean ± s.e.m.) (C) Control and Pth2 knockdown cells were stained for cell surface Kb 

molecules and  fluorescence was measured by  flow cytometry.  Isotype control  (dashed 

line),  control  siRNA  (thin  line)  and  Pth2  siRNA  (thick  line)  are  shown.  Results  are 

representative of five independent experiments. 

 

83 

on the metabolism of prematurely terminated polypeptides. Control and Pth2 

knockdown cells were subjected to a pulse‐chase with [35S]‐Met in the presence or 

absence of MG132 in order to measure the RDP fraction (Qian et al. 2005). During the 

pulse, cells were treated with 20 M puromycin to induce the production of truncated 

polypeptides.  

In control siRNA‐transfected cells, there was minimal loss of radiolabel by the 

beginning of the chase. (This differs from the findings reported in Fig. 7, in which 

puromycin treatment resulted in 25% loss of radiolabel by the start of the chase. The 

different degradation profiles observed in the following experiments may be due to the 

non‐specific effects of transfection or siRNAs, such as low level activation of stress 

pathways (Szeto et al. 2006).) In contrast, in Pth2 knockdown cells, 29% of the [35S] signal 

was already lost by the beginning of the chase. The control siRNA samples showed a 

biphasic RDP degradation profile, with a sharp decrease in signal from 0 to 10 minutes, 

followed by a shallower second decay phase.  Pth2 knockdown cells lacked this sharp 

decay phase during the chase (as it occurred during pulse labeling), and showed a near‐

linear degradation profile similar to the slower rate of loss seen in controls. By the end of 

the chase, the Pth2 knockdown samples exhibited a 39% increase in the proteasome‐

sensitive fraction relative to controls. Both ctrl and Pth2 knockdown cells exhibited 

similar MG132‐resistant degradation profiles, indicating that the MG132‐resistant 

 

84 

degradation pathway observed previously (Fig. 7) is unaffected by Pth2 function. These 

findings are consistent with Pth2 inhibiting flux through the RDP pathway. 

  If Pth2 indeed antagonizes the RDP pathway, one prediction of this model is that 

Pth2 knockdown should increase peptide presentation via the MHC class I pathway. To 

test this prediction, I compared the level of cell surface Kb molecules on control and Pth2 

siRNA‐transfected 293‐Kb cells by flow cytometry (Fig. 20C). Pth2 knockdown resulted 

in a 16% increase in Kb signal relative to control siRNA‐transfected cells, supporting the 

idea that Pth2 inhibits flux through the RDP pathway. 

4.4.2 CHIP

CHIP (Carboxyl terminus of Hsp70‐Interacting Protein) is a key regulator of 

cellular proteostasis, such that CHIP knockout mice show marked reductions in lifespan, 

accelerated aging, accelerated cellular senescence, and impairments in protein quality 

control (Ballinger et al. 1999; Min et al. 2008). CHIP is unique in that it functions as a 

chaperone, cochaperone, and E3 ubiquitin ligase (Rosser et al. 2007), and acts by 

recognizing and directly ubiquitinating unfolded chaperone substrates (Connell et al. 

2001; Meacham et al. 2001; Petrucelli et al. 2004; Qian et al. 2006c). The ability of CHIP to 

directly recognize and ubiquitinate unfolded polypeptides suggests that CHIP could 

play a role in the metabolism of RDPs, particularly prematurely terminated 

polypeptides (which are likely to be unfolded).   

 

 

85 

 

Figure 21: Knockdown of CHIP by RNA interference increases the fraction of RDPs. 

293‐Kb cells were transfected with either a non‐targeting control siRNA or CHIP‐specific 

siRNA,  and  assayed  72  hours  later.    (A) Western  blot  for CHIP  (upper  panel)  and  ‐tubulin as a loading control (lower panel). Results are representative of three independent 

experiments.  (B) Control and CHIP knockdown  cells were  subjected  to pulse‐chase as 

described in Fig. 20. [35S] incorporation was measured by liquid scintillation counting (n 

= 3; mean ± s.e.m.) (C) Control and CHIP knockdown cells were stained for cell surface 

Kb  molecules  and  fluorescence  was  measured  by  flow  cytometry.  Isotype  control 

(dashed line), control siRNA (thin line) and CHIP siRNA (thick line) are shown. Results 

are representative of three independent experiments. 

 

86 

I tested the effects of CHIP knockdown on the RDP pathway in puromycin‐

treated cells. Transfection of cells with CHIP‐specific siRNAs resulted in an 85% 

decrease in CHIP protein (Fig. 21A). RDP degradation was then compared in  

puromycin‐treated CHIP knockdown and control cells using the same pulse‐chase 

conditions as in Fig. 20 (Fig. 21B). In CHIP knockdown cells, 18% of radiolabeled 

polypeptides were degraded in a proteasome‐dependent manner by the start of the 

chase, indicating increased degradation of RDP pathway substrates. The rapid 

degradation kinetic in CHIP knockdown cells was not as steep as in control cells, but 

was prolonged an extra 10 minutes, suggesting saturation of the degradation pathway. 

By the end of the chase, CHIP knockdown resulted in a 26% increase in the proteasome‐

dependent RDP fraction. CHIP knockdown cells also showed a trend towards delayed 

MG132‐resistant degradation, though the fraction of polypeptides degraded by this 

pathway was similar to control cells by the end of the chase. These data suggest that 

CHIP antagonizes flux through the RDP pathway. To determine whether CHIP 

knockdown affects downstream MHC class I presentation, the levels of cell surface Kb on 

control and CHIP knockdown cells were compared by flow cytometry (Fig. 21C). CHIP 

knockdown resulted in a 25% increase in Kb surface expression, indicating that CHIP has 

an inhibitory effect on the MHC class I pathway. 

 

87 

4.5 Summary

In this chapter, I examined the effects of stimulating premature translational 

termination on the MHC class I presentation pathway. Using an antigenic reporter to 

measure both functional protein expression and peptide presentation (Fig. 14A), I report 

time‐ and concentration‐dependent effects of puromycin on the generation of MHC class 

I‐peptide complexes (Figs. 16‐18). Low concentrations of puromycin stimulated MHC 

class I presentation. At concentrations shown in the previous chapter to cause robust 

production of RDPs, puromycin initially stimulated, then progressively inhibited the 

export of MHC class I molecules presenting reporter peptide. Overall, higher levels of 

premature termination products were associated with inhibition of the MHC class I 

pathway, particularly when truncated polypeptide production was sustained. 

Furthermore, I report an association between impaired MHC class I presentation, high 

levels of truncated polypeptides, increases in polyubiquitinated proteins (Fig. 19), and 

cell death (Fig. 12). Together, these data suggest diverse responses of the MHC class I 

pathway to premature translational termination products, reflecting the heterogeneous 

characteristics of truncated polypeptides. The results also suggest the presence of 

homeostatic mechanisms in cells to cope with prolonged production of premature 

translational termination products. Finally, I report preliminary evidence that the 

putative RDP pathway factors Pth2 and CHIP inhibit flux through the RDP pathway 

(Figs. 20‐22). 

 

88 

5. Discussion

5.1 Summary of primary findings and overview

In my studies, I have shown that premature translational termination products 

induced by puromycin treatment are substrates for the rapidly degraded polypeptide 

pathway. In Chapter 3, I described the biochemical experiments demonstrating the rapid 

degradation of prematurely terminated polypeptides. These findings support the 

proposal that prematurely terminated polypeptides represent a general subclass of RDP 

pathway substrates, an idea put forth in the original publication of the DRiP hypothesis 

fifteen years ago (Yewdell et al. 1996) and revisited recently (Dolan et al. 2011b). I also 

reported that after puromycin treatment, a fraction of RDPs were degraded via an 

MG132‐resistant mechanism which predominantly affected small polypeptides. This 

finding highlights the importance of previously unappreciated RDP degradation 

pathways which are insensitive to small molecule inhibitors of the proteasome.  

Because RDPs are the primary source of MHC class I peptides (Schubert et al. 

2000; Reits et al. 2000; Qian et al. 2006b), in Chapter 4, I investigated the effects of 

stimulating premature translational termination on the MHC class I presentation 

pathway. I reported that MHC I presentation was modestly stimulated by conditions 

producing low concentrations of prematurely terminated polypeptides, as originally 

predicted. Interestingly, sustained production of prematurely terminated polypeptides 

correlated with the inhibition of MHC I presentation, the accumulation of 

 

89 

polyubiquitinated proteins and increased cell death. These results indicate that the 

relationship between RDP production and MHC I presentation is not monotonic, 

thereby highlighting heterogeneity in the efficiency which with RDP pathway substrates 

can access the MHC class I pathway.  

In this chapter, I will discuss the following: 1) Potential mechanisms for the rapid 

degradation of prematurely terminated polypeptides. 2) Possible mechanisms for the 

MG132‐resistant degradation of low molecular weight RDPs. 3) Models for the time‐ and 

concentration‐dependent effects of stimulating premature termination on MHC class I 

presentation. 4) Candidate factors for RDP metabolism. I will conclude with some brief 

thoughts on the significance of this work to studies of human health.  

5.2 Rapid degradation of prematurely terminated polypeptides

While premature translational termination has not been reported in eukaryotes, 

prematurely terminated polypeptides are generated as highly unstable, normal by‐

products of protein synthesis in prokaryotic cells (Menninger 1976; Manley 1978; Tsung 

et al. 1989; Jørgensen and Kurland 1990). In Chapter 3, I used puromycin to induce the 

premature dissociation of nascent polypeptides from ribosomes as peptidyl‐puromycin 

adducts. Stimulating premature termination with puromycin led to a doubling of the 

fraction of rapidly degraded polypeptides (Fig. 7). By purifying peptidyl‐puromycin 

truncation products using anti‐puromycin antisera (Fig. 9A) (McCallum et al. 2000), I 

determined that 70% of the prematurely terminated polypeptides were targeted for 

 

90 

rapid degradation (Fig. 10). Truncated polypeptide degradation was largely 

proteasome‐dependent, although ~35% of the degradation occurred via an MG132‐

resistant mechanism (discussed in the next section). While the truncated polypeptides 

produced in my system are likely to be highly defective, both in conformation and 

function, the exact molecular signals that target peptidyl‐puromycins for rapid 

degradation are unknown. 

Since RDPs have a characteristic half‐life of ~10 minutes (Princiotta et al. 2003), 

RDPs would be expected to be almost completely degraded by the end of a 50 minute 

chase. If this is the case, what are the 30% of peptidyl‐puromycins that remain at the end 

of the chase (Fig. 10)? Immunoprecipitation of the peptidyl‐puromycins revealed a 

heterogeneous profile of polypeptides (Fig. 9A). Given the diversity in the peptidyl‐

puromycin pool, it is likely that a subpopulation of truncated products possesses the 

characteristics to be directed to the stable protein pool. In puromycin‐treated cells, small 

polypeptides (representing premature termination products) were particularly sensitive 

to rapid degradation, as determined by SDS‐PAGE (Fig. 8). Based on these findings, I 

propose that the peptidyl‐puromycins which resist rapid degradation are a population 

of relatively longer truncated products.  

The absolute length of the truncated polypeptide is unlikely to be the 

determining factor for triage between the RDP and stable protein pools. Rather, the 

observed “size dependence” likely reflects the higher probability for longer 

 

91 

polypeptides to contain folded domains, thereby decreasing the exposure of 

hydrophobic regions that would predispose the protein to degradation (Gilon et al. 1998; 

Johnson et al. 1998; Arteaga et al. 2006). This model is supported by a recent study in 

which a hydrophobic stretch of amino acids was inserted into a model antigenic protein. 

The hydrophobic region functioned as a dose‐dependent degradation motif which 

stimulated the presentation of antigen‐derived peptides on MHC I (Huang et al. 2011b). 

Similarly, I propose that exposed hydrophobic regions in the truncated polypeptides 

serve to target them for rapid degradation.  

It is formally possible that the puromycin moiety itself serves as a rapid 

degradation signal, though it is unclear what cellular mechanisms would have evolved 

to recognize puromycin. Accessibility of the puromycin molecule may vary between 

substrates, depending on the folding state of the truncated polypeptide. This would be 

consistent with longer polypeptides containing more folded domains being able to 

sterically conceal the puromycin moiety and escape the RDP pathway. (As I shall 

discuss in a later section, peptidyl‐tRNA hydrolase 2, which might be expected to 

recognize peptidyl‐puromycins and target them for rapid degradation, was found to 

exert the opposite effect.) 

A related question is the extent to which peptidyl‐puromycin degradation 

depends on polyubiquitination. While the immunoprecipitated peptidyl‐puromycins 

had an average molecular weight of 19 kDa (Fig. 9), the average weight of 

 

92 

polyubiquitinated proteins that accumulated in response to puromycin treatment was 

~190 kDa (Fig. 19). This suggests that the majority of peptidyl‐puromycins we observed 

were not directly polyubiquitinated, raising the possibility that the prematurely 

terminated products were degraded by the 20S proteasome via a ubiquitin‐independent 

mechanism. This is consistent with a previous report demonstrating that 25% of RDPs 

(~7% of all proteins synthesized) are degraded in a ubiquitin‐independent manner (Qian 

et al. 2006a). These ubiquitin‐independent RDPs are insoluble in the non‐ionic detergent 

Triton X‐100 and insensitive to the cytosolic chaperone Hsc70, suggesting this RDP pool 

is composed of severely misfolded polypeptides, as would be expected for a substantial 

fraction (if not the majority) of peptidyl‐puromycins. 

A different series of experiments using a dominant negative mutant of ubiquitin 

lacking lysine residues demonstrated that MHC class I peptides can be processed and 

presented from cytosolic antigens independently of ubiquitin (Huang et al. 2011a). The 

authors of the latter study suggest that cytosolic RDPs derive from nascent polypeptides 

that fail to be intercepted by the cellular folding machinery, and are instead immediately 

directed to the 20S proteasome for ubiquitin‐independent degradation (Eisenlohr et al. 

2007). By this model, the puromycin‐stimulated production of truncated polypeptides 

likely leads to acute saturation of the cellular folding machinery. The excess truncated 

polypeptides would then be targeted for rapid degradation in 20S proteasomes.  

 

93 

In summary, the peptidyl‐puromycin pool generated in my studies is 

heterogeneous. While the majority of these truncated products are RDPs, a minority, 

likely representing partially or fully folded polypeptides, is targeted to the stable protein 

pool. I propose that hydrophobicity or the puromycin moiety may serve as signals to 

target peptidyl‐puromycins to the RDP pathway. Finally, I suggest that peptidyl‐

puromycin degradation occurs in a largely ubiquitin‐independent manner via the 20S 

proteasome, which has been proposed to degrade severely misfolded or unchaperoned 

RDPs. 

5.3 MG132-resistant degradation of low molecular weight RDPs

The ubiquitin‐proteasome system is the main pathway responsible for cytosolic 

proteolysis (Hochstrasser 1996; Hershko and Ciechanover 1998; Pickart and Cohen 

2004).  For this reason, studies of the RDP pathway have largely focused on proteasome‐

dependent degradation (Schubert et al. 2000; Qian et al. 2005; Qian et al. 2006a), which 

was measured using small molecule inhibitors of the proteasome (Rock et al. 1994). 

Comparatively little attention has been paid to non‐proteasomal pathways for RDP 

degradation. In my studies of truncated polypeptide degradation, I observed 20% of 

peptidyl‐puromycins were degraded in the presence of the proteasome inhibitor, 

MG132. (Fig. 10) This accounted for 35% of the total fraction of peptidyl‐puromycins 

targeted for rapid degradation. Examining the polypeptide profiles of puromycin‐

treated cells revealed that low molecular weight polypeptides (<17 kDa) were 

 

94 

particularly susceptible to rapid degradation, even in the presence of MG132 (Fig. 8B). 

Some earlier studies of RDPs show rapid polypeptide degradation in MG132‐treated 

cells (Qian et al. 2005), though this was not noted or commented on. Do these results 

indicate that small, truncated polypeptides are degraded by a proteasome‐independent 

RDP pathway? And do these alternative degradation mechanisms provide substrates for 

the MHC class I pathway? 

5.3.1 The controversies of “proteasome-independent” degradation

Following the initial application of small molecule proteasome inhibitors to 

studies of the MHC class I pathway, evidence emerged for the continued presentation of 

a subset of MHC I‐peptide complexes in cells treated with these inhibitors. The MHC 

class I alleles HLA‐A3, HLA‐A11, and HLA‐B35 were found to load peptides and 

undergo normal maturation in cells subjected to very high inhibitor concentrations 

(Benham et al. 1998). Two different studies demonstrated that treatment with 

proteasome inhibitors actually stimulated the presentation of peptides derived from 

influenza A virus proteins (Anton et al. 1998; Luckey et al. 1998). Finally, relatively 

efficient MHC class I loading was observed in cells adapted to long‐term growth in the 

presence of covalent inhibitors of the proteasome (Glas et al. 1998). This body of 

evidence was interpreted as signifying the presence of a proteasome‐independent 

mechanism to degrade substrates for MHC class I presentation. 

 

95 

 A re‐examination of the evidence suggests alternative explanations for the 

maintenance of MHC class I presentation in the presence of “maximal” proteasomal 

inhibition (van Endert 2011). The common proteasome inhibitors epoxomicin and 

MG132 (with MG132 being used in my studies) primarily inhibit the chymotrypsin‐like 

activity of the proteasome, while leaving the trypsin‐like and caspase‐like activities 

intact. The consequence of this altered cleavage specificity is a shift in the profile of 

proteasomal degradation products, leading to the generation of new MHC class I 

epitopes and the destruction of others (Gavioli et al. 2002; Wherry et al. 2006), mirroring 

the findings cited as evidence of proteasome‐independent antigen processing . 

Additionally, long‐term treatment with proteasome inhibitors has been shown to 

activate compensatory pathways that increase the expression of proteasomal subunits in 

a variety of cellular contexts (Naujokat et al. 2007; Mitsiades et al. 2002; Meiners et al. 

2003; Rückrich et al. 2009). Indeed, it was later shown that the originally described 

proteasome inhibitor‐adapted cells actually expressed functional proteasomes as a result 

of this compensatory pathway (Princiotta et al. 2001).  

With these caveats about the interpretation of experiments using proteasome 

inhibitors, I propose that the MG132‐resistant degradation of peptidyl‐puromycins may 

reflect 1) residual proteasomal activity or 2) MG132‐induced alterations in proteasomal 

substrate specificity. It is notable that MG132‐resistant degradation was only apparent in 

puromycin‐treated cells, and predominantly affected small polypeptides. This suggests 

 

96 

that MG132 binding results in increased selectivity for small polypeptides, perhaps due 

to partial steric occlusion of the interior chamber of the proteasome. 

5.3.2 Non-proteasomal proteases

Although MG132 does not completely inactivate the proteasome, the size 

selectivity of MG132‐resistant degradation prompted me to identify non‐proteasomal 

proteases that may contribute to the observed degradation of peptidyl‐puromycins.  

One well‐known non‐proteasomal protease is tripeptidyl peptidase II, which was 

originally identified as an enzyme that compensates for loss of proteasome function in 

cells treated with proteasome inhibitors for extended periods (Geier et al. 1999). TPP II 

cleaves tripeptides from the amino terminus of proteins with little sequence specificity, 

and also exhibits weak trypsin‐like endoprotease activity. The lack of sequence 

specificity may allow TPP II to metabolize a range of substrates that are highly 

heterogeneous in composition and characteristics, such as prematurely terminated 

polypeptides. The endogenous substrates for TPP II remain unknown (van Endert 2011). 

While TPP II was originally suggested to generate MHC class I‐binding peptides (Geier 

et al. 1999), more recent evidence from mouse models indicates that TPP II deficiency 

leads to increased MHC class I presentation (Firat et al. 2007; Kawahara et al. 2009), 

indicating that the net effect of TPP II is to destroy potential epitopes in vivo.   

Insulin‐degrading enzyme (IDE) is a promising candidate protease for peptidyl‐

puromycin degradation, because of its specificity for substrates <12 kDa in size (in 

 

97 

addition to insulin) (Duckworth et al. 1998). IDE was found to generate a proteasome‐

independent HLA‐A1‐restricted peptide derived from the MAGE‐A3 human tumor 

protein (Parmentier et al. 2010). Interestingly, IDE is specific for substrates bearing 

amyloid‐prone beta sheet conformations, rather than targeting specific amino acid 

sequences (Kurochkin 2001). While it is unclear whether peptidyl‐puromycins tend to 

fold into amyloidogenic structures, it is known that puromycin treatment results in the 

formation of structures called ALIS, which resemble aggresomes (Szeto et al. 2006). 

Thus, IDE has a number of characteristics that make it well‐suited to metabolize 

peptidyl‐puromycins and prevent them from accumulating as toxic aggregates.  

Finally, a study of the HLA‐B27‐binding peptide repertoire suggested the 

existence of a proteasome‐independent degradation pathway (Marcilla et al. 2007). 

Using quantitative mass spectrometry, the investigators demonstrated continued 

production of one‐third of the original repertoire of HLA‐B27‐peptide complexes in the 

presence of epoxomicin. Interestingly, these peptides were specifically derived from 

small (6‐16.5 kDa), basic polypeptides, and were unlikely to be generated from the 

residual caspase‐like activity of the epoxomicin‐bound proteasome. The degradation 

mechanism exhibiting this restricted substrate profile remains to be identified. The 

activity may represent residual proteasome function or a yet‐unidentified protease. In 

either case, a proteolytic pathway targeting small polypeptides is consistent with the 

MG132‐resistant degradation of truncated polypeptides observed in my studies. 

 

98 

In summary, I present a series of different models that explain the MG132‐

resistant degradation of peptidyl‐puromycins: 1) MG132 biases the substrate specificity 

of the proteasome towards the degradation of small polypeptides. 2) Peptidyl‐

puromycins are degraded via TPP II, which has a broad range of potential substrates. 3) 

Peptidyl‐puromycins are degraded by IDE, which is specific for small, amyloidogenic 

polypeptides. 4) Peptidyl‐puromycins are degraded by a yet uncharacterized protease 

specific for small, basic proteins that is involved in the generation of HLA‐B27‐binding 

epitopes. Interactions between different pathways are also possible; for example, 

cleavage by non‐proteasomal proteases may require the altered activity of the MG132‐

bound proteasome, or vice‐versa. Distinguishing between these models will be 

important for understanding the mechanisms by which small prematurely terminated 

polypeptides are degraded.  

5.4 Relationship between premature translational termination products and MHC class I presentation

RDPs are the primary source of peptides presented on MHC class I molecules 

(Schubert et al. 2000; Reits et al. 2000; Qian et al. 2006b). As described in Chapter 3, I 

found that prematurely terminated peptidyl‐puromycins are predominantly targeted to 

the RDP pool. In Chapter 4, I proceeded to examine the effects of puromycin‐induced 

premature translational termination on MHC class I presentation. Puromycin 

concentrations inducing low levels of truncated polypeptide production stimulated 

MHC class I presentation. In contrast, puromycin concentrations inducing high levels of 

 

99 

premature termination products inhibited the MHC class I pathway, particularly after 

extended time periods. Given that RDP degradation is so tightly coupled to MHC I 

presentation, why do rapidly degraded peptidyl‐puromycins stimulate MHC I 

presentation under some conditions and inhibit presentation under others? In this 

section, I will introduce three models to account for the time‐ and concentration‐

dependent effects of puromycin on the MHC class I pathway. I will also review my 

findings in the context of previous studies using puromycin to study the MHC class I 

pathway. 

5.4.1 Models of MHC class I behavior in response to puromycin treatment

5.4.1.1 mTORC1 model  

The first model discusses how the MHC class I pathway responds to regulatory 

feedback between protein quality control and protein synthesis. Qian and colleagues 

reported a mechanism by which mTORC1 senses changes in protein quality via the 

occupancy of chaperones (Qian et al. 2010). I adapted their model of this regulatory 

pathway to explain my findings as follows (Fig. 22).  

Low concentrations of puromycin stimulate the production of small quantities of 

prematurely terminated polypeptides of a diverse range of lengths, many of which are 

long enough to contain one or more folded domains. This profile of truncated  

 

100 

 

Figure  22:  The mTORC1 model.  Low  concentrations  of  peptidyl‐puromycins  cause 

moderate  decreases  in  chaperone  availability,  resulting  in  mTORC1  activation  and 

promoting  MHC  class  I  presentation.  High  levels  of  severely  truncated  peptidyl‐

puromycins  cause  acute  depletion  of  chaperones,  resulting  in mTORC1  inhibition  by 

aggregation. Downstream MHC class I levels are impaired.  

polypeptides exerts a mild stress on the protein folding machinery, leading to moderate 

reductions in chaperone availability. The modest decrease in available chaperones 

activates mTORC1 via Hsp90‐mediated assembly of the full mTORC1 complex. 

Activated mTORC1 phosphorylates S6K1, which in turn, phosphorylates the ribosomal 

S6 protein, leading to the upregulation of both protein synthesis (Fig. 3) and the 

downstream supply of substrates to the MHC class I pathway.  

High concentrations of puromycin stimulate the production of short, truncated 

polypeptides which are predominantly unfolded. The flood of unfolded polypeptides 

depletes the supply of available chaperones. Shortly after puromycin treatment, 

mTORC1 is briefly activated, leading to the initial burst in Kb‐SIINFEKL presentation 

(Fig. 16B). However, the sequestration of Hsp90 by truncated polypeptides eventually 

causes mTOR to aggregate and fail to form functional mTORC1. This results in 

 

101 

decreased protein synthesis and the observed impairment in MHC class I presentation at 

high puromycin concentrations and later time points. 

 This model highlights the potential importance of protein quality‐mediated 

regulation of translation as a determinant of MHC class I presentation. In that context, 

puromycin allows me to manipulate protein quality and quantity to explore the 

dynamic range of responses to different protein quality environments.  

5.4.1.2 Aggregation model 

The second model focuses on the potential for prematurely terminated 

polypeptides to aggregate and thereby inhibit the proteasome. Low concentrations of 

puromycin produce a small amount of truncated polypeptides of diverse sizes, many of 

which will contain folded domains to prevent aggregation. These truncated 

polypeptides are targeted for rapid degradation, leading to the stimulation of MHC class 

I presentation. In contrast, high concentrations of puromycin produce a large number of 

short, unfolded, prematurely terminated polypeptides. These are also rapidly degraded, 

leading to the observed early burst in Kb‐SIINFEKL presentation (Fig. 16B). However, 

the high volume of truncated polypeptides saturates the proteasome, which has little 

excess capacity (Gidalevitz et al. 2006), resulting in the accumulation of 

polyubiquitinated proteins (Fig. 19). Proteasomal saturation results in the accumulation 

of largely unfolded peptidyl‐puromycins, leading to the formation of aggregates that are 

 

102 

toxic to cells over time (Fig. 12). Aggregate accumulation inhibits proteasomal activity 

(Bence et al. 2001; Bennett et al. 2005), thereby decreasing MHC class I presentation.  

This model highlights the consequences of prematurely terminated peptides on 

protein homeostasis and the time‐dependent effects of disruptions to proteostasis on 

degradation pathways, antigen presentation, and cell viability.  

5.4.1.3 Substrate heterogeneity model  

The final model focuses on the intrinsic heterogeneity of the prematurely 

terminated polypeptide pool, and proposes a mechanism for how truncations of 

different lengths affect the efficiency of MHC class I presentation.  

Lower concentrations of puromycin stimulated the premature termination of a 

relatively higher amount of near full‐length polypeptides; the finding that these 

puromycin conditions are associated with increased MHC class I presentation is 

consistent with reports from other systems that newly synthesized, full‐length or near 

full‐length defective ribosomal products are the most efficient source of peptides 

presented on MHC class I molecules (Schubert et al. 2000; Princiotta et al. 2003; Dolan et 

al. 2011a). In contrast, higher concentrations of puromycin stimulated the production of 

polypeptides truncated earlier in their synthesis. These conditions were associated with 

progressive impairment of the MHC class I pathway. 

Based on these data, I propose that near full‐length truncated polypeptides are a 

more efficient source of MHC class I substrates than polypeptides truncated early in 

 

103 

their synthesis. This is consistent with the finding that proteasomal substrates (including 

RDPs) show wide variation in the efficiency with which they access the MHC class I 

pathway (Princiotta et al. 2003). The difference in presentation efficiency likely cannot be 

attributed to substrate hydrophobicity (if anything, this should favor presentation from 

the poorly folded, shorter polypeptide population, based on Huang et al. 2011b). So how 

can near full‐length peptidyl‐puromycins be distinguished from their shorter 

counterparts? 

One possibility lies in the organization of eukaryotic messenger 

ribonucleoproteins (mRNPs), which form a closed loop structure juxtaposing the 5’ and 

3’ ends of the transcript (Amrani et al. 2008). One of the proteins that mediates bridging 

interactions to maintain the closed loop is eukaryotic initiation factor 3 (eIF3). 

Interestingly, eIF3 was shown to form a complex with the 26S proteasome, suggesting 

that proteasomes localize to the joined 5’ and 3’ ends of mRNPs (Sha et al. 2009). With 

~8x105 functional proteasomes per cell (Princiotta et al. 2003), this is more than enough 

to tether 1‐2 proteasomes per translating mRNP (given ~3.8x105 mRNAs per cell, which 

is the upper limit on the number of translating mRNPs) (Qiagen). The proximity of the 

eIF3‐bound proteasome near the end of the open reading frame positions the 

proteasome to selectively receive full‐length and near full‐length substrates. The eIF3‐

bound proteasome could then “channel” its degradation products specifically for 

presentation on MHC class I molecules (perhaps by directly binding TAP or via an 

 

104 

accessory tethering protein). This is consistent with the finding that MHC class I 

substrate processing is compartmentalized for high efficiency (Lev et al. 2010). 

Compartmentalization (via an unknown mechanism) favors the loading of MHC class I 

molecules with peptides derived from the proteasomal degradation of newly 

synthesized RDPs and prevents competition from “retiree” proteins that have reached 

the end of their lifespan. In contrast, shorter peptidyl‐puromycins are released distally 

from the eIF3‐bound proteasome, and are instead rapidly degraded by cytosolic 

proteasomes that are not channeled for presentation (Dolan et al. 2011b).  

With this model, I can propose a speculative accounting for the fates of different 

classes of peptidyl‐puromycins (Fig. 23). Short peptides produced by premature 

termination should degrade in seconds, due to the activity of cytosolic peptidases (Reits 

et al. 2003). Because peptide degradation is more efficient than peptide translocation into 

the ER (van Endert 2011), peptide‐length premature termination products would be 

predicted to be highly inefficient sources of MHC class I peptides. The majority of 

peptidyl‐puromycins truncated early or in the middle of their synthesis (such as those 

induced by 20 M puromycin) are rapidly degraded by cytosolic proteasomes (20S for 

severely misfolded substrates, 26S for moderately misfolded substrates) (Qian et al. 

2006a). A minority of peptidyl‐puromycins, (predominantly smaller ones) are degraded 

by non‐proteasomal proteases, such as IDE and TPP II. These smaller truncated 

polypeptides are not degraded by proteasomes channeled for antigen presentation  

 

105 

 

Figure  23:  The  substrate  heterogeneity  model.  Indicates  proposed  degradation 

pathways  for prematurely  terminated  substrates at varying points of  truncation. Only 

the  eIF3‐bound  26S  proteasome  is  compartmentalized  for  efficient  MHC  class  I 

presentation.  At  the  bottom,  the  profiles  of  polypeptides  produced  under  different 

puromycin treatment conditions are indicated. Note that the mRNP forms a closed loop 

with the 5’ and 3’ ends juxtaposed by bridging proteins (like eIF4G) but is shown here in 

extended form for simplicity.   

(being too distant from the eIF3‐bound proteasome), and are thus poor MHC class I 

pathway substrates, despite being RDPs. Finally, near‐full length truncated polypeptides 

(such as those induced by 2 M puromycin) are degraded by eIF3‐bound proteasomes 

channeled for antigen presentation.  

A key feature of this model is the spatial and functional separation of truncated 

polypeptide metabolism from proteolytic pathways channeled for MHC class I 

presentation. Separation of these pathways could be desirable to prevent N‐terminally 

biased sampling of the proteome for MHC class I‐binding peptides. Thus, rapid 

clearance of premature termination products could be accomplished without biasing the 

antigenic peptide repertoire. These issues highlight the need for bioinformatics‐based 

 

106 

surveys of MHC I peptides. Such studies would help determine the positional bias of 

peptide epitopes within ORFs and thereby provide a preliminary estimate of the relative 

contribution of prematurely terminated polypeptides to the MHC I peptidome (or lack 

thereof). 

In summary, this model highlights the heterogeneity of prematurely terminated 

polypeptides, and the corresponding heterogeneity in degradation pathways for their 

disposal. The diversity of degradation mechanisms was highlighted by a recent study 

suggesting that distinct biochemical pathways are involved in the processing of newly 

synthesized DRiPs versus old proteins that have reached the end of their lifespan 

(“retirees”) (Dolan et al. 2011a). I propose to extend this analogy, and suggest that there 

exist diverse pathways for RDP degradation, each of which metabolizes specific 

subclasses of RDPs, including prematurely terminated polypeptides. Identifying the 

distinctive features of these proteolytic pathways, the basis for their substrate selectivity 

and the mechanisms that govern their access to the MHC class I machinery are 

important future avenues for making sense of the complex calculus behind RDP 

metabolism. 

5.4.2 Puromycin in other studies of the MHC class I pathway

Two previous studies reported conflicting findings on the effects of puromycin 

on MHC class I presentation (Gileadi et al. 1999; Golovina et al. 2005). In the first study, 

cells were treated with 2000 M puromycin for 30 minutes during infection with a 

 

107 

vaccinia vector expressing the matrix protein of influenza virus (Gileadi et al. 1999). 

Puromycin treatment resulted in increased lysis of antigen‐expressing cells by CTLs 

specific for a matrix‐derived epitope. In the second study, cells were infected with 

vaccinia vectors expressing a model NP‐SIINFEKL antigen (Golovina et al. 2005). One 

hour after infection, cells were treated with 200 M puromycin for 20 minutes, which 

resulted in either no change or a slight decrease in the presentation of peptides derived 

from the model antigen.  

Both studies used puromycin with the goal of stimulating truncated polypeptide 

production. However, it is clear from my puromycin titration experiments that the 

production of truncated polypeptides is (expectedly) concentration‐dependent, peaking 

at 20 M (in 293‐Kb cells), and that few translation products are produced at puromycin 

concentrations of 200 M or higher (Figs. 3 and 4). I suggest that the high concentrations 

of puromycin used in prior studies may lead to an initial discharge of nascent chains 

from elongating ribosomes, but predominantly results in the production of methionyl‐

puromycins or peptidyl‐puromycins only a few amino acids in length, both of which are 

poor substrates for presentation on MHC I molecules.  

MHC class I recovery exhibited both puromycin‐mediated stimulation and 

inhibition, depending on the concentration and duration of puromycin treatment. This 

may be responsible for the seemingly opposite effects of puromycin on the MHC class I 

pathway observed by previous investigators. By establishing the dynamic range of time‐ 

 

108 

and concentration‐dependent effects of puromycin, I was able to observe previously 

unappreciated complexities in the behavior of prematurely terminated polypeptides and 

their processing by the MHC class I pathway. 

5.5 Candidate RDP pathway factors

Despite ongoing study of RDPs for over a decade (and reports of the RDP pool 

extending almost three decades before that), identification of RDP pathway factors has 

proven elusive. Towards the end of Chapter 4, I reported my preliminary investigations 

into the role of two different candidate factors in RDP metabolism: Pth2 and CHIP.  

Peptidyl‐tRNA hydrolase 2 (Pth2) metabolizes peptidyl‐tRNAs by hydrolyzing 

the ester bond between the peptide and tRNA (de Pereda et al. 2004). Since peptidyl‐

tRNAs are the closest endogenous correlate of peptidyl‐puromycins, I tested the effects 

of Pth2 knockdown on RDP degradation and antigen presentation (Fig. 20). Pth2 

knockdown increased the cellular fraction of RDPs and stimulated MHC class I 

presentation, suggesting that Pth2 inhibits flux through the RDP pathway. One possible 

explanation for this is that Pth2 functions to direct peptidyl‐tRNAs to alternative 

degradation pathways, such as cytosolic proteases. In yeast, Pth2 has been shown to 

bind the ubiquitin‐like (UBL) domains of Rad23 and Dsk2, two proteins that deliver 

polyubiquitinated substrates to the proteasome (Ishii et al. 2006). Pth2 binding to these 

delivery proteins inhibited their interaction with polyubiquitin receptors, resulting in a 

decrease in proteasomal degradation consistent with my observations.  

 

109 

In total, these findings suggest that Pth2 inhibits the delivery of substrates to the 

proteasome. Because prematurely terminated polypeptides have a propensity to 

aggregate, Pth2 may serve a protective function by directing truncated polypeptides 

away from the proteasome towards less critical proteolytic pathways. By shunting 

prematurely terminated substrates away from the proteasome, Pth2 may also serve an 

immunologic function by helping to prevent N‐terminal biasing of the MHC class I 

peptide repertoire.  

CHIP is uniquely well‐suited to serve as an RDP pathway factor, since it 

functions as a chaperone, cochaperone, and E3 ubiquitin ligase (Rosser et al. 2007). The 

chaperone activity of CHIP would allow it to recognize misfolded substrates, while its 

intrinsic E3 ligase activity could facilitate the ubiquitination and destruction of RDPs. 

Knockdown of CHIP increased the fraction of RDPs and stimulated MHC class I 

presentation (Fig. 21). These findings suggest that the net effect of CHIP is to inhibit flux 

through the RDP pathway, possibly by directly chaperoning substrates that would 

otherwise have been targeted for rapid degradation.  

5.6 Implications for human health

My studies on the fate of prematurely terminated polypeptides highlight the 

diversity of proteolytic pathways necessary for the rapid clearance of defective proteins. 

The extent to which disruptions in the various proteolytic pathways contribute to 

human disease is a topic of great clinical interest. From cardiomyopathy to 

 

110 

neurodegenerative disorders, disruptions in proteostasis have been associated with an 

ever‐growing number of diverse disease states (Powers et al. 2009), with small molecules 

that modulate the proteostasis network showing promise in clinical trials (Balch et al. 

2008). Furthermore, the mechanisms that regulate the efficiency with which different 

proteolytic pathways access the MHC class I machinery remain unknown (Dolan et al. 

2011b). Characterizing these mechanisms has the potential to offer us new insights into 

antiviral immunity and facilitate the design of more effective CTL vaccines.  

  

 

111 

References

Amrani N, Ghosh S, Mangus DA and Jacobson A. (2008) Translation factors promote the 

formation of two states of the closed‐loop mRNP. Nature. 453(7199): 1276‐80. 

Antón LC, Snyder HL, Bennink JR, Vinitsky A, Orlowski M, Porgador A and Yewdell 

JW. (1998) Dissociation of proteasomal degradation of biosynthesized viral 

proteins from generation of MHC class I‐associated antigenic peptides. J 

Immunol. 160(10): 4859‐68. 

Antón LC, Schubert U, Bacík I, Princiotta MF, Wearsch PA, Gibbs J, Day PM, Realini C, 

Rechsteiner MC, Bennink JR and Yewdell JW. (1999) Intracellular localization of 

proteasomal degradation of a viral antigen. J Cell Biol. 146(1): 113‐24. 

Arava Y, Wang Y, Storey JD, Liu CL, Brown PO and Herschlag D. (2003) Genome‐wide 

analysis of mRNA translation profiles in Saccharomyces cerevisiae. Proc Natl 

Acad Sci U S A. 100(7): 3889‐94. 

Arteaga MF, Wang L, Ravid T, Hochstrasser M and Canessa CM. (2006) An amphipathic 

helix targets serum and glucocorticoid‐induced kinase 1 to the endoplasmic 

reticulum‐associated ubiquitin‐conjugation machinery. Proc Natl Acad Sci U S A. 

103(30): 11178‐83. 

Atherly AG. (1978) Peptidyl‐transfer RNA hydrolase prevents inhibition of protein 

synthesis initiation. Nature. 275(5682): 769. 

Atkinson GC, Baldauf SL and Hauryliuk V (2008) Evolution of nonstop, no‐go and 

nonsense‐mediated mRNA decay and their termination factor‐derived 

components. BMC Evol Biol. 8: 290. 

Balch WE, Morimoto RI, Dillin A and Kelly JW. (2008) Adapting proteostasis for disease 

intervention. Science. 319(5865): 916‐9. 

Ballinger CA, Connell P, Wu Y, Hu Z, Thompson LJ, Yin LY and Patterson C. (1999) 

Identification of CHIP, a novel tetratricopeptide repeat‐containing protein that 

interacts with heat shock proteins and negatively regulates chaperone functions. 

Mol Cell Biol. 19(6): 4535‐45. 

Banerji J, Sands J, Strominger JL and Spies T. (1990) A gene pair from the human major 

histocompatibility complex encodes large proline‐rich proteins with multiple 

 

112 

repeated motifs and a single ubiquitin‐like domain. Proc Natl Acad Sci U S A. 

87(6): 2374‐8. 

Becker T, Armache JP, Jarasch A, Anger AM, Villa E, Sieber H, Motaal BA, Mielke T, 

Berninghausen O and Beckmann R. (2011) Structure of the no‐go mRNA decay 

complex Dom34‐Hbs1 bound to a stalled 80S ribosome. Nat Struct Mol Biol. 18(6): 

715‐20. 

Bence NF, Sampat RM and Kopito RR. (2001) Impairment of the ubiquitin‐proteasome 

system by protein aggregation. Science. 292(5521): 1552‐5. 

Benham AM, Grommé M and Neefjes J. (1998) Allelic differences in the relationship 

between proteasome activity and MHC class I peptide loading. J Immunol. 

161(1): 83‐9. 

Bennett EJ, Bence NF, Jayakumar R and Kopito RR. (2005) Global impairment of the 

ubiquitin‐proteasome system by nuclear or cytoplasmic protein aggregates 

precedes inclusion body formation. Mol Cell. 17(3): 351‐65. 

Berglund P, Finzi D, Bennink JR and Yewdell JW. (2007) Viral alteration of cellular 

translational machinery increases defective ribosomal products. J Virol. 81(13): 

7220‐9. 

Cardinaud S, Starck SR, Chandra P and Shastri N. (2010) The synthesis of truncated 

polypeptides for immune surveillance and viral evasion. PLoS One. 5(1): e8692. 

Cascio P, Hilton C, Kisselev AF, Rock KL and Goldberg AL. (2001) 26S proteasomes and 

immunoproteasomes produce mainly N‐extended versions of an antigenic 

peptide. EMBO J. 20(10): 2357‐66. 

Ciechanover A, Heller H, Elias S, Haas AL and Hershko A. (1980) ATP‐dependent 

conjugation of reticulocyte proteins with the polypeptide required for protein 

degradation. Proc Natl Acad Sci U S A. 77(3): 1365‐8. 

Connell P, Ballinger CA, Jiang J, Wu Y, Thompson LJ, Höhfeld J and Patterson C. (2001) 

The co‐chaperone CHIP regulates protein triage decisions mediated by heat‐

shock proteins. Nat Cell Biol. 3(1): 93‐6. 

Daniels RS, Worthington VC, Atkinson EM and Hipkiss AR. (1980) Proteolysis of 

puromycin‐peptides in rabbit reticulocytes: detection of a high molecular weight 

oligopeptide proteolytic substrate. FEBS Lett. 113(2): 245‐8. 

 

113 

David A, Netzer N, Strader MB, Das SR, Chen CY, Gibbs J, Pierre P, Bennink JR and 

Yewdell JW. (2011) RNA binding targets aminoacyl‐tRNA synthetases to 

translating ribosomes. J Biol Chem. 286(23): 20688‐700. 

Day PM, Yewdell JW, Porgador A, Germain RN and Bennink JR. (1997) Direct delivery 

of exogenous MHC class I molecule‐binding oligopeptides to the endoplasmic 

reticulum of viable cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 94(15): 8064‐9. 

de Pereda JM, Waas WF, Jan Y, Ruoslahti E, Schimmel P and Pascual J. (2004) Crystal 

structure of a human peptidyl‐tRNA hydrolase reveals a new fold and suggests 

basis for a bifunctional activity. J Biol Chem. 279(9): 8111‐5. 

Desmots F, Russell HR, Lee Y, Boyd K and McKinnon PJ. (2005) The reaper‐binding 

protein scythe modulates apoptosis and proliferation during mammalian 

development. Mol Cell Biol. 25(23): 10329‐37. 

Dimitriadis GJ. (1979) Effect of detergents on antibody‐antigen interaction. Anal 

Biochem.98(2): 445‐51. 

Dolan BP, Li L, Takeda K, Bennink JR and Yewdell JW. (2010) Defective ribosomal 

products are the major source of antigenic peptides endogenously generated 

from influenza A virus neuraminidase. J Immunol. 184(3): 1419‐24. 

Dolan BP, Li L, Veltri CA, Ireland CM, Bennink JR and Yewdell JW. (2011a) Distinct 

pathways generate peptides from defective ribosomal products for CD8+ T cell 

immunosurveillance. J Immunol. 186(4): 2065‐72. 

Dolan BP, Bennink JR and Yewdell JW. (2011b) Translating DRiPs: progress in 

understanding viral and cellular sources of MHC class I peptide ligands. Cell Mol 

Life Sci. 68(9): 1481‐9. 

Doma MK and Parker R. (2006) Endonucleolytic cleavage of eukaryotic mRNAs with 

stalls in translation elongation. Nature. 440(7083): 561‐4. 

Donohue KB, Grant JM, Tewalt EF, Palmer DC, Theoret MR, Restifo NP and Norbury 

CC. (2006) Cross‐priming utilizes antigen not available to the direct presentation 

pathway. Immunology. 119(1): 63‐73. 

Duckworth WC, Bennett RG and Hamel FG. (1998) Insulin degradation: progress and 

potential. Endocr Rev. 19(5): 608‐24. 

 

114 

Eisenlohr LC, Huang L and Golovina TN. (2007) Rethinking peptide supply to MHC 

class I molecules. Nat Rev Immunol. 7(5): 403‐10. 

Esquivel F, Yewdell J and Bennink J. (1992) RMA/S cells present endogenously 

synthesized cytosolic proteins to class I‐restricted cytotoxic T lymphocytes. J Exp 

Med. 175(1): 163‐8. 

Firat E, Huai J, Saveanu L, Gaedicke S, Aichele P, Eichmann K, van Endert P and 

Niedermann G. (2007) Analysis of direct and cross‐presentation of antigens in 

TPPII knockout mice. J Immunol. 179(12): 8137‐45. 

Fromant M, Ferri‐Fioni ML, Plateau P and Blanquet S. (2003) Peptidyl‐tRNA hydrolase 

from Sulfolobus solfataricus. Nucleic Acids Res. 31(12): 3227‐35. 

Fuertes G, Villarroya A and Knecht E. (2003) Role of proteasomes in the degradation of 

short‐lived proteins in human fibroblasts under various growth conditions. Int J 

Biochem Cell Biol. 35(5): 651‐64. 

Fujimuro M, Sawada H and Yokosawa H. (1994) Production and characterization of 

monoclonal antibodies specific to multi‐ubiquitin chains of polyubiquitinated 

proteins. FEBS Lett. 349(2): 173‐80. 

Fujimuro M and Yokosawa H. (2005) Production of antipolyubiquitin monoclonal 

antibodies and their use for characterization and isolation of polyubiquitinated 

proteins. Methods Enzymol. 399: 75‐86. 

Gavioli R, Vertuani S and Masucci MG. (2002) Proteasome inhibitors reconstitute the 

presentation of cytotoxic T‐cell epitopes in Epstein‐Barr virus‐associated tumors. 

Int J Cancer. 101(6): 532‐8. 

Gebauer F and Hentze MW. (2004) Molecular mechanisms of translational control. 

(2004) Nat Rev Mol Cell Biol. 5(10): 827‐35. 

Geier E, Pfeifer G, Wilm M, Lucchiari‐Hartz M, Baumeister W, Eichmann K and 

Niedermann G. (1999) A giant protease with potential to substitute for some 

functions of the proteasome. Science. 283(5404): 978‐81. 

Gidalevitz T, Ben‐Zvi A, Ho KH, Brignull HR and Morimoto RI. (2006) Progressive 

disruption of cellular protein folding in models of polyglutamine diseases. 

Science. 311(5766): 1471‐4. 

 

115 

Gileadi U, Moins‐Teisserenc HT, Correa I, Booth BL Jr, Dunbar PR, Sewell AK, 

Trowsdale J, Phillips RE and Cerundolo V. (1999) Generation of an 

immunodominant CTL epitope is affected by proteasome subunit composition 

and stability of the antigenic protein. J Immunol. 163(11): 6045‐52. 

Gilon T, Chomsky O and Kulka RG. (1998) Degradation signals for ubiquitin system 

proteolysis in Saccharomyces cerevisiae. EMBO J. 17(10): 2759‐66. 

Glas R, Bogyo M, McMaster JS, Gaczynska M and Ploegh HL. (1998) A proteolytic 

system that compensates for loss of proteasome function. Nature. 392(6676): 618‐

22. 

Goldberg AL. (1972) Degradation of abnormal proteins in Escherichia coli. Proc Natl Acad 

Sci U S A. 69(2): 422‐6. 

Golovina TN, Morrison SE and Eisenlohr LC. (2005) The impact of misfolding versus 

targeted degradation on the efficiency of the MHC class I‐restricted antigen 

processing. J Immunol. 174(5): 2763‐9. 

Goodman CA, Mabrey DM, Frey JW, Miu MH, Schmidt EK, Pierre P and Hornberger 

TA. (2011) Novel insights into the regulation of skeletal muscle protein synthesis 

as revealed by a new nonradioactive in vivo technique. FASEB J. 25(3): 1028‐39. 

Hansen WJ, Lingappa VR and Welch WJ. (1994) Complex environment of nascent 

polypeptide chains. J Biol Chem. 269(43): 26610‐3. 

Hershko A, Ciechanover A, Heller H, Haas AL and Rose IA. (1980) Proposed role of 

ATP in protein breakdown: conjugation of protein with multiple chains of the 

polypeptide of ATP‐dependent proteolysis. Proc Natl Acad Sci U S A. 77(4): 1783‐

6. 

Hershko A and Ciechanover A. (1998) The ubiquitin system. Annu Rev Biochem. 67: 425‐

79. 

Hochstrasser M. (1996) Ubiquitin‐dependent protein degradation. Annu Rev Genet. 30: 

405‐39. 

Huang L, Marvin JM, Tatsis N and Eisenlohr LC. (2011a) Selective role of ubiquitin in 

MHC class I antigen presentation. J Immunol. 186(4): 1904‐8. 

Huang L, Kuhls MC and Eisenlohr LC. (2011b) Hydrophobicity as a driver of MHC class 

I antigen processing. EMBO J. 30(8): 1634‐44. 

 

116 

Ingolia NT, Ghaemmaghami S, Newman JR and Weissman JS. (2009) Genome‐wide 

analysis in vivo of translation with nucleotide resolution using ribosome 

profiling. Science. 324(5924): 218‐23. 

Ishii T, Funakoshi M and Kobayashi H. (2006) Yeast Pth2 is a UBL domain‐binding 

protein that participates in the ubiquitin‐proteasome pathway. EMBO J. 25(23): 

5492‐503. 

Johnson PR, Swanson R, Rakhilina L and Hochstrasser M. (1998) Degradation signal 

masking by heterodimerization of MATalpha2 and MATa1 blocks their mutual 

destruction by the ubiquitin‐proteasome pathway. Cell. 94(2): 217‐27. 

Jørgensen F and Kurland CG. (1990) Processivity errors of gene expression in 

Escherichia coli. J Mol Biol. 215: 511‐21. 

Kapp LD and Lorsch JR. (2004) The molecular mechanics of eukaryotic translation. 

Annu Rev Biochem. 73: 657‐704. 

Kawahara M, York IA, Hearn A, Farfan D and Rock KL. (2009) Analysis of the role of 

tripeptidyl peptidase II in MHC class I antigen presentation in vivo. J Immunol. 

183(10): 6069‐77. 

Kemshead JT and Hipkiss AR. (1974) Degradation of abnormal proteins in Escherichia 

coli: relative susceptibility of canavanyl proteins and puromycin peptides to 

proteolysis in vitro. Eur J Biochem. 45(2): 535‐40. 

Khan S, de Giuli R, Schmidtke G, Bruns M, Buchmeier M, van den Broek M and 

Groettrup M. (2001) Cutting edge: neosynthesis is required for the presentation 

of a T cell epitope from a long‐lived viral protein. J Immunol. 167(9): 4801‐4. 

Kisselev AF and Goldberg AL. (2001) Proteasome inhibitors: from research tools to drug 

candidates. Chem Biol. 8(8): 739‐58. 

Klemes Y, Etlinger JD and Goldberg AL. (1981) Properties of abnormal proteins 

degraded rapidly in reticulocytes. Intracellular aggregation of the globin 

molecules prior to hydrolysis. J Biol Chem. 256(16): 8436‐44. 

Kurochkin IV. (2001) Insulin‐degrading enzyme: embarking on amyloid destruction. 

Trends Biochem Sci. 26(7): 421‐5. 

Lavie L, Reznick AZ and Gershon D. (1982) Decreased protein and puromycinyl‐peptide 

degradation in livers of senescent mice. Biochem J. 202(1): 47‐51. 

 

117 

Lelouard H, Ferrand V, Marguet D, Bania J, Camosseto V, David A, Gatti E and Pierre P. 

(2004) Dendritic cell aggresome‐like induced structures are dedicated areas for 

ubiquitination and storage of newly synthesized defective proteins. J Cell Biol. 

164(5): 667‐75. 

Leonhardt RM, Fiegl D, Rufer E, Karger A, Bettin B and Knittler MR. (2010) Post‐

endoplasmic reticulum rescue of unstable MHC class I requires proprotein 

convertase PC7. J Immunol. 184: 2985‐98. 

Lev A, Princiotta MF, Zanker D, Takeda K, Gibbs JS, Kumagai C, Waffarn E, Dolan BP, 

Burgevin A, Van Endert P, Chen W, Bennink JR and Yewdell JW. (2010) 

Compartmentalized MHC class I antigen processing enhances 

immunosurveillance by circumventing the law of mass action. Proc Natl Acad Sci 

U S A. 107(15): 6964‐9. 

Luckey CJ, King GM, Marto JA, Venketeswaran S, Maier BF, Crotzer VL, Colella TA, 

Shabanowitz J, Hunt DF and Engelhard VH. (1998) Proteasomes can either 

generate or destroy MHC class I epitopes: evidence for nonproteasomal epitope 

generation in the cytosol. J Immunol. 161(1): 112‐21. 

Manley JL. (1978) Synthesis and degradation of termination and premature‐termination 

fragments of beta‐galactosidase in vitro and in vivo. J Mol Biol. 125: 407‐32. 

Marcilla M, Cragnolini JJ and López de Castro JA. (2007) Proteasome‐independent HLA‐

B27 ligands arise mainly from small basic proteins. Mol Cell Proteomics. 6(5): 923‐

38. 

McCallum CD, Do H, Johnson AE and Frydman J. (2000) The interaction of the 

chaperonin tailless complex polypeptide 1 (TCP1) ring complex (TRiC) with 

ribosome‐bound nascent chains examined using photo‐cross‐linking. J Cell Biol. 

149: 591‐602. 

McIlhinney A and Hogan BL. (1974) Rapid degradation of puromycyl peptides in 

hepatoma cells and reticulocytes. FEBS Lett. 40(2): 297‐301. 

Meacham GC, Patterson C, Zhang W, Younger JM and Cyr DM. (2001) The Hsc70 co‐

chaperone CHIP targets immature CFTR for proteasomal degradation. Nat Cell 

Biol. 3(1): 100‐5. 

Meiners S, Heyken D, Weller A, Ludwig A, Stangl K, Kloetzel PM and Krüger E. (2003) 

Inhibition of proteasome activity induces concerted expression of proteasome 

 

118 

genes and de novo formation of mammalian proteasomes. J Biol Chem. 278(24): 

21517‐25. 

Menninger JR, Walker C and Tan PF. (1973) Studies on the metabolic role of peptidyl‐

tRNA hydrolase. I. Properties of a mutant E. coli with temperature‐sensitive 

peptidyl‐tRNA hydrolase. Mol Gen Genet. 121(4): 307‐24. 

Menninger JR. (1976) Peptidyl transfer RNA dissociates during protein synthesis from 

ribosomes of Escherichia coli. J Biol Chem. 251(11): 3392‐8. 

Menninger JR. (1979) Accumulation of peptidyl tRNA is lethal to Escherichia coli. J 

Bacteriol. 137(1): 694‐6. 

Min JN, Whaley RA, Sharpless NE, Lockyer P, Portbury AL and Patterson C. (2008) 

CHIP deficiency decreases longevity, with accelerated aging phenotypes 

accompanied by altered protein quality control. Mol Cell Biol. 28(12): 4018‐25. 

Minami R, Hayakawa A, Kagawa H, Yanagi Y, Yokosawa H and Kawahara H. (2010) 

BAG‐6 is essential for selective elimination of defective proteasomal substrates. J 

Cell Biol. 190(4): 637‐50. 

Mitsiades N, Mitsiades CS, Poulaki V, Chauhan D, Fanourakis G, Gu X, Bailey C, Joseph 

M, Libermann TA, Treon SP, Munshi NC, Richardson PG, Hideshima T and 

Anderson KC. (2002) Molecular sequelae of proteasome inhibition in human 

multiple myeloma cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 99(22): 14374‐9. 

Nathans D. (1964) Puromycin inhibition of protein synthesis: incorporation of 

puromycin into peptide chains. Proc Natl Acad Sci U S A. 51: 585‐92. 

Naujokat C, Fuchs D and Berges C. (2007) Adaptive modification and flexibility of the 

proteasome system in response to proteasome inhibition. Biochim Biophys Acta. 

1773(9): 1389‐97. 

Pariyarath R, Wang H, Aitchison JD, Ginsberg HN, Welch WJ, Johnson AE and Fisher 

EA. (2001) Co‐translational interactions of apoprotein B with the ribosome and 

translocon during lipoprotein assembly or targeting to the proteasome. J Biol 

Chem. 276(1): 541‐50. 

Parmentier N, Stroobant V, Colau D, de Diesbach P, Morel S, Chapiro J, van Endert P 

and Van den Eynde BJ. (2010) Production of an antigenic peptide by insulin‐

degrading enzyme. Nat Immunol. 11(5): 449‐54. 

 

119 

Passos DO, Doma MK, Shoemaker CJ, Muhlrad D, Green R, Weissman J, Hollien J and 

Parker R. (2009) Analysis of Dom34 and its function in no‐go decay. Mol Biol Cell. 

20(13): 3025‐32. 

Petrucelli L, Dickson D, Kehoe K, Taylor J, Snyder H, Grover A, De Lucia M, McGowan 

E, Lewis J, Prihar G, Kim J, Dillmann WH, Browne SE, Hall A, Voellmy R, Tsuboi 

Y, Dawson TM, Wolozin B, Hardy J and Hutton M. (2004) CHIP and Hsp70 

regulate tau ubiquitination, degradation and aggregation. Hum Mol Genet. 13(7): 

703‐14. 

Pickart CM and Cohen RE. (2004) Proteasomes and their kin: proteases in the machine 

age. Nat Rev Mol Cell Biol. 5(3): 177‐87. 

Pisareva VP, Skabkin MA, Hellen CU, Pestova TV and Pisarev AV. (2011) Dissociation 

by Pelota, Hbs1 and ABCE1 of mammalian vacant 80S ribosomes and stalled 

elongation complexes. EMBO J. 30(9): 1804‐17. 

Poole B and Wibo M. (1973) Protein degradation in cultured cells. The effect of fresh 

medium, fluoride, and iodoacetate on the digestion of cellular protein of rat 

fibroblasts. J Biol Chem. 248(17): 6221‐6. 

Porgador A, Yewdell JW, Deng Y, Bennink JR and Germain RN. (1997) Localization, 

quantitation, and in situ detection of specific peptide‐MHC class I complexes 

using a monoclonal antibody. Immunity. 6(6): 715‐26. 

Powers ET, Morimoto RI, Dillin A, Kelly JW and Balch WE. (2009) Biological and 

chemical approaches to diseases of proteostasis deficiency. Annu Rev Biochem. 78: 

959‐91. 

Princiotta MF, Schubert U, Chen W, Bennink JR, Myung J, Crews CM and Yewdell JW. 

(2001) Cells adapted to the proteasome inhibitor 4‐hydroxy‐ 5‐iodo‐3‐

nitrophenylacetyl‐Leu‐Leu‐leucinal‐vinyl sulfone require enzymatically active 

proteasomes for continued survival. Proc Natl Acad Sci U S A. 98(2): 513‐8. 

Princiotta MF, Finzi D, Qian SB, Gibbs J, Schuchmann S, Buttgereit F, Bennink JR and 

Yewdell JW. (2003) Quantitating protein synthesis, degradation, and endogenous 

antigen processing. Immunity. 18(3): 343‐54. 

Prouty WF, Karnovsky MJ and Goldberg AL. (1975) Degradation of abnormal proteins 

in Escherichia coli. Formation of protein inclusions in cells exposed to amino acid 

analogs. J Biol Chem. 250(3): 1112‐22. 

 

120 

Qiagen. “Nucleic Acids and Proteins: Mammalian Cells and Tissues.” Technical 

Information. (2011) August 24, 2011 

<http://www.qiagen.com/resources/info/nucleic_acids_and_proteins_mammalia

n_cells_and_tissues.aspx#1>. 

Qian SB, Bennink JR and Yewdell JW. (2005) Quantitating defective ribosome products. 

Methods Mol Biol. 301: 271‐81. 

Qian SB, Princiotta MF, Bennink JR and Yewdell JW. (2006a) Characterization of rapidly 

degraded polypeptides in mammalian cells reveals a novel layer of nascent 

protein quality control. J Biol Chem. 281(1): 392‐400. 

Qian SB, Reits E, Neefjes J, Deslich JM, Bennink JR and Yewdell JW. (2006b) Tight 

linkage between translation and MHC class I peptide ligand generation implies 

specialized antigen processing for defective ribosomal products. J Immunol. 

177(1): 227‐33. 

Qian SB, McDonough H, Boellmann F, Cyr DM and Patterson C. (2006c) CHIP‐mediated 

stress recovery by sequential ubiquitination of substrates and Hsp70. Nature. 

440(7083): 551‐5. 

Qian SB, Zhang X, Sun J, Bennink JR, Yewdell JW and Patterson C. (2010) mTORC1 links 

protein quality and quantity control by sensing chaperone availability. J Biol 

Chem. 285(35): 27385‐95. 

Reits EA, Vos JC, Grommé M and Neefjes J. (2000) The major substrates for TAP in vivo 

are derived from newly synthesized proteins. Nature. 404(6779): 774‐8. 

Rock KL, Gamble S, Rothstein L, Gramm C and Benacerraf B. (1991) Dissociation of beta 

2‐microglobulin leads to the accumulation of a substantial pool of inactive class I 

MHC heavy chains on the cell surface. Cell. 65(4): 611‐20. 

Rock KL, Gramm C, Rothstein L, Clark K, Stein R, Dick L, Hwang D and Goldberg AL. 

(1994) Inhibitors of the proteasome block the degradation of most cell proteins 

and the generation of peptides presented on MHC class I molecules. Cell. 

78(5):761‐71. 

Rosas‐Sandoval G, Ambrogelly A, Rinehart J, Wei D, Cruz‐Vera LR, Graham DE, Stetter 

KO, Guarneros G and Söll D. (2002) Orthologs of a novel archaeal and of the 

bacterial peptidyl‐tRNA hydrolase are nonessential in yeast. Proc Natl Acad Sci U 

S A. 99(26): 16707‐12. 

 

121 

Rosser MF, Washburn E, Muchowski PJ, Patterson C and Cyr DM. (2007) Chaperone 

functions of the E3 ubiquitin ligase CHIP. J Biol Chem. 282(31): 22267‐77. 

Rötzschke O, Falk K, Stevanović S, Jung G, Walden P and Rammensee HG. (1991) Exact 

prediction of a natural T cell epitope. Eur J Immunol. 21(11): 2891‐4. 

Rückrich T, Kraus M, Gogel J, Beck A, Ovaa H, Verdoes M, Overkleeft HS, Kalbacher H 

and Driessen C. (2009) Characterization of the ubiquitin‐proteasome system in 

bortezomib‐adapted cells. Leukemia. 23(6): 1098‐105. 

Saric T, Chang SC, Hattori A, York IA, Markant S, Rock KL, Tsujimoto M and Goldberg 

AL. (2002) An IFN‐gamma‐induced aminopeptidase in the ER, ERAP1, trims 

precursors to MHC class I‐presented peptides. Nat Immunol. 3(12):1169‐76. 

Saveanu L, Carroll O, Lindo V, Del Val M, Lopez D, Lepelletier Y, Greer F, Schomburg 

L, Fruci D, Niedermann G and van Endert PM. (2005) Concerted peptide 

trimming by human ERAP1 and ERAP2 aminopeptidase complexes in the 

endoplasmic reticulum. Nat Immunol. 6(7): 689‐97. 

Schägger H and von Jagow G. (1987) Tricine‐sodium dodecyl sulfate‐polyacrylamide gel 

electrophoresis for the separation of proteins in the range from 1 to 100 kDa. Anal 

Biochem. 166(2): 368‐79. 

Schägger H. (2006) Tricine‐SDS‐PAGE. Nat Protoc. 1: 16‐22. 

Schmidt EK, Clavarino G, Ceppi M and Pierre P. (2009) SUnSET, a nonradioactive 

method to monitor protein synthesis. Nat Methods. 6(4): 275‐7. 

Schneider‐Poetsch T, Ju J, Eyler DE, Dang Y, Bhat S, Merrick WC, Green R, Shen B and 

Liu JO. (2010) Inhibition of eukaryotic translation elongation by cycloheximide 

and lactimidomycin. Nat Chem Biol. 6(3): 209‐217. 

Schubert U, Antón LC, Gibbs J, Norbury CC, Yewdell JW and Bennink JR. (2000) Rapid 

degradation of a large fraction of newly synthesized proteins by proteasomes. 

Nature. 404(6779): 770‐4. 

Serwold T, Gonzalez F, Kim J, Jacob R and Shastri N. (2002) ERAAP customizes peptides 

for MHC class I molecules in the endoplasmic reticulum. Nature. 419(6906): 480‐3. 

Sha Z, Brill LM, Cabrera R, Kleifeld O, Scheliga JS, Glickman MH, Chang EC and Wolf 

DA. (2009) The eIF3 interactome reveals the translasome, a supercomplex linking 

protein synthesis and degradation machineries. Mol Cell. 36(1): 141‐52. 

 

122 

Shastri N, Schwab S and Serwold T. (2002) Producing natureʹs gene‐chips: the 

generation of peptides for display by MHC class I molecules. Annu Rev Immunol. 

20: 463‐93. 

Shoemaker CJ, Eyler DE and Green R. (2010) Dom34:Hbs1 promotes subunit 

dissociation and peptidyl‐tRNA drop‐off to initiate no‐go decay. Science. 

330(6002): 369‐72. 

Spies T, Cerundolo V, Colonna M, Cresswell P, Townsend A and DeMars R. (1992) 

Presentation of viral antigen by MHC class I molecules is dependent on a 

putative peptide transporter heterodimer. Nature. 355(6361): 644‐6. 

Sugawara S, Abo T and Kumagai K. (1987) A simple method to eliminate the 

antigenicity of surface class I MHC molecules from the membrane of viable cells 

by acid treatment at pH 3. J Immunol Methods. 100: 83‐90. 

Szeto J, Kaniuk NA, Canadien V, Nisman R, Mizushima N, Yoshimori T, Bazett‐Jones 

DP and Brumell JH. (2006) ALIS are stress‐induced protein storage 

compartments for substrates of the proteasome and autophagy. Autophagy. 

2(3):189‐99. 

Tellam J, Connolly G, Green KJ, Miles JJ, Moss DJ, Burrows SR and Khanna R. (2004) 

Endogenous presentation of CD8+ T cell epitopes from Epstein‐Barr virus‐

encoded nuclear antigen 1. J Exp Med. 199(10): 1421‐31. 

Tellam J, Fogg MH, Rist M, Connolly G, Tscharke D, Webb N, Heslop L, Wang F and 

Khanna R. (2007) Influence of translation efficiency of homologous viral proteins 

on the endogenous presentation of CD8+ T cell epitopes. J Exp Med. 204(3): 525‐

32. 

Teter SA, Houry WA, Ang D, Tradler T, Rockabrand D, Fischer G, Blum P, 

Georgopoulos C and Hartl FU. (1999) Polypeptide flux through bacterial Hsp70: 

DnaK cooperates with trigger factor in chaperoning nascent chains. Cell. 97(6): 

755‐65. 

Tsung K, Inouye S and Inouye M. (1989) Factors affecting the efficiency of protein 

synthesis in Escherichia coli. Production of a polypeptide of more than 6000 

amino acid residues. J Biol Chem. 264: 4428‐33. 

Türkel S and Farabaugh PJ. (1993) Interspersion of an unusual GCN4 activation site with 

a complex transcriptional repression site in Ty2 elements of Saccharomyces 

cerevisiae. Mol Cell Biol. 13(4): 2091‐103. 

 

123 

Vabulas RM and Hartl FU. (2005) Protein synthesis upon acute nutrient restriction relies 

on proteasome function. Science. 310(5756): 1960‐3. 

van Endert P. (2011) Post‐proteasomal and proteasome‐independent generation of MHC 

class I ligands. Cell Mol Life Sci. 68(9): 1553‐67. 

Vázquez D. (1979) Inhibitors of protein biosynthesis. Mol Biol Biochem Biophys. 30: i‐x, 1‐

312. 

Voo KS, Fu T, Wang HY, Tellam J, Heslop HE, Brenner MK, Rooney CM and Wang RF. 

(2004) Evidence for the presentation of major histocompatibility complex class I‐

restricted Epstein‐Barr virus nuclear antigen 1 peptides to CD8+ T lymphocytes. J 

Exp Med. 199(4): 459‐70. 

Wheatley DN, Giddings MR and Inglis MS. (1980) Kinetics of degradation of ʺshort‐ʺ 

and ʺlong‐livedʺ proteins in cultured mammalian cells. Cell Biol Int Rep. 4(12): 

1081‐90. 

Wherry EJ, Golovina TN, Morrison SE, Sinnathamby G, McElhaugh MJ, Shockey DC 

and Eisenlohr LC. (2006) Re‐evaluating the generation of a ʺproteasome‐

independentʺ MHC class I‐restricted CD8 T cell epitope. J Immunol. 176(4): 2249‐

61. 

Yewdell JW, Antón LC and Bennink JR. (1996) Defective ribosomal products (DRiPs): a 

major source of antigenic peptides for MHC class I molecules? J Immunol. 157(5): 

1823‐6. 

Yewdell JW, Reits E and Neefjes J. (2003) Making sense of mass destruction: quantitating 

MHC class I antigen presentation. Nat Rev Immunol. 3(12): 952‐61. 

Yewdell JW and Nicchitta CV. (2006) The DRiP hypothesis decennial: support, 

controversy, refinement and extension. Trends Immunol. 27: 368‐73. 

Yewdell JW. (2007) Plumbing the sources of endogenous MHC class I peptide ligands. 

Curr Opin Immunol 19: 79‐86.  

 

 

124 

Biography

Joshua Rene Lacsina was born on July 24, 1982 in Denver, Colorado to Rene 

Quiambao Lacsina and Teresa Anden Lacsina. After Josh’s early years in Denver and 

Rochester Hills, Michigan, the Lacsina family moved in 1989 to Salinas, California, 

where Josh enjoyed a happy childhood. In 2003, Josh graduated magna cum laude from 

Harvard University with an A.B. in Biochemical Sciences.  Later that year, he began his 

studies as an MD‐PhD student in the Medical Scientist Training Program at Duke 

University. Josh met and started dating his long‐time girlfriend and professional 

collaborator, Odessa Marks, during his first lab rotation in 2005 through the Duke 

Program in Cell and Molecular Biology. The following year, Josh joined the lab of Dr. 

Christopher Nicchitta through the Department of Pathology to study cellular 

immunology and protein quality control. In 2004, Josh received the Award for Academic 

Excellence and Achievement from the American Society for Clinical Pathology. In 2006, 

he was elected to Alpha Omega Alpha, the medical honor society. In 2008, he was 

elected to Sigma Xi, the scientific honor society and was awarded an NIH Kirschstein 

Predoctoral Fellowship. In 2010, he received an Award for Outstanding Promise in 

Research during Duke Research Career Day and was selected to the inaugural class of 

Feagin Medical Scholars, through the John A. Feagin, Jr., MD, International Leadership 

Endowment. He currently resides in Durham, North Carolina, and plans to pursue a 

residency in internal medicine and a fellowship in infectious diseases. 

 

125 

Lacsina JR, Marks OA, Liu X, Reid DW, Jagannathan S and Nicchitta CV. Premature 

translational termination products are rapidly degraded substrates for MHC 

class I presentation. In revision. 

 

LaMonte G, Philip N, Reardon J, Lacsina JR, Majoros W, Chapman L, Telen MJ, Ohler U, 

Nicchitta CV, Haystead T and Chi JT. Erythrocytic microRNAs are genetic 

determinants of malaria resistance in sickle cell diseases. In review. 

 

Lampson BL, Prinz JA, Lacsina JR, Nicchitta CV, MacAlpine DA and Counter CM. Rare 

codons limit KRas tumorigenic activity. Manuscript in preparation. 

 

Lacsina JR, LaMonte G, Nicchitta CV and Chi JT. (2011) Polysome profiling of the 

malaria parasite Plasmodium falciparum. Mol Biochem Parasitol. 179(1): 42‐6. 

 

Yewdell JW, Lacsina JR, Rechsteiner MC and Nicchitta CV. (2011) Out with the old, in 

with the new? Comparing methods for measuring protein degradation. Cell Biol 

Int. 35(5): 457‐62.