Autphagischer Zelltod: Charakteristika und Regulation

Autophagie, ein lysosomaler Abbauweg, ist für das Überleben und die Homöostase der Zelle essentiell, und verhindert zahlreiche Krankheiten, darunter Infektionen, Krebs, Neurodegeneration, Alterungs- und Herzerkrankungen. Obwohl die meisten aktuellen Daten darauf hindeuten, dass Autophagie zytoprotektiv ist, gibt es auch Hinweise, dass dieser Selbst-kannibalistische Prozess schädlich für das Überleben der Zelle sein kann. Autophagie wurde auch als eine Form des programmierten Zelltodes (sog. autophagischer Zelltod oder PCD-Typ II) beschrieben. Allerdings könnten sterbende Zellen mit autophagischer Vakuolisierung auf einem gescheiterten Rettungsversuch anstatt einem Selbstmord beruhen. Trotz der Bedeutung dieses Prozesses in der Medizin und der Krankheits-Prävention bleiben sowohl die Existenz als auch der mögliche Mechanismus des autophagischen Zelltodes rätselhaft. Ein Hauptproblem bei der Überwachung autophagischen Todes in Säugerzellen ist, dass diese Art von Zelltod, per Definition frei von apoptotischen oder nekrotischen Markern ist, und deshalb nicht ohne weiteres durch die gebräuchlichsten Zelltod-Assays in höheren Organismen detektiert werden kann. Hefe ermöglicht den einfachen Nachweis von Zelltod durch klonogene Assays und wurde bereits umfassend für die Erforschung von Zelltod als auch von Autophagie eingesetzt. Unsere vorläufigen Ergebnisse deuten auf einen bona fide autophagischen Zelltod in Hefe hin, ausgelöst durch ER-Stress (UPR) (hervorgerufen durch Tunicamycin), der durch Entfernen von Komponenten der autophagischen Maschine (ATG5 und ATG7) verhindert werden kann. Darauf aufbauend werden wir zunächst testen, ob Signalweg-Komponenten der UPR, wie IRE1, HAC1 oder deren nachgeordneten Ziele (wie XBP1) notwendig oder ausreichend sind, um eine Form des Zelltodes mit autophagischen Merkmalen aber ohne konventionelle Zelltodmarker auszulösen. Dieser Tod sollte sich auch durch Inhibierung der Autophagie verhindern lassen. Zur Festlegung einer Hierarchie der beobachteten Ereignisse werden wir Epistasis-Experimente durchführen, indem wir ATG-Gene im Hintergrund von UPR-Mutanten überexprimieren (und vice versa) und den Zelltod bestimmen. Des Weiteren fanden wir, dass Limitierung von Methionin (aber nicht von anderen Aminosäuren) zum Zelltod mit autophagischen Markern ohne konventionelle Todesmarker führt, und dass dieser Tod durch Zerstörung von autophagischen Genen aufgehoben wird. Methionin- Limitierung führt wahrscheinlich durch unvollständige Tranlation zur Protein-Aggregation und zu UPR. Wir wollen putative Regulationsmechanismen des autophagischen Todes durch Methionin-Limitierung identifizieren. Wir werden u. a. bestimmen, ob die Komponenten der UPR, des TOR Signalweges oder ATG Genprodukte, für den autophagischen Tod nach Methionin-Limitierung notwendig sind. Zusätzliche Daten zeigen, dass die Protein- Phosphatase 2A (PP2A) (auch mit dem TOR Signalweg verbunden) ein Kandidat der Regulation des autophagischen Zelltodes ist. Wir planen Proteom- und Metabolom-Analysen des autophagischen Zelltodes. Unser Ziel ist die erste molekulare Beschreibung dieses Zelltodes, der wenig verstanden, aber von entscheidender Bedeutung ist.

Während ihres Lebens muss eine Zelle viele herausfordernde Situationen überwinden. Einer der Hauptmechanismen, der eine lange und gesunde Lebensdauer unterstützt, heißt Autophagie (vom griechischen "selbst essen"). Es ist ein zellulärer Selbst-Recyclingprozess, bei dem beschädigtes oder nicht benötigtes Zellmaterial (von Einzelproteinen bis zu ganzen Zellkompartimenten) entfernt werden kann, ohne dabei eine weitere Gefahr für die Zellen darzustellen. Auch wenn heute Autophagie hauptsächlich als das Zellleben beschützender Mechanismus gesehen wird, wurde sie ursprünglich als eine Form von Zelltod beschrieben, da bei verschiedenen Zelltodprozessen eine Erhöhung der Autophagie beobachtet wurde. Allerdings könnte dieses Ergebnis in vieler dieser Szenarien einer homöostatischen Gegenreaktion der Zelle gegen eine tödliche Bedrohung entsprechen: folglich könnten bei vielen dieser Beobachtungen die Zellen "trotz" und nicht "durch" Autophagie gestorben sein. Wir wollten deshalb unsere Kenntnisse über die Dualität dieses Prozesses verbessern und definieren, ob Autophagie - neben ihrer zellschützenden Wirkung - auch eine tödliche hat. Wir haben Zellen aus nicht-adipösen Geweben mit hohen Dosen von Palmitinsäure behandelt und damit Lipotoxizität (toxisches Fett) ausgelöst, die zum Zelltod führte. Palmitinsäure aktivierte dabei Autophagie und förderte den Zelltod anstatt ihn abzuwenden. Im Gegenzug konnte die Hemmung der Autophagie den Tod verhindern, was für eine aktive Rolle der Autophagie in diesem speziellen tödlichen Prozess spricht. Außerdem konnten wir zwei Schlüsselmetabolite der alterungsbedingten Zelltodregulation beschreiben. Der erste ist die natürlich vorkommende Aminosäure Methionin, eine essenzielle Nahrungsmittelkomponente. Moderate Beschränkung der Verfügbarkeit von Methionin in einem hefebasierten Alterungsmodell erweiterte die chronologische Lebensspanne um etwa 30 bis 40%. Diese zellschützende Wirkung hängt eindeutig von der Autophagie ab, die durch Reduzierung von Methionin induziert wird und die Funktion der Lysosomen (dem Zellkompartiment, das molekularen Abfall verarbeitet) verbessert. Der zweite Metabolit ist Acetyl-CoA, ein sogenannter "molekularer Energiesensor", der der Zelle Informationen über die Verfügbarkeit von Nahrungsmitteln liefert. Eine hohe Produktion dieses Sensors führt zu einer verminderten Entsorgung nicht gewollten molekularen Materials, während wenig Acetyl-CoA, die Autophagie anschaltet. Letzteres fördert die Langlebigkeit in Fliegen und Hefe. Damit zeigen beide Situationen (Methionin und Acetyl-CoA Begrenzung) eine schützende Funktion der Autophagie, die das Überleben verbessert. Im Rahmen dieses Projektes wurden die tödlichen und schützenden Aspekte der Autophagie untersucht, und die Ergebnisse führten zur erheblichen Verbesserung im Verständnis dieses empfindlichen Gleichgewichts und seiner Regulation.