Aufbau und Funktion der Phagosomenbildungsstelle in Autophagie

Autophagie ist ein intrazellulärer Prozess der dem Abbau zytosolischer Bestandteile und Organellen dient. Diese Bestandteile und Organellen werden von einer Doppelmembran umschlossen und schließlich in einem Doppelmembranvesikel, den man Autophagosom nennt, eingeschlossen. Dieser Vesikel wird zur Vakuole (in Hefezellen) oder Lysosomen (in komplexen Eukaryoten) transportiert. Nach der Fusion der Autophagosomen mit der Vakuole (oder Lysosomen) werden die eingeschlossenen Bestandteile abgebaut und wiederverwertet. Autophagie trägt wesentlich zur Zellhomöostase und zum Abbau von langlebigen Proteinen und Organellen bei. Auch für die Adaption während Hungerphasen und anderen Stresssituationen ist dieser Prozess essentiell. Deshalb ist es nicht überraschend, dass Defekte in Autophagie auch mit etlichen menschlichen Krankheiten, wie zum Beispiel Neurodegeneration und Krebs in Verbindung gebracht worden sind. Die Autophagosomenbildung findet an einem perivakuolaren Ort, den man PAS nennt, statt und wird von dem Atg1 Kinase Komplex reguliert. Mehrere für Autophagie essentielle Faktoren wurden entdeckt. Jedoch bleibt der Funktionsmechanismus dieser Faktoren während dieses Prozesses unklar. Da Autophagosomen nicht konstitutiv sondern nur nach bestimmten Stimuli gebildet werden, hilft die Untersuchung der Bildung der Autophagosomen auch die Biogenese von Organellen im Generellen zu verstehen. Tiefere Einblicke in die Komponenten der PAS und ihrer Interaktionen sowie deren dynamisches Verhalten ist essentiell um die Regulation von Autophagie zu verstehen. Wir schlagen vor die Architektur und Funktion der PAS und im speziellen die Rolle des Atg1 Kinase Komplexes während der Bildung dieser Struktur zu untersuchen. Wir arbeiten hauptsächlich in Bäckerhefe, und wenden eine Kombination aus biochemischen und zellbiologischen Techniken an. Diese Experimente werden uns Einblicke in die Regulation der Autophagie sowie auf einige Schlüsselfragen der Organellenbiogenese im Generellen geben. Viele Faktoren sind evolutionär konserviert und somit wird uns diese Arbeit auch wichtige Einblicke in Autophagie assoziierte Krankheiten liefern.

Für unsere Zellen ist Sauberkeit absolut unverzichtbar. Der dafür verantwortliche Prozess heißt Autophagie. Autophagie ist spätestens seit Anfang Oktober in aller Munde, als der japanische Forscher Yoshinori Ohsumi für seine Forschung in diesem Feld den Nobelpreis für Medizin 2016 erhielt. Autophagie sorgt durch ein komplexes Zusammenspiel von Proteinen für den Abbau defekter Zellbestandteile und die Beseitigung von Krankheitserregern, welche die Zelle befallen haben. Zusätzlich ermöglicht Autophagie der Zelle, Nahrungsmangel zu überdauern. Ähnlich wie in einer städtischen Recyclingstation werden dabei zelleigene Bestandteile abgebaut und ihre Bausteine wiederverwendet. Absolut notwendig ist aber, dass die Autophagie präzise reguliert wird. Für eine Zelle kann eine fehlerhafte Aktivierung der Autophagie tödliche Folgen haben. Schon länger kennen ForscherInnen den zentralen Regulator der Autophagie das Protein Atg1. Jedoch wie es den Prozess der Autophagie reguliert, war noch unklar. In diesem Projekt haben wir gezeigt, dass Atg1 eine Gruppe von Proteinen modifiziert, die eine bestimmte Erkennungssequenz enthalten. Wir haben diese Erkennungssequenz beschrieben und Proteine, die diese enthalten, identifiziert. Eines dieser Proteine, Atg9, hat unser Interesse geweckt, nicht nur weil es Bestandteil des Müllsackes ist, sondern weil es sogar sechs solche Erkennungssequenzen enthält. Atg9 ist essentiell für das Verpacken des Mülls und dessen Transport zu den Recyclingstationen. Des Weiteren haben wir einen neuen Spieler in der Autophagie entdeckt, das Protein Hrr25, welches bei der Erkennung des Mülls eine wichtige Rolle spielt. Wir haben uns dann angeschaut, wie die Aktivität von Atg1 und der Prozess der Autophagie kontrolliert werden, um eine fehlerhafte Aktivierung zu unterbinden. In einer normalen Zelle werden Atg1 und der Müll von zwei Koordinatoren an den Verpackungsort gebracht. Werden diese Koordinatoren künstlich entfernt, treffen sich Atg1 und der Müll nicht und die Autophagie kann nicht eingeleitet werden. In Zellen ohne diese Koordinatoren konnten wir Autophagie trotzdem aktivieren, indem wir Atg1 und den Müll künstlich zusammengeführt haben. Das bedeutet, dass die Zusammenkunft von Atg1 und dem Müll am richtigen Ort ein entscheidender Schritt bei der Regulierung der Autophagie ist. Ein besseres Verständnis solcher grundlegenden zellulären Prozesse erlaubt letztlich auch, damit verbundene Krankheiten wie im Falle der Autophagie Alzheimer und Krebs besser zu verstehen. Auf lange Sicht wird man diese so besser behandeln. Durch unsere Arbeit haben wir wichtige Erkenntnisse über die molekularen Mechanismen der Regulierung von Autophagie erhalten. Nur durch ein detailliertes Verständnis solcher molekularen Abläufe werden wir in der Lage sein, maßgeschneiderte Medikamente zu entwickeln, die bei solchen Krankheiten gezielt Autophagie modulieren.