Regulation von Cargo Rezeptoren durch Cargo und Atg8 in der selektiven Autophagie

Autophagie ist ein intrazellulärer Prozess, der dem Abbau zellulärer Bestandteile dient. Während der Autophagie werden doppelmembranständige Organellen, sogenannte Autophagosomen neu gebildet. Diese Autophagosomen werden durch die Ausbildung einer kleinen Membranstruktur, der Isolationsmembran, gebildet. Die Isolationsmembran expandiert und schließt dabei zelluläre Bestandteile ein. Nach ihrer Bildung fusionieren Autophagosomen mit Lysosomen (in komplexen Eukaryoten) oder der Vakuole (in der Hefe), worin die eingeschlossenen zellulären Bestandteile abgebaut werden. Autophagie schützt die Zelle so vor Stress wie zum Beispiel Hunger, Proteinaggregaten, intrazellulären Pathogenen und beschädigten Organellen. Es wird zunehmend deutlich, dass Autophagie sehr selektiv sein kann bezüglich der zellulären Bestandteile die in Autophagosomen eingeschlossen, und somit abgebaut werden. Diese Selektivität wird durch Rezeptorproteine vermittelt, die sowohl spezifisch an die abzubauenden zellulären Bestandteile, dem sogenannten Cargo, sowie an Proteine die der Atg8 Proteinfamilie angehören, und die an der Isolationsmembran lokalisieren, binden. In der Hefe gibt es eine spezielle Form der Autophagie, den sogenannten "cytoplasm-to-vacuole transport" (Cvt). Der Cvt dient dem Transport von zytosolischen Proteasen wie z.B. prApe1 in die Vakuole. Das Rezeptorprotein Atg19 bindet sowohl Atg8 an der Isolationsmembran sowie die zu transportierenden Proteasen und vermittelt so ihre selektive Einkapselung in die Autophagosomen-ähnlichen Cvt Vesikel. In diesem Antrag schlagen wir vor zu untersuchen wie Atg19, und das verwandte Protein Atg34, die spezifische Aufnahme der zu transportierenden Proteasen vermitteln. Insbesondere werden wir das Zusammenspiel der Rezeptorproteine, dem Cargo sowie Atg8 untersuchen. Zu diesem Zweck werden wir strukturbiologische und biochemische Methoden anwenden, unter anderem auch ein Rekonstitutionssystem unter der Verwendung gigantischer unilamellarer Vesikel (GUVs). Die biochemischen und strukturbiologischen Ergebnisse werden wir dann ausführlich durch die Analyse der Autophagie und dem Cvt in der Hefe Saccharomyces cerevisiae testen. Mit den Experimenten, die in diesem Antrag beschrieben sind, hoffen wir Aufschluss darüber zu bekommen wie Spezifität während Autophagie-ähnlichen Prozessen vermittelt werden kann.

Damit unsere Körperzellen gesund und funktional bleiben, müssen sie sich stets selbst erneuern. Daher ist es für sie wichtig beschädigte Zellbestandteile zu erkennen und abzubauen. Die Autophagie ist einer der Prozesse, der in unseren Zellen abläuft und dabei hilft dieses Material zu erkennen und abzubauen. Dazu wird um dieses Material eine Membran gebildet, welche das abzubauende Material umschließt. Daraufhin verschmilzt diese Membrane mit zellulären Strukturen, die man Lysosomen nennt. Innerhalb der Lysosomen wird das beschädigte Material schließlich abgebaut und seine Bestandteile werden von der Zelle wiederverwertet. Damit das beschädigte Material von der Autophagiemaschinerie mit einer Membrane umhüllt werden kann, muss es von der Zelle erkannt werden. Diese Funktion wird von sogenannten Frachtrezeptoren vermittelt, welche die abzubauenden Zellbestandteile (die Fracht) erkennen. Die Frachtrezeptoren binden auch an die Membran und verbinden sie somit mit der Fracht. Die Membran wird von den Frachtrezeptoren nicht direkt gebunden, sondern über kleine Atg8 Protein, die auf dieser Membran sitzen. In dem vorliegenden Projekt wurde untersucht, wie die Regulation der Frachtrezeptoren durch die Fracht und Atg8 Proteine funktioniert. Dazu wurde der Prozess der selektiven Autophagie in der Bäckerhefe untersucht. Diese Untersuchungen zeigten, dass der Hefe Frachtrezeptor Atg19 durch die Bindung an die Fracht konzentriert und aktiviert wird. Atg19 bindet mehrere membranständige Atg8 Proteine gleichzeitig und kann so die Membran eng an die Fracht anlegen. Dies führt dazu, dass zelluläres Material, welches nicht abgebaut werden soll, nicht von der Membran eingeschlossen wird. Dieser Mechanismus in der Bäckerhefe findet im Prinzip auch in unseren Zellen statt. Die Ergebnisse geben tieferen Einblick in die Wirkungsweise der Autophagie, die uns vor vielen, hauptsächlich altersbedingen, Erkrankungen schützt.