Mechanismus der frachtinduzierten Autophagosomenbildung

Die Autophagie ist ein evolutionär konservierter Abbaumechanismus zur Beseitigung von Proteinaggregaten und beschädigten Organellen und als solcher von vitaler Bedeutung für die Zell- und Gewebshomöostase. In der Autophagie wird zu beseitigendes, zelluläres Material erkannt und selektiv aus dem Zytoplasma entfernt. Die Selektivität des Prozesses wird durch Frachtrezeptoren erreicht, die spezifisch an die abzubauende Fracht binden. Die Fracht wird in einem Vesikel mit Doppelmembran, dem Autophagosom, eingeschlossen und darin zum Abbau zu einer Vakuole/einem Lysosom gebracht. Autophagosomen werden bei der Induktion von Autophagie de novo im Zytoplasma geformt. Einer der entscheidenden Schritte dabei ist die Bildung einer Atg8-positiven Isolierungsmembran, die expandiert und die Fracht umschließt. Das ubiquitin-ähnliche Atg8 wird durch aufeinanderfolgende Aktivität verschiedener Enzyme, welche die sogenannte Atg8- Konjugierungsmaschinerie bilden, an das Lipid Phosphatidylethanolamin(PE)in der Isolierungsmembran konjugiert. Das Ziel des Projekts ist es, das Verständnis der molekularen Grundlagen der Biogenese von Autophagosomen durch detaillierte Untersuchung der Interaktion des Frachtrezeptors Atg19 mit der Atg8-Konjugierungsmaschinerie sowohl in vitro als auch in vivo zu vertiefen. Im Speziellen plane ich den Einsatz eines aus aufgereinigten, rekombinanten Autophagieproteinen vollständig nachgebildeten Systems in vitro. Parallel dazu werde ich die in vitro gewonnenen Resultate auf die Situation in vivo übertragen, indem ich den Cytoplasm-to-vacuole targeting (Cvt) pathway, ein Modell für selektive Autophagie in Saccharomyces cerevisiae, untersuche.

FWF Summary for Public Relations Hertha-Firnberg Project T-724 Das Autophagosom im (Wieder)aufbau Jede lebende Zelle muss schädliche oder überflüssige Bestandteile beseitigen, um gesund und einsatzfähig zu bleiben. Die dabei anfallenden Abfallstoffe werden im Zuge eines Prozesses, der Autophagie genannt wird, von den Zellen in "Müllsäcke", so genannte Autophagosomen, verpackt. Autophagosomen sind Organellen mit einer doppelten Membran, die unerwünschtes Material für das anschließende Recycling einschließen und abtransportieren. Besonders bemerkenswert ist, dass Autophagosomen de novo gebildet werden und die Zelle dafür jegliche notwendigen Faktoren am richtigen Ort zur Verfügung stellen muss. Diese Faktoren werden Autophagie-Proteine genannt und gewährleisten, dass nur jenes Material eingeschlossen wird, dass auch tatsächlich zum Abbau bestimmt ist. Obwohl die Proteine, die für diesen Prozess benötigt werden, schon länger bekannt sind, weiß man immer noch relativ wenig darüber, wie sie zusammenarbeiten, um die Bildung eines Autophagosoms zur richtigen Zeit am richtigen Ort zu bewerkstelligen. Um der Frage auf den Grund zu gehen, wie der Müll der Zelle in das neu gebildete Organell gelangt, haben Justyna Sawa-Makarska und ihre Kolleg*innen von den Max Perutz Labs die initialen Schritte der Formierung des Autophagosoms in vitro, also außerhalb der Zelle, rekonstituiert. Diese Herangehensweise, bei der ein physiologischer Prozess in seine Einzelteile zerlegt und Schritt für Schritt wieder zusammengefügt wird, wird häufig genutzt, um die zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen zu verstehen. Wissenschaftler*innen sind dadurch in der Lage einen bestimmten komplexen zellulären Prozess unter kontrollierten Bedingungen nachzubauen und dabei die Funktionen der einzelnen beteiligten Faktoren und deren Zusammenspiel zu identifizieren. Für die Bildung eines Autophagosoms werden zahlreiche Proteine benötigt. 21 dieser Bausteine konnten von den Wissenschafter*innen aus der Zelle isoliert, charakterisiert und im Reagenzglas zusammengefügt werden. Auf diesem Wege konnte ein großer Teil der Autophagie-Maschinerie rekonstituiert werden. Damit gelang es den Wissenschafter*innen nachzuweisen, dass winzige Vesikel, die mit dem Atg9 Protein beladen sind, als Keim für die Bildung des Autophagosoms dienen. Viele Autophagie-Proteine nutzen die Atg9 Vesikel als Versammlungsplattform mit dem Ziel Atg8, ein kleines Autophagie-Protein, an die Membran zu binden. Andere Autophagie-Proteine wiederum binden an das schadhafte Material. Das perfekte Zusammenspiel all dieser Komponenten führt zu einer Rekrutierung der Atg9 Vesikel zum Müll. Weiters konnte gezeigt werden, dass Atg2 Lipide transferiert, die als Bausteine für das Wachstum der autophagosomalen Membran benötigt werden. Eine starke Interaktion zwischen Atg8 auf den Atg9 Vesikeln und dem Schadgut gewährleistet eine feste Verbindung der wachsenden Membran mit dem abzubauenden Material. Noch offen ist, wie die Membran tatsächlich wächst und wie das Autophagosom verschlossen wird.