Molekulare Analyse der Sphingolipid- und Sterolhomöostase in Hefe

• Antragsteller: Professor Dr. Florian Fröhlich
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 282452898

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Sphingolipide und Sterole sind wesentliche Bestandteile der Plasmamembranen aller Eukaryoten. Sie spielen eine entscheidende Rolle für die Membranintegrität und fungieren als Signalmoleküle zur Regulierung verschiedener zellulärer Prozesse. Obwohl sowohl Sphingolipide als auch Sterole in der Plasmamembran am häufigsten vorkommen, befinden sich die biosynthetischen Enzyme im Endoplasmatischen Retikulum der Zellen. Die Regulierung der Sphingolipid- und Sterolspiegel ist für Zellen von entscheidender Bedeutung, aber wie dieses Gleichgewicht erreicht wird, ist weitgehend unbekannt. Um die Homöostase von Sphingolipiden und Sterolen aufrechtzuerhalten, müssen Zellen verschiedene Prozesse regulieren, darunter die Lipidbiosynthese, den Transport zwischen den Organellen sowie das Recycling und die Speicherung. Dieses Projekt zielte darauf ab, diese Prozesse zu verstehen, mit einem Fokus auf die Biosynthese von Sphingolipiden im endoplasmatischen Retikulum, den Transport von Sphingolipiden zwischen dem ER und dem Golgi-Apparat und die Sortierung von Sphingolipiden im endo-lysosomalen Weg. Wir untersuchten auch die Verbindungen zwischen der Biogenese von Sphingolipiden und Sterolen im ER und verwendeten systematische Ansätze, um die Sortierung von lipidmetabolisierenden Enzymen im endo-lysosomalen System zu verstehen. Die Ergebnisse dieses Projekts können in vier Hauptbereiche kategorisiert werden: i) Strukturelle und funktionelle Analyse von Sphingolipid-metabolisierenden Enzymen im endoplasmatischen Retikulum der Hefe, insbesondere der Serinpalmitoyltransferase und der Ceramidsynthase. ii) Die Regulation der Serinpalmitoyltransferase durch die Aufnahme von exogenem Serin mit subzellulärer Auflösung. iii) Die Charakterisierung des Ceramidtransports zwischen dem endoplasmatischen Retikulum und dem Golgi-Apparat. iv) Die systematische Analyse von Lipiden und lipidmetabolisierenden Enzymen im endo-lysosomalen Weg, einschließlich der beiden steroltransportierenden Proteine Npc2 und Ncr1 der Hefe. Zusammen haben diese Ergebnisse unser Verständnis der Ko-Regulation von Sphingolipiden und Sterolen im Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae erheblich verbessert. Wir entdeckten, dass die geschwindigkeitsbestimmende Serinpalmitoyltransferase auch an das hefe-spezifische Ergosterol bindet und einen Komplex mit der Sac1-Phosphatase bildet, einem entscheidenden Enzym im Vorwärtstransport von Sterolen zwischen dem ER und dem Golgi-Apparat. Darüber hinaus entschlüsselten wir die verschiedenen Transportwege, die lipidmetabolisierende Enzyme zur Vakuole der Hefe liefern, und verbesserten unser Verständnis der Rolle des retrograden Transports in diesen Prozessen. Zusammenfassend bildet dieses Projekt die Grundlage für ein besseres Verständnis darüber, wie Zellen die Sphingolipid- und Sterolspiegel koordinieren, um die zelluläre Homöostase aufrechtzuerhalten und katastrophale Ereignisse zu vermeiden, die letztlich zu Krankheiten führen könnten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A systematic approach to identify recycling endocytic cargo depending on the GARP complex. eLife, 8.
  Eising, Sebastian; Thiele, Lisa & Fröhlich, Florian
  
• Live imaging of intra-lysosome pH in cell lines and primary neuronal culture using a novel genetically encoded biosensor. Autophagy, 17(6), 1500-1518.
  Ponsford, Amy H.; Ryan, Thomas A.; Raimondi, Andrea; Cocucci, Emanuele; Wycislo, Susanne A.; Fröhlich, Florian; Swan, Laura E. & Stagi, Massimiliano
  
• Phosphorylation of the GARP Subunit Vps53 by Snf1 Leads to the Formation of a Golgi – Mitochondria Contact Site (GoMiCS) in Yeast. Cold Spring Harbor Laboratory.
  Wycislo, Susanne A.; Sundag, Celine; Walter, Stefan; Schuck, Sebastian & Fröhlich, Florian
  
• The role of very long chain fatty acids in yeast physiology and human diseases. Biological Chemistry, 402(1), 25-38.
  Erdbrügger, Pia & Fröhlich, Florian
  
• Uptake of exogenous serine is important to maintain sphingolipid homeostasis in Saccharomyces cerevisiae. PLOS Genetics, 16(8), e1008745.
  Esch, Bianca M.; Limar, Sergej; Bogdanowski, André; Gournas, Christos; More, Tushar; Sundag, Celine; Walter, Stefan; Heinisch, Jürgen J.; Ejsing, Christer S.; André, Bruno & Fröhlich, Florian
  
• A lysosomal biogenesis map reveals the cargo spectrum of yeast vacuolar protein targeting pathways. Journal of Cell Biology, 221(4).
  Eising, Sebastian; Esch, Bianca; Wälte, Mike; Vargas Duarte, Prado; Walter, Stefan; Ungermann, Christian; Bohnert, Maria & Fröhlich, Florian
  
• Compartmentation and functions of sphingolipids. Current Opinion in Cell Biology, 74, 104-111.
  Körner, Carolin & Fröhlich, Florian
  
• Ferroptosis-protective membrane domains in quiescence. Cell Reports, 42(12), 113561.
  Megarioti, Amalia H.; Esch, Bianca M.; Athanasopoulos, Alexandros; Koulouris, Dimitrios; Makridakis, Manousos; Lygirou, Vasiliki; Samiotaki, Martina; Zoidakis, Jerome; Sophianopoulou, Vicky; André, Bruno; Fröhlich, Florian & Gournas, Christos
  
• Identification of distinct active pools of yeast serine palmitoyltransferase in sub-compartments of the ER. Journal of Cell Science, 136(23).
  Esch, Bianca M.; Walter, Stefan; Schmidt, Oliver & Fröhlich, Florian
  
• Structure of the ceramide-bound SPOTS complex. Nature Communications, 14(1).
  Schäfer, Jan-Hannes; Körner, Carolin; Esch, Bianca M.; Limar, Sergej; Parey, Kristian; Walter, Stefan; Januliene, Dovile; Moeller, Arne & Fröhlich, Florian
  
• Yeast Svf1 binds ceramides and contributes to sphingolipid metabolism at the ER cis-Golgi interface. Journal of Cell Biology, 222(5).
  Limar, Sergej; Körner, Carolin; Martínez-Montañés, Fernando; Stancheva, Viktoriya G.; Wolf, Verena N.; Walter, Stefan; Miller, Elizabeth A.; Ejsing, Christer S.; Galassi, Vanesa Viviana & Fröhlich, Florian
  
• Structure of the yeast ceramide synthase. Nature Structural & Molecular Biology, 32(3), 441-449.
  Schäfer, Jan-Hannes; Clausmeyer, Lena; Körner, Carolin; Esch, Bianca M.; Wolf, Verena N.; Sapia, Jennifer; Ahmed, Yara; Walter, Stefan; Vanni, Stefano; Januliene, Dovile; Moeller, Arne & Fröhlich, Florian
  
• The structure of the Orm2-containing serine palmitoyltransferase complex reveals distinct inhibitory potentials of yeast Orm proteins. Cell Reports, 44(7), 114627.
  Körner, Carolin; Schäfer, Jan-Hannes; Esch, Bianca M.; Parey, Kristian; Walter, Stefan; Teis, David; Januliene, Dovile; Schmidt, Oliver; Moeller, Arne & Fröhlich, Florian