Regulierte Proteinmetamorphose zur Initiierung der Autophagie

• Antragsteller: Dr. Alex Faesen; Professor Dr. Björn Stork
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Strukturbiologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542770124

Autophagie beschreibt den regulierten Abbau von Zellbestandteilen. Dabei werden Biomoleküle zu Lysosomen transportiert, wo sie abgebaut und recycelt werden. Autophagie ist durch die Entfernung von beschädigten oder nicht benötigten Organellen, intrazellulären Pathogenen und Proteinaggregaten vielfältig an der zellulären Homöostase beteiligt. Sie stellt einen essenziellen Signalweg dar, der die Gesundheit und Langlebigkeit des Organismus unterstützt und zur Bekämpfung von Krebs und neurodegenerativen Erkrankungen beiträgt. Eine präzise Autophagie-Induktion ist der Schlüssel zum Überleben von Zellen unter Stress- und Hungerbedingungen. Zytosolische Bestandteile innerhalb von Minuten in neu gebildete Autophagosomen aufgenommen und zum Lysosom transportiert. Sowohl der ursprüngliche Ort der Autophagosomen-Biogenese als auch die Herkunft der Proteine und Lipide für die Autophagosomen-Expansion bleiben umstritten. In vielzelligen Organismen werden Kontaktstellen zwischen einer ER-Subdomäne (Omegasom) und einer eingestülpten Membran (Phagophor) für die Bildung von Autophagosomen benötigt. Das Phagophor expandiert und schließt sich zum reifen Autophagosom. Konzeptionell müssen diese Kontaktstellen drei verschiedene aber integrierte Funktionen erfüllen: 1) Sie assemblieren nach Bedarf, um eine dynamische Schnittstelle für das wachsende Autophagosom zu bilden; 2) sie heften das wachsende Autophagosom an definierte Stellen des ER; 3) sie bieten die Option, Lipide in das wachsende Autophagosom fließen zu lassen. Der Aufbau dieser Kontaktstelle, ihre (Dis-)Assemblierung und der molekulare Mechanismus der funktionellen Integration sind bislang unbekannt. In den letzten Jahren haben die Gruppen von Faesen und Stork eng an der biochemischen Rekonstitution der Kontaktstelle zusammengearbeitet. Wir konnten einen stabilen Superkomplex reinigen, der die Initiations- und Wachstumsmaschinerie zusammenführt und so den Lipidtransfer in das wachsende Autophagosom reguliert. Diese Arbeiten zeigen, dass die Assemblierung des ATG9-13-101-Komplexes das zentrale Ereignis für den Aufbau und die Funktion des Superkomplexes darstellt. Wir zeigen, dass die HORMA-Domänen-Proteine ATG13 und ATG101 zwischen verschiedenen nativen Faltungen zu wechseln können, was den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt bei der Assemblierung des Superkomplexes darstellt. Die zentrale Hypothese dieses Antrages ist, dass die Regulierung der ATG13/ATG101- Metamorphose die Anordnung der Kontaktstellen zeitlich und räumlich steuert. Unser Ziel ist es, die molekularen Details dieser Metamorphose als regulatorischen Mechanismus des Auf- und Abbaus von Kontaktstellen sowohl in Zellen als auch mit gereinigten rekombinanten Proteinen zu entschlüsseln. Aufgrund seiner universellen Relevanz ist das Verständnis der Autophagie-Initiierung sowohl für die Autophagieforschung als auch für die Erforschung dynamischer Kontaktstellen und der Organellenbiogenese von besonderem Interesse.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen