Mechanismus des verstärkten Lipidtransfers innerhalb einer rekonstituierten Autophagie-Membrankontaktstelle

• Antragsteller: Dr. Alex Faesen
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biophysik ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545933338

(Makro-)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. Als Stressreaktion werden 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. Die Entschlüsselung der biochemischen und strukturellen Organisation der Kontaktstelle sowie die Aufklärung des molekularen Mechanismus ihres (verstärkten) Lipidtransfers sind die Hauptziele dieses Projekts. In den letzten Jahren haben wir zum ersten Mal einen stabilen Autophagie-Initiations-Superkomplex biochemisch rekonstruiert, der Teilkomplexe der Initiations- und Wachstumsmaschinerie zur Regulierung des Lipidflusses integriert. Diese Arbeit zeigte unter anderem eine überraschende Beschleunigung des Lipidtransfers innerhalb dieses Superkomplexes. In diesem Vorschlag wird erläutert, wie wir eine Kombination aus biochemischer Rekonstitution, Lipidtransfer- und Membranbindungsassays sowie Strukturbiologie einsetzen werden, um die minimale Maschinerie für den Lipidtransfer zu identifizieren. Wir werden diesen Komplex charakterisieren, um seine Architektur und Struktur zu verstehen, und seinen Lipidtransfermechanismus anhand mehrerer Arbeitshypothesen untersuchen. 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