Kontextabhaengige Regulation der menschlichen Ubiquitinligase HACE1

• Antragstellerin: Dr. Sonja Gisela Lorenz
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Strukturbiologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 567443487

Ubiquitinierung ist eine allgegenwärtige posttranslationale Modifikation in Eukaryoten, die Signalwege steuert, indem sie die Konzentrationen, Lebensdauern, Interaktionen, Aktivitäten und den Transport zellulärer Proteine bestimmt. Somit ist es entscheidend für die Homöostase, dass Ubiquitinierung spezifisch und kontrolliert abläuft. Die spezifitätsbestimmenden Ubiquitinligasen (E3-Enzyme) werden daher durch das dynamische Zusammenspiel von posttranslationalen Modifikationen, Oligomerisierung und Interaktionspartnern moduliert. Eine noch wenig erforschte Regulierungsebene ist die subzelluläre Lokalisation und der damit verbundene makromolekulare Kontext der E3-Enzyme. Hier schlage ich vor, dieses Konzept anhand der menschlichen HECT-Typus-Ligase HACE1, dieselektiv mit kleinen GTPasen der RAB-Familie („RABs”) zusammenwirkt, zu beleuchten. RABs bilden zentrale Knotenpunkte des subzellulären Membrantransports, indem sie spezifische Membranen markieren und die Biogenese, Lokalisation und Dynamik von Organellen und Vesikeln koordinieren. Entsprechend steuert auch HACE1 verschiedene Aspekte der Membrandynamik, wie Zelladhäsion und -migration, Autophagie und die Organisation des Golgi-Apparats. Mein Labor hat kürzlich strukturelle Prinzipien der Regulation und Substratspezifität in HACE1 aufgedeckt und entdeckt, dass die Ligase durch Dimerisierung autoinhibiert wird. Allerdings ist nicht bekannt, wie diese Autoinhibition an relevanten subzellulären Orten aufgehoben wird. Unsere vorläufigen Daten zeigen, dass HACE1 durch selektive Interaktionen mit aktiven, GTP-beladenen RABs auf Liposomen aktiviert wird. Darauf aufbauend, ist das übergeordnete Ziel dieses Antrags zu verstehen, wie membrangebundene RABs die Lokalisation, Aktivität und Substratspezifität von HACE1 steuern. Mittels in-vitro-Rekonstitutionsansätzen werden wir zunächst die Anforderungen für die Rekrutierung von HACE1 zu liposomengebundenem aktivem RAB1, der damit verbundenen Ligasestimulation und RAB1-Ubiquitinierung aufklären. Insbesondere werden wir die Bedeutung zweier GTPase-Bindungsstellen, die wir in HACE1 identifiziert haben, und den Einfluss von Membranlipiden untersuchen. Anschließend werden wir mittels Kryo-Elektronentomographie Strukturen von HACE1-RAB1-Komplexen auf Liposomen bestimmen. Eine zweite Forschungslinie zielt darauf ab, generelle Selektivitätsfaktoren im HACE1-RAB-Zusammenspiel auf Liposomen abzuleiten und Mutationen zu identifizieren, die die Interaktionen der Ligase mit spezifischen RABs stören oder verstärken. Solche Mutationen werden vortreffliche Einstiegspunkte für zellbasierte Analysen des RAB-abhängigen Substratspektrums von HACE1 durch quantitative Ubiquitinomik bieten. Zusammengefasst werden unsere Ergebnisse die mutmaßliche Rolle von HACE1 als selektiver RAB-Effektor beleuchten und einzigartige Einblicke in die grundlegende Frage geben, wie Ubiquitinligase-Spezifitäten räumlich programmiert werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen