Interaktion zwischen Lipid- und zentralem Kohlenstoffwechsel

Lipide sind essentielle Bestandteile aller Zellen. Neben ihrer Hauptfunktion als Komponenten von biologischen Membranen wirken sie in der posttranslationalen Modifikation von Proteinen sowie in der zellulären Signalübertragung mit. Darüber hinaus speichern beinahe alle eukaryotischen Zellen Energie und Kohlenstoff als Neutrallipid in intrazellulären Lipidtropfen. Die Stoffwechselwege für die Lipidsynthese und -speicherung sind von einzelligen Hefen bis zu höheren Organismen streng konserviert. In diesem Projekt schlagen wir experimentelle Ansätze vor, die zu einem besseren Verständnis der Regulation dieser Prozesse beitragen werden. Wir werden in der Hefe Saccharomyces cerevisiae Faktoren charakterisieren, für die bisher eine Rolle in der Regulation von Fettstoffwechsel und -speicherung nicht bekannt ist. In den meisten Fällen werden Veränderungen im Fettstoffwechsel nicht durch ein einzelnes mutiertes Gen, sondern durch ein Zusammenspiel mehrerer Faktoren verursacht. Wir haben daher eine Methode zur Charakterisierung der quantitativen Beiträge einzelner Gene angewendet (quantitative trait loci, QTL), um in einem Hefestamm mit erhöhter Lipidsynthese-Aktivität diejenigen Allele zu identifizieren, die für diesen Phänotyp verantwortlich sind. Für die Gene, die in dieser Studie gefunden wurden, ist bisher nur eine Funktion in anderen zellulären Prozessen beschrieben, nicht aber im Fettstoffwechsel. Zwei der wichtigsten Gene aus der Studie deuten auf eine wichtige Rolle von Acetyl-CoA in der Regulation des Fettstoffwechsels hin. Acetyl-CoA ist ein zentraler Metabolit am Schnittpunkt zwischen anabolen und catabolen Stoffwechselwegen. Außerdem deuten Ergebnisse aus jüngster Zeit darauf hin, dass Acetyl-CoA eine bedeutende Rolle in der Regulation nicht nur von Histonen, sondern auch von vielen anderen Proteinen, durch Acetylierung spielt. Im Rahmen einer komplementären Studie, bei der metabolische Flüsse und Metabolit-Konzentrationen gemessen wurden, konnten wir die Bedeutung von Acetyl-CoA in der Regulation des Fettstoffwechsels bestätigen. Diese Arbeiten resultierten in der Identifizierung mehrerer Enzyme des zentralen Kohlenstoffwechsels, die vermutlich durch die Konzentration von Acetyl-CoA reguliert werden. Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Charakterisierung der Proteine, die in der QTL-Studie gefunden wurden. Wir werden untersuchen, ob diese Gene oder deren Produkte miteinander interagieren und auf welche Weise sie zur Regulation des Fettstoffwechsels beitragen. Darüberhinaus werden wir Experimente durchführen, um die Rolle von Acetyl-CoA in der Regulation von Enzymen des zentralen Kohlenstoffwechsels zu klären. Das Ziel dieses Projektes ist es, ein besseres Verständnis für die Interaktion zwischen Fettstoffwechsel und Glucosestoffwechsel zu erhalten.

Die Hefe Saccharomyces cerevisiae ist einer der am besten untersuchten Eukaryoten, da sie seit vielen Jahrzehnten als Modellorganismus in der Grundlagenforschung dient. Außerdem wird sie als Wirt in der Biotechnologie für die Synthese vieler Produkte verwendet, von Feinchemikalien und Pharmazeutika bis hin zu Massenprodukten wie Bioethanol. In diesem Projekt untersuchten wir zwei Hefestämme hinsichtlich ihres Lipidstoffwechsels. Diese beiden Stämme wurden ausgewählt, weil sie signifikant unterschiedliche Fähigkeiten zur Akkumulation von Speicherlipiden aufweisen. Ziel des Projekts war es, die Unterschiede auf Genomebene zu identifizieren, die zu den beobachteten Unterschieden im Phänotyp führen, und dadurch ein besseres Verständnis der Regulation des Speicherlipidstoffwechsels zu erlangen. Als erstes Experiment führten wir eine Quantitative Trait Loci (QTL)-Studie durch. In diesem Experiment wurden die beiden Stämme gekreuzt, um nach der Meiose eine große Anzahl von Tochterzellen zu erhalten, alle mit individuellen Kombinationen der Elterngenome. Aus dieser Population wurden die Zellen mit dem höchsten Fettgehalt ausgewählt und ihr gesamtes Genom sequenziert, um die genetischen Variationen zu identifizieren, die von einem der Elternteile angereichert wurden. Diese Strategie beruht auf der Annahme, dass diese angereicherten Loci für den Phänotyp ursächlich sind. In dieser QTL-Studie fanden wir ca. zehn Gene, die zum hohen Lipidgehalt in einem der Elternstämme beitragen. Wir haben drei davon, PIG1, PHO23 und RML2, für weitere Untersuchungen ausgewählt. Die Lipidanalyse von Deletionsmutanten und von Stämmen, in denen die Allele gegen die des anderen Stammes ausgetauscht wurden, bestätigte, dass diese drei Gene an der Speicherung von Lipiden beteiligt sind. Außerdem fanden wir, dass die Auswirkungen dieser Allele auf die Lipidspeicherung noch von zusätzlichen Genen abhängen, was auf umfangreiche genetische Interaktionen und ein komplexes Netzwerk von Genen hinweist, die den Lipidgehalt eines Stammes bestimmen. Daher ist die Speicherung von Lipiden ein sogenannter quantitativer Phänotyp, was bedeutet, dass dieses Merkmal von vielen Genen bestimmt wird, im Gegensatz zu einem Mendel'schen Merkmal, das von einem einzelnen Gen bestimmt wird. Die Gene, die wir in der QTL-Studie gefunden haben, spielen eine Rolle bei vielen verschiedenen Prozessen wie z.B. der Glykogenspeicherung, der Histon-Deacetylierung und der mitochondrialen Proteinsynthese. In einem zweiten Ansatz untersuchten wir die Rolle von Acetyl-CoA in der Regulation des Lipidstoffwechsels. Acetyl-CoA ist das Hauptsubstrat für die Synthese der wichtigsten Lipidklassen in einer Zelle. Die Synthese von Acetyl-CoA selbst hängt von Pyruvat ab, dem Endprodukt der Glykolyse. Unsere Hypothese war daher, dass Acetyl-CoA an der Regulation der Glykolyse und der Lipidstoffwechselwege beteiligt ist. Diese Arbeiten führten zur Identifizierung mehrerer Enzyme in diesen Stoffwechselwegen, die acetyliert sind, ein Prozess, der Acetyl-CoA erfordert. Für eines dieser Proteine haben wir bestätigt, dass diese Acetylierung einen starken Einfluss auf die enzymatische Aktivität hat.