Mechanismen und Hierarchie in der Bildung von Autophagosomen

In meiner Arbeitsgruppe wollen wir das Wissen über die Funktion der Autophagie dem zellulären Abfallsystem vertiefen. Der Prozess der Autophagie ist von der Hefezelle bis zum Menschen hoch konserviert und spielt eine wichtige Rolle. Defekte in diesem Abbauprozess wurden mit etlichen menschlichen Krankheiten in Verbindung gebracht, unter anderen mit Neurodegeneration und Krebs. Während der Autophagie werden zytosolische Bestandteile und Organellen in einem Doppelmembranvesikel, dem Autophagosom, eingeschlossen und zur Vakuole (in Hefezellen) oder zu den Lysosomen (in komplexen Eukaryoten) transportiert. In Hefe findet die Bildung von Autophagosomen an der perivakuolären, sogenannten prä-autophagosomalen Struktur (PAS) statt und wird von dem Atg1-Kinasekomplex reguliert. Mehrere für die Autophagie essentielle Faktorenwurden beschrieben, ihr genauer Funktionsmechanismus blieb jedoch unaufgeklärt. Da Autophagosomen nicht konstitutiv, sondern nur nach bestimmten Stimuli gebildet werden, hilft die Untersuchung der Bildung dieser Organellen auch die Biogenese von Organellen im Generellen zu verstehen. Um die Regulation der Autophagie im Allgemeinen besser zu verstehen, brauchen wir tiefere Einblicke in einzelnen Schritte der Autophagosomen Bildung. Unser Ziel ist es, die Signalwege und Mechanismen zu entschlüsseln, die das Umschliessen von zytosolischen Bestandteilen und die Bildung von Autophagosomen regulieren. Wir wenden eine Kombination aus biochemischen, genetischen und zellbiologischen Techniken an, darunter auch neue Fluoreszenzmikroskopiemethoden. Wir werden ein artifizielles Autophagiecargo erzeugen, das uns die Möglichkeit gibt, die für das Umschliessen benötigten Faktoren und deren Zusammenspiel schon vom frühen Beginn des Prozesses zu untersuchen, was bis anhin schwierig war. Dieses neue System wird auch für die Untersuchung anderer Schritte der Autophagie von Hilfen sein. Unsere Experimente werden Einblicke in die Regulation der Autophagie sowie Antworten auf einige Schlüsselfragen der Organellenbiogenese im Generellen geben.

Für unsere Zellen ist Sauberkeit absolut unverzichtbar. Der dafür verantwortliche Prozess heißt Autophagie. Autophagie ist spätestens seit 2016 in aller Munde, als der japanische Forscher Yoshinori Ohsumi für seine Forschung in diesem Feld den Nobelpreis für Medizin erhielt. Autophagie sorgt durch ein komplexes Zusammenspiel von Proteinen für den Abbau defekter Zellbestandteile und die Beseitigung von Krankheitserregern, welche die Zelle befallen haben. Zusätzlich ermöglicht Autophagie der Zelle, Nahrungsmangel zu überdauern. Ähnlich wie in einer städtischen Recyclingstation werden dabei zelleigene Bestandteile abgebaut und ihre Bausteine wiederverwendet. Absolut notwendig ist aber, dass die Autophagie präzise reguliert wird. Für eine Zelle kann eine fehlerhafte Aktivierung der Autophagie tödliche Folgen haben. In diesem Projekt war es unser Ziel die molekularen Mechanismen der Autophagie Induktion zu verstehen. Besonders haben wir die Assemblierung der Autophagie Machinery am lytischen Kompartiment angeschaut. Wir konnten zeigen, dass diese Assemblierung erst am lytischen Kompartiment stattfindet, und nicht schon auf dem abzubauenden Material im Zytosol. Des Weiteren haben wir uns dir Rolle der einzelnen Faktoren in dieser Assemblierung angeschaut. Ein Focus dieser Stuide lag auch im molekularen Mechanismus der Anbindung des Cargos am lytischen Kompartiment. Ein besseres Verständnis solcher grundlegenden zellulären Prozesse erlaubt letztlich auch, damit verbundene Krankheiten - wie im Falle der Autophagie Alzheimer und Krebs - besser zu verstehen. Auf lange Sicht wird man diese so besser behandeln. Durch unsere Arbeit haben wir wichtige Erkenntnisse über die molekularen Mechanismen der Regulierung von Autophagie erhalten. Nur durch ein detailliertes Verständnis solcher molekularen Abläufe werden wir in der Lage sein, maßgeschneiderte Medikamente zu entwickeln, die bei solchen Krankheiten gezielt Autophagie modulieren.