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ATG8-Spezialisierung der selektiven Autophagie in Pflanzen

Role of ATG8 specialization in plant selective autophagy

Yasin Dagdas (ORCID: 0000-0002-9502-355X)
  • Grant-DOI 10.55776/P32355
  • Förderprogramm Einzelprojekte
  • Status beendet
  • Projektbeginn 01.05.2019
  • Projektende 30.04.2022
  • Bewilligungssumme 408.366 €
  • Projekt-Website

Wissenschaftsdisziplinen

Biologie (100%)

Keywords

    Autophagy, Marchantia, Arabidopsis, Atg8

Abstract Endbericht

Phänotypische Plastizität ist die Fähigkeit eines Organismus, sich an veränderte Umweltbedingungen anzupassen. Sie bewirkt, dass geregelte Abläufe in der Zelle, wie z.B. Metabolismus und endomembraner Transport, als Reaktion auf spezifische Umweltsignale verändert werden. Diese innerhalb der Zelle stattfindenden Anpassungen bewirken Wachstums- und Strukturunterschiede, wodurch Pflanzen verschiedene ökologische Nischen besser nutzen können. Phänotypische Plastizität ist der wichtigste Anpassungsmechanismus der Pflanzen, um mit unvorhergesehenen Veränderungen ihrer Umwelt zurechtzukommen. Die Erforschung der molekularen Grundlagen aller homöostatischen Prozesse der phänotypischen Plastizität ist also ausschlaggebend für die Entwicklung neuer Pflanzensorten, die auch unter schwierigen Umweltbedingungen gute Ernten ermöglichen. Autophagie dient der rechtzeitigen Entsorgung unerwünschter oder überzähliger Makromoleküle, bevor sie in der Zelle Schaden anrichten. Mit Hilfe beteiligter Membrantransport- und Recyclingprozesse stellt die Autophagiedamit einenwirksamen zellulären Qualitätskontrollmechanismus dar. Im Gegensatz zum Ubiquitin/Proteasom-System, das die zu entsorgenden Proteine kennzeichnet, auseinandergefaltet und im Proteasom einzeln abbaut, werden die autophagisch zu entsorgenden Komponenten sofort vom übrigen Cytoplasma abgesondert. Daher ermöglicht die Autophagie sehr schnelle und umfassende dynamische Anpassungen der Zelle an die aktuellen Umweltbedingungen. Autophagie wurde bisher als ein durch Aushungern eingeleiteter Massen-Abbauprozess betrachtet, und die wichtigsten ATG-(autophagy-related) Prozesse sind funktionell beschrieben. Neuere Daten legen jedoch nahe, dass Autophagie durchaus selektiv eingesetzt wird. In welchem Umfang diese Differenzierung und Spezialisierung der Autophagie an der Anpassung der Pflanzen beteiligt ist, ist ein offenes Forschungsfeld. Eine Hauptkomponente der selektiven Autophagie ist das ubiquitin-ähnliche Protein ATG8. Die ATG8 Genfamilie ist bei Pflanzen im Vergleich zu anderen Organismen stark erweitert. Funktionelle Spezialisierungen in der ATG8 Genfamilie, die zur selektiven Autophagie beitragen könnten, wurden bisher nicht untersucht. In unserem Projekt stellen wir die Hypothese auf, dass ganz bestimmte strukturelle Elemente der ATG8 Varianten deren Spezifität bedingen und diese ATG8 Spezialisierung zur selektiven Autophagie beiträgt. Wir erwarten, dass unser multidisziplinäres Forschungsprojekt umfassende neue Erkenntnisse über die biophysikalischen Eigenschaften der ATG8 Proteine und ihrer Spezialisierung liefert, das Wissen über die Mechanismen der selektiven Autophagie in Pflanzen erweitert und den Beitrag der selektiven Autophagie zur phänotypischen Plastizität der Pflanzen erhellt.

Die Autophagie ist ein zelleigenes Recyclingsystem, das beschädigte oder unerwünschte Teile der Zelle zu den lytischen Kompartimenten transportiert, um die Zelle umzubauen und zu renovieren. Dies hilft eukaryontischen Organismen, auf sich ändernde Umweltbedingungen und intrinsische Anforderungen zu reagieren. Defekte in der Autophagie wurden mit mehreren Krankheiten in Verbindung gebracht, darunter Krebs, Neurodegeneration, Alterung beim Menschen und Stressempfindlichkeit sowie eine verkürzte Lebensdauer bei Pflanzen. Trotz der jüngsten Fortschritte bei Säugetierzellen sind die molekularen Details des pflanzlichen Autophagie-Stoffwechsels noch unvollständig. In diesem Projekt haben wir untersucht, wie Autophagie-Prozesse innerhalb der Zelle kompartimentiert werden. Wir haben gezeigt, dass kleine Proteine namens ATG8 mehrere Autophagie-Reaktionen gleichzeitig in der Zelle ermöglichen. Unter Verwendung von ATG8 als Köder identifizierten und charakterisierten wir dann ein Adaptorprotein, das den Autophagieweg mit dem anderen wichtigen vakuolären Transportweg, den multivesikulären Körpern, verbindet. Dies deutet darauf hin, dass die vakuolären Frachten an Knotenpunkten sortiert werden, um die verschiedenen Transportwege zu koordinieren. Darüber hinaus haben wir, wiederum unter Verwendung von ATG8-Proteinen als Köder, molekulare Akteure identifiziert, die den Abbau von beschädigten Mitochondrien oder des endoplasmatischen Retikulums vermitteln. Diese molekularen Akteure führten uns zur Charakterisierung neuer Qualitätskontrollmechanismen, die die Aufrechterhaltung eines gesunden Organellengehalts in Pflanzenzellen gewährleisten. Insgesamt führte der Vorschlag zur Entdeckung von drei spannenden Qualitätskontrollsystemen, die für die Stresstoleranz in Pflanzen wesentlich sind. Künftige Studien werden zeigen, wie diese Qualitätskontrollwege zur Leistungsfähigkeit von Pflanzen unter sich ändernden Klimabedingungen beitragen.

Forschungsstätte(n)
  • Gregor Mendel Institute of Molecular Plant Biology - 100%

Research Output

  • 562 Zitationen
  • 25 Publikationen
Publikationen
  • 2025
    Titel Electrostatic changes enabled the diversification of an exocyst subunit via protein complex escape
    DOI 10.1038/s41477-025-02135-1
    Typ Journal Article
    Autor De La Concepcion J
    Journal Nature Plants
    Seiten 2350-2367
    Link Publikation
  • 2025
    Titel Vacuolar signaling, biogenesis, and quality control in plants
    DOI 10.1016/j.pbi.2025.102756
    Typ Journal Article
    Autor Julian J
    Journal Current Opinion in Plant Biology
    Seiten 102756
    Link Publikation
  • 2025
    Titel An A. thaliana mutant lacking all nine ATG8 isoforms provides genetic evidence for functional specialization of ATG8 in plants
    DOI 10.1242/jcs.263803
    Typ Journal Article
    Autor Del Chiaro A
    Journal Journal of Cell Science
    Link Publikation
  • 2023
    Titel Shuffled ATG8 interacting motifs form an ancestral bridge between UFMylation and autophagy.
    DOI 10.15252/embj.2022112053
    Typ Journal Article
    Autor Picchianti L
    Journal The EMBO journal
  • 2024
    Titel ATG8ylation of vacuolar membrane protects plants against cell wall damage
    DOI 10.1101/2024.04.21.590262
    Typ Preprint
    Autor Julian J
    Seiten 2024.04.21.590262
    Link Publikation
  • 2024
    Titel Metabolic enzymes moonlight as selective autophagy receptors to protect plants against viral-induced cellular damage
    DOI 10.1101/2024.05.06.590709
    Typ Preprint
    Autor Clavel M
    Seiten 2024.05.06.590709
    Link Publikation
  • 2024
    Titel Cross-species interactome analysis uncovers a conserved selective autophagy mechanism for protein quality control in plants
    DOI 10.1101/2024.09.08.611708
    Typ Preprint
    Autor De Medina Hernández V
    Seiten 2024.09.08.611708
    Link Publikation
  • 2024
    Titel Electrostatic changes enabled the diversification of an exocyst subunit via protein complex escape
    DOI 10.1101/2024.08.26.609756
    Typ Preprint
    Autor De La Concepcion J
    Seiten 2024.08.26.609756
  • 2024
    Titel Nonuple atg8 mutant provides genetic evidence for functional specialization of ATG8 isoforms in Arabidopsis thaliana
    DOI 10.1101/2024.12.10.627464
    Typ Preprint
    Autor Del Chiaro A
    Seiten 2024.12.10.627464
    Link Publikation
  • 2025
    Titel Ancestral P-body proteins rewired for autophagic recycling in the early land plant Marchantia polymorpha
    DOI 10.1101/2025.08.09.669463
    Typ Preprint
    Autor Abdrakhmanov A
    Seiten 2025.08.09.669463
    Link Publikation
  • 2025
    Titel ATG8ylation of vacuolar membrane protects plants against cell wall damage
    DOI 10.1038/s41477-025-01907-z
    Typ Journal Article
    Autor Julian J
    Journal Nature Plants
    Seiten 321-339
    Link Publikation
  • 2025
    Titel Cell-type specific autophagy in root hair forming cells is essential for salt stress tolerance in Arabidopsis thaliana
    DOI 10.1101/2025.03.18.643786
    Typ Preprint
    Autor Zhao J
    Seiten 2025.03.18.643786
    Link Publikation
  • 2025
    Titel Cross-species interactome analysis uncovers a conserved selective autophagy mechanism for protein quality control in plants
    DOI 10.1016/j.devcel.2025.11.001
    Typ Journal Article
    Autor Sánchez De Medina Hernández V
    Journal Developmental Cell
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Plant autophagosomes mature into amphisomes prior to their delivery to the central vacuole
    DOI 10.1083/jcb.202203139
    Typ Journal Article
    Autor Zhao J
    Journal Journal of Cell Biology
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Plant autophagosomes mature into amphisomes prior to their delivery to the central vacuole
    DOI 10.1101/2022.02.26.482093
    Typ Preprint
    Autor Zhao J
    Seiten 2022.02.26.482093
    Link Publikation
  • 2021
    Titel Proteasome and selective autophagy: Brothers-in-arms for organelle quality control
    DOI 10.1016/j.pbi.2021.102106
    Typ Journal Article
    Autor Clavel M
    Journal Current Opinion in Plant Biology
    Seiten 102106
  • 2020
    Titel Friendly regulates membrane depolarization induced mitophagy in Arabidopsis
    DOI 10.1101/2020.07.12.198424
    Typ Preprint
    Autor Ma J
    Seiten 2020.07.12.198424
  • 2020
    Titel Autophagy mediates temporary reprogramming and dedifferentiation in plant somatic cells
    DOI 10.15252/embj.2019103315
    Typ Journal Article
    Autor Rodriguez E
    Journal The EMBO Journal
    Link Publikation
  • 2020
    Titel A cross-kingdom conserved ER-phagy receptor maintains endoplasmic reticulum homeostasis during stress
    DOI 10.1101/2020.03.18.995316
    Typ Preprint
    Autor Stephani M
    Seiten 2020.03.18.995316
    Link Publikation
  • 2021
    Titel Friendly mediates membrane depolarization-induced mitophagy in Arabidopsis
    DOI 10.1016/j.cub.2021.02.034
    Typ Journal Article
    Autor Ma J
    Journal Current Biology
    Link Publikation
  • 2019
    Titel Plant Selective Autophagy—Still an Uncharted Territory With a Lot of Hidden Gems
    DOI 10.1016/j.jmb.2019.06.028
    Typ Journal Article
    Autor Stephani M
    Journal Journal of Molecular Biology
    Seiten 63-79
    Link Publikation
  • 2019
    Titel N-terminal ß-strand underpins biochemical specialization of an ATG8 isoform
    DOI 10.1371/journal.pbio.3000373
    Typ Journal Article
    Autor Zess E
    Journal PLOS Biology
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Shuffled ATG8 interacting motifs form an ancestral bridge between UFMylation and C53-mediated autophagy
    DOI 10.1101/2022.04.26.489478
    Typ Preprint
    Autor Picchianti L
    Seiten 2022.04.26.489478
    Link Publikation
  • 2020
    Titel A cross-kingdom conserved ER-phagy receptor maintains endoplasmic reticulum homeostasis during stress
    DOI 10.7554/elife.58396
    Typ Journal Article
    Autor Stephani M
    Journal eLife
    Link Publikation
  • 2020
    Titel C53 is a cross-kingdom conserved reticulophagy receptor that bridges the gap betweenselective autophagy and ribosome stalling at the endoplasmic reticulum
    DOI 10.1080/15548627.2020.1846304
    Typ Journal Article
    Autor Stephani M
    Journal Autophagy
    Seiten 586-587
    Link Publikation

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