Struktur-Funktions Untersuchungen am BORC

Über viele Jahre dachte man, dass Lysosomen nur intrazelluläre "Mülldepots" sind. Unser Verständnis der lysosomalen Funktionen hat sich jedoch in den letzten Jahren signifikant gewandelt. Lysosomale Fehlfunktionensindanvielenmenschlichen Erkrankungenbeteiligt, einschließlich Neurodegeneration, Krebs, Infektion, Immunschwäche und Fettleibigkeit. Lysosomen werden heute als wichtige intrazelluläre Signalübertragungsplattformen angesehen, die viele essentielle zelluläre Funktionen orchestrieren. Im Laufe der Jahre hat unsere Forschungsgruppe entscheidend zur Identifizierung und funktionellen Charakterisierung eines Proteinkomplexes namens LAMTOR beigetragen, der am Lysosom lokalisiert ist und aus fünf Untereinheiten besteht. Dieser Komplex agiert als kritischer Signal-Schalter, der MAPK- und mTORC-Signale von der lysosomalen Membran koordiniert, um die Biogenese und Positionierung von Lysosomen zu steuern. Die lysosomale Motilität und Positionierung erfordert die Integration von extrazellulären und intrazellulären Signalen, die auf einer wechselseitigen Bindung mit Plus- und Minus-gerichteten Motorproteinen konvergieren. Wir haben kürzlich gezeigt, dass LAMTOR die BORC-abhängige Arl8b-Rekrutierung zu Lysosomen negativ reguliert und dadurch die Kinesin-abhängige Organellenbewegung reguliert. Allerdings sind die strukturellen Mechanismen, wie diese essentiellen Proteinmaschinerien miteinander koppeln und wie sie dann die endosomale Positionierung und Biogenese koordinieren, derzeit unbekannt und werden daher im Mittelpunkt dieses Forschungsvorschlags stehen. Interessanterweise sind Krebsprogression und Metastasierung eng mit lysosomalen Veränderungen verbunden, einschließlich Veränderungen der Organellenzahl, der Größe, des luminalen pH und der intrazellulären Verteilung. Darüber hinaus wurde kürzlich vorgeschlagen, dass Medikamente, die auf die Regulation der lysosomalen Motilität abzielen, antimetastatisch sein könnten. Die vorgeschlagene Arbeit liefert die erste strukturelle Analyse des BORC-Komplexes von Mensch und C. elegans, der entweder an LAMTOR oder Arl8b gebunden ist. Dies wird durch zelluläre Testsysteme und Genom-Editierung ergänzt, um zu bestimmen, wie die LAMTOR- und BORC- Funktionen ausgeführt und koordiniert werden. LAMTOR existiert in mindestens drei Zuständen auf der limitierenden Membran von Lysosomen; (1) LAMTOR allein, (2) LAMTOR / BORC, (3) LAMTOR / Rag GTPasen. Wichtig ist, dass die BORC-Komponente Lyspersin LAMTOR über dieselbe Strukturregion bindet, die zur Rekrutierung der RagGTPasen verwendet wurde. Wir werden die folgenden Schlüsselfragen in der lysosomalen Biologie untersuchen: (1) wir werden die Strukturen der BORC-Komplexe von Mensch und C. elegans lösen, (2) eine vergleichende Analyse zwischen den LAMTOR-BORC- und den LAMTOR-RagGTPase-Komplexen durchzuführen (3) die Orientierung von sowohl LAMTOR als auch BORC in Bezug auf die lysosomale Membran untersuchen, (4) und die Regulationsmechanismen, die die Assoziation von LAMTOR entweder mit BORC oder den RagGTPasen und von BORC mit ARl8b bestimmen. Daher wird dieses Projekt erste strukturelle und mechanistische Einblicke in die Rollen sowohl von BORC- als auch LAMTOR-Komplexen in der Koordination von Signaltransduktion, endosomaler Biogenese und Organellenpositionierung geben.

Lysosomen sind spezialisierte, membranumhüllte Zellstrukturen, die eine entscheidende Rolle bei verschiedenen zellulären Funktionen wie dem Abbau von Proteinen und der Steuerung des Zellstoffwechsels spielen. Sie sind unerlässlich für die Aufrechterhaltung des zellulären Gleichgewichts und der Kommunikation und sind an der selektiven Entfernung geschädigter Lysosomen beteiligt. Krankheiten, die von genetischen Störungen bis zu komplexeren Erkrankungen wie Hirnerkrankungen, Stoffwechselstörungen, Krebs und Alterung reichen, werden mit Problemen der Lysosomen in Verbindung gebracht. Die äußere Membran der Lysosomen beherbergt wichtige Signalmoleküle, die viele ihrer Funktionen regulieren. Die Komplexe LAMTOR und BORC spielen dabei eine entscheidende Rolle. BORC ist an drei Hauptaktivitäten beteiligt: der Positionierung von Lysosomen in der Zelle, der Beeinflussung ihrer Form und Größe und der Förderung der Fusion von Lysosomen mit anderen Strukturen, den sogenannten Autophagosomen. Der LAMTOR-Komplex fungiert als zentrale Schaltstelle, die verschiedene Proteine anzieht und aktiviert, die weitere lysosomale Vorgänge beeinflussen. Die Interaktion zwischen LAMTOR und BORC ist besonders wichtig, da sie hilft, Lysosomen an bestimmten Stellen in der Zelle zu lokalisieren. In unserer Studie haben wir uns darauf konzentriert, wie LAMTOR und BORC lysosomale Funktionen koordinieren und kontrollieren. Zunächst haben wir den BORC-Komplex in einem einfachen Modellorganismus, C. elegans, mit Techniken wie der Quervernetzungs-Massenspektrometrie und der Kryo-Elektronenmikroskopie untersucht. Diese Studien bestätigten unsere vorhergesagten 3D-Modelle des BORC-Komplexes, zeigten eine hohe Ähnlichkeit zwischen verschiedenen Spezies und identifizierten die wichtigsten Teile des Proteins, die an seiner Zusammensetzung und Funktion beteiligt sind. Darüber hinaus haben unsere Experimente getestet, wie Veränderungen in bestimmten Teilen des BORC-Komplexes seinen Zusammenbau und seine Wechselwirkungen mit anderen Proteinen, einschließlich LAMTOR, beeinflussen. Dies ist Teil unserer umfassenderen Bemühungen zu verstehen, wie diese Proteine unter verschiedenen zellulären Bedingungen zusammenarbeiten. Unsere Forschung hat auch gezeigt, dass BORC unter nährstoffarmen Bedingungen mit anderen Proteinkomplexen interagieren kann, was auf eine flexible Anpassung der Zellen an unterschiedliche Bedürfnisse hinweist. Diese Interaktion zeigt, dass spezifische Komponenten von BORC je nach zellulärer Umgebung eine einzigartige Rolle spielen können. Darüber hinaus haben wir untersucht, wie die Funktion von LAMTOR durch eine chemische Modifikation, die Phosphorylierung, beeinflusst wird. Wir stellten fest, dass diese Modifikation die Art und Weise beeinflusst, wie LAMTOR mit anderen Proteinen interagiert, die an der lysosomalen Signalgebung beteiligt sind, und unterstrichen seine dynamische Rolle in zellulären Reaktionsmechanismen. Unsere Ergebnisse werfen ein Licht auf die komplexe Architektur und die Regulationsmechanismen der Lysosomen und unterstreichen ihre entscheidende Rolle für die zelluläre Gesundheit und Krankheit. Diese Forschung erweitert nicht nur unser Verständnis der Zellbiologie, sondern weist auch auf potenzielle therapeutische Ziele für Krankheiten hin, die mit lysosomaler Dysfunktion einhergehen.