Die Reise der Autophagosomen in Pflanzen erhellen

Autophagie ist ein wichtiger und universeller Qualitätskontrollweg in Zellen, der beschädigte Zellbestandteile recycelt, um sie vor Schaden zu schützen. Dabei werden die geschädigten Makromoleküle in ein Doppelmembranvesikel eingekapselt und als sogenanntes Autophagosom zum Recycling in die Vakuole transportiert. Trotz umfangreicher molekularer Studien an Hefen und Metazoen ist bei Pflanzen noch weitgehend unbekannt, wie das Autophagosom transportiert wird und mit der Vakuole verschmilzt. Interessanterweise fehlen in Pflanzengenomen einige der Schlüsselakteure, die am Autophagosomtransport beteiligt sind, obwohl der Kern der Autophagie- Maschinerie hoch konserviert ist. Das deutet darauf hin, dass die grünen Pflanzen neue Methoden entwickelt haben, um das Autophagosom in die Vakuole zu transportieren. Um den molekularen Mechanismus des Autophagosomtransports in Pflanzen zu entschlüsseln, konzentrierten wir uns auf die Identifizierung der Autophagie-Adaptoren. Diese werden durch die Interaktion mit dem ATG8-Oberflächenproteinezum Autophagosom rekrutiert. Um Autophagie-Adaptoren zu identifizieren, wurden Autophagosomen von der Pflanze Arabidopsis gereinigt und mittels Massenspektrometrie analysiert. Dadurch wurden zwei Kandidaten als Autophagie-Adaptoren identifiziert, die essenziell sind für den Transport in Arabidopsis. Beide Proteine scheinen mit ATG8-Proteinen über kurze lineare Motive zu interagieren, die als ATG8-interagierendes Motiv bezeichnet werden. Um die beiden Autophagie-Adaptoren zu bestätigen, werden sie gezielt in den Pflanzen Arabidopsis und Marchantia ausgeschalten ( knock out) und versucht durch erneutes Einschleusen dieser Adaptoren die Funktion wieder herzustellen ( rescue). Dadurch kann die molekulare Funktion und die Evolution der Adapterproteine erforscht werden. Besonders interessant ist hier der Versuch, ob eine Konzentrationserhöhung der Autophagie-Adaptoren die Autophagie fördert und damit die Stresstoleranz der Pflanzenverbessert. Um zusätzlichdie Autophagie-Adaptorenultra- hochauflösend in den Zellen zu visualisieren wird korrelative Licht- und Elektronenmikroskopie genutzt. Unsere Studie bringt Einblicke in eine bisher unbekannte Gruppe von molekularen Akteuren in der pflanzlichen Autophagie. Es wird sich zeigen, ob sie optimiert werden können, um robustere Pflanzen zu züchten.

Autophagie ist ein zellulärer Recyclingprozess, bei dem schädliche oder unerwünschte Zellbestandteile in speziellen, doppelwandigen Kompartimenten, sogenannten Autophagosomen, eingeschlossen und zur Vakuole - der Recycling-Zentrale der Zelle - transportiert werden. Während die Bildung von Autophagosomen bei Pflanzen gut erforscht ist, war bisher unklar, wie diese Autophagosomen reifen und mit der Vakuole verschmelzen. In dieser Studie haben wir ein Protein namens CFS1 identifiziert, das dabei hilft, Autophagosomen zur Vakuole zu leiten und deren Fusion zu ermöglichen. CFS1 interagiert direkt mit ATG8, einem etablierten Marker von Autophagosomen, und befindet sich auf den Autophagosomenmembranen. Ohne CFS1 bilden sich zwar weiterhin Autophagosomen, erreichen aber nicht mehr effektiv die Vakuole. Bemerkenswerterweise ist diese Funktion von CFS1 evolutionär konserviert und findet sich auch in anderen Pflanzenarten, wie beispielsweise dem Lebermoos Marchantia polymorpha. CFS1 verbindet Autophagosomen mit anderen zellulären Strukturen, sogenannten multivesikulären Körpern, durch Interaktion mit VPS23A, einem Bestandteil des ESCRT-I-Komplexes. Diese Verknüpfung ist essenziell für eine funktionierende Autophagie; wenn sie gestört ist, beeinträchtigt dies die Fähigkeit der Pflanze, Nährstoffmangel zu bewältigen. Unsere Ergebnisse decken somit einen grundlegenden und konservierten Mechanismus auf, der die Autophagie in Pflanzen reguliert.