Max-Planck-Forschungsgruppe Graef

Autophagie, Lipidmetabolismus und Mitochondrien – eine komplexe Beziehung

Die de novo Biogenese von Autophagosomen erfordert eine Vielzahl von Membranquellen und -neuanordnungen, die bislang kaum beschrieben sind. In unseren vorherigen Arbeiten stellten wir anhand proteomischer, zytologischer und funktioneller Analysen fest, dass Autophagosomen räumlich, physikalisch und funktionell mit spezialisierten Regionen des endoplasmatischen Retikulums (ER), sogenannten ER-Exit-Stellen (ERES), verknüpft sind, die eine Rolle bei der Biogenese von COPII-Vesikeln spielen. Unsere Daten zeigen, dass ERES, wahrscheinlich durch Bereitstellung einer proximalen Membranquelle, wichtige Komponenten der Autophagie sind, die für die Assemblierung der Autophagie-Maschinerie in den Frühstadien der Autophagosomentstehung sowie für die Phagophorenexpansion erforderlich sind. Bemerkenswerterweise zeigten unsere Versuche an Säugetierzellen, dass die ERES-assoziierte Autophagosombiogenese ein konserviertes Merkmal der Autophagie ist (Graef et al., 2013).

Unsere neueste Arbeit zeigte, dass Lipidtröpfchen (LD), dynamische Organellen, die der Speicherung neutraler Lipide dienen, zwar als Lipidquellen für die autophagosomale Biogenese verzichtbar sind, wohl aber für eine intakte Autophagie-Regulierung durch Aufnahme überschüssiger Fettsäuren und Aufrechterhaltung der Phospholipidzusammensetzung von Membranen benötigt werden. Insbesondere führt das Fehlen von Lipidtröpfchen zu chronischem Stress und morphologischen Veränderungen im endoplasmatischen Retikulum (ER) und beeinträchtigt die Autophagosombiogenese erheblich (Velazquez et al., 2016; Velazquez und Graef, 2016). Wir erforschen derzeit die mechanistischen Grundlagen dieser Phänotypen und untersuchen zudem die Beteiligung zentraler Signalwege des Lipidmetabolismus und ihre mögliche Rolle bei der Regulierung der Autophagie.

Bei einem unserer vorangegangenen Projekte stellten wir fest, dass eine Fehlfunktion der Mitochondrien die Fähigkeit der Zellen zur Regulierung der Autophagie in Abhängigkeit von metabolischen Bedingungen beeinträchtigt (Graef und Nunnari, 2011). Im Gegensatz zu der allgemeinen Annahme, dass eine mitochondriale Fehlfunktion immer eine selektiven Abbau von Mitochondrien durch die Autophagie, die sogenannte Mitophagie, induziert, zeigen unsere Daten, dass sich der Zusammenhang zwischen Mitochondrien und der Autophagie-Maschinerie als wesentlich komplexer darstellt; wir gehen diesen vielgestaltigen Zusammenhängen derzeit auf den Grund.

Genetisch-metabolisches Profiling der Autophagie

Angesichts der Plastizität und Komplexität der bekannten zentralen und unterstützenden Autophagie-Maschinerie (> 200 Faktoren) erfordert ein umfassendes Verständnis der Autophagie-Regulierung systemübergreifende Ansätze unter Anwendung von Hochdurchsatzanalysen. Wir haben ein fluoreszenzbasiertes Reportersystem entwickelt, das gleichzeitig zwei wichtige Aspekte der Autophagie, den autophagischen Flux und die Geninduktion, mittels automatisierter Durchflusszytometrie quantifiziert. Wir sind dabei, Autophagie-Response-Profile (ARP) in Bezug auf eine Vielzahl Autophagie-induzierender/metabolischer Bedingungen für jedes Gen des Hefegenoms zu generieren. Mit Hilfe ARP-basierter Clusteranalyse werden wir eine genetisch-metabolische Karte der Autophagie-Regulierung erstellen.

Genetisch-metabolisches Profiling des mitotischen Alterns

Das mitotische Altern (MA) beschreibt den Umstand, dass die meisten Zellen nur eine begrenzte Anzahl von Zellteilungen durchlaufen. Die systemübergreifende MA-Analyse wurde bislang durch das Fehlen geeigneter Tools erschwert. Wir haben das sogenannte Tochterextinktionsprogramm (DEP), ein synthetisches genetisches Programm in Hefezellen, entwickelt, das die weitere Teilung von Tochterzellen nach asymmetrischer Trennung von den Mutterzellen gezielt verhindert. Dementsprechend hängen die DEP-Wachstumsraten in Kultur allein von der Teilung der Mutterzellen ab und geben die mitotischen Alterungsraten (MAR) im Verlauf der Zeit wieder. Unter Anwendung voll automatisierter Hochdurchsatz-Wachstumsmessungen und einer neu entwickelten Bioinformatik-Pipeline haben wir die genomübergreifenden MAR auf der Einzelgenebene bestimmt und funktionelle Netzwerke assembliert. Derzeit gehen wir den Mechanismen neuartiger Gencluster, die das mitotische Altern beschleunigen oder verlangsamen, auf den Grund.

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