Die molekulare Regulation des Selbstessens

Autophagie oder „Selbstverzehr“ ist ein wesentlicher zellulärer Qualitätskontrollmechanismus, der die Zelle von Proteinaggregaten und beschädigten Organellen reinigt. Dieser Mechanismus ist unter normalen Bedingungen inaktiv und wird nur bei andauerndem zellulärem Stress ausgelöst.

Forscher des Gregor-Mendel-Instituts für Molekulare Pflanzenbiologie (GMI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Max Perutz Labs haben einen molekularen Schalter entdeckt, der die Autophagie in Pflanzen reguliert. Durch die Kombination von Evolutionsanalyse mit einem mechanistischen experimentellen Ansatz zeigten sie, dass dieser Regulationsmechanismus in Eukaryoten konserviert ist. Die Ergebnisse wurden am 10. Februar in veröffentlicht Das EMBO-Journal.

Anhaltender zellulärer Stress, der aus Störungen der zellulären Homöostase resultiert, beeinträchtigt die Zellfitness und -lebensdauer. Zellulärer Stress kann beispielsweise entstehen, wenn Ribosomen bei der Übersetzung fehlerhafter mRNAs kollidieren. Infolgedessen werden Zellen mit unfertigen und falsch gebildeten Proteinprodukten überlastet, die toxische Proteinaggregate bilden.

Während zellulärem Stress können Zellen auf ein Arsenal von Mechanismen zur Qualitätskontrolle (QC) zurückgreifen, um die Homöostase wiederherzustellen. Zellen, die im endoplasmatischen Retikulum (ER), dem zellulären Zentrum für Proteinsynthese und -transport, anhaltendem Stress ausgesetzt sind, initiieren einen ER-spezifischen autophagischen Weg namens „ER-Phagie“, um beschädigtes ER selektiv zu entfernen.

Wenn Ribosomen auf dem ER kollidieren, kooperiert ein anderer QC-Weg namens „UFMylation“ mit der ER-Phagie, um unvollständig synthetisierte Proteine ​​an der ER-Membran loszuwerden. UFMylation ist ein rätselhafter QC-Weg, der auf einer posttranslationalen Proteinmodifikation basiert, die Ubiquitin ähnelt, und ihre Funktionen werden noch entschlüsselt.

Nun hat ein Forscherteam des Vienna BioCenter einen uralten molekularen Schalter entdeckt, der die ER-Phagie reguliert. Mit einer Kombination aus Evolutionsbiologie und mechanistischen Experimenten zeigten die Forscher, dass die Konkurrenz zwischen zwei Ubiquitin-ähnlichen Molekülen, UFM1 und ATG8, einen molekularen Schalter im Hauptregulator C53 erzeugt und so die ER-Phagie initiiert.

UFMylation und ER-Phagie: Überbrückung der Signalwege durch ähnliche, aber unterschiedliche Bindung

„Unsere frühere Arbeit deutete darauf hin, dass C53 die beiden Qualitätskontrollmechanismen ER-Phagie und UFMylation verbinden könnte. Die molekulare Natur dieser Brücke blieb jedoch unklar“, sagt Yasin Dagdas, Mitautor und GMI-Gruppenleiter. In der fraglichen Arbeit, die 2020 veröffentlicht wurde, zeigten die Wissenschaftler, dass C53 mit dem Protein ATG8, einem Ubiquitin-ähnlichen Akteur im Autophagieweg, über nicht-kanonische ATG8 Interacting Motif (AIM)-Sequenzen in der intrinsisch ungeordneten Region von C53 interagiert.

Die Forscher nannten diese nicht-kanonischen AIMs „Shuffled AIMs“ (sAIMs). Sie zeigten auch, dass UFM1, das Ubiquitin-ähnliche Molekül, das als chemische Modifikation an Proteinsubstrate gebunden wird, mit ATG8 um die C53-Bindung konkurriert. Die intrinsisch ungeordnete C53-Region enthält drei sAIM-Motive und ein kanonisches AIM (cAIM).

„Nun haben wir mithilfe der Kernspinresonanzspektroskopie gezeigt, dass C53 sAIM1 und sAIM2 die bevorzugten Bindungsmotive von UFM1 waren. Andererseits hatte ATG8 eine erheblich höhere Präferenz für das cAIM-Motiv auf C53, als es für eine kanonische Bindungssequenz erwartet wurde. ATG8 interagierte auch mit sAIM1 und sAIM2, wenn auch mit geringerer Affinität“, sagt Elif Karagöz, Co-korrespondierender Autor und Gruppenleiter der Max Perutz Labs.

Das Basteln an der Bindung verschiebt das Gleichgewicht zwischen den Wegen

Nachdem das Team die Bindungspräferenzen von UFM1 und ATG8 in der intrinsisch ungeordneten Region von C53 aufgedeckt hatte, versuchte das Team, ihre Funktion zu testen, indem es die sAIM-Motive in C53 durch kanonische cAIM-Sequenzen ersetzte. Durch die Einführung dieser Mutationen in Arabidopsis thaliana verstärkten die Forscher effektiv die Bindungsaffinität von ATG8 zu C53 und beeinträchtigten die Bindung von UFM1.

Dies führte zu einem konstanten Brennen über den C53-Autophagieweg und sensibilisierte die Pflanzen stark für ER-Stress. Somit zeigte das Team, dass sAIMs für die Regulierung der C53-vermittelten ER-Phagie und damit der ER-Stresstoleranz unerlässlich sind.

UFMylation ist in Eukaryoten hoch konserviert

Das Team analysierte den Evolutionspfad von C53, sAIMs und UFMylation-Komponenten mit Hilfe des Labors von Thomas A. Richards an der University of Oxford. Sie zeigten, dass die C53-vermittelte Autophagie bei Eukaryoten erhalten blieb und dass sich C53 gemeinsam mit dem UFMylation-Weg entwickelte.

Molekulare Überreste oder die Existenz verwandter Proteine ​​deuteten darauf hin, dass Pilze, einige Algen und einige eukaryotische Parasiten einem sekundären Verlust von UFMylation und/oder C53 ausgesetzt waren. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass C53 sehr stark mit UFMylation verknüpft ist, was auf eine hochkonservierte funktionelle Verknüpfung hindeutet. Dies gilt insbesondere für sAIMs: Bei Arten, die UFM1 verloren haben, verlor ihr C53 auch seine sAIMs“, sagt Dagdas.

Mit Hilfe des Labors von Silvia Ramundo am GMI gingen die Forscher noch weiter und zeigten, dass die einzellige Alge Chlamydomonas reinhardtii einen funktionierenden UFMylationsweg besitzt. Dieser Befund widerspricht früheren Behauptungen, dass der UFMylation-Weg mit der Evolution der Vielzelligkeit verbunden war.

Ein leistungsstarker QC-Mechanismus, der durch einen uralten molekularen Schalter reguliert wird

„Zusammengenommen deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass sich die nicht-kanonischen ATG8-interagierenden Motive entwickelt haben, um es einem anderen Ubiquitin-ähnlichen Protein, UFM1, zu ermöglichen, C53 zu binden und es unter homöostatischen Bedingungen inaktiv zu halten“, sagt Dagdas. Dieser Mechanismus ist unerlässlich, um zu verhindern, dass Zellen gesunde Zellbestandteile „fressen“.

Da Pilze und einige eukaryotische Parasiten den UFMylationsweg zu einem jüngeren Zeitpunkt in der Evolution verloren haben, glaubt Dagdas schließlich, dass diese Organismen analoge Mechanismen entwickelt haben müssen, um dieselbe Funktion zu erfüllen, nämlich die Aufrechterhaltung der ER-Homöostase. „Die Identifizierung solcher Mechanismen in Pilzen, aber auch in Parasiten, die Pflanzen, Tiere und sogar Menschen befallen, würde potenzielle translationale Wege für neue Medikamente eröffnen“, schließt Dagdas.