Die molekulare Antwort auf Schäden von Lysosomen und ihre Regulation durch Ubiquitin und VCP/p97

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Behrends, Ph.D.; Professor Dr. Hemmo Meyer
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 447112704

Schäden von lysosomale Membranen treten im Zusammenhang mit Neurodegeneration, Infektionen und Krebs auf und sind für Zellen besonders schädlich. In der zellulären Antwort auf Schäden können Lysosomen entweder repariert und regeneriert werden, oder durch selektive Autophagie (Lysophagie) entsorgt werden. Ein Kennzeichen der zellulären Reaktion ist die Ubiquitinierung von lysosomalen Proteinen, die verschiedene Schritte der molekularen Maßnahmen steuert. Im Vorfeld hatten wir die Ubiquitin-Konjugase UBE2QL1 und die Ubiquitin-gerichtete AAA-ATPase VCP/p97 als essentielle Faktoren der Lysophagie identifiziert und konnten so die Probleme in der lysosomalen Stressantwort mit VCP/p97-assoziierter neuromuskulären Degeneration in Verbindung bringen. In der letzten Förderperiode haben wir Massenspektrometrie (MS) verwendet, um systematisch das ubiquitinierte Proteom während der lysosomalen Schädigung zu definieren. Wir konnten eine vielfältige und dynamische Gruppe von ubiquitin-regulierten Faktoren identifizieren. Wir haben uns auf CNN2 konzentriert, das die Phagophorenbildung durch Aktin-Regulation steuert. Wichtiges Element dabei ist, dass CNN2 zeitlich abgestimmt ubiquitiniert und durch p97 extrahiert wird, damit die Lysophagie fortschreiten kann. Dies erklärt zumindest teilweise die Rolle von p97 in der lysosomalen Schadensantwort und verdeutlicht die Komplexität der zugrundeliegenden ubiquitin-vermittelten Ereignisse. Allerdings kann die Komplexität und Koordination von Regeneration und Entsorgung nur aufgeklärt werden, wenn die relevant ubiquitinierenden Enzyme bekannt sind. In der nächsten Förderperiode möchten wir uns daher auf die Identifikation und Charakterisierung der relevanten Ubiquitinligase(n) konzentrieren. Dazu werden wir eine mit MS-gekoppelte lysosomale Isolationsmethode verwenden, mittels derer wir schon mindestens einen Kandidaten identifiziert haben. Wir werden dann die ubiquitinierten Zielproteine unserer Kandidaten mittels MS-vermittelter Detektion von Ubiquitinresten definieren. In der Folge können wir so deren Funktion und Relevanz im Prozess im Detail aufdecken. Weiterhin werden wir klären, ob und wie die Kandidaten-Ubiquitinligase mit p97 und UBE2QL1 zusammenarbeiten, um die Stressantwort zu koordinieren. Umgekehrt werden wir Mechanismen der lysosomalen Rekrutierung und Aktivierung der Kandidaten-Ubiquitinligase aufklären, um zu verstehen, wie diese wiederum reguliert werden. Während die MS hauptsächlich in Modelzellen durchgeführt wird, werden die aufgedeckten Faktoren und Konzepte iterative hinsichtlich verschiedener Arten von lysosomaler Schädigung und in pathophysiologisch relevanten Zellsystemen validieren. Die erwarteten Ergebnisse werden aufzeigen, wie Zellen mit lysosomalen Schäden umgehen und es schaffen, eine molekulare Reaktion aus Regenerations- und Entsorgungsmechanismen so zu koordinieren, dass die zelluläre Homöostase wiederhergestellt und verschiedenen Krankheits-assoziierten Prozessen entgegengewirkt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen