Basel: Wenn sich Zellen teilweise selbst fressen, muss nicht immer etwas faul sein. Eine Fehlregulierung der Autophagie ist jedoch durchaus ein Problem – und mit Krankheiten wie Morbus Parkinson assoziiert. Autophagie-Forscher möchten deshalb den Zell-Selbstverdau verstehen, um ihn letztlich manipulieren zu können.
Auf dem Sarg von Tutanchamun thront ein Symbol, das vermutlich noch viel älter ist als die Mumie des Pharaos, der im 14. Jahrhundert vor Christus herrschte: der Uroboros. Das zyklische Motiv zeigt eine Schlange, die sich selbst in den Schwanz beißt und dadurch zum Ring wird. Ein Bild, das unter anderem für die Ewigkeit und die Regeneration der Natur steht.
Das Bildsymbol beschreibt somit einen Kreislauf, der auch in der Zelle abläuft: Denn so wie die Uroboros-Schlange frisst und gleichzeitig gefressen wird, verdaut auch jede Zelle Bestandteile von sich – genannt Autophagie.
Was auf den ersten Blick nach einer Schnapsidee klingt, ist natürlich höchst effektiv, reguliert und ausgetüftelt. Zellen haben ganz unterschiedliche Gründe, eigene Komponenten zu verspeisen. Beschädigte Organellen und fehlgefaltete Protein-Aggregate stehen natürlich ganz oben auf der Speisekarte, denn sie sind nur Ballast und können im schlimmsten Fall zum Problem werden. Die Besonderheit der Autophagie: Es werden selbst große Moleküle oder ganze Organellen abgebaut, und sogar Pathogene fallen der Autophagie zum Opfer.
Autophagie-Forscher unterscheiden zwei Selbstverdau-Formen – die nicht-selektive und die selektive Autophagie. Letztere übernimmt den gezielten Abbau von etwa Mitochondrien, was beispielsweise bei der Ehrythrozyten-Reifung auftritt (Mitophagie, siehe auch Stichwort des Monats, S. 40 - Link). Doch auch Zellstress wie Nahrungskarenz kann den „Selbstverdau“ der Zelle anheizen.
Das Grundprinzip ist derweil recht simpel: Vom ER ausgehend stülpen sich autophagosomale Membranen aus, schnüren sich ab und bilden isolierte Membranstücke, sogenannte Phagophore. Diese erkennen mithilfe von Autophagie-Rezeptoren wie dem Protein p62 die abzubauenden Zellkomponenten im Cytosol und umhüllen diese. Dadurch bildet sich ein großes Doppelmembran-Vesikel – das Autophagosom. Dieses vereint sich anschließend mit einem Lysosom, und die eingeschlossenen Zellbestandteile werden hydrolysiert. Die übrig gebliebenen Amino- und Fettsäuren werden recycelt und kehren ins Cytosol zurück.
Während Molekularbiologen schon viele mit der Autophagie assoziierte Effektoren, Rezeptoren und Faktoren entlarven konnten, ist ein Schritt bisher eher schemenhaft beschrieben: die Membranverlängerung zur Bildung eines geschlossenen Autophagosoms. Dabei ist noch nicht im Detail geklärt, welche Faktoren notwendig sind, damit sich das Phagophor um die abzubauende Zellkomponente stülpt, und woher die notwendigen Membranstücke stammen.
Basler Molekularbiologen der Pharmafirma Novartis haben in Zusammenarbeit mit amerikanischen Kollegen jüngst ein neues Puzzleteil entdeckt – das Transmembranprotein TMEM41B (EMBO Rep. 19: e45889).
Dem Protein auf die Schliche kam das Autorenteam dank einer selbst entwickelten CRISPR-Screening-Plattform, die sie vor zwei Jahren inklusive eines Proof-of-Concepts in eLife vorgestellt hatten (doi: 10.7554/eLife.17290). Dazu etablierten Letztautor Beat Nyfeler et al. eine Neurogliom-Zelllinie, die sowohl die für das CRISPR-System notwendige Endonuklease Cas9 exprimiert, als auch den prominenten und eingangs erwähnten Autophagie-Rezeptor p62, getaggt mit GFP. Anschließend schleusten die Autoren mittels Lentiviren einen Pool von single guide RNAs (sgRNAs) in die Zellen ein, die das gesamte Genom abdeckten. Mittels FACS (Fluorescence-Activated Cell Sorting) teilten die Forscher die Zellen anhand ihrer Fluoreszenz-Intensität in zwei Gruppen ein: Zellen mit einem hohen GFP-p62-Level und Zellen mit einem niedrigen. Da p62 während des Selbstverdaus mit abgebaut wird, interpretierten Nyfeler und Co. hohe GFP-p62-Level als eine gehemmte Autophagie-Aktivität. „Mittels Sequenzierung konnten wir dann bestimmen, welche sgRNAs in den Zellen bei den entsprechenden Autophagie-Aktivitäten vorhanden und welche Komponenten für die Autophagie verantwortlich sind“, fasst Nyfeler zusammen.
Für die Entdeckung von TMEM41B mussten die Autoren das CRISPR-Screening etwas ummodellieren. So konzentrierten sich die Molekularbiologen nicht nur auf p62, sondern auch auf einen weiteren Autophagie-Rezeptor namens NDP52. Die beiden Proteine wurden nicht mit GFP getaggt, sondern endogen per Immunostaining visualisiert und ebenfalls per FACS sortiert. Die Autophagie aktivierte das Forscherteam, indem sie die Kinase mTOR (mechanistic Target of Rapamycin) inhibierten; mTOR hemmt die Autophagie.
Das Ergebnis der EMBO-Reports-Studie: Bei Zellen mit einer hohen Autophagie-Aktivität stach im Screening besonders TMEM41B heraus. Verschiedene zelluläre Essays und elektronenmikroskopische (EM) Aufnahmen von TMEM41B-Knock-out-Zellen zeigten massive Autophagie-Defekte. Der Autophagie-Rezeptor p62 wurde beispielweise nicht mehr effizient in die Lysosomen transportiert und an Stelle von Autophagosomen konnten die Forscher lediglich dichte Membranstrukturen in den EM-Studien erkennen. „Fehlt der Zelle TMEM41B, ist sie zwar noch in der Lage, die Autophagie zu initiieren, allerdings kann sie vollständig geschlossene Autophagosomen nicht mehr effizient generieren“, so Nyfeler.
Was dem Team zusätzlich auffiel: In den Knock-out-Zellen akkumulierten Cholesterol und Lipide in sogenannten Lipid Droplets – die Lipid-Homöostase war also ebenfalls gestört. „Einerseits wurde schon gezeigt, dass Autophagie solche Lipid Droplets abbaut“, holt Nyfeler aus. „Aber wir denken nicht, dass hier die reduzierte Autophagie verantwortlich ist. Denn ein Knock-out mit einer weiteren Schlüsselkomponente der Autophagie, ATG7, hatte keine Auswirkung auf die Lipid Droplets.“ Wie kam der Effekt bei TMEM41B dennoch zustande?
Die Autoren vermuten, dass TMEM41B an der Schnittstelle zwischen ER und anderen Organellen wie den Lipid Droplets dafür zuständig ist, dass Lipide mobilisiert werden. Fehlt TMEM41B kommt deshalb nicht nur die Autophagie ins Stocken, sondern auch die Lipid-Homöostase. „Das Autophagosom braucht natürlich Lipide, um sich zu verlängern, sich um die abzubauende Zellkomponente zu stülpen und sich dann zu verschließen“, erklärt Nyfeler und ergänzt: „Unsere Daten legen nahe, dass TMEM41B genau für diesen Prozess verantwortlich sein könnte.“
Interessant ist, dass die basale Autophagie mit geringer Aktivität dennoch abläuft. „TMEM41B scheint vor allem bei einer stark angekurbelten Autophagie beispielsweise unter Zellstress eine wichtige Rolle zu spielen“, vermutet Nyfeler. Möglicherweise, um besonders große Autophagosomen herzustellen.
Was auch interessant ist: Das Novartis-Team steht mit ihrer Hypothese nicht allein auf weiter Flur. Zwei Gruppen aus USA und Japan machten kürzlich die gleichen Entdeckungen (bioRxiv, doi: 10.1101/229732; JCB, doi: 10.1083/jcb.201804132). Das freut Nyfeler: „Ich finde es immer schön, wenn mehrere Gruppen unabhängig voneinander auf die gleichen Ergebnisse kommen.“
Zukünftig möchten Nyfeler und Co. weitere Autophagie-assoziierte Proteine und die zugrundeliegenden Gene identifizieren – in der Hoffnung, mit ihnen den Selbstverdau der Zelle manipulieren zu können. Denn viele Krankheiten gehen mit einer Fehlregulierung der Autophagie Hand in Hand, wie Nyfeler weiß: „Mutationen in Autophagie- oder lysosomalen Komponenten stellen einen Risikofaktor für Entzündungs- oder degenerative Störungen dar. Zum Beispiel ATG16L1 bei Crohn’s Disease, oder PINK1 und Parkin, die für den Mitophagie-Pathway verantwortlich sind, bei Morbus Parkinson. In diesen Fällen gibt es Daten, dass die Mutationen den Autophagie-Prozess hemmen.“ Trotzdem gibt er zu bedenken: „Es ist nicht immer bekannt, ob die Deregulierung der Autophagie den Ursprung einer Krankheit bildet oder bloß simple Korrelation darstellt, weil die Zellen einfach gestresst sind.“
Nichtsdestotrotz kann eine Normalisierung der Autophagie-Prozesse die Symptome möglicherweise lindern oder eine Störung gar beheben. „Bisher haben wir recht viele Optionen, wie wir den Selbstverdau hemmen können“, sagt Nyfeler. „Den Prozess anzukurbeln, ist hingegen nicht so einfach.“ Eine der wenigen, Forschern weltweit bekannten Möglichkeiten ist das Ausschalten des bereits erwähnten Autophagie-Inhibitors mTOR. Das Problem dabei: Die Kinase reguliert noch viele andere zelluläre Prozesse und eignet sich deshalb nicht als selektiver Autophagie-Manipulator.
Nyfeler und seine Kollegen möchten ihre Taktik zukünftig präzisieren. „Die intrazellulären Kontakte zwischen den unterschiedlichen Organellen wie den Lipid Droplets, dem ER oder den Mitochondrien sind für die Autophagie und damit auch die Zelle unglaublich wichtig“, so Nyfeler. „Leider verstehen wir diese Kontakte bis jetzt ziemlich schlecht.“ Ein besseres Verständnis könnte jedoch Moleküle entlarven, mit denen die Forscher Autophagie-Prozesse ankurbeln oder gegebenenfalls drosseln können. Die Suche nach weiteren Kandidaten hat gerade erst begonnen.