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Forschungsarbeit

Autophagie: Die Zelle isst sich selbst – doch wie funktioniert’s ?

von Hildegard Mack

Eukaryotische Zellen besitzen einen Mechanismus um interne Strukturen abzubauen und zu recyclen und sich quasi von innen heraus selbst aufzuessen. Bei diesem als Autophagie bezeichneten Prozess werden cytoplasmatische Komponenten in doppelmembranumhüllte Vesikel, sog. Autophagosomen, verpackt und nach der Fusion des Autophagosoms mit einem Lysosom von lysosomalen Enzymen gespalten. Unter physiologischen Bedingungen findet Autophagie auf niedrigem Niveau in der Zelle permanent statt, um langlebige Proteine oder ganze Organellen zu beseitigen. Als Antwort auf verschiedene intra- oder extrazellulaere Stressstimuli, z.B. Organellenschäden oder Nährstoffmangel, wird Autophagie verstärkt betrieben, um das Überleben der Zelle bis zur Wiederherstellung günstiger Bedingungen zu ermöglichen. Wird Autophagie jedoch über ein bestimmtes Mass erhöht, tritt das genaue Gegenteil ein, nämlich eine Form von programmiertem (nicht apoptotischem) Zelltod (Abbildung 1).

 

 

Autophagie, Zellüberleben und Zelltod[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 1. Autophagie, Zellüberleben und Zelltod. Die Skizze zeigt qualitativ die Auswirkung von Autophagie auf das Überleben der Zelle. Ist die Autophagie-Aktivität der Zelle zu gering oder zu hoch, tritt Zelltod (rote Bereiche) ein. Mittlere Aktiviät der Autophagie-Maschinerie dagegen fördert das Zellüberleben (grauer Bereich).

Autophagie spielt eine zentrale Rolle bei der Entstehung und dem Fortschreiten zahlreicher menschlicher Erkrankungen, darunter auch Krebs und neurodegenerativen Erkrankungen, den beiden häufigsten Krankheitsbildern in einer zunehmend alternden Gesellschaft. Tabelle 1 listet einige Szenarien, in denen Autophagie in Abhängigkeit des zellulären Kontexts entweder krankheitsverhindernd oder krankheitsfördernd wirkt.

[Bildunterschrift / Subline]: Tabelle 1. Autophagie und menschliche Erkrankungen. Die Tabelle listet eine Auswahl der menschlichen Erkrankungen, deren Pathogenese von Autophagie beeinflusst wird. Grün: krankheitsverhindernder Effekt; rot: krankheitsfördernder Effekt.

Autophagie ist also eine Gradwanderung zwischen Zell-Überleben und -tod, und jedes dieser möglichen Ergebnisse kann unter bestimmten Bedingungen für den Organismus vorteilhaft sein. Damit stellt sich die Frage nach den intrazellulären regulatorischen Mechanismen, über die Autophagie stets auf ein förderliches Maß begrenzt oder erhöht werden kann.

In Hefe wurden zahlreiche Komponenten der Autophagie-Maschinerie identifiziert, darunter die Serin/Threonin-Kinase Atg1. Kinasen sind Enzyme, die Phosphatgruppen auf bestimmte Aminosäurereste, z.B. Serin oder Threonin-Reste, in Zielproteinen übertragen und diese dadurch in ihrer Aktivität, Stabilität oder Lokalisierung verändern. Damit wirken Kinasen als molekulare Schalter. Atg1 fungiert über die Phosphorylierung von Zielproteinen als Schlüsselinitiator des Autophagieprozesses.

In Säugerzellen sind mit den Ser/Thr-Kinasen ULK1 und ULK2 zwei Homologe des Hefeproteins Atg1 vorhanden. Experimentelle Daten zeigen, dass ULK1 auch funktionell äquivalent zu Atg1 ist und Autophagie regulieren kann, doch sind die genauen molekularen Mechanismen unbekannt. Wie werden Stresssignale auf ULK1 übertragen, d.h. wie wird ULK1 reguliert? Und wie aktiviert ULK1 anschließend die Autophagie-Maschinerie und die Bildung von Autophagosomen, d.h. welche Proteine sind Substrate von ULK1? Und welche Rolle spielt ULK2? Agieren beide Proteine in der Zelle parallel oder wird eines in bestimmten Geweben oder Entwicklungsstadien bevorzugt? Haben ULK1/2 identische, teilweise überlappende oder sogar komplett unterschiedliche molekulare Funktion? Und schließlich: Welche Bedeutung hat korrekte ULK1/2-Funktion für die Entwicklung oder Progression von Tumorerkrankungen ?

Regulation des Autophagieprozesses in Säugerzellen[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 2. Regulation des Autophagieprozesses in Säugerzellen. Informationen über die Nährstoff- und Energiesituation der Zelle sowie Signale von Wachstumsfaktoren werden vom Proteinkinasekomplex mTORC1 integriert. Sind die Bedingungen günstig und Nährstoffe (insbesondere Aminosäueren) und/oder Wachstumsfaktoren vorhanden, ist mTORC1 aktiv und inhibiert Autophagie. Sind die Bedingungen dagegen ungünstig, und Nährstoffe und/oder Wachstumsfaktoren abwesend und das Energienivieau der Zelle niedrig, ist mTORC1 inaktiv und Autophagie kann stattfinden. Der ULK1-Kinasekomplex initiiert den Autophagieprozess, d.h. die Bildung von Autophagosomen, die Cytoplasma einschliessen. Weitere Autophagie (Atg-)-Proteine tragen zur Reifung der Autophagosomen und zur Fusion mit Lysosomen bei. Nach der Fusion von Autophagosom und Lysosom zum Autolysosom wird der Inhalt des Autophagosoms durch lysosomale Enzyme in kleinere molekulare Bausteine abgebaut, die an anderer Stelle in der Zelle wiederverwendt werden können. Zur Erklärung der Graphik: →: Aktivierung; ┤:Inhibition; •••: hypothetische Interaktion.

All diese Fragen versuchen wir mit einer breiten Mischung biochemischer und zellbiologischer Methoden sowie an Hand von Mausmodellen und der molekularen Analyse von Gewebeproben humaner Tumoren zu klären.

Insgesamt wird das Dissertationsprojekt unser Verständnis der Autophagie-Initiation und von Autophagie allgemein umfassend erweitern und damit die Grundlage für die Entwicklung neuartiger, zielgerichteter Behandlungsstrategien schaffen, die auf der therapeutischen Modulation des Autophagieprozesses beruhen.


Hildegard Mack
Hildegard Mack
* 1982

Stationen
  • 2002
  • Abitur am Gymnasium Schrobenhausen
  • 2002 - 2007
  • Bachelor/Masterstudium der Biochemie an der Technischen Universität München
  • Bachelorarbeit zum Thema Klonierung und Expression von Fab-Fragmenten für die Entwicklung hocheffizienter Immunotherapeutika
  • Masterarbeit zum Thema Quantifizierung phosphoryliertier Proteine in Formalin-fixierten Geweben
  • Juli – Oktober 2005
  • Auslandspraktikum an der National University of Singapore/National Cancer Centre, Singapore
  • August – Oktober 2006
  • Auslandspraktikum am Beth Israel Deaconess Medical Center/Harvard Medical School, Boston, MA/USA
  • Seit August 2007
  • Promotion zur Role of Unc51-like Kinase 1 (ULK1) in Mammalian Autophagy am Institut für Pathologie, Klinikum rechts der Isar/Technische Universität München
  • Forschung am Beth Israel Deaconess Medical Center/Harvard Medical School, Boston, MA/USA

Veröffentlichungen
  • Originalarbeiten
  • Becker, K.-F.; Mack, H.; Schott, C.; Hipp, S.; Rappl, A.; Piontek, G. and Hoefler, H. (2008). Extraction of Phosphorylated Proteins from Formalin-Fixed Cancer Cells and Tissues. TOPATJ 2(7), 44-52
  • Deponte, M.; Sturm, N.; Mittler, S.; Harner, M.; Mack, H.; and Becker, K. (2007). Allosteric Coupling of two different functional active sites in monomeric Plasmodium falciparum Glyoxalase I. J Biol Chem 282(39), 2819-28430
  • Schlapschy, M.; Theobald, I.; Mack, H. et al. (2007). Fusion of a recombinant antibody fragment with a homo-amino-acid polymer (HAP): effects on biophysical properties and prolonged plasma half-life. Protein Eng Des Sel 20(6), 273-284
  • Posterpräsentationen
  • 17th Annual Short Course on the Experimental Models of Human Cancer, The Jackson Laboratory, Bar Harbor, ME/USA 19. - 31.8.2008

Stipendien und Auszeichnungen
  • 2002 - 2003
  • Einjährige Ehrenmitgliedschaft in der Deutschen Physikalischen Gesellschaft
  • 2002 - 2007
  • Max-Weber-Stipendiatin
  • Juli – Oktober 2005
  • LAOTSE Kontaktstipendium der Technischen Universität München
  • seit Oktober 2007
  • Forschungsstipendiatin
  • Dezember 2007 – November 2008
  • DAAD-Jahresstipendium für Doktoranden
  • seit Februar 2008
  • Promotionsstipendium der Studienstiftung des Deutschen Volkes