The role of BEACH proteins in selective autophagy

Cellenes avfallshåndteringssystem kalles autofagi, en prosess hvor cellens "søppel" omsluttes av membraner (autofagosomer) som transporterers til cellens gjenvinningsanlegg (lysosomet) hvor søppelet brytes ned til byggesteiner som kan brukes om igjen. Studier har vist at autofagi er viktig for å beskytte oss mot kreft og nevrodegenerative sykdommer ved å fjerne sykdomsfremmende proteiner og ikke-funksjonelle mitokondrier. I dette prosjektet har vi kartlagt de molekylære mekanismene involvert i nedbrytning av denne typen spesialavfall. Vi har vist at proteinet ALFY er viktig for gjenkjennelse og nedbryting av proteinaggregater assosiert med nevrodegenerativ sykdom (Clausen et al., Autophagy 2010; Filimonenko et al., Mol Cell 2010; Lystad et al., EMBO Rep 2014) og kreft (Isakson et al., Autophagy 2013; Schläfli et al, Sci Rep 2017), men også for selektiv nedbrytning av HIV (Mandell et al., Dev Cell 2014) og ødelagte mitokondrier (Pankiv et al, manuskript under revisjon). ALFY er ett av åtte proteiner i BEACH familien, som alle er store proteiner med relativt ukjent funksjon. Gjennom dette prosjektet har vi også karakterisert BEACH proteinene LYST (Holland et al, Traffic 2014), NBEAL1 og NBEAL2 (Bindesbøll et al, manuskript under revisjon).

Dette prosjektet har bidratt til økt forståelse av den cellulære funksjonen til flere BEACH proteiner, spesielt ALFY, LYST, NBEAL1 og NBEAL2. Slik innsikt er viktig for å forstå de underliggende mekanismene relatert til sykdom hvor disse proteinene er mutert. Dette prosjektet har involvert internasjonalt samarbeid med forskningsgrupper i USA (UC Berkeley og Columbia University) og Sveits (Bern Univ). Flere publikasjoner har kommet ut av prosjektet, samt en rekke foredrag og en doktorgradsavhandling (Benan John Mathai).

Autophagy occurs at a basal level in most tissues, but can also be induced in response to a multitude of physiological and pathological situations. Recent studies have highlighted the capacity of this pathway to specifically eliminate unwanted structures as aberrant protein aggregates, damaged organelles and invading pathogens and thereby protect against various diseases, as neurodegeneration and cancer. The molecular mechanisms involved in regulation and execution of selective types of autophagy still remain elusive. We have recently identified ALFY (Autophagy-linked FYVE protein) as being an important adaptor protein for selective autophagy of aggregate-prone proteins associated with Huntingtons and Parkinsons disease. ALFY interacts with the ubiquitin -binding autophagy receptor p62 and links ubiquitinated proteins to the core autophagic machinery through its interactions with Atg5 and PI3P. The interaction of ALFY with p62 was found to require a BEACH (Beige and Chediak Higashi) domain near its C-term inus, a domain also found in seven other human proteins. The BEACH domain is highly conserved, but neither its function nor any interacting proteins are known. BEACH domain containing proteins are generally very large (300-430 kDa) and although several of them have been linked to disease their cellular functions are poorly characterized. We have preliminary evidence that several BEACH proteins colocalize and interact directly with p62. Thus, binding to p62 might be a general feature of the BEACH domain, w hich may indicate an involvement of several BEACH proteins in selective autophagy. The proposed project aims to 1) further investigate the role of ALFY in selective autophagy, 2) characterize the BEACH-p62 interaction and 3) elucidate the role of other BE ACH proteins in autophagy or other cellular pathways. An approach combining state-of-the-art genomics, imaging and proteomics technologies with clinically relevant systems and cell biological models, will be used to address these questions