Sealing the autophagosome for cellular self-consumption (AutoSeal)

Intracellulær degradering av cellens cytoplasma ved en process kjent som autofagi (selvspising)spiller en viktig rolle i human fysiologi, og forstyrrelser i denne prosessen er forbundet med aldring og sykdommer som nevrodegenerative lidelser, infeksjonssykdommer, kreft, muskelsykdommer, hjertesykdom og autoimmunitet. Farmakologisk opp- eller nedregulering av autofagi vil derfor sannsynligvis spille en viktig rolle i fremtidens medisin. Dersom vi skal angripe autofagi farmakologisk, må vi imidlertid først forstå denne biologiske prosessen i detalj. I dette prosjektet ville vi forsøke å besvare et av de viktigste gjenstående spørsmålene innen autofagi, nemlig hvordan "søppelposen" som omslutter det som skal degraderes inne i cellen, kjent som autofagosomet, forsegles. Dersom man vet dette, åpner det seg nemlig nye muligheter for å manipulere autofagiprosessen med legemidler. Basert på nylige resultater fra vår egen gruppe har vi formulert en hypotese om at forsegling av autofagosomet forårsakes av et protein-maskineri kjent som "ESCRT". I dette prosjektet ville vi teste denne hypotesen og bruke den oppnådde informasjonen til å manipulere autofagiprosessen in vitro og in vivo. I løpet av prosjektet klarte vi, ved hjelp av avanserte molekylærbiologiske og mikroskopiske metoder, å vise at ESCRT-proteiner faktisk forsegler autofagosomet, og at dette er viktig for autofagi. Som eksempel studerte vi autofagi av skadde mitokondrier, noe som er viktig for å hindre kreftutvikling. Vi viste at ESCRT-avhengig forsegling av autofagosomet er nødvendig for at cellen skal kunne fjerne skadde autofagosomer, og vi tror at dette er noe av grunnen til at ESCRT-proteiner motvirker utvikling av kreft. Resultatene er publisert i prestisetunge tidsskrifter som Autophagy, EMBO Journal og Nature Reviews Molecular Cell Biology.

The project has led to a molecular understanding of how autophagosomes are sealed and shown that such sealing is essential for autophagy. Given the important function of autophagy-mediated degradation of cytoplasm and potentially harmful objects such as damaged organelles, microorganisms, viruses and protein aggregates, this new mechanistic insight provides an important advance in in physiology and medicine.

Intracellular degradation of cytoplasm by autophagy plays a key role in human physiology, and impairment of this process is associated with aging and diseases ranging from neurodegenerative diseases through infections, cancer, muscle dystrophies, heart disease and autoimmunity. Pharmacological up- or downregulation of autophagy is therefore likely to have an important role in future therapies. However, in order to target autophagy pharmacologically we need to understand the detailed biology of this process. Previous work has established that autophagy is initiated when a double membrane, called isolation membrane or phagophore, sequesters portions of cytoplasm to form an autophagosome. When the autophagosome fuses with a lysosome to form an autolysosome, the sequestered material will be degraded by lysosomal hydrolases. A number of molecular components that mediate autophagosome biogenesis and autophagosome-lysosome fusion have been identified, but one key mechanistic question remains unsolved: How is the autophagosome sealed so that its content is separated from cytosol? We have very recently found that components of the endosomal sorting complex required for transport (ESCRT) machinery mediate sealing of holes in the nuclear envelope during mitotic exit (Vietri et al., Nature, 2015), and we now propose that the ESCRT machinery also mediates sealing of autophagosomes given the topological similarities between closing of these double membrane structures. The aim of the present project is to test this provocative hypothesis and to use the obtained information to gain substantial new insight into the molecular mechanisms and physiological functions of autophagy. If successful, this project will not only provide novel mechanistic insight into a cellular process of high importance but also open new strategies for pharmacological up-or downregulation of autophagy for therapeutic purposes.