Autophagy-regulated Signalosomes in Cellular Stress and Disease Pathways

Prosjektet vårt handler om autofagi ("selv spising"), en renovasjonsprosess i cellene våre som bidrar til å holde cellene våre og dermed oss friske. Vi utreder hvordan denne prosessen kan være selektiv (målrettet) og hvordan selektiv autofagi regulerer signalering i cellene. Ved kreft, diabetes, demens og betennelsestilstander er visse signalveier ikke regulert korrekt. Proteinene kan ses på som arbeiderne og funksjonærene i cellene våre som utfører oppgavene som trengs. De utgjør også "infrastruktur" som transportveier og ulike molekylære "maskiner" i cellene. Cellesignalering går ofte via protein ansamlinger hvor proteinene sitter sammen i et "signalosom". Dette muliggjør effektiv og følsom signaloverføring. Autofagi er en renovasjonsprosess hvor skadde proteiner og nedslitte celledeler brytes ned og resirkuleres. Autofagi aktiveres også når cellene utsettes for stress, slik som sult. Cellen spiser deler av seg selv for å frigjøre energi og byggesteiner for å overleve. Autofagi er sentral i viktige sykdommer som kreft, diabetes, demens og betennelsestilstander. I våre grunnforskningsstudier av proteinet p62 oppdaget vi at autofagi kan være selektiv også på molekylnivå. p62 sorterer cellesøppel og bringer det til cellas resirkuleringsanlegg (lysosomet). p62 er det vi kaller en selektiv autofagi reseptor. Når cella blir utsatt for stress lager p62 runde dotter som ikke er omsluttet av membraner. Vi har i dette prosjektet bl.a. testet vår hypotese om at disse dottene også kan være signalosomer hvor p62 regulerer signal overføringer i cella. Det som reguleres kan være dannelse, integrering eller opphør av signalering. Regulering fant vi skjer ved at spesifikke komponenter i signalosomet brytes ned ved selektiv autofagi. Den mest kjente og studerte stressfaktoren som øker autofagien i cellene våre er sult. Vi fant at hvis vi sulter celler så setter de i gang en hurtig sultrespons hvor en rekke ulike proteiner brytes ned. Blant disse proteinene er p62 og flere av de andre selektive autofagi reseptorene. Nedbrytningen skjer ved to ulike typer autofagi. Den klassiske via dannelsen av autofagosomer starter noe seinere enn den hurtige nedbrytninga som går via det som kalles seine endosomer. Sammen med forskere på Radiumhospitalet og i Tyskland har vi funnet at p62 lager trådaktige strukturer (filamenter) som vi også kan se inne i dottene i cellene som p62 lager. Disse filamentene er viktige for at p62 skal kunne ta med seg «cellesøppel». Vi har tidligere identifisert et s.k. LIR (LC3 interacting region) motiv som p62 bruker til å binde til ATG8 proteiner som sitter festet i membranen på autofagosomene som dannes. Autofagosomene smelter sammen med lysosomer, og innholdet brytes ned og resirkuleres. Vi har i dette prosjektet økt kunnskapen om rollene til ATG8 i å hjelpe til å «plassere» flere proteiner med LIR motiv som trengs for å få i gang dannelsen av autofagosomer. Dette gjelder bl.a. ATG4B og tre medlemmer av protein komplekset class III phosphatidylinositol 3-kinase complex I (ATG14L, BECLIN1 og VPS34), som alle trengs for dannelse av autofagosomer. Sammen med en gruppe i London har vi skaffet detaljert kunnskap om hvordan disse proteinene binder til ATG8 proteiner. Dette er til stor hjelp i videre studier. Vi har også nylig vist at flere protein kinaser har LIR motiv, binder til ATG8 proteiner og kan fosforylere bindingstedet på ATG8 proteinet LC3B. Dette gjør at NEK9 protein kinasen kan hemme p62 nedbrytning ved autofagi. Vi har i løpet av dette prosjektet oppdaget fire nye autofagi reseptorer for mitokondrier: FKBP8, SAMM50, NIPSNAP1 og -2. I tillegg har vi oppdaget en ny autofagi reseptor for endoplasmatisk retikulum (ER) og Golgi apparatet kalt CALCOCO1. FKBP8 er med på å fjerne skadde mitokondrier i cellene, men slipper selv unna. Mitokondriene er cellenes kraftstasjoner som produserer energi som cella trenger. Gamle og skadde mitokondrier er som utslitte dieselmotorer som forurenser cella med skadelige stoffer (oksygenradikaler). De utslitte mitokondriene fjernes ved selektiv autofagi. Sammen med Anne Simonsen sin gruppe i Oslo fant vi at proteinene NIPSNAP1 og -2 er merkelapper for skadde mitokondrier slik at de blir oppdaget og brutt ned. Vi publiserte nylig at SAMM50 i den ytre membranen på mitokondriene virker som reseptor for nedbrytning av komponenter i et protein kompleks som er viktig for strukturer (cristae) som trengs for effektiv energiproduksjon i mitokondriene. Når mitokondriene går for fullt samarbeider SAMM50 med p62 for å fjerne mitokondrier som er utslitte. Skader på ER eller Golgi oppstår også under stress. Cellene våre fortynner skadene ved å lage mer ER og Golgi, og gjenoppretter status quo ved å bryte overskuddet ned ved selektive autofagi. Vi fant nylig at CALCOCO1 er en løselig reseptor for nedbrytning av deler av ER og Golgi under sult stress. Dette er første oppdagelse av en autofagi reseptor for nedbrytning av Golgi.

Målgruppen for våre resultater er først og fremst andre forskere som studerer autofagi og forskere som ser på rollene til autofagi i alvorlige sykdommer som kreft, nevrodegenererende sykdommer, betennelsestilstander, virusinfeksjoner og innate immunitet. De langsiktige effektene tror vi kan bli betydelige. Vi bygger en kunnskapsbase som kan utnyttes i framtidig forskning på de store folkesykdommene og utvikling av nye medikamenter. Autofagiforskning vil bli veldig viktig i sunn aldring og i kampen mot demens og nevrodegenerende sykdommer i en befolkning som stadig blir eldre. Ser vi på hva våre tidligere funn har ført til så kan det nevnes kliniske studier av kreft og nevrodegenererende sykdommer der p62 er en viktig biomarkør. Det er også utviklet en DNA vaksine mot kreft med p62 plasmid som testes i forsøksdyr. Prosjektdeltakerne har økt sin tekniske forskningskompetanse, lært nye metoder og fått betydelig innsikt i rollene til autofagi og særlig selektiv autofagi i cellene våre.

An important challenge for our cells is to properly regulate the potent signalling pathways affecting differentiation, proliferation, inflammation, and cell death. Dysregulation is implicated in development of diseases like cancer, diabetes, neurodegeneration, and inflammatory disorders. Signalosomes are multimolecular protein complexes that facilitate sensitive and efficient signaling. They integrate upstream signals and control downstream effectors, and play important roles in cellular behavior and adaptation during various stress conditions, differentiation, inflammation and proliferation. Autophagy is an evolutionary conserved cellular process that serves as a mechanism for degradation and recycling of dysfunctional proteins, damaged or aged organelles, and intracellular pathogens. Recent discoveries implicate important roles of autophagy in specific physiological and pathological processes such as development, immunity, energy homeostasis, cell death and tumorigenesis. Our work on the scaffold and signaling protein p62 led to the discovery of selective autophagy at the molecular level, mediated by specific proteins termed autophagy receptor proteins. Triggering cellular stress conditions by starvation, ROS or protein aggregation, results in rapid formation of dynamic p62 bodies. Our hypothesis is that these bodies represent p62-mediated signalosomes, and that p62 and p62 like autophagy receptors have a pivotal role in regulating formation, signal integration, transmission, and termination of the associated signalosomes. To evaluate this hypothesis we will characterise the signaling events, the key signaling components, the structural requirements, and the role of selective autophagy in p62 signalosomes. This new knowledge on selectivity and specificity associated with autophagy-regulated signaling will be applied to identify new therapeutic targets for neurodegenerative diseases, tumorigenesis and inflammation.