Kinetics of Activation and Inactivation of Autophagy: Commitment, Noise Suppression and the Role of Metabolic Intermediates

Under deres levetid opplever celler i de fleste organismer en form for næringsmangel. Celler aktiverer visse mekanismer for å overleve slike perioder med lav næringstilgang. En slik mekanisme er autofagi, som er en prosess som degraderer ikke-essensielle cellulære komponenter for å gi næringsstoffer som holder cellen i live. Autofagi må kontrolleres nøye, fordi utilstrekkelig autofagi kanskje ikke genererer nok næringsstoffer til å holde cellen i live, mens for mye autofagi kan resultere i nedbrytning av essensielle komponenter i cellen og forårsake celledød. Hvordan cellen kontrollerer nivået av autofagi er imidlertid fortsatt veldig dårlig forstått. I dette prosjektet vil vi avsløre nye mekanismer som cellen bruker for å kontrollere autofagi. Det vi er spesielt interessert i, er hvordan denne prosessen reguleres i populasjoner av celler. Våre foreløpige studier har vist at aktivering av autofagi i populasjoner av normale celler skjer ganske samtidig; de fleste celler aktiverer autofagi mer eller mindre samtidig og med samme amplitude. Vi har imidlertid identifisert gener som, når de inaktiveres, resulterer i en mye mindre synkron respons i cellepopulasjoner. Dette antyder at cellene overvåker i hvilken grad denne prosessen har blitt aktivert. Dette prosjektet har som mål å forstå disse prosessene. De siste årene har vi utviklet metoder som kreves for å studere disse prosessene, inkludert avanserte lysmikroskopi, maskinlæringsmetoder og metoder for å spore enkeltceller over tid. Vi reviderer for tiden et manuskript som har blitt publisert på en preprint-server (https://doi.org/10.1101/2024.04.06.588104). Vi bruker nå disse metodene for å studere i dybden effekten av utvalgte gener på autofagi under forskjellige miljøforhold. Videre har vi identifisert et kompendium av gener som er viktige for cellulært minne, dvs. gener som sikrer rask tilpasning til gjentatte plutselige miljøendringer. Til slutt bygger vi matematiske modeller som forklarer cellulær respons på næringsmangel på hele-cellenivå.

Nutrients like amino acids, lipids, and glucose and related sugars are simple organic compounds that are involved in biochemical reactions that produce energy or that constitute cellular biomass. Maintaining cellular homeostasis in the face of changes in nutrient supply is essential for the growth and development of all organisms, from unicellular microorganisms to higher eukaryotes. When a cell detects a loss of its nutrient supply, it activates signal transduction pathways that elicit integrated responses that alter cell metabolism (reducing biosynthesis and increasing catabolism) and that mobilize alternative nutrient sources. One key element of the response to nutrient starvation is activation of autophagy, which is a catabolic process that recycles cytoplasmic components through lysosomal degradation, thereby generating nutrients to sustain essential cellular processes. The upstream pathways that regulate the kinetics of autophagy in response to changes in nutrient conditions are only partially understood. In particular, the mechanisms that switch off autophagy when nutrient availability improves remain mysterious. Furthermore, our unpublished data suggest the existence of feedback loops that finetune autophagic output at the single-cell level and that suppress noise in the pathway, yet the underlying regulatory mechanisms remain largely unknown. These gaps in our knowledge need to be overcome if we are to understand how cells dynamically control autophagy, which is the goal of this project.