Onconventionele autofagie in de spotlight: innovatief model opent nieuwe onderzoekspistes
Autofagie is een onmisbaar proces om afval in de cel te recycleren naar herbruikbare nutriënten. Recent werd echter een alternatieve vorm van autofagie ontdekt die veel gerichter bepaalde doelwitten in de cel kan afbreken. Zo vond onze onderzoeksgroep dat deze ‘onconventionele’ vorm van autofagie onze cellen beschermd tegen celdood. In mijn thesis heb ik een nieuw model ontworpen om specifieker onderzoek te kunnen verrichten naar onconventionele autofagie. Zo kunnen we op zoek gaan naar nieuwe functies van dit intrigerende proces.
Recycleren, niets dan voordeel!
Net zoals wij mensen geïnteresseerd zijn in recycleren om duurzamer om te springen met de beschikbare grondstoffen op onze planeet, zijn onze cellen ook continu bezig met recycleren. Onze cellen recycleren echter geen plastic en karton. Nee, ze zijn kampioenen in het recycleren van eiwitten en kapotte celorganellen zoals mitochondriën. Dit proces wordt ook wel autofagie genoemd. Autofagie heeft twee grote voordelen voor de cel. Ten eerste zorgt het ervoor dat afval in de cel niet kan opstapelen en schade kan veroorzaken. Ten tweede kunnen cellen de bouwsteentjes die vrijkomen na het recyclage-proces hergebruiken om bijvoorbeeld nieuwe eiwitten te maken. Zo springen onze cellen zuiniger om met de nutriënten die ons lichaam verkrijgt uit onze voeding.
Excuseer, auto-wadde?
Ja, je leest het goed, autofagie. Het woord autofagie is afgeleid van het Griekse ‘auto’ en ‘fagos’, wat zo goed als ‘zelf-eten’ betekent. En dat mag je letterlijk nemen. Cellen kunnen namelijk fagoforen maken om een hapje van de celinhoud te nemen. Zie jij in Figuur 1 trouwens ook de gelijkenis met Pac-Man? Eens de fagofoor vol zit, sluit hij zich af. De gesloten fagofoor noemen we vanaf dan een autofagosoom. Vervolgens brengt de autofagosoom zijn inhoud naar de afbraakfabriek van de cel, ook wel het lysosoom genoemd. De autofagosoom smelt samen met het lysosoom om zijn inhoud af te geven, waarna deze wordt afgebroken om de aanwezige voedingsstoffen te recycleren. Dit autofagie-proces is reeds lang gekend en wordt daarom conventionele autofagie genoemd. Recent werd echter een alternatieve vorm van autofagie ontdekt, die we logischerwijs onconventionele autofagie noemen. Maar wat is dan het verschil?
Conventionele versus onconventionele autofagie, fight!
Wel, het verschil zit hem in de manier waarop bepaalde doelwitten naar de fagofoor worden gebracht. Bij conventionele autofagie wordt eerst een grote fagofoor gevormd aan het endoplasmatisch reticulum, die bedekt is met de kenmerkende LC3 eiwitten (Figuur 2). Vervolgens worden verschillende cargo (de zogenaamde afvalproducten), zoals bijvoorbeeld eiwitcomplexen, naar deze fagofoor gebracht door met het LC3 eiwit te binden. Tijdens onconventionele autofagie is er geen sprake van een grote LC3-bevattende fagofoor. Hier wordt de cargo herkend door het eiwit FIP200 dat ervoor zorgt dat de fagofoor rechtstreeks rondom het doelwit gevormd (Figuur 2). Hierdoor kan de cel heel gericht gevaarlijke doelwitten afbreken om zichzelf gezond te houden. Dus ook al lijken conventionele en onconventionele autofagie heel erg op elkaar, het mechanisme waarmee cargo wordt herkend is verschillend.
Onconventionele autofagie, jouw engelbewaarder tegen celdood
Onze onderzoeksgroep ontdekte dat onconventionele autofagie de cel kan beschermen tegen celdood. Tijdens een immuunrespons komt het cytokine TNF in ons lichaam vrij. TNF geeft het signaal aan cellen om een eiwitcomplex te vormen dat het potentieel heeft om celdood te induceren. Dit kan voordelig zijn om cellen die bijvoorbeeld geïnfecteerd zijn door een bacterie te laten sterven zodat de bacterie niet de kans krijgt om zich te vermeerderen binnen een cel. Deze cel offert zich dus op om de rest te beschermen tegen de infectie – take one for the team. Echter, in normale omstandigheden is celdood een ongewenst proces, dus heeft de cel verschillende mechanismen om dit lethaal proces te onderdrukken. En in één van die mechanismen speelt onconventionele autofagie de hoofdrol! Het toxische eiwitcomplex dat wordt gevormd door TNF wordt namelijk heel snel en gericht afgebroken door onconventionele autofagie, waardoor celdood verhinderd wordt. Het lab ontdekte dat wanneer ze onconventionele autofagie uitschakelden in muizen, deze erg ziek werden door overmatige celdood. Deze resultaten toonden voor het eerst aan dat onconventionele autofagie een cruciaal belang heeft in het reguleren van ons immuunsysteem en het verhinderen van ontstekingsziektes.
Door deze verrassende resultaten werden we uiteraard enorm nieuwsgierig naar wat onconventionele autofagie nog allemaal kan. Om nieuwe functies van onconventionele autofagie te ontdekken, probeerden we deze vorm van autofagie uit te schakelen om zo te kijken wat er dan allemaal misloopt in de cel. Alleen bleek het niet zo makkelijk te zijn om onconventionele autofagie op zijn eentje te bestuderen. Morrelen aan onconventionele autofagie zorgt er namelijk voor dat ook conventionele autofagie wordt uitgeschakeld, wat ons onderzoek uiteraard verhindert. Daarom was het doel van mijn thesis een manier te vinden om heel gericht enkel onconventionele autofagie uit te schakelen zodat we deze methode kunnen gebruiken om nieuwe functies van onconventionele autofagie te ontdekken.
Ctrl + ALT + delete onconventionele autofagie
Om gericht onconventionele autofagie uit te schakelen, had ik mijn pijlen gericht op FIP200. Dit eiwit heeft namelijk een dubbele functie tijdens autofagie. De voorkant van FIP200 bindt andere eiwitten die de opbouw van de fagofoor initiëren. Dit stuk van FIP200 is belangrijk voor zowel conventionele als onconventionele autofagie. De achterkant van FIP200 dient als grijper om specifieke doelwitten in de cel te herkennen en af te breken via het onconventioneel proces. Door het achterste deel van FIP200 te verwijderen, ben ik erin geslaagd om onconventionele autofagie stil te leggen zonder conventionele autofagie te verstoren. Met mijn nieuw model kunnen we nu veel gerichter onconventionele autofagie uitschakelen in cellen of in muizen om nieuwe functies van onconventionele autofagie te ontdekken. Door onconventionele autofagie uit te schakelen in muizen kunnen we namelijk het fysiologische belang van dit proces verder onderstrepen. Daarnaast kunnen we ook onderzoeken of onconventionele autofagie een beschermend effect heeft tegen ontstekingsziektes zoals bijvoorbeeld artritis (ontsteking van de gewrichten). Kortom, nog vele interessante onderzoekspistes om verder te exploreren tijdens mijn doctoraatsproject!
Met dank aan mijn begeleider Dr. Dario Priem, promotor Prof. Dr. Mathieu Bertrand en de onderzoeksgroep Signal Transduction in Cell Death and Inflammation (VIB-Ugent).
Bibliografie
Barnett KC, Li S, Liang K & Ting JP-Y (2023) A 360° view of the inflammasome: mechanisms of activation, cell death, and disease. Cell 186: 2288–2312
Biasizzo M & Kopitar-Jerala N (2020) Interplay Between NLRP3 Inflammasome and Autophagy. Front Immunol 11: 591803
Cao W, Li J, Yang K & Cao D (2021) An overview of autophagy: Mechanism, regulation and research progress. Bull Cancer 108: 304–322
Chen Q, Sun L & Chen ZJ (2016) Regulation and function of the cGAS–STING pathway of cytosolic DNA sensing. Nat Immunol 17: 1142–1149
Chen X, Li J, Kang R, Klionsky DJ & Tang D Ferroptosis: machinery and regulation. Autophagy 17: 2054–2081
Chowdhury S, Otomo C, Leitner A, Ohashi K, Aebersold R, Lander GC & Otomo T (2018) Insights into autophagosome biogenesis from structural and biochemical analyses of the ATG2A-WIPI4 complex. Proceedings of the National Academy of Sciences 115: E9792–E9801
Chu CT (2019) Mechanisms of selective autophagy and mitophagy: Implications for neurodegenerative diseases. Neurobiol Dis 122: 23–34
Couto N, Wood J & Barber J (2016) The role of glutathione reductase and related enzymes on cellular redox homoeostasis network. Free Radical Biology and Medicine 95: 27–42
Dayer J-M & Bresnihan B (2002) Targeting interleukin-1 in the treatment of rheumatoid arthritis. Arthritis Rheum 46: 574–578
Deng G, Li C, Chen L, Xing C, Fu C, Qian C, Liu X, Wang HY, Zhu M & Wang R-F (2022) BECN2 (beclin 2) Negatively Regulates Inflammasome Sensors Through ATG9A-Dependent but ATG16L1- and LC3-Independent Non-Canonical Autophagy. Autophagy 18: 340–356
Di Bartolomeo S, Corazzari M, Nazio F, Oliverio S, Lisi G, Antonioli M, Pagliarini V, Matteoni S, Fuoco C, Giunta L, et al (2010) The dynamic interaction of AMBRA1 with the dynein motor complex regulates mammalian autophagy. J Cell Biol 191: 155–168
Dixon SJ, Lemberg KM, Lamprecht MR, Skouta R, Zaitsev EM, Gleason CE, Patel DN, Bauer AJ, Cantley AM, Yang WS, et al (2012) Ferroptosis: An Iron-Dependent Form of Non-Apoptotic Cell Death. Cell 149: 1060–1072
Dixon SJ & Stockwell BR (2019) The Hallmarks of Ferroptosis. Annual Review of Cancer Biology 3: 35–54
Dooley HC, Razi M, Polson HEJ, Girardin SE, Wilson MI & Tooze SA (2014) WIPI2 Links LC3 Conjugation with PI3P, Autophagosome Formation, and Pathogen Clearance by Recruiting Atg12–5-16L1. Molecular Cell 55: 238– 252
Dutt S, Hamza I & Bartnikas TB (2022) Molecular Mechanisms of Iron and Heme Metabolism. Annu Rev Nutr 42: 311–335
Fu T, Zhang M, Zhou Z, Wu P, Peng C, Wang Y, Gong X, Li Y, Wang Y, Xu X, et al (2021) Structural and biochemical advances on the recruitment of the autophagy-initiating ULK and TBK1 complexes by autophagy receptor NDP52. Sci Adv 7: eabi6582
Gan B, Peng X, Nagy T, Alcaraz A, Gu H & Guan J-L (2006) Role of FIP200 in cardiac and liver development and its regulation of TNFalpha and TSC-mTOR signaling pathways. J Cell Biol 175: 121–133
Gao M, Monian P, Pan Q, Zhang W, Xiang J & Jiang X (2016) Ferroptosis is an autophagic cell death process. Cell Res 26: 1021–1032
Ghanbarpour A, Valverde DP, Melia TJ & Reinisch KM (2021) A model for a partnership of lipid transfer proteins and scramblases in membrane expansion and organelle biogenesis. Proc Natl Acad Sci U S A 118: e2101562118
Goodwin JM, Dowdle WE, DeJesus R, Wang Z, Bergman P, Kobylarz M, Lindeman A, Xavier R, McAllister G, Nyfeler B, et al (2017) Autophagy-independent lysosomal targeting regulated by ULK1/2-FIP200 and ATG9. Cell Rep 20: 2341–2356
Herman PK, Stack JH & Emr SD (1992) An essential role for a protein and lipid kinase complex in secretory protein sorting. Trends in Cell Biology 2: 363–368
Hitomi K, Kotani T, Noda NN, Kimura Y & Nakatogawa H (2023) The Atg1 complex, Atg9, and Vac8 recruit PI3K complex I to the pre-autophagosomal structure. J Cell Biol 222: e202210017
Hu Y, Chen B, Yang F, Su Y, Yang D, Yao Y, Wang S, Wu Y, Tao L & Xu T (2022) Emerging role of the cGAS-STING signaling pathway in autoimmune diseases: Biologic function, mechanisms and clinical prospection. Autoimmunity Reviews 21: 103155
Huyghe J, Priem D & Bertrand MJM (2023) Cell death checkpoints in the TNF pathway. Trends in Immunology 44: 628–643
Huyghe J, Priem D, Van Hove L, Gilbert B, Fritsch J, Uchiyama Y, Hoste E, Van Loo G & Bertrand MJM (2022) ATG9A prevents TNF cytotoxicity by an unconventional lysosomal targeting pathway. Science 378: 1201–1207
Ichimura Y, Kirisako T, Takao T, Satomi Y, Shimonishi Y, Ishihara N, Mizushima N, Tanida I, Kominami E, Ohsumi M, et al (2000) A ubiquitin-like system mediates protein lipidation. Nature 408: 488–492
Kaizuka T & Mizushima N (2016) Atg13 Is Essential for Autophagy and Cardiac Development in Mice. Mol Cell Biol 36: 585–595
Kim J, Kundu M, Viollet B & Guan K-L (2011) AMPK and mTOR regulate autophagy through direct phosphorylation of Ulk1. Nat Cell Biol 13: 132–141
Klionsky DJ, Petroni G, Amaravadi RK, Baehrecke EH, Ballabio A, Boya P, Bravo-San Pedro JM, Cadwell K, Cecconi F, Choi AMK, et al (2021) Autophagy in major human diseases. The EMBO Journal 40: e108863
Komatsu M, Waguri S, Koike M, Sou Y, Ueno T, Hara T, Mizushima N, Iwata J, Ezaki J, Murata S, et al (2007) Homeostatic Levels of p62 Control Cytoplasmic Inclusion Body Formation in Autophagy-Deficient Mice. Cell 131: 1149–1163
Komatsu M, Waguri S, Ueno T, Iwata J, Murata S, Tanida I, Ezaki J, Mizushima N, Ohsumi Y, Uchiyama Y, et al (2005) Impairment of starvation-induced and constitutive autophagy in Atg7-deficient mice. J Cell Biol 169: 425–434
Kuno S, Fujita H, Tanaka Y, Ogra Y & Iwai K (2022) Iron-induced NCOA4 condensation regulates ferritin fate and iron homeostasis. EMBO Rep 23: e54278
Landajuela A, Hervás JH, Antón Z, Montes LR, Gil D, Valle M, Rodriguez JF, Goñi FM & Alonso A (2016) Lipid Geometry and Bilayer Curvature Modulate LC3/GABARAP-Mediated Model Autophagosomal Elongation. Biophys J 110: 411–422
van Loo G & Bertrand MJM (2023) Death by TNF: a road to inflammation. Nat Rev Immunol 23: 289–303 Lőrincz P & Juhász G (2020) Autophagosome-Lysosome Fusion. Journal of Molecular Biology 432: 2462–2482
Maeda S, Otomo C & Otomo T (2019) The autophagic membrane tether ATG2A transfers lipids between membranes. eLife 8: e45777
Martinon F, Burns K & Tschopp J (2002) The inflammasome: a molecular platform triggering activation of inflammatory caspases and processing of proIL-beta. Mol Cell 10: 417–426
Micheau O & Tschopp J (2003) Induction of TNF Receptor I-Mediated Apoptosis via Two Sequential Signaling Complexes. Cell 114: 181–190
Mindell JA (2012) Lysosomal Acidification Mechanisms. Annu Rev Physiol 74: 69–86
Morishita H & Mizushima N (2019) Diverse Cellular Roles of Autophagy. Annu Rev Cell Dev Biol 35: 453–475
Ohnstad AE, Delgado JM, North BJ, Nasa I, Kettenbach AN, Schultz SW & Shoemaker CJ (2020) Receptor- mediated clustering of FIP200 bypasses the role of LC3 lipidation in autophagy. The EMBO Journal 39: e104948
Ohshima T, Yamamoto H, Sakamaki Y, Saito C & Mizushima N (2022) NCOA4 drives ferritin phase separation to facilitate macroferritinophagy and microferritinophagy. J Cell Biol 221: e202203102
Pankiv S, Alemu EA, Brech A, Bruun J-A, Lamark T, Øvervatn A, Bjørkøy G & Johansen T (2010) FYCO1 is a Rab7 effector that binds to LC3 and PI3P to mediate microtubule plus end–directed vesicle transport. J Cell Biol 188: 253–269
Park S, Zuber C & Roth J (2020) Selective autophagy of cytosolic protein aggregates involves ribosome-free rough endoplasmic reticulum. Histochem Cell Biol 153: 89–99
Prabakaran T, Bodda C, Krapp C, Zhang B, Christensen MH, Sun C, Reinert L, Cai Y, Jensen SB, Skouboe MK, et al (2018) Attenuation of cGAS-STING signaling is mediated by a p62/SQSTM1-dependent autophagy pathway activated by TBK1. EMBO J 37: e97858
Proikas-Cezanne T, Takacs Z, Dönnes P & Kohlbacher O (2015) WIPI proteins: essential PtdIns3P effectors at the nascent autophagosome. Journal of Cell Science 128: 207–217
Ravenhill BJ, Boyle KB, Von Muhlinen N, Ellison CJ, Masson GR, Otten EG, Foeglein A, Williams R & Randow F (2019) The Cargo Receptor NDP52 Initiates Selective Autophagy by Recruiting the ULK Complex to Cytosol- Invading Bacteria. Molecular Cell 74: 320-329.e6
Rea SL, Majcher V, Searle MS & Layfield R (2014) SQSTM1 mutations – Bridging Paget disease of bone and ALS/FTLD. Experimental Cell Research 325: 27–37
Ren X, Nguyen TN, Lam WK, Buffalo CZ, Lazarou M, Yokom AL & Hurley JH Structural basis for ATG9A recruitment to the ULK1 complex in mitophagy initiation. Sci Adv 9: eadg2997
Rubinsztein DC, Cuervo AM, Ravikumar B, Sarkar S, Korolchuk VI, Kaushik S & Klionsky DJ (2009) In search of an “autophagomometer”. Autophagy 5: 585–589
Saitoh T, Fujita N, Jang MH, Uematsu S, Yang B-G, Satoh T, Omori H, Noda T, Yamamoto N, Komatsu M, et al (2008) Loss of the autophagy protein Atg16L1 enhances endotoxin-induced IL-1β production. Nature 456: 264– 268
Schwarzer R, Laurien L & Pasparakis M (2020) New insights into the regulation of apoptosis, necroptosis, and pyroptosis by receptor interacting protein kinase 1 and caspase-8. Current Opinion in Cell Biology 63: 186–193
Shembade N, Harhaj NS, Liebl DJ & Harhaj EW (2007) Essential role for TAX1BP1 in the termination of TNF-α-, IL-1- and LPS-mediated NF-κB and JNK signaling. EMBO J 26: 3910–3922
Shi C-S, Shenderov K, Huang N-N, Kabat J, Abu-Asab M, Fitzgerald KA, Sher A & Kehrl JH (2012) Activation of Autophagy by Inflammatory Signals Limits IL-1β Production by Targeting Ubiquitinated Inflammasomes for Destruction. Nat Immunol 13: 255–263
Shi X, Chang C, Yokom AL, Jensen LE & Hurley JH (2020) The autophagy adaptor NDP52 and the FIP200 coiled- coil allosterically activate ULK1 complex membrane recruitment. eLife 9: e59099
Skytte Rasmussen M, Mouilleron S, Kumar Shrestha B, Wirth M, Lee R, Bowitz Larsen K, Abudu Princely Y, O’Reilly N, Sjøttem E, Tooze SA, et al (2017) ATG4B contains a C-terminal LIR motif important for binding and efficient cleavage of mammalian orthologs of yeast Atg8. Autophagy 13: 834–853
Slowicka K, Vereecke L, Mc Guire C, Sze M, Maelfait J, Kolpe A, Saelens X, Beyaert R & van Loo G (2016) Optineurin deficiency in mice is associated with increased sensitivity to Salmonella but does not affect proinflammatory NF-κB signaling. Eur J Immunol 46: 971–980
Smith MD, Harley ME, Kemp AJ, Wills J, Lee M, Arends M, Von Kriegsheim A, Behrends C & Wilkinson S (2018) CCPG1 Is a Non-canonical Autophagy Cargo Receptor Essential for ER-Phagy and Pancreatic ER Proteostasis. Developmental Cell 44: 217-232.e11
Sun N, Malide D, Liu J, Rovira II, Combs CA & Finkel T (2017) A fluorescence-based imaging method to measure in vitro and in vivo mitophagy using mt-Keima. Nat Protoc 12: 1576–1587
Turco E, Witt M, Abert C, Bock-Bierbaum T, Su M-Y, Trapannone R, Sztacho M, Danieli A, Shi X, Zaffagnini G, et al (2019) FIP200 Claw Domain Binding to p62 Promotes Autophagosome Formation at Ubiquitin Condensates. Molecular Cell 74: 330-346.e11
Ursini F, Maiorino M & Gregolin C (1985) The selenoenzyme phospholipid hydroperoxide glutathione peroxidase. Biochim Biophys Acta 839: 62–70
Vargas JNS, Wang C, Bunker E, Hao L, Maric D, Schiavo G, Randow F & Youle RJ (2019) Spatiotemporal Control of ULK1 Activation by NDP52 and TBK1 during Selective Autophagy. Molecular Cell 74: 347-362.e6
Vliet AR van, Chiduza GN, Maslen SL, Pye VE, Joshi D, Tito SD, Jefferies HBJ, Christodoulou E, Roustan C, Punch E, et al (2022) ATG9A and ATG2A form a heteromeric complex essential for autophagosome formation. Molecular Cell 82: 4324-4339.e8
Walczak M & Martens S (2013) Dissecting the role of the Atg12-Atg5-Atg16 complex during autophagosome formation. Autophagy 9: 424–425
Ward RJ, Zucca FA, Duyn JH, Crichton RR & Zecca L (2014) The role of iron in brain ageing and neurodegenerative disorders. Lancet Neurol 13: 1045–1060
Webster JD & Vucic D (2020) The Balance of TNF Mediated Pathways Regulates Inflammatory Cell Death Signaling in Healthy and Diseased Tissues. Front Cell Dev Biol 8: 365
Weidberg H, Shvets E, Shpilka T, Shimron F, Shinder V & Elazar Z (2010) LC3 and GATE-16/GABARAP subfamilies are both essential yet act differently in autophagosome biogenesis. EMBO J 29: 1792–1802
Yoshii SR, Kuma A, Akashi T, Hara T, Yamamoto A, Kurikawa Y, Itakura E, Tsukamoto S, Shitara H, Eishi Y, et al (2016) Systemic Analysis of Atg5-Null Mice Rescued from Neonatal Lethality by Transgenic ATG5 Expression in Neurons. Dev Cell 39: 116–130
Yoshii SR & Mizushima N (2017) Monitoring and Measuring Autophagy. Int J Mol Sci 18: 1865
Zachari M & Ganley IG (2017) The mammalian ULK1 complex and autophagy initiation. Essays Biochem 61: 585–596
Zhang M, Wang Y, Gong X, Wang Y, Zhang Y, Tang Y, Zhou X, Liu H, Huang Y, Zhang J, et al (2024) Mechanistic insights into the interactions of TAX1BP1 with RB1CC1 and mammalian ATG8 family proteins. Proc Natl Acad Sci USA 121: e2315550121
Zhen Y, Spangenberg H, Munson MJ, Brech A, Schink KO, Tan K-W, Sørensen V, Wenzel EM, Radulovic M, Engedal N, et al (2020) ESCRT-mediated phagophore sealing during mitophagy. Autophagy 16: 826–841
Zhou C, Ma K, Gao R, Mu C, Chen L, Liu Q, Luo Q, Feng D, Zhu Y & Chen Q (2017) Regulation of mATG9 trafficking by Src- and ULK1-mediated phosphorylation in basal and starvation-induced autophagy. Cell Res 27: 184–201
Zhou F, Wu Z, Zhao M, Murtazina R, Cai J, Zhang A, Li R, Sun D, Li W, Zhao L, et al (2019) Rab5-dependent autophagosome closure by ESCRT. J Cell Biol 218: 1908–1927
Zhou Z, Liu J, Fu T, Wu P, Peng C, Gong X, Wang Y, Zhang M, Li Y, Wang Y, et al (2021) Phosphorylation regulates the binding of autophagy receptors to FIP200 Claw domain for selective autophagy initiation. Nat Commun 12: 1570
