Visual Universitätsmedizin Mainz

Arbeitsgruppe "Biochemie der Neurodegeneration und des Alterns"


Die überwiegende Zahl neurodegenerativer Erkrankungen des Menschen, wie Alzheimer Demenz, Parkinson Krankheit oder amyotrophe Lateralsklerose, tritt altersassoziiert auf. Um die molekularen Mechanismen der Neurodegeneration aufzuklären, erforschen wir daher wesentliche Unterschiede in der Biochemie junger und alter Nervenzellen. Dabei konzentrieren wir uns einerseits insbesondere auf die zelluläre Proteinhomöostase (Proteostase), deren Bedeutung durch das Auftreten krankheitsspezifischer Proteinaggregate offensichtlich wird, und andererseits die Adaptationsmechanismen, durch die Neurone auf unterschiedliche Formen von zellulärem Stress reagieren und sich anpassen.

Proteostase und Autophagie

Die Aufrechterhaltung der Proteinhomöostase, also eines Gleichgewichts zwischen Synthese, Faltung und kontrolliertem Abbau von Proteinen, ist für die Funktion jeder Zelle von entscheidender Bedeutung. Die Entfernung fehlgefalteter, geschädigter, dys¬funktionaler oder aggregierter Proteine kann grundsätzlich durch zwei Mechanismen erfolgen: das Ubiquitin-Proteasom-System sowie den Prozess der Autophagie. Bei der sogenannten Makro-autophagie wird intrazelluläres Material (Proteinaggregate, Zellorganellen, Pathogene u.a.) von einer Membran umhüllt, die sich nachfolgend schrittweise zum Autophagosom schließt. Durch die sich anschließende Fusion mit einem Lysosom wird der Inhalt hydrolytisch  abgebaut. Die Auswahl des abzubauenden Materials wird durch Rezeptormoleküle sicher-gestellt (selektive Makroautophagie), die einerseits mit dem Substrat, andererseits mit Proteinkomponenten der Autophagosomenmembran interagieren. Die Makroautophagie stellt einen wichtigen Teil der zellulären (Protein-) Qualitätskontrolle und der zellulären Stressantwort dar, dient bei Nahrungsmangel aber auch dem Recycling von Zellbausteinen sowie der Energiegewinnung.

Schema Makroautophagie
Die Autophagie ist ein mehrstufiger vesikulärer Prozess: ausgehend von einer phagophore assembly site (PAS) wird eine Phagophore gebildet, welche die Verdauungssubstrate selektiv einschließen (Autophagosom). Nach der Fusion mit einem Lysosom erfolgt der Verdau der Substrate im Autolysosom (Quelle: aus Khaminet, Behl, Dikic, TIBS 2016)

Wir konnten in 2009 erstmals einen selektiven, autophagischen Abbauweg beschreiben, welcher durch das HSP70 Co-Chaperon BAG3 (BCL-2 athanogene 3) vermittelt wird. Diese sogenannte BAG3-vermittelte selektive Makroautophagie dient der Zelle sowohl auf eine gestörte Proteostase, als auch auf das oxidative, proteotoxische Milieu, das mit der Alterung einhergeht zu antworten und ist dabei auch in der Lage ist, krankheitsassoziierte, aggregierende Proteine ihrem Abbau zuzuführen. Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1177 (SFB 1177 Molekulare und funktionelle Charakterisierung der selektiven Autophagie) untersuchen wir detailliert die Kinetik dieses Prozesses, seine Regulation durch endo- und exogene Faktoren sowie post-translationale Modifikationen von BAG3 und das Zusammenspiel des BAG3 Abbauweges mit anderen Autophagiewegen.

Abbauweg für krankheitsassoziierte Proteinaggregate: polyubiquitinierte sowie aggregierte Proteine (z.B. mtSOD1, PolyQ-Proteine) binden an die Substratbindungsstelle von Hsp70. Über an Hsp70 gebundenes BAG3 bindet dieser Komplex an Dynein, das dann den Kontakt zum mikrotubulären Organisationszentrum (MTOC, microtubule organizing center), herstellt. Hierüber erfolgt dann der Transport der abzubauenden Aggregate in die Nähe des Nukleus, die Bildung der Aggresome, und vermittelt über die p62-LC3-Verbindung die Einleitung des autophagisch-lysosomale Substratabbaus (Quelle: aus Behl, BioSpektrum 2016).

Um bislang unbekannte Faktoren der Proteostase zu identifizieren, bedienen wir uns spezifischer C. elegans (Wurm-) Linien und RNAi-Bibliotheken. Im Zuge eines RNAi-Screens konnten wir den RAB3GAP-Komplex als neuen positiven Modulator der Autophagie charakterisieren, der an der Bildung von Autophagosomen beteiligt ist, und in späteren Studien zeigen, dass diese Aktivität über die RAB GTPase RAB18 vermittelt wird. Mutationen in den Genen für RAB3GAP1, RAB3GAP2 und RAB18 verursachen das Warburg Micro-Syndrom, eine autosomal-rezessive Erkrankung, die durch schwere ¬neurobiologische Beeinträchtigungen während der frühen Entwicklung charakterisiert ist. Ein Ziel unserer Arbeiten ist, dem funktionellen Zusammenhang zwischen der Autophagie und RAB18 sowie der Mobilisierung von Lipiden in Neuronen auf den Grund zu gehen.
Ein weiteres Gen, das durch den RNAi-Screen in C. elegans als neue Komponente des zellulären Proteostase-Netzwerks identifiziert werden konnte, ist rme-8 (receptor mediated endocytosis 8; humanes Ortholog: DNAJC13), das zur HSP40-Proteinfamilie zählt und durch die Bindung an HSP70 charakterisiert ist. RME8 ist durch die Interaktion mit dem Retromer-Komplex Teil des endosomalen Transportsystems. Wir konnten zeigen, dass RME8 ebenfalls einen positiven Modulator der Autophagie darstellt. In derzeitigen Unter¬suchungen erarbeiten wir, welche Funktion RME8 als mögliches Bindeglied zwischen dem endosomalen Transportsystem und der Aufrechterhaltung der Proteinhomöostase ausübt. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Analyse der mutanten RME8- Variante, die mit familiären Formen der Parkinson Krankheit assoziiert wurde. Welche Rolle RME8 insbesondere in neuronalen Zellen zufällt, erforschen wir im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1080 (SFB 1080 Molekulare und zelluläre Mechanismen der neuronalen Homöostase).

Zelluläre Adaptation unter Stressbedingungen

Wir untersuchen die Anpassungsfähigkeit der Zelle gegenüber internen und externen Stressfaktoren, welche eine wichtige Rolle sowohl bei der gesunden Alterung als auch in der Pathogenese neurodegenerativer Erkrankungen spielen. Interessanterweise können sich neuronale Zellen im Extremfall auch an ein sehr starkes pro-oxidatives Milieu anpassen und dabei die Sensitivität gegenüber oxidativen Stress verlieren. Bei diesem Anpassungsprozess scheint eine erhöhte autophagische Aktivität eine Rolle zu spielen.

Zellen können auf chronischen oxidativen Stress reagieren und sich effektiv anpassen. Klonale hippokampale Zellen, die im „Normalzustand“ sensitiv gegen oxidativen Stress sind (HT22-Wildtyp) bilden nach dauerhafter Exposition mit oxidativem Stress (hier durch Glutamat ausgelöst) adaptierte resistente Zellklone (HT22-Glutamat-resistent). Ein morphologisches Hauptmerkmal der resistenten Zellen ist eine stark erhöhte autophagische Aktivität, in der Elektronenmikroskopie zu erkennen an einer Vielzahl von autophagischen Vesikeln.

In diesem Kontext möchten wir  in einem weiteren Projektteil herausfinden, welche zellulären Prozesse durch pathophysiologisch bedingte Zustände, wie oxidativer Stress, unzureichende Perfusion -biochemisch manifestiert durch  Nährstoff- und Sauerstoffreduktion und die mitochondriale Fehlfunktion- aktiviert/inhibiert werden und wie sie zur Neurodegeneration beitragen. Darüber hinaus möchten wir untersuchen welche meta¬bolische Mechanismen die Anpassungsfähigkeit der Neuronen erhöhen. Im Fokus unserer Projekte steht somit die Untersuchung der Modulation der Autophagie, der Veränderung von Komponenten der Signaltransduktion und der Rolle der Mitochondrien. Da den Mitochondrien eine zentrale Rolle bei der Alterung und Neurodegeneration zugeordnet wird, möchten wir herausfinden welche Rolle dabei die Störung der mitochondrialen Synthese, der mitochondrialen Dynamik (Fusion und Fission) und des mitochondrialen Abbaus (Mitophagie) spielt.

Eine der Strategien zur Neuroprotektion, die wir verfolgen, ist daher der Einsatz pharmakologischer Antioxidantien, um oxidative Schäden zu verhindern. Darüber hinaus, möchten wir neue therapeutische Ansätze entwickeln, die zur Erhöhung der neuronalen Adaptation gegenüber Nährstoff- und Sauerstoffdeprivation beitragen, um langfristige Folgen einer Hypoperfusion zu verhindern. Um die funktionelle Auswirkung der pathophysiologischen Veränderungen auf bio¬chemischer und molekularbiologischer Ebene in Neuronen zu untersuchen, verwenden wir parallel die Messung der synaptischen Transmission mittels Feldpotential-Ableitungen und Patch Clamp-Technik. Die Bearbeitung dieser Fragestellungen wird von der Corona-Stiftung gefördert.