Autophagie-Gene

Mit dem Begriif "Autophagie-Gene", auch als ATG-Gene bekannt, wird eine Familie von Genen belegt, die an der Orchestrierung der Autophagie beteiligt ist. Bei der lysosomalen „Entsorgung“ von zytologischem "Abfall" (fehlgefaltete Proteine, Anteile von Zellorganellen) sind etwa 20 evolutionär konservierte ATG-Kerngenen beteiligt, die gleichnamige Proteine (ATG-Proteine) kodieren (Klionsky et al. 2003).

Die ATG-Gene wurden ursprünglich in genetischen Hefe-Screens entdeckt (Mizushima 2018). Bis auf wenige Ausnahmen sind alle ATG-Gene für die effiziente Bildung von Membran-umhüllten Autophagosomen erforderlich, die nach Bildung des Autophagosoms mit Lysosomen fusionieren. Die von den ATG-Genen kodierten Proteine werden traditionell in verschiedene biochemische und funktionelle Gruppen eingeteilt, die in bestimmten Stadien des Autophagosomenaufbaus wirksam sind. 

Der Prozess der Autophagie ist in allen eukaryotischen Organismen hoch konserviert und wird durch verschiedene intra- und extrazelluläre Reize verstärkt. Autophagie ist essentiell für die zelluläre Homöostase, die zelluläre Qualitätskontrolle von Proteinen und Organellen und deren Entsorgung sowie die Anpassung des Organismus an Umweltstress. (Levine und Kroemer, 2008; Mizushima und Komatsu, 2011). Bei der Autophagie-Initiation spielt der ULK1-Serin-Threonin-Kinase-Komplex (unter Beteiligung von ULK1, FIP200, ATG13 und ATG101) eine Hauptrolle, indem er mehrere nachgeschaltete Proteine phosphoryliert und damit aktiviert. In höheren Eukaryoten haben sich viele Autophagie-Gene zusätzlich noch funktionell diversifiziert, um

• den Transport von extrazellulärer Ladung zum Lysosom zu erleichtern
• die Plasmamembranlokalisierung oder die extrazelluläre Freisetzung von intrazellulärer Ladung zu fördern
• die intrazelluläre Kommunikation mit verschiedenen Zellsignalwegen zu koordinieren.

Diese nachgeschalteten Funktionen sind im eigentlichen Sinne, keine Autophagie. Sie werden dementsprechend als ATG-Gen-abhängige Pfade bezeichnet.

• Die Kern-ATG-Proteine sind notwendig, aber nicht ausreichend für eine intakte degradative Autophagie in humanen Zellen. Der Abbau der autophagosomalen Ladung kann nur über eine erfolgreiche Fusion des Autophagosoms mit einem funktionalen Lysosom erfolgen. Voraussetzung für diese essenziellen Abläufe sind: einerseits eine intakte lysosomale Biogenese
• ein ungestörter autophagolysosomaler Fusionsprozess an sich (Yu et al. 2018)
• eine ungestörte lysosomale (enzymatische) Funktion (Shen und Mizushima, 2014)
• und letztlich eine Wiederherstellung einer intakten lysosomalen Funktion (Chen und Yu, 2017).

Mutationen in Genen, die für Autophagie und lysosomale Funktion erforderlich sind und diese Prozesse regulieren, führen zu häufig essenzeilen Fehlfunktionen des Zellstoffwechsels und zu gänzlich unterschiedlichen, häufig schwerwiegeneden Krankheitsbilder. 

Mutationen in Genen, die für Autophagie und lysosomale Funktion erforderlich sind

• ATG 16L1 (Morbus Crohn):  ATGL16L1 T300A ist ein Hauptrisiko-Allel für CD. Der T300A-Polymorphismus hat eine Caspase-3-Spaltstelle, die den Proteingehalt verringert. T300A Knock-in oder hypomorphe oder intestinale Knockout-Mäuse zeigen eine verringerte intestinale Bakterien-Clearance; erhöhte Zytokin-Reaktionen; verringerte Paneth-Zell-Lysozym-Sekretion und Clearance von IRE la-Protein-Aggregaten während ER-Stress; verstärkte enterozytäre TNFa-induzierte Nekroptose; dendritische Zelldefekte bei der regulatorischen T-Zell-Induktion und Unterdrückung der mukosalen Entzündung               (Chu et al., 2016)
• ATG16L2 (Systemischer Lupus erythematodes; Morbus Crohn): Das ATG16L2-Gen kodiert für ein gleichnamiges Protein, das in einem großen Proteinkomplex, bestehend aus Atg5, Atg12 und Atg16L1 mit Atg5 interagiert. Dieser Proteinkomplex hat sich als essentiell für die Dehnung von Isolationsmembranen (auch Phagophoren genannt) während der Autophagie bei Säugetieren erwiesen. Bisher ist die genaue Funktion und Regulation des Atg12-5-16L1-Komplexes ist jedoch weitgehend unbekannt geblieben. Das ATG16L2-Protein ist eine Isoform von ATG16, deren Funktion noch unklar ist (Molineros et al. 2017)
• ATG5 (Ataxie im Kindesalter, Systemische Sklerose, SLE):  Eine Loss-of-function-Mutation reduziert Autophagie und verursacht Ataxie. Intronische Varianten sind mit der Anfälligkeit für systemische Sklerose assoziiert.  Versch. Polymorphismen sind mit einer Anfälligkeit für SLE assoziiert; Mausstudien legen nahe, dass der Mechanismus eine defiziente LC3-assoziierte Phagozytose beinhaltet (Martinez et al. 2016)
• ATP6AP2 (X-chromosomaler Parkinsonismus mit Spastik. Multisystemstörung): Exon-Skipping-Mutationen sind verbunden mit Parkinsonismus; Missense-Mutationen, die mit Immundefizienz, Lebererkrankung und psychomotorischer Beeinträchtigung assoziiert sind, führen zu einer fehlerhaften lysosomalen Ansäuerung aufgrund einer gestörten v-ATPase-Assemblierung, was zu Defekten in der Autophagie führt (Rujano et al. 2017)
• BECN1 (Brust- und Ovarialkarzinom):  Monoallelische Deletion assoziiert mit dem Risiko und der schlechten Prognose von sporadischem Brust- und Eierstockkrebs; monoallelische Deletion in Mäusen führt zu verminderter Autophagie und einer erhöhten Tumorinzidenz, einschließlich basalem Brustkrebs (Tang et al. 2015)
• CLEC16A (Diabetes, Multiple Sklerose): CLEC16A-Varianten sind mit mehreren Autoimmunkrankheiten assoziiert. Mäuse, mit Clecl6a-Defizienzen, leiden unter Autophagie-Defekten, die mit Purkinje-Degeneration und Ataxie, beeinträchtigter β-Zell-Mitophagie und Autoimmunität assoziiert sind (Redmann et al. 2016)
• CTNS-Gen (Zystinose): Rezessive Loss-of-Function-Mutationen im CTNS-Gen, das für einen Transporter kodiert der Cystein aus Lysosomen exportiert und mit der lysosomalen Speicherkrankheit der Niere assoziiert ist; Gendeletion in Mäusen führt zu defizienter Autophagie, veränderter lysosomaler Dynamik und Akkumulation von dysfunktionalen, ROS überproduzierenden Mitochondrien (Festa et al. 2018)
• EPG5 (Vici-Syndrom):  Rezessive Mutationen in EPG5, einem Gen, das für die autophagolysosomale Fusion benötigt wird, führen zu einer neurologischen Entwicklungsstörung mit Multisystembeteiligung (Hori et al. 2017)
• GBA (Morbus Gaucher; Morbus Parkinson): GBA1 kodiert für das lysosomale Enzym Glukozerebrosidase. Homozygote GBA-Defekte verursachen Morbus Gaucher und heterozygote Defekte prädisponieren für den Morbus Parkinson (Afiaki et al. 2017)
• GRN (Frontotemporale Demenz (heterozygot) oder Neuronale Ceroidlipofuszinose (homozygot): Loss-of-function-Mutationen beeinträchtigen die lysosomale Funktion und den autophagischen Fluss.
• LAMP2 (Danon's cardiomyopathy; Hypertrophische Kardiomyopathie): X-linked Deletion führt zu vakuolärer Kardiomyopathie und Myopathie; Lamp2-Deletion in Mäusen führt zu Autophagosomen-Akkumulation und Kardiomyopathie.
• PIK3R4 (VPSI 5): Kortikale Atrophie und Epilepsie Mutationen in PIK3R4, einer Komponente des Beclin-1-Komplexes, die für das endosomal-lysosomale Trafficking und die Autophagie benötigt wird, sind mit menschlichen Neuroentwicklungserkrankungen assoziiert (Gstrein et al. 2018)
• SNX14 (Autosomal rezessive spinozerebelläre Ataxie): SNX14 bindet lysosomales Phosphatidylinositol(3,5)-bisphosphat und ist für die autophagosomale Clearance erforderlich (Akizu et al. 2015;
• SPG11, SPG15 (ZFYVE26), SPG49 (TECPR) (Hereditäre spastische Paraplegie): SPG15 bindet Phosphatidylinositol-3-Phosphat und SPG49 bindet LC3, um beim autophagolysosomalen Trafficking zu funktionieren (Ebrahimi-Fakhari et al., 2016)
• WDR45 (WIPI4) (Beta-propeller protein-associated neurodegeneration): WDR45 (WIPI4) bindet an Phosphoinositid-3-Phosphat und interagiert mit ATG2 und ATG9; Krankheits-assoziierte Mutationen beeinträchtigen die Autophagie (Ebrahimi-Fakhari et al. 2016)

Mutationen in Genen, die Autophagie und lysosomale Funktion regulieren

• APP (Alzheimer-Krankheit): Mutiertes Amyloid-Vorläuferprotein, das in hippocampalen Neuronen der Maus exprimiert wird, hemmt Mitophagie und Autophagie.
• AT-1 (SLC33A1) (Spastische Paraplegie, Entwicklungsverzögerung, Autismus-Spektrum-Störungen): AT-1 transloziert zytosolisches Acetyl-CoA in das ER-Lumen; Mutationen und Duplikationen sind beim Menschen mit einer Vielzahl von ZNS-Phänotypen assoziiert; in Mäusen blockiert die Überexpression Atg9a-Faml34b-LC3-Interaktionen, was zu defekter ER-Phagie und Progerie führt (Peng et al. 2018)
• C9orf72 (Amyotrophe Lateralsklerose –ALS; Frontotemporale Demenz -FTD): Hexanukleotid-Repeat-Expansion im C9orf72-Gen ist die häufigste genetische Ursache für ALS und FTD. Reguliert Autophagie und lysosomale Homöostase durch Interaktionen mit SMCR8, ULK1 und Rab-GTPasen (Corrionero et al. 2018)
• ERBB2 (Brustkrebs): Amplifikation von ERBB2 und daraus resultierende Überexpression von ERBB2 (HER2) interagiert mit Beclin 1 und hemmt die Autophagie (Vega-Rubin-de-Celis et al., 2018)
• GBA1 (Morbus Gaucher; Parkinson-Krankheit): Mutationen in GBA1 vermindern die Glukozerebrosidase-Aktivität, was zu Defekten in der autophagisch-lysosomalen Funktion und der Akkumulation von a-Synuclein-Aggregaten führt (Afiaki et al. 2017)
• GPR65 (Entzündliche Darmerkrankung):GPR65 I231L-Risikovariante dieses protonensensitiven G-Protein-gekoppelten Rezeptors beeinträchtigt die lysosomale Ansäuerung, verringert die intrazelluläre Bakterien-Clearance und verändert den Umsatz von Lipidtröpfchen.
• HTT (Huntingtin; Huntington-Krankheit): Die PolyQ-Erweiterung in HTT stört konkurrierend die Interaktion zwischen der Deubiquitinase Ataxin 3 und Beclin 1, was zu einem verstärkten proteasomalen Abbau von Beclin 1 und einer reduzierten Autophagie führt (Ashkenazi et al. 2017)
• IRGM (Nicht-alkoholische Fettlebererkrankung (NAFLD); Morbus Crohn; Tuberkulose): IRGM fungiert bei der Assemblierung und Aktivierung der Autophagie-Maschinerie; eine synonyme Variante reduziert die Proteinexpression, was zu reduzierter Autophagie und Lipophagie bei NAFLD führt; Polymorphismen sind mit dem Risiko für Morbus Crohn und Tuberkulose assoziiert (Lin et al. 2016)
• LRRK2 (Morbus Crohn; Parkinson-Krankheit): Risikoallele für CD und PD erhöhen die Kinaseaktivität der Leucin-reichen Repeat-Kinase 2 und reduzieren den autophagischen Fluss; ein protektives Allel erhöht den Fluss (Hui et al. 2018)
• MeCP2 (Rett-Syndrom - X-chromosomale neurologische Entwicklungsstörung-): Ein Mangel an Methyl-CpG-bindendem Protein-2 (MeCP2), einem Transkriptionsregulator, führt zu defekter Autophagie in Patientenfibroblasten und im Kleinhirn von Knockout-Mäusen sowie zu mitochondrialer Retention in Erythrozyten (Sbardella et al. 2017)
• MTMR3 (Entzündliche Darmerkrankungen): MMTR ist eine PI3P-Phosphatase, die die Autophagie vermindert. Makrophagen von Trägern des Risikoallels exprimieren höhere MTMR3-Proteinkonzentrationen und haben eine erhöhte Pathogenerkennungsrezeptor-induzierte Caspase-1-Aktivierung und IL-1β-Sekretion (Lahiri et al. 2015)
• PLEKHM1 (Osteopetrose): assoziierte Mutanten beeinträchtigen die Bindung an RAB7A und den sekretorischen Lysosomen-Trafficking in Osteoklasten.
• RAB7A (Charcot-Marie-Tooth-Krankheit Typ 2B): Krankheitsassoziierte RAB7A-Mutanten reduzieren den autophagischen Fluss in HeLa-Zellen und von Patienten stammende Fibroblasten sind autophagie-defizient.
• PS1 (Alzheimer-Krankheit): Mutationen in Presenilin 1, die die v-ATPase-Assemblierung, die lysosomale Ansäuerung und die Autophagie stören, verursachen eine früh einsetzende Alzheimer-Krankheit (Lee et al. 2010)
• PTPN2 (Typ-1-Diabetes; Juvenile Arthritis): Krankheitsassoziierter SNP in PTPN2, einem Gen, das für Protein-Tyrosin-Phosphatase Non-Receptor Typ 2 kodiert, verursacht eine gestörte Autophagosomenbildung und ein defektes Bakterienhandling in Makrophagen und Darmepithelzellen.
• SMS (Snyder-Robinson-Syndrom): Loss-of-function-Mutationen in der Sperminsynthase (SMS) verursachen SRS, ein X-chromosomales Syndrom mit geistiger Behinderung; ein Mangel an SMS erzeugt toxische Metaboliten, die die lysosomale Funktion und den autophagischen Fluss beeinträchtigen
• TMEM230 (Parkinson-Krankheit): Transmembranprotein, das an der Retromerfunktion beteiligt ist; der Verlust reduziert den Abbau von autophagischer Ladung und die sekretorische Autophagie (Kim et al. 2017)
• v-ATPase (Autosomal Rezessive Osteoporose): Mutationen in der α3-Untereinheit, die von TCIRG1 kodiert wird, beeinträchtigen die lysosomale Ansäuerung an der geriffelten Grenze von Osteoklasten, was zu Defekten in der Knochenresorption führt.
• WASP (Wiskott-Aldrich-Syndrom) Ein Mangel des Aktin-Zytoskelett-regulierenden WASP-Proteins beeinträchtigt die Bildung von Autophagosomen, was zu mangelhafter Xenophagie und exzessiver Inflammasom-Aktivierung und Pyroptose führt.

Mutationen in Genen, die für die Frachtabgabe bei selektiver Autophagie erforderlich sind

• ALFY (Primäre Mikrozephalie) Dominante Mutation in diesem Autophagie-Gerüstprotein verursacht menschliche Mikrozephalie (Kadir et al. 2016)
• CALC0C02 (NDP52) (Morbus Crohn): Missense-Mutation dieses Autophagie-Adaptors reduziert dessen Funktion und verstärkt die NF-kB-Aktivierung von Entzündungsgenen (Ellinghaus et al. 2013)
• FAM134B (Hereditäre sensorische und autonome Neuropathie Typ II):  Mutationen stören die Interaktion dieses ER-Proteins mit LC3 und GABARP und beeinträchtigen die ER-Phagie.
• FANC-Gene (Fanconi-Anämie; Hereditärer Brust- und Eierstockkrebs): FA pathway genes sind für die Beseitigung beschädigter Mitochondrien (Mitophagie) und die Verhinderung einer aberranten Inflammasom-Aktivierung erforderlich (Sumpter et al. 2016)
• OPTN1 (Amyotrophe Lateralsklerose; Primäres Offenwinkelglaukom; Paget-Krankheit des Knochens): Mutationen bei ALS reduzieren die Interaktion dieses Autophagie-Adaptors mit TBK1 und verringern die Parkin-abhängige Mitophagie; Mutationen bei POAG erhöhen die Interaktion mit TBK1, aktivieren die Bax-abhängige Apoptose und sind mit einer mitochondrialen Dysfunktion assoziiert. Truncated Proteinmutation treten in Verbindung mit der Paget-Krankheit des Knochens auf (Silva et al. 2018)
• PARK2/Parkin (Autosomal rezessiv und sporadisch früh einsetzende Parkinson-Krankheit; Dickdarm-, Lungen- und Gehirnkrebs): Parkin ist eine E3-Ligase, die in der Mitophagie und Xenophagie fungiert; Mutationen sind mit Morbus Parkinson und Krebsrisiko assoziiert; Polymorphismen sind mit einer erhöhten Anfälligkeit für intrazelluläre bakterielle Infektionen verbunden.
• PARK6/PINK1 Autosomal rezessiv und sporadisch früh einsetzende Parkinson-Krankheit PINK1 ist eine Serin-Threonin-Kinase, die bei Schädigung zur äußeren Mitochondrienmembran transloziert und die Parkin-Rekrutierung und Mitophagie vermittelt.
• PEX13 (Zellweger-Syndrom): Krankheitsassoziierte Mutationen beeinträchtigen die Mitophagie und Patienten mit Mutationen haben eine Akkumulation von abnormalen Mitochondrien.
• SQSTM1 (p62) (ALS; FTD; Paget-Krankheit; Distale Myopathie) SQSTM1 ist ein Autophagie-Adaptor, der Ubiquitin und LC3 bindet; Mutationen in der Ubiquitin-bindenden Assoziationsdomäne führen zu einem Spektrum von Multisystem-Proteinopathien.
• SMURF1 (Colitis ulcerosa)  SMURF1, ein Suszeptibilitätsgen für Colitis ulcerosa, kodiert eine E3-Ligase, die in der Mitophagie, Virophagie und Xenophagie intrazellulärer Bakterien fungiert (Franco et al. 2017)
• TBK1 (ALS; Frontotemporale Demenz; Weitere neurodegenerative Phänotypen; POAG) TBK1-Kinase phosphoryliert den Autophagie-Rezeptor OPTN1 und erhöht dessen Interaktion mit ATG8-Proteinen und polyubiquitinierten Proteinen.
• TRIM20 (Familiäres Mittelmeerfieber): Krankheitsassoziierte TRIM20-Mutanten interagieren nicht mit Inflammasom-Komponenten und richten diese auf die autophagische Zerstörung aus (Kimura et al.2017)
• VPS13D (Ataxie mit Spastik) Rezessiv vererbte Defekte in diesem Ubiquitin-bindenden Protein verursachen ein Versagen der Mitophagie und mitochondriale Dysfunktion

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