Regulatoren und Substrate der Hefecaspase Yca1p

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Madeo
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5421962

• Erstellungsjahr: 2010

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der einzellige Eukaryont Hefe hat sich aufgrund seiner hervorragenden genetischen Traktabilität zu einem wichtigen Modellsystem für die Zelltodregulation entwickelt. Caspasen und Sauerstoffstress sind wichtige Exekutoren des Zelltodes. In diesem Projekt konnten einige konträr diskutierte Aspekte der Sauerstoffstress-induzierten Caspase-abhängigen und -unabhängigen Zelltodmechanimen durch Studien an Hefe aufgeklärt werden: 1. Es wurde gezeigt, dass Hefe unter natürlichen Bedingungen caspaseabhängige Akkumulation von Sauerstoffstress und Zelltod zeigt, wenn z.B. die Nahrungsressourcen der Gesamtkultur zur Neige gehen. Durch Selbstmord eines Teiles der Kultur (ältere Zellen) wird in darwinistischer Selektion das Überleben der Gesamtkultur bei schwindenden Nahrungsressourcen gesichert, da die jüngeren Zellen in eine Art Ruhezustand („Quieszenz“) gehen und somit überleben. Apoptose trägt also zur Fitness der Zellpopulation durch Eliminierung schwacher Individuen bei. Daher stellt sie einen Selektionsvorteil dar. 2. Durch die Bildung niedermolekularer Proteine mit antimykotischem Potential verschaffen Hefen sich in ihrem natürlichen Umfeld Wachstumsvorteile gegenüber anderen Hefen oder Pilzen. Die chemische Kriegsführung zwischen verschiedenen Hefestämmen wird mit dem Begriff „Killerphänotyp“ bezeichnet und beruht auf der Sekretion niedermolekularer, extrazellulärer Proteine, welche sensitive Hefen derselben oder anderer Gattungen ohne direkten Zellkontakt abtöten. Wir konnten zeigen, dass ein Hefestamm durch Exposition geringer Dosen von Killertoxinen (K1, K28 und Zygocin) apoptotisch stirbt, während hohe Dosen Nekrose auslösen. Die Hefecaspase Yca1 ist notwendig für den Killertoxininduzierten Zelltod. 3. Endonuclease G sowie Apoptosis-inducing factor (AIF) sind potentielle Exekutoren der caspaseunabhängigen Säugerapoptose. Trotz seiner Bedeutung während des neuronalen Zelltodes ist der Signalweg des caspaseunabhängigen Zelltodes wenig charakterisiert. Wir konnten zeigen, dass sowohl die Disruption des Hefe- AIF Orthologs (Aif1p) als auch des EndoG Orthologs (Nuc1p) vor caspaseunabhängigem, sauerstoffstressvermitteltem Zelltod schützt. Hierfür wird sowohl in Säuger- als auch in Hefezellen Cyclophilin A benötigt. Wir konnten weiter zeigen, dass Nuc1p Zellen über einen caspaseunabhängigen Weg tötet, welcher funktionelle Mitochondrien, Komponenten der sogenannten Permeabilty transition Pore, ein Karyopherin sowie Histon2B als essentielle Komponenten benötigt. 4. Wir haben anhand von Westernblotanalysen die 3-Phosphoglyceratkinase als putatives Metacaspasesubstrat entdeckt. Weiterführende Experimente wie Mutationen der putativen Schnittstellen, in vivo Studien und eine Two-Hybrid Untersuchung sind geplant, um bestätigen zu können, dass es sich bei der Pgk1 um ein natürliches Yca1 Substrat handelt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• An AIF orthologue regulates apoptosis in yeast. J Cell Biol 2004 Sep 27; 166(7):969-74
  Wissing S, Ludovico P, Herker E, Büttner S, Engelhardt SM, Decker T, Link A, Proksch A, Rodrigues F, Corte-Real M, Fröhlich KU, Manns J, Cande C, Sigrist SJ, Kroemer G, Madeo F
  
• Apoptosis in yeast. (2004) Current Opinion in Microbiology 2004 Dec;7(6):655-60
  Madeo F, Herker E, Wissing S, Jungwirth H, Eisenberg T, Fröhlich KU
  
• Viral killer toxins induce caspase-mediated apoptosis in yeast. J Cell Biol. 2005 Jan 31; 168(3):353-8
  Reiter J, Herker E, Madeo F, Schmitt MJ
  
• Yeast caspase 1 links messenger RNA stability to apoptosis in yeast. EMBO Rep. 2005 Sep 9; 6(11):1076-81
  Mazzoni C, Herker E, Palermo V, Jungwirth H, Eisenberg T, Madeo F, Falcone C
  
• Crucial mitochondrial impairment upon CDC48 mutation in apoptotic yeast. (2006). J Biol Chem., 2006 Sep 1; 281(35):25757-67
  Braun RJ, Zischka H, Madeo F, Eisenberg T, Wissing S, Büttner S, Engelhardt SM, Buringer D, Ueffing M
  
• Defects in N-glycosylation induce apoptosis in yeast. Mol Microbiol. 2006 Feb;59(3):765-78
  Hauptmann P, Riel C, Kunz-Schughart LA, Fröhlich KU, Madeo F, Lehle L
  
• Isolation of quiescent and nonquiescent cells from yeast stationary-phase cultures. J Cell Biol. 2006 Jul 3; 174(1):89-100
  Allen C, Büttner S, Aragon AD, Thomas JA, Meirelles O, Jaetao JE, Benn D, Ruby SW, Veenhuis M, Madeo F, Werner-Washburne M
  
• The inhibitor-of-apoptosis protein Bir1p protects against apoptosis in S. cerevisiae and is a substrate for the yeast homologue of Omi/HtrA2. J Cell Sci. 2006 May 1; 119(Pt 9):1843-51. Epub 2006 Apr 11
  Walter D, Wissing S, Madeo F, Fahrenkrog B
  
• Why yeast cells can undergo apoptosis: death in times of peace, love, and war. J Cell Biol. 2006 Nov 20; 175(4):521-5. Epub 2006 Nov 13
  Büttner S, Eisenberg T, Herker E, Carmona-Gutierrez D, Kroemer G, Madeo F
  
• Endonuclease G regulates budding yeast life and death. Mol Cell. 2007 Jan 26; 25(2):233-46
  Büttner S, Eisenberg T, Carmona-Gutierrez D, Ruli D, Knauer H, Ruckenstuhl C, Sigrist C, Wissing S, Kollroser M, Fröhlich KU, Sigrist S, Madeo F
  
• Apoptotic death of ageing yeast. Exp Gerontol. 2008 Oct; 43(10):876-81. Epub 2008 Aug 26
  Rockenfeller P, Madeo F
  
• Functional mitochondria are required for alpha-synuclein toxicity in aging yeast. J Biol Chem. 2008 Mar 21; 283(12):7554-60. Epub 2008 Jan 11
  Büttner S, Bitto A, Ring J, Augsten M, Zabrocki P, Eisenberg T, Jungwirth H, Hutter S, Carmona-Gutierrez D, Kroemer G, Winderickx J, Madeo F
  
• Ydc1p ceramidase triggers organelle fragmentation, apoptosis and accelerated ageing in yeast. Cell Mol Life Sci. 2008 Jun; 65(12):1933-4
  Aerts AM, Zabrocki P, François IE, Carmona-Gutierrez D, Govaert G, Mao C, Smets B, Madeo F, Winderickx J, Cammue BP, Thevissen K
  
• Caspase-dependent and caspase-independent cell death pathways in yeast. Biochem Biophys Res Commun. 2009 May 1; 382(2):227-31. Epub 2009 Feb 27
  Madeo F, Carmona-Gutierrez D, Ring J, Büttner S, Eisenberg T, Kroemer G
  
• The antifungal plant defensin RsAFP2 from radish induces apoptosis in a metacaspase independent way in Candida albicans. FEBS Lett. 2009 Aug 6;583(15):2513-6. Epub 2009 Jul 1
  Aerts AM, Carmona-Gutierrez D, Lefevre S, Govaert G, François IE, Madeo F, Santos R, Cammue BP, Thevissen K
  
• Metacaspases are caspases. Doubt no more. Cell Death Differ. 2010 Mar; 17(3):377-8
  Carmona-Gutierrez D, Fröhlich KU, Kroemer G, Madeo F