eRapport

The role of autophagy and Alfy in degradation of protein aggregates associated with cancer and neurodegenerative disease

Prosjekt
Prosjektnummer
2008083
Ansvarlig person
Harald Stenmark
Institusjon
Oslo universitetssykehus HF
Prosjektkategori
Nytt flerårig forskningsprosjekt
Helsekategori
Cancer
Forskningsaktivitet
1. Underpinning
Rapporter
2012 - sluttrapport
Dette prosjektet har hatt som overordnet mål å kartlegge mekanismene involvert i nedbrytning av proteinaggregater ved autofagi. Vi har vist at autofagi er viktig for å fjerne proteinaggregater assosiert med Huntingtons og Parkinsons sykdom (Filimonenko et al, Mol Cell 2010) og fant at proteinet ALFY er viktig for målstyring av slike proteinaggregater til autofagi. Vi fant også at økt mengde ALFY kan stimulere degradering av proteinaggregater både i en rotte og bananfluemodell for Huntingtons sykdom, noe som kan indikere at regulering av nivåene av ALFY kan ha terapeutisk relevans (Isakson et al, Cell Death Diff 2012). Nylig viste vi at p62, som binder direkte til ALFY (Clausen et al, Autophagy 2010), kan benyttes som en diagnostisk markør for nevronal aldring og protein aggregate dannelse (Bartlett et al, Autophagy 2011). I et studie fant vi at oncoproteinet PML/RARA, som er assosiert med akutt promyelocytisk leukemi (APL) danner protein aggregater som brytes ned ved autofagi (Isakson et al, Blood 2010). APL er karakterisert ved akkumulering av umodne hvite blodlegemer i blod og benmarg og det er vist at behandling med all-trans-retinoic-acid (ATRA) induserer modning av hvite blodceller. Vi fant at ATRA førte til økt autofagi og derved økt nedbrytning av PML-RARA og også at økte nivåer av autofagi var assosiert med stimulering av cellemodning. Våre studier gir derfor ny viten som potensielt kan benyttes terapeutisk i behandling av APL pasienter. Mange nevrodegenerative sykdommer, som Huntingtons og Parkinsons, er karakterisert ved en akkumulering av feilfoldede proteiner som danner aggregater i pasientenes nerveceller. Normalt starter nevrodegenereringen, dvs nedbrytning av nervevev, lenge før pasientene merker noen symptomer og det finnes i dag ingen effektive strategier for å hindre utviklingen av denne type sykdommer. Studier i mus har vist at nevrodegenerative sykdommer kan reverseres ved å stoppe dannelsen av slike protein aggregater i nervecellene, noe som indikerer at utviklingen av disse sykdommene kan begrenses hvis man finner terapeutiske strategier for å redusere nivåene av de sykdomsassosierte proteinene. Våre studier har vist at autofagi kan fjerne sykdomsfremmende proteiner, f.eks aggregert Huntingtin protein som er assosiert med Huntingtons sykdom, og derved beskytte oss mot nevrodegenerative sykdommer. Vi har også vist at proteinet ALFY er viktig for at slike aggregater kan brytes ned ved autofagi og at økt nivå av ALFY stimulerer aggregat degradering. Våre studier har bidratt til økt forståelse av de cellulære prosessene assosiert med nevrodegenerative lidelser og lagt grunnlaget for utvikling av terapeutiske strategier for behandling av pasienter med slike sykdommer.
2011
Kreft og nevrodegenerative lidelser kan utvikles når skadelige proteiner akkumulerer i pasientenes celler. Vi har nylig vist at cellenes avfallshåndteringssystem, en prosess kalt autofagi er viktig for å bryte ned skadelige komponenter som proteinaggregater og ødelagte organeller. Økt forståelse av de molekylære mekanismene involvert i autofagi kan derfor føre til nye terapeutiske strategier, sier prosjektleder Anne Simonsen.Cellenes system for avfallshåndtering kalles autofagi, en prosess hvor søppelet omsluttes av membraner (autofagosomer), som transporterer søppelet til cellens gjenvinningsanlegg, lysosomet, hvor søppelet brytes ned til byggesteiner som kan brukes om igjen (1). Våre studier har vist at autofagi er viktig for å beskytte oss mot kreft og demens ved å fjerne sykdomsfremmende proteiner. I et studie fant vi at oncoproteinet PML/RARA (promyelocytic leukemia)-RARA (retinoic receptor alpha), som er assosiert med akutt promyelocytisk leukemi (APL) brytes ned ved autofagi (2). APL er karakterisert ved akkumulering av umodne hvite blodlegemer i blod og benmarg og det er vist at behandling med all-trans-retinoic-acid (ATRA) induserer modning av hvite blodceller. Vi fant at ATRA førte til økt autofagi og derved økt nedbrytning av PML-RARA og også at økte nivåer av autofagi var assosiert med stimulering av cellemodning. Våre studier gir derfor ny viten som potensielt kan benyttes terapeutisk i behandling av APL pasienter. Mange neurodegenerative sykdommer er karakterisert ved aggregering av sykdomsassosierte proteiner i pasientenes nerveceller og vi har vist at autofagi er viktig for å fjerne proteinaggregater assosiert med Huntingtons og Parkinsons sykdom (3). Videre har vi funnet at proteinet ALFY (Autophagy Linked FYVE protein) er viktig for gjennkjennelse og målstyring av slike proteinaggregater for nedbrytning ved autofagi. Økt mengde ALFY kan stimulere degradering av proteinaggregater både i en rotte og bananfluemodell for Huntingtons sykdom (3), noe som kan indikere at regulering av nivåene av ALFY kan ha terapeutisk relevans (4). Vi har nylig funnet at p62, som binder direkte til ALFY, kan benyttes som en diagnostisk markør for nevronal aldring og protein aggregat dannelse (5). Referanser 1. Klionsky, D. J., Baehrecke, E. H., Brumell, J. H., Chu, C. T., Codogno, P., Cuervo, A. M., Debnath, J., Deretic, V., Elazar, Z., Eskelinen, E. L., Finkbeiner, S., Fueyo-Margareto, J., Gewirtz, D., Jaattela, M., Kroemer, G., Levine, B., Melia, T. J., Mizushima, N., Rubinsztein, D. C., Simonsen, A., Thorburn, A., Thumm, M., and Tooze, S. A. (2011) Autophagy 7, 1273-1294 2. Isakson, P., Bjoras, M., Boe, S. O., and Simonsen, A. (2010) Blood 116, 2324-2331 3. Filimonenko, M., Isakson, P., Finley, K. D., Anderson, M., Jeong, H., Melia, T. J., Bartlett, B. J., Myers, K. M., Birkeland, H. C., Lamark, T., Krainc, D., Brech, A., Stenmark, H., Simonsen, A., and Yamamoto, A. (2010) Mol.Cell 38, 265-279 4. Yamamoto, A., and Simonsen, A. (2011) Neurobiol Dis 43, 17-28 5. Bartlett, B. J., Isakson, P., Lewerenz, J., Sanchez, H., Kotzebue, R. W., Cumming, R. C., Harris, G. L., Nezis, I. P., Schubert, D. R., Simonsen, A., and Finley, K. D. (2011) Autophagy 7, 572-583
2010
Mange neurodegenerative sykdommer er karakterisert ved aggregering av sykdomsassosierte proteiner. Vi har nylig vist at autofagi er viktig for å bryte ned skadelige komponenter som proteinaggregater og ødelagte organeller. Økt forståelse av de molekylære mekanismene involvert i autofagi kan derfor føre til nye terapeutiske strategier, sier prosjektleder Anne Simonsen.Autofagi, en prosess hvor cellen bryter ned deler av sitt eget innhold, er en vekstshemmende mekanisme som også er viktig for å holde cellen frisk ved å bryte ned skadelige komponenter i cellen. Vi har nylig vist at autofagi er viktig for å fjerne proteinaggregater assosiert med Huntingtons og Parkinsons sykdom (1). Lite er imidlertid kjent om hvordan slike proteinaggregater gjennkjennes og målstyres for nedbrytning ved autofagi. I et arbeid publisert i det anerkjente tidsskriftet Molecular Cell (1) viste vi at proteinet Alfy (Autophagy Linked FYVE protein) er viktig for degradering av proteinaggregater assosiert med nevrodegenerative sykdommer. Alfy binder både til aggregatene og til proteiner og lipider som er nødvendige for autofagi og fungerer derved som et adaptorprotein mellom de aggregerte proteinene og autofagimaskineriet (1,2) . Vi fant også at økt mengde Alfy kan stimulere degradering av proteinaggregater både i en rotte og bananfluemodell for Huntingtons sykdom (1), noe som kan indikere at regulering av nivåene av Alfy kan ha terapeutisk relevans. Et annet viktig funn i dette arbeidet er at Alfy er spesifikt involvert i fjerning av proteinaggregater og ikke trengs for nedbrytning av cellens cytoplasma når autofagi induseres ved sult. Dette gir ny viten om hvordan ulike typer cargo gjenkjennes for autofag nedbrytning. I et annet viktig arbeid (3) viste vi at autofag nedbrytning av proteineraggregater også er assosiert med kreft. Vi fant at fusjonsproteinet PML (promyelocytic leukemia)-RARA (retinoic receptor alpha), et oncoprotein assosiert med akutt promyelocytic leukemi (APL), befinner seg i en svært aggregert form i cellene og at proteinet kan degraderes ved autofagi. APL er karakterisert ved akkumulering av umodne hvite blodlegemer i blod og benmarg og det er vist at behandling med all-trans-retinoic-acid (ATRA) induserer modning av hvite blodceller. Vi fant at ATRA førte til økt autofagi og derved økt nedbrytning av PML-RARA, og også at økte nivåer av autofagi var assosiert med stimulering av cellemodning. Våre studier gir derfor ny viten som potensielt kan benyttes terapeutisk i behandling av APL pasienter. Referanser 1. Filimonenko, M., Isakson, P., Finley, K. D., Anderson, M., Jeong, H., Melia, T. J., Bartlett, B. J., Myers, K. M., Birkeland, H. C., Lamark, T., Krainc, D., Brech, A., Stenmark, H., Simonsen, A., and Yamamoto, A. (2010) Mol.Cell 38, 265-279 2. Clausen, T. H., Lamark, T., Isakson, P., Finley, K., Larsen, K. B., Brech, A., Overvatn, A., Stenmark, H., Bjorkoy, G., Simonsen, A., and Johansen, T. (2010) Autophagy. 6 3. Isakson, P., Bjoras, M., Boe, S. O., and Simonsen, A. (2010) Blood 116, 2324-2331
2009
Autofagi er en vekstshemmende mekanisme som også er viktig for å holde cellen frisk ved å bryte ned skadelige komponenter i cellen, som proteinaggregater og skadede organeller. Vi har nylig funnet at proteinet ALFY er essensielt for autofag degradering av proteinaggregater, som hvis ikke fjernes kan føre til kreft og ulike nevrodegenerative sykdommer, sier prosjektleder Anne Simonsen.Karakteristisk for mange neurodegenerative sykdommer, som Alzheimer og Parkinson, er en akkumulering av feilfoldede sykdomsassosierte proteiner i pasientenes nerveceller. Også aggregering av tumorsuppressor proteiner er assosiert med kreft. Det er derfor viktig å karakterisere de molekylære mekanismene som er involvert både i aggregat dannelse og aggregat degradering. Vi og andre har nylig funnet at en intracellulær mekanisme kalt autofagi spiller en viktig rolle i fjerning av feilfoldede aggregerte proteiner. Autofagi, som betyr ”selv-spising” på gresk, er en prosess hvor cellen degraderer deler av sitt eget cytoplasma, som kan inneholde protein aggregater og ødelagte organeller. Lite er imidlertid kjent om hvilke molekylære mekanismer som regulerer autofag nedbrytning av protein aggregater. Ved å bruke bananfluen (Drosophila melanogaster) som modellorganisme har vi funnet at det er en nøye sammenheng mellom nivået av autofagi og akkumulering av protein aggregater i fluenes hjerne. Fluer med genetisk redusert autofagi nivå var også vesentlig mer sensitive for oksidativt stress og hadde en halvert levetid. Til vår store glede viste det seg at fluer hvor autofagi nivået var genetisk oppregulert bedre tålte oksidativt stress, ikke utviklet protein aggregater i hjernen og levde inntil 50% lengre enn normale bananfluer. Dette studiet etablerte for første gang en klar sammenheng mellom autofagi, aldring og sykdomsutvikling (Simonsen et al, Autophagy, 2008). Vi har nå vist at proteinet ALFY (Autophagy Linked FYVE protein) er viktig for autofag degradering av protein aggregater assosiert med nevrodegenerative sykdommer (Huntington’s og Parkinson’s) ved å binde både til aggregatene og til proteiner som er nødvendige for autofagi (Høyevarde et al, Autophagy 2010; Filimonenko et al, under revision). Vi fant også at økt mengde ALFY kan stimulere degradering av proteinaggregater både i en rotte og bananflue modell for Huntington’s sykdom (Filimonenko et al, under revision). Det er vist i musemodeller for Huntington’s at sykdommen kan reverseres. Våre studier gir derfor viktig ny viten som potensielt kan benyttes terapeutisk. Referanser Simonsen A., Cumming RC.*, Brech A., Isakson P., Schubert D. and Finley K.D. (2008) Promoting basal levels of autophagy in the nervous system enhances longevity and oxidant resistance in adult Drosophila. Autophagy, 2008 Feb 16;4(2):176-84. Epub 2007 Nov 6. • This paper got the cover picture of the same issue of Autophagy and was commented in ‘Editors’ choice’, Science (2007), 318:1697 Høyevarde T.C., Isakson P., Lamark T., Finley K., Brech A., Øvervatn A., Stenmark H., Bjørkøy G., Johansen T and Simonsen A. (2010) p62/SQSTM1 and Alfy Interact to Facilitate Formation of Ubiquitinated Protein Aggregates that become Degraded by Autophagy, Autophagy 6:3, 1-15, April 1 Filimonenko M, Isakson P., Anderson M., Finley K., Jeong H, Birkeland H.G., Lamark T, Stenmark H, Krainc D, Yamamoto A., Simonsen A Alfy mediates neuroprotection by selective protein accumulation-mediated autophagy (under revision Mol Cell)
Vitenskapelige artikler
Reggiori Fulvio, Komatsu Masaaki, Finley Kim, Simonsen Anne

Selective types of autophagy.

Int J Cell Biol 2012;2012():156272. Epub 2012 aug 21

PMID: 22956958

Mijaljica Dalibor, Nazarko Taras Y, Brumell John H, Huang Wei-Pang, Komatsu Masaaki, Prescott Mark, Simonsen Anne, Yamamoto Ai, Zhang Hong, Klionsky Daniel J, Devenish Rodney J

Receptor protein complexes are in control of autophagy.

Autophagy 2012 Nov;8(11):1701-5. Epub 2012 aug 9

PMID: 22874568

Reggiori Fulvio, Komatsu Masaaki, Finley Kim, Simonsen Anne

Autophagy: more than a nonselective pathway.

Int J Cell Biol 2012;2012():219625. Epub 2012 mai 15

PMID: 22666256

Isakson P, Holland P, Simonsen A

The role of ALFY in selective autophagy.

Cell Death Differ 2013 Jan;20(1):12-20. Epub 2012 jun 1

PMID: 22653340

Knævelsrud Helene, Simonsen Anne

Lipids in autophagy: constituents, signaling molecules and cargo with relevance to disease.

Biochim Biophys Acta 2012 Aug;1821(8):1133-45. Epub 2012 jan 14

PMID: 22269166

Klionsky Daniel J, Baehrecke Eric H, Brumell John H, Chu Charleen T, Codogno Patrice, Cuervo Ana Marie, Debnath Jayanta, Deretic Vojo, Elazar Zvulun, Eskelinen Eeva-Liisa, Finkbeiner Steven, Fueyo-Margareto Juan, Gewirtz David, Jäättelä Marja, Kroemer Guido, Levine Beth, Melia Thomas J, Mizushima Noboru, Rubinsztein David C, Simonsen Anne, Thorburn Andrew, Thumm Michael, Tooze Sharon A

A comprehensive glossary of autophagy-related molecules and processes (2nd edition).

Autophagy 2011 Nov;7(11):1273-94. Epub 2011 nov 1

PMID: 21997368

Bartlett Bryan J, Isakson Pauline, Lewerenz Jan, Sanchez Heriberto, Kotzebue Roxanne W, Cumming Robert C, Harris Greg L, Nezis Ioannis P, Schubert David R, Simonsen Anne, Finley Kim D

p62, Ref(2)P and ubiquitinated proteins are conserved markers of neuronal aging, aggregate formation and progressive autophagic defects.

Autophagy 2011 Jun;7(6):572-83. Epub 2011 jun 1

PMID: 21325881

Yamamoto Ai, Simonsen Anne

Alfy-dependent elimination of aggregated proteins by macroautophagy: can there be too much of a good thing?

Autophagy 2011 Mar;7(3):346-50.

PMID: 21150266

Yamamoto Ai, Simonsen Anne

The elimination of accumulated and aggregated proteins: a role for aggrephagy in neurodegeneration.

Neurobiol Dis 2011 Jul;43(1):17-28. Epub 2010 aug 20

PMID: 20732422

Isakson Pauline, Bjørås Magnar, Bøe Stig Ove, Simonsen Anne

Autophagy contributes to therapy-induced degradation of the PML/RARA oncoprotein.

Blood 2010 Sep;116(13):2324-31. Epub 2010 jun 23

PMID: 20574048

Filimonenko Maria, Isakson Pauline, Finley Kim D, Anderson Monique, Jeong Hyun, Melia Thomas J, Bartlett Bryan J, Myers Katherine M, Birkeland Hanne C G, Lamark Trond, Krainc Dimitri, Brech Andreas, Stenmark Harald, Simonsen Anne, Yamamoto Ai

The selective macroautophagic degradation of aggregated proteins requires the PI3P-binding protein Alfy.

Mol Cell 2010 Apr;38(2):265-79.

PMID: 20417604

Knaevelsrud Helene, Simonsen Anne

Fighting disease by selective autophagy of aggregate-prone proteins.

FEBS Lett 2010 Jun;584(12):2635-45. Epub 2010 apr 20

PMID: 20412801

Clausen Terje Høyvarde, Lamark Trond, Isakson Pauline, Finley Kim, Larsen Kenneth Bowitz, Brech Andreas, Øvervatn Aud, Stenmark Harald, Bjørkøy Geir, Simonsen Anne, Johansen Terje

p62/SQSTM1 and ALFY interact to facilitate the formation of p62 bodies/ALIS and their degradation by autophagy.

Autophagy 2010 Apr;6(3):330-44. Epub 2010 apr 11

PMID: 20168092

Bøe Stig Ove, Simonsen Anne

Autophagic degradation of an oncoprotein.

Autophagy 2010 Oct;6(7):964-5. Epub 2010 okt 19

PMID: 20724820

Simonsen Anne, Tooze Sharon A

Coordination of membrane events during autophagy by multiple class III PI3-kinase complexes.

J Cell Biol 2009 Sep;186(6):773-82.

PMID: 19797076

Doktorgrader
Pauline Isakson

PhD

Disputert:
oktober 2011
Hovedveileder:
Anne Simonsen
Maria Filimonenko

Mechanisms of autophagic protein degradation

Disputert:
desember 2009
Hovedveileder:
Anne Simonsen

eRapport er utarbeidet av Sølvi Lerfald og Reidar Thorstensen, Regionalt kompetansesenter for klinisk forskning, Helse Vest RHF, og videreutvikles av de fire RHF-ene i fellesskap, med støtte fra Helse Vest IKT

Alle henvendelser rettes til eRapport

Personvern  -  Informasjonskapsler