Peroxisomen in Gesundheit und Krankheit

Peroxisomen sind dynamische Organellen, die eine wesentliche Rolle im Fettstoffwechsel, bei der Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies und bei der zellulären Signalübertragung spielen. In Säugerzellen sind sie zudem wichtige Schaltstellen für die Redoxregulation, die Lipidhomöostase, die angeborene Immunität und die antivirale Abwehr. Folglich sind Biogenese und Homöostase des peroxisomalen Proteoms sowie die Kommunikation zwischen Peroxisomen und anderen Organellen entscheidend für zelluläre Funktionen und die Entstehung von Krankheiten.

Ziel unserer Forschung ist es zu verstehen, wie funktionsfähige Peroxisomen gebildet, aufrechterhalten und in das zelluläre Organellennetzwerk integriert werden und wie ihre Fehlfunktion zur Entstehung menschlicher Erkrankungen beiträgt. Wir kombinieren Methoden der subzellulären und strukturellen Proteomik, Zellbiologie, Biochemie mit hochauflösender Massenspektrometrie und computergestützten Ansätzen, um grundlegende Mechanismen der Biogenese, Dynamik und Funktion von Peroxisomen zu untersuchen.

Ein Schwerpunkt unserer Arbeit liegt auf der Peroxisomenbiogenese sowie den Mechanismen des peroxisomalen Matrixproteinimports in Hefe- und Säugerzellen. Diese Proteine werden im Cytosol synthetisiert und anschließend posttranslational in einem rezeptorvermittelten Prozess über Translokationsporen in der peroxisomalen Membran in die Peroxisomen transportiert.

Mithilfe funktioneller Proteomik und biochemischer Methoden haben wir zentrale Komplexe des peroxisomalen Proteinimports charakterisiert und dabei detaillierte Einblicke in ihre Zusammensetzung, Stöchiometrie, Regulation und molekulare Architektur gewonnen. Zu unseren wesentlichen Entdeckungen zählt die Identifizierung des neuen Peroxisomenbiogenesefaktors PEX39, der Rezeptor-Cargo-Komplexe stabilisiert und deren Übergabe an den peroxisomalen Docking- und Translokationsapparat vermittelt. In unserer aktuellen Arbeit kombinieren wir strukturelle Proteomik mit funktionellen Analysen, um die dynamische Assemblierung der Importkomplexe sowie die molekularen Mechanismen des Proteintransports in Peroxisomen aufzuklären.

Darüber hinaus haben wir Proteine in Membrankontaktstellen zwischen endoplasmatischem Retikulum (ER) und Peroxisomen (EPCONs) identifiziert und charakterisiert und einen wichtigen funktionellen Zusammenhang zwischen Organellenkontaktstellen und dem peroxisomalen Lipidstoffwechsel aufgedeckt. In aktuellen Arbeiten untersuchen wir die Funktion bislang unbekannter, dual lokalisierter peroxisomaler Proteine bei der Bildung und Regulation von Kontaktstellen zwischen Peroxisomen und anderen Organellen, insbesondere dem ER und den Mitochondrien.

Ein weiterer Schwerpunkt unserer Forschung ist die umfassende Charakterisierung des peroxisomalen Proteoms des Menschen. Dies stellt nach wie vor eine erhebliche technische Herausforderung dar, da Peroxisomen nur in geringer Zahl in der Zelle vorkommen und zahlreiche peroxisomale Proteine auch in anderen Zellkompartimenten lokalisiert sind, unter anderem im Cytosol, in den Mitochondrien und im ER.

Um diese Herausforderungen zu überwinden, haben wir einen speziell für Peroxisomen optimierten Ansatz der räumlich aufgelösten subzellulären Proteomik entwickelt. Durch die Kombination modernster hochauflösender Massenspektrometrie mit Methoden des maschinellen Lernens können wir die subzelluläre Lokalisation von mehr als 10.000 Proteinen des menschlichen Proteoms bestimmen. Potenzielle peroxisomale Proteine validieren wir mithilfe von Interaktomanalysen, Fluoreszenzmikroskopie und proteinspezifischen funktionellen Assays.

Diese Arbeiten bilden die Grundlage für ein besseres Verständnis der Peroxisomenbiologie in Gesundheit und Krankheit. Derzeit erweitern wir diesen Ansatz, um die Dynamik des menschlichen peroxisomalen Proteoms zu untersuchen und zu verstehen, wie das Fehlen von Peroxisomen das zelluläre Proteom sowie die Proteostase beeinflusst.

Peroxisomen werden zunehmend als wichtige Regulatoren der angeborenen Immunität und der antiviralen Abwehr erkannt. In einem neuen Forschungsschwerpunkt untersuchen wir, wie Virusinfektionen das peroxisomale Proteom umgestalten und die Abundanz von Proteinen sowie deren subzelluläre Lokalisation zellweit verändern.

Unser Ziel ist es, Wirtsproteine zu identifizieren, die während einer Infektion an Peroxisomen rekrutiert oder von diesen verdrängt werden, zu bestimmen, wie sich diese Veränderungen auf den peroxisomalen Stoffwechsel und die antivirale Signalübertragung auswirken, und konservierte von virusspezifischen Mechanismen des Remodelings von Peroxisomen zu unterscheiden.

Durch die Kombination subzellulärer Proteomik und maschinellen Lernens mit funktionellen Analysen erstellen wir zeitaufgelöste Karten der virusinduzierten Remodelings des peroxisomalen und extrap­eroxisomalen Proteoms und gewinnen so neue Einblicke in die Rolle von Peroxisomen bei Virus-Wirt-Interaktionen.