Autophagie und mitochondriale Qualitätskontrolle : Bedeutung für die Alterung des Ascomyceten Podospora anserina

Ziel dieser Dissertation war es, die biologische Rolle der Autophagie für die Entwicklung, Alterung und mitochondriale Qualitätskontrolle in dem Ascomyceten Podospora anserina zu untersuchen. Folgende Ergebnisse wurden dabei erzielt: 1. Der Verlust einer funktionalen Autophagie-Maschinerie ist in P. anserina mit einem Defekt der Sporen-Entwicklung bzw. -Keimung charakterisiert. 2. Es konnten drei Methoden zur Untersuchung der Autophagie in P. anserina etabliert werden: 1) Die Verwendung eines Gfp::PaAtg8-Stamms ermöglicht die Fluoreszenzmikroskopische Bestimmung der Autophagosomen-Anzahl; 2) Die phänotypische Charakterisierung des PaAtg1-Deletionsstamms unter verschiedenen Stressbedingungen (z. B. Stickstoffmangel, Rapamycin) liefert Hinweise auf eine mögliche Autophagie-abhängige Stressadaption; 3) Die Verwendung des „GFPcleavage assays“ ermöglicht einen quantitativen Nachweis genereller und selektiver Autophagie (hier: Mitophagie). 3. In zwei voneinander unabhängigen Experimenten wurde ein altersabhängiger Anstieg der Autophagie für P. anserina demonstriert: Das Autophagie-Niveau nimmt in gealterten P. anserina-Kulturen zu. Gleichzeitig resultiert der Verlust der Autophagie in ∆PaAtg1 in eine reduzierte Lebensspanne. Unter Stressbedingungen (hier: Stickstoffmangel) wird dieser positive Einfluss der Autophagie auf die Lebensspanne im Wildtyp sogar noch verstärkt. 4. Der unerwartet „gesunde“ Phänotyp der PaSod3-Deletionsmutante ist abhängig von einer funktionalen Autophagie-Maschinerie. Der Mitophagie wurde eine besondere Rolle als Kompensationsmechanismus für den Verlust von PaSOD3 zugeteilt, da das Mitophagie-Niveau in dieser Mutante erhöht ist. Am Beispiel dieser Mutante, für die ein erhöhter Superoxid-Ausstoß nachgewiesen wurde, konnte eine Dosis-abhängige Wirkung von ROS in P. anserina identifiziert werden. Eine geringe zelluläre ROSMenge verursacht eine mitohormetische Reaktion, die eine Induktion der Mitophagie zur Folge hat und sich positiv auf den Organismus auswirkt. Übersteigt die zelluläre ROS-Dosis einen kritischen Punkt, kommt es zur Induktion des autophagischen Zelltods und damit zum vorzeitigen Tod des Individuums. 5. Der Verlust der PaCLPXP-Protease führt zu Beeinträchtigungen in der Funktion und Zusammensetzung der mitochondrialen Atmungskette. Dieses Defizit im Energiemetabolismus wird über eine Induktion der AOX, vor allem aber über eine ZUSAMMENFASSUNG 127 gesteigerte Autophagie kompensiert. Die deutlich verlängerte Lebensspanne der verschiedenen PaClpXP-Deletionsmutanten (∆PaClpX, ∆PaClpP und ∆PaClpXP) ist abhängig von einer funktionalen Autophagie-Maschinerie. Interessanterweise konnte keine kompensatorische Funktion der Autophagie oder Mitophagie für den Verlust der mitochondrialen i-AAA-Protease PaIAP in P. anserina nachgewiesen werden. Autophagie/Mitophagie stellt einen übergeordneten Qualitätskontrollmechanismus in P. anserina dar, der den Organismus sehr effektiv vor zellulären Schäden und Dysfunktionen bewahrt und einen positiven Einfluss auf die Alterung, Entwicklung und Energieversorgung einnimmt

Autophagy compensates impaired energy metabolism in CLPXP‐deficient Podospora anserina strains and extends healthspan

The degradation of nonfunctional mitochondrial proteins is of fundamental relevance for maintenance of cellular homeostasis. The heteromeric CLPXP protein complex in the mitochondrial matrix is part of this process. In the fungal aging model Podospora anserina, ablation of CLPXP leads to an increase in healthy lifespan. Here, we report that this counterintuitive increase depends on a functional autophagy machinery. In PaClpXP mutants, autophagy is involved in energy conservation and the compensation of impairments in respiration. Strikingly, despite the impact on mitochondrial function, it is not mitophagy but general autophagy that is constitutively induced and required for longevity. In contrast, in another long-lived mutant ablated for the mitochondrial PaIAP protease, autophagy is neither induced nor required for lifespan extension. Our data provide novel mechanistic insights into the capacity of different forms of autophagy to compensate impairments of specific components of the complex mitochondrial quality control network and about the biological role of mitochondrial CLPXP in the control of cellular energy metabolism

Stress-dependent opposing roles for mitophagy in aging of the ascomycete <i>Podospora anserina</i>

<p>Mitochondrial dysfunction is causatively linked to organismal aging and the development of degenerative diseases. Here we describe stress-dependent opposing roles of mitophagy, the selective autophagic degradation of mitochondria, in aging and life-span control. We report that the ablation of the mitochondrial superoxide dismutase which is involved in reactive oxygen species (ROS) balancing, does not affect life span of the fungal aging model <i>Podospora anserina</i>, although superoxide levels are strongly increased and complex I-dependent respiration is impaired. This unexpected phenotype depends on functional autophagy, particularly mitophagy, which is upregulated during aging of this mutant. It identifies mitophagy as a prosurvival response involved in the control of mitohormesis, the well-known beneficial effect of mild mitochondrial oxidative stress. In contrast, excessive superoxide stress turns mitophagy to a prodeath pathway and leads to accelerated aging. Overall our data uncover mitophagy as a dynamic pathway that specifically responds to different levels of mitochondrial oxidative stress and thereby affects organismal aging.</p

Identification of autophagy as a longevity-assurance mechanism in the aging model <i>Podospora anserina</i>

<div><p>The filamentous ascomycete <i>Podospora anserina</i> is a well-established aging model in which a variety of different pathways, including those involved in the control of respiration, ROS generation and scavenging, DNA maintenance, proteostasis, mitochondrial dynamics, and programmed cell death have previously been demonstrated to affect aging and life span. Here we address a potential role of autophagy. We provide data demonstrating high basal autophagy levels even in strains cultivated under noninduced conditions. By monitoring an N-terminal fusion of EGFP to the fungal LC3 homolog PaATG8 over the lifetime of the fungus on medium with and without nitrogen supplementation, respectively, we identified a significant increase of GFP puncta in older and in nitrogen-starved cultures suggesting an induction of autophagy during aging. This conclusion is supported by the demonstration of an age-related and autophagy-dependent degradation of a PaSOD1-GFP reporter protein. The deletion of <i>Paatg1</i>, which leads to the lack of the PaATG1 serine/threonine kinase active in early stages of autophagy induction, impairs ascospore germination and development and shortens life span. Under nitrogen-depleted conditions, life span of the wild type is increased almost 4-fold. In contrast, this effect is annihilated in the <i>Paatg1</i> deletion strain, suggesting that the ability to induce autophagy is beneficial for this fungus. Collectively, our data identify autophagy as a longevity-assurance mechanism in <i>P. anserina</i> and as another surveillance pathway in the complex network of pathways affecting aging and development. These findings provide perspectives for the elucidation of the mechanisms involved in the regulation of individual pathways and their interactions.</p></div

Erratum to: Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy (3rd edition) (Autophagy, 12, 1, 1-222, 10.1080/15548627.2015.1100356

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