A Role for Tunneling Nanotubes in Autophagy

Abstract

Die Dissertation ist gesperrt bis zum 28. Juni 2026 !

Autophagy is a mechanism of clearance, through which cytoplasmic material is stochastically engulfed in a double membrane vesicle, named autophagosome, and degraded upon fusion with lysosomes. Four crucial players in autophagosome formation are the WIPI proteins, from WIPI1 to WIPI4, which participate in phagophore initiation, elongation, and closure. Interestingly, lysosomes and double membrane vesicles have been observed to travel intercellularly via Tunneling Nanotubes (TNTs), structures capable of mediating long-distance cytoplasmic exchange between cells. Both autophagy and TNTs have been linked to human health conditions such as cancer and neurodegeneration. This study aimed to investigate on the intersection between autophagy and TNTs, which so far remained to be unraveled. Here, the traffic of autophagic membranes, decorated with WIPI proteins, via TNTs was observed. Moreover, this study revealed that modulation of autophagy levels also modulates the formation of TNTs, as well as the transfer of autophagic membranes from one cell to the other through TNTs. Following the concepts of TNT intercellular communication, the present study also demonstrated TNT-mediated transfer of mitochondria in vitro, as well as mitochondria in association with the autophagy marker LC3. Furthermore, the transfer of ferritin and its autophagic cargo receptor, NCOA4, via TNTs was visualized, and quantitative assessments revealed that iron overload can enhance TNT-mediated intercellular traffic of ferritin. Finally, the presence of TNTs in liver cancer cell lines was observed, and in this context, it was found that the interaction partner of WIPI proteins, NUDC, is important for TNT formation. Surprisingly, WIPI1 itself was uncovered as a novel player in TNT biogenesis. In summary, imaging and image processing techniques were employed to dynamically visualize TNT structures, and to identify the traffic of autophagic membranes, mitochondria, and ferritin between different types of cells in vitro. A role for TNTmediated intercellular communication as a compensatory mechanism is discussed.

Autophagie ist ein Clearance-Mechanismus, durch den zytoplasmisches Material stochastisch in einem Doppelmembranvesikel, dem sogenannten Autophagosom, eingeschlossen und bei der Fusion mit Lysosomen abgebaut wird. Vier entscheidende Akteure bei der Bildung von Autophagosomen sind die WIPI-Proteine, von WIPI1 bis WIPI4, die an der Initiierung, Verlängerung und Schließung von Phagophoren beteiligt sind. Interessanterweise wurde beobachtet, dass sich Lysosomen und Doppelmembranvesikel interzellulär über Tunnelnanoröhren (TNTs) bewegen, Strukturen, die den zytoplasmatischen Austausch über große Entfernungen zwischen Zellen vermitteln können. Sowohl Autophagie als auch TNTs wurden mit menschlichen Gesundheitszuständen wie Krebs und Neurodegeneration in Verbindung gebracht. Ziel dieser Studie war es, die Schnittstelle zwischen Autophagie und TNTs zu untersuchen, die bisher noch ungeklärt ist. Dabei wurde der Transport von mit WIPI-Proteinen dekorierten autophagischen Membranen über TNTs beobachtet. Darüber hinaus ergab diese Studie, dass die Modulation des Autophagieniveaus auch die Bildung von TNTs sowie die Übertragung autophagischer Membranen von einer Zelle zur anderen durch TNTs moduliert. Den Konzepten der interzellulären TNT-Kommunikation folgend, zeigte die vorliegende Studie auch den TNT-Transfer von Mitochondrien in vitro sowie von Mitochondrien in Verbindung mit dem Autophagie-Marker LC3. Darüber hinaus wurde die Übertragung von Ferritin und seinem autophagischen Frachtrezeptor NCOA4 über TNTs visualisiert, und quantitative Bewertungen ergaben, dass eine Eisenüberladung den TNT-vermittelten interzellulären Verkehr von Ferritin verstärken kann. Schließlich wurde das Vorhandensein von TNTs in Leberkrebszelllinien beobachtet und in diesem Zusammenhang festgestellt, dass der Interaktionspartner der WIPI-Proteine, NUDC, für die TNT-Bildung wichtig ist. Überraschenderweise wurde WIPI1 selbst als neuartiger Akteur in der TNT-Biogenese entdeckt. Zusammenfassend wurden Bildgebungs- und Bildverarbeitungstechniken eingesetzt, um TNT-Strukturen dynamisch zu visualisieren und den Verkehr von autophagischen Membranen, Mitochondrien und Ferritin zwischen verschiedenen Zelltypen in vitro zu identifizieren. Eine Rolle der TNT-vermittelten interzellulären Kommunikation als Kompensationsmechanismus wird diskutiert.