Lysosomen stellen die wichtigsten Zellorganellen zum Abbau von Zellkomponenten dar. Darüber hinaus besitzen sie essenzielle Funktionen bei der Beobachtung der zellulären Nährstoffsituation. Die lysosomale Membran kann z.B. durch oxidativen Stress, Chemikalien oder eindringende Pathogene geschädigt werden, was zu ihrer Permeabilisierung (engl.: Lysosomal membrane permeabilization, LMP) führt. Dies kann fatale Folgen für die Zelle haben. Die Zelle wirkt dieser Stresssituation mit einem speziellen Signalweg (engl.: Endolysosomal Damage Response, ELDR) entgegen, der die Autophagie der geschädigten Lysosomen einleitet (auch Lysophagie genannt).

Ein Merkmal dieser zellulären Antwort ist die extensive Ubiquitinierung von lysosomalen Membranproteinen mit K48- und K63-verknüpften Ubiquitinketten. Neben den vielen wichtigen Elementen von ELDR sticht die Ubiquitin-gesteuerte AAA⁺-ATPase p97 heraus, da sie zusammen mit einem spezifizierten Set aus Kofaktoren zu den K48-Ketten rekrutiert wird. Die Entfernung dieser Ketten durch p97 geschieht in Zusammenarbeit mit der Rekrutierung der Autophagie Proteine, was wiederum von den K63-Ketten vermittelt wird. Diese Geschehnisse initiieren zusammen den autophagischen Abbau der geschädigten Organellen. Obwohl ELDR in den letzten Jahren zu einem wichtigen Forschungsgebiet wurde, ist noch nicht geklärt, welche Enzyme diese speziellen und sehr wichtigen Ubiquitinketten auf geschädigten Lysosomen katalysieren.

In dieser Studie etablierten wir einen systematischen siRNA Screen mit dem Ziel, E2-konjugierende Enzyme zu finden, die für die starke Ubiquitinierung nach den lysosomalen Schäden verantwortlich sind (hier hervorgerufen durch die der lysosomotrophischen Chemikalie L-leucyl-L-leucine methyl ester (LLOMe)). Wir identifizierten UBE2QL1 als E2-Enzym, das hauptsächlich K48-verknüpfte Ubiquitinketten auf lysosomalen Membranen katalysierte. Dementsprechend lokalisierte UBE2QL1 zu den Lysosomen, sobald diese geschädigt wurden. Wir fanden heraus, dass p97 und die Autophagie Proteine nicht länger zu geschädigten lysosomalen Membranen rekrutiert wurden wenn UBE2QL1 mittels siRNA verringert wurde. Das führte zu einem unvollständigen Abbau der Organellen mittels Autophagie. Ebenfalls zeigten wir, dass HeLa während langer Behandlungen mit LLOMe UBE2QL1 zum Überleben benötigten.

Diese Arbeit machte darüber hinaus deutlich, dass UBE2QL1 auch für die lysosomale Homöostase in nicht gestressten Zellen wichtig ist; die Verringerung von UBE2QL1 führte zu LMP, Dissoziation von Mechanistic Target of Rapamycin (mTOR) von der lysosomalen Membran und folglich zur Dephosphorylierung von Transcription Factor EB (TFEB). Dies wird mit der Aktivierung von Genen für die lysosomale Biogenese in Verbindung gebracht. Tatsächlich resultierte dies in einer höheren Anzahl an Lysosomen, was auf eine potenzielle Rolle von UBE2QL1 in Pathologien hinweist, zu deren Merkmalen LMP und die Hochregulierung der lysosomalen Biogenese gehören.

Folglich identifizierten wir hier UBE2QL1 als Schlüsselregulator der Lysophagie und der lysosomalen Homöostase, was maßgeblich zum Verständnis der Signalwege während ELDR beiträgt.

Lysosomes represent the cell’s most important degradative organelles and take over essential functions in sensing the nutrient status. Damaging lysosomal membranes for example by oxidative stress, chemicals or invading pathogens, leads to lysosomal membrane permeabilization (LMP) with fatal consequences for the cells. The cell counteracts this stress situation by the so-called endolysosomal damage response (ELDR) with the ultimate goal to clear damaged lysosomes by autophagy (also called lysophagy).

One hallmark of this response is the extensive ubiquitination of lysosomal membrane proteins with K48 and K63-linked polyubiquitin chains. Among the many critical elements of ELDR, the ubiquitin-directed AAA⁺-ATPase p97 stands out because it is, together with a specified set of co-factors, recruited to K48-linked polyubiquitin on lysosomal membranes. Removal of these ubiquitin chains by p97 occurs in cooperation with the recruitment of the autophagic machinery, which is mediated by K63-chains. Together, this allows for the initiation of the autophagic clearance of the damaged organelles. Although ELDR has become an important research topic over the last years, it has remained unclear what enzymes are involved in building these specific and highly important ubiquitin chains on damaged lysosomes.

In this study, we established a siRNA-based systematic screening approach with the aim to identify E2-conjugating enzymes responsible for the vigorous ubiquitination in response to lysosomal damage (in this case induced by the lysosomotropic chemical L-leucyl-L-leucine methyl ester (LLOMe)). We identified UBE2QL1 to drive mainly K48-linked ubiquitination on lysosomal membranes. Correspondingly, UBE2QL1 translocated to lysosomes upon damage induction. We found that upon siRNA-mediated depletion of UBE2QL1, p97 and proteins of the autophagic machinery were no longer recruited to damaged membranes, leading to inefficient autophagic clearance. In line with this, UBE2QL1 was also required for HeLa cells to survive long treatments with LLOMe.

Furthermore, this work showed that UBE2QL1 is also important for lysosomal homeostasis in otherwise unchallenged cells, as its depletion led to LMP, dissociation of Mechanistic Target of Rapamycin (mTOR) from lysosomal membranes and consequent Transcription Factor EB (TFEB) dephosphorylation, which is associated with activation of genes for lysosomal biogenesis. Indeed, this resulted in a higher number of lysosomes. This indicates a potential role for UBE2QL1 in pathologies with LMP and upregulated lysosome biogenesis as hallmarks.

Thus, we identified UBE2QL1 as a key regulator of lysophagy and lysosomal homeostasis and this contributes majorly to the understanding of the signaling processes during ELDR.