Systemorientierte Immunologie und Entzündungsforschung

Dass der Tod Leben retten kann, ist zwar eine Binsenweisheit, für komplexe Organismen steckt dahinter jedoch ein wichtiger Schutzmechanismus. Apoptose heißt das „Selbstmordprogramm“ mit dem verletzte, alte, mutierte oder gefährliche Zellen in Geweben ausgeschaltet werden. Aber dieses Selbstmordprogramm kann auch von Krankheitserregern missbraucht werden – oder es kann außer Kontrolle geraten. Lesen Sie, wie Wissenschaftler in einer gemeinsamen Forschergruppe des Instituts für Molekulare und Klinische Immunologie der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg und des HZI den programmierten Zelltod verstehen und nutzen wollen.

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Saureus in 3T3

Apoptose kann über sogenannte Todesrezeptoren, eine Subgruppe der Tumornekrosefaktor (TNF)-Rezeptor-Superfamilie ausgelöst werden. Ein prototypisches Mitglied dieser Familie ist der CD95 Rezeptor, der auch als APO-1 oder Fas bekannt ist.

CD95 spielt eine wichtige Rolle bei einer Reihe von immunologischen Prozessen, wie zum Beispiel der T-Zell-vermittelten Immunantwort, aber auch bei der Entstehung von Tumoren. Seit Jahren untersucht meine Arbeitsgruppe, wie CD95-induzierte Apoptose in Immun- und Tumorzellen reguliert wird. Hier liegt ein besonderes Augenmerk auf dem Molekül c-FLIP, das Todesrezeptor-vermittelte Apoptose inhibieren kann.

Ein kritischer Aspekt für Immunzellen ist die Fähigkeit zur Unterscheidung von körpereigenen und körperfremden Strukturen. Autoreaktive Zellen, die zur Entstehung von Autoimmunerkrankungen wie der Multiplen Sklerose oder dem Typ-1-Diabetes führen können, werden über den Prozess der „negativen Selektion“ dem programmierten Zelltod (Apoptose) überantwortet. Bei unseren Untersuchungen zum Genexpressionsprofil von Thymozyten während der negativen Selektion haben wir zwei interessante Gene identifiziert, IkBNS und Gadd45b, die Regulatoren des NF-kB Signalweges bzw. der MAP Kinasen darstellen und die wir näher untersuchen wollen.

CD95 Signalransduktion – Regulation durch c-FLIP

Es wurden zwei Hauptsignalwege der Apoptose beschrieben, die als extrinsischer und intrinsischer Signalweg bezeichnet werden. Der intrinsische oder mitochondriale Signalweg wird durch die Mitglieder der Bcl-2-Familie reguliert. Der extrinsische Signalweg dagegen wird durch sogenannte Todesrezeptoren, die eine Untergruppe der TNF-Rezeptor-Superfamilie darstellt, initiiert. Nach Bindung des entsprechenden Liganden oligomerisieren diese Todesrezeptoren und rekrutieren die Signalmoleküle FADD, Pro-Caspase-8 und Pro-Caspase-10 in den sogenannten DISC (death-inducing signaling complex). Am DISC werden die Initiator-Caspasen (Caspase-8 und -10) durch Dimerisierung aktiviert, was eine intrazelluläre Kaskade initiiert, die schließlich zur Zerstörung der Zelle führt. Diese Aktivierung der Initiator-Caspasen kann durch FLIP (FLICE-inhibitory protein) inhibiert werden, von dem neben viralen Homologen drei zelluläre Isoformen in humanen Zellen beschrieben wurden, die c-FLIPlong, c-FLIPshort und c-FLIPR genannt werden.

Unsere Arbeiten in der Vergangenheit haben wesentlich dazu beigetragen, den biochemischen Mechanismus der Apoptose-Inhibition durch c-FLIP Proteine aufzuklären. Im Besonderen haben wir uns mit der Frage befasst, wie die Resistenz und Sensitivität von primären humanen T-Zellen gegenüber CD95-vermittelter Apoptose vermittelt wird. Hier konnte gezeigt werden, dass die Resistenz von kurzzeit-aktivierten T-Zellen auf mehreren Ebenen reguliert wird, nämlich auf der Ebene der DISC-Bildung sowie der Expression der anti-apoptotischen Proteine Bcl-xL und c-FLIPshort, wohingegen c-FLIPlong eine untergeordnete Rolle spielt. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass c-FLIP in T-Zellen v.a. durch den NFAT Signalweg induziert wird, was sich durch Cyclosporin A oder FK506 inhibieren lässt. Die Entwicklung von spezifischen c-FLIP Inhibitoren könnte zu besseren Immunsuppressiva führen, die eine geringere Toxizität aufweisen als beispielsweise Cyclosporin A. Um die bislang am schlechtesten charakterisierten Isoform, c-FLIPR, näher zu untersuchen, haben wir das Maus-Homolog kloniert und eine detailierte Struktur-Funktion-Analyse durchgeführt. Mit Hilfe von Punkt- und Deletionsmutanten konnten wir zeigen, dass trotz einer bestechenden Strukturhomologie mit den viralen FLIP Proteinen, die zellulären FLIPs einen eigenen Mechanismus aufweisen. Schließlich haben wir im humanen c-FLIP Gen einen Polymorphismus identifiziert, der determiniert, ob eine Zelle c‑FLIPshort oder c-FLIPR exprimiert. Dabei wird letzteres wesentlich schlechter translatiert, was vermuten läßt, dass c-FLIPR schlechter Apoptose inhibieren könnte. Überraschenderweise ist aber das c-FLIPR Allel gehäuft in Patienten mit Follikulärem Lymphom zu finden. Die Funktion der verschiedenen c-FLIP Isoformen im Immunsystem und bei der Tumorgenese wollen wir in Zukunft weiter aufschlüsseln.

IkBNS – ein ungewöhnlicher Inhibitor von NF-kB

IêBNS gehört zur Familie der Inhibitoren des Transkriptionsfaktors NFκB und ist bisher nur wenig charakterisiert. Es unterscheidet sich aber in einigen wesentlichen Punkten vom prototypischen Inhibitor IêBá, da es (1) induzierbar ist, (2) ein nukleäres Protein ist, (3) nicht durch Phosphorylierung für den proteolytischen Abbau markiert wird und (4) neben einer inhibitorischen wahrscheinlich auch eine aktivierende Wirkung auf NFêB haben kann.

Wir haben Histondeacetylasen (HADCs) als neue Bindungspartner von IêBNS identifiziert und charakterisieren diese Interaktion zur Zeit. Da HDACs über Chromatinkondensation eine wichtige Rolle in der epigenetischen Regulation der Genexpression spielen, die bei einer Reihe von Erkrankungen dereguliert ist, soll in Zukunft untersucht werden, ob und wie IêBNS Chromatinmodifikationen beeinflussen kann. Die Rekrutierung von HDACs über IêBNS an das Chromatin könnte ein Mechanismus sein, wie dieses IêB Molekül Transkription inhibiert. In diesem Zusammenhang sollen in Zukunft auch Zielgene von IêBNS identifiziert werden. Weiterhin untersuchen wir die Rolle von IêBNS bei der Differenzierung von T-Helfer-Zellen.

Gadd45b – ein Regulator von MAP Kinasen in Apoptose und Autophagie

Immunfluorecence
Immunfluorecence

In einer globalen Suche nach Genen, die an der negativen Selektion von T-Zellen im Thymus beteiligt sind, haben wir mittels DNA-Array-Technologie das Gen Gadd45b identifiziert. Die starke Induktion von Gadd45b durch den T-Zell-Rezeptor haben wir mittlerweile in mehreren in vitro und in vivo Modellen bestätigen können.

Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass das Gadd45b Protein eine Signalkaskade anschaltet, die letztlich zu einer lang anhaltenden Aktivierung der MAP Kinase p38 führt. Diese Kinase spielt eine wichtige Rolle bei Entzündungsprozessen, aber auch beim programmierten Zelltod.

Für die Aufklärung der physiologischen Funktion des Gadd45b Gens steht uns eine Gadd45b knock-out Maus zur Verfügung, mit deren Hilfe wir die Funktion des Gadd45b Proteins in vivo untersuchen können. Darüber hinaus wurde damit begonnen, ein transgenes Mausmodell zu etablieren, in dem das Gadd45b Gen gewebsspezifisch an- und ausgeschaltet werden kann. Schließlich haben wir beobachtet, dass Gadd45b in NIH/3T3 Zellen Autophagie, einen lysosomalen Signalweg zum Abbau langlebiger Proteine und Organelle, beeinflusst.

Interessanterweise kann Autophagie sowohl zum Überleben einer Zelle beitragen, als auch zu einem nicht-apoptotischen Zelltod führen. Die molekularen Mechanismen zwischen dem Gadd45b-Signalweg und der Autophagie sollen in Zukunft untersucht werden.

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