Identifizierung molekularer Mechanismen der Signaltransduktion und Genexpression proinflammatorischer Zytokine

Hintergrund
Akute und chronische Entzündungen - wie z.B. die rheumatoide Arthritis - spielen klinisch-therapeutisch und auch volkswirtschaftlich eine wichtige Rolle. Man schätzt, dass 10% der Weltbevölkerung eine chronisch-entzündliche Erkrankung bekommen, davon allein 1% eine rheumatoide Arthritis. In den letzten 25 Jahren gab es weltweit erhebliche Forschungsanstrengungen, die zu faszinierenden neuen Einblicken in die pathophysiologischen Mechanismen von Entzündungsreaktionen und zur Entwicklung neuer Medikamente (s.u.) geführt haben. In diesem Zusammenhang kam der Entdeckung der proinflammatorischen Zytokine Interleukin-1 (IL-1) und Tumor Nekrose Faktor (TNF) eine wegweisende Rolle zu. Mittlerweile ist die Bedeutung von IL-1 und TNF bei der Pathogenese von chronisch entzündlichen Erkrankungen unbestritten, erkennbar auch daran, dass mit löslichen TNF Rezeptoren (Enbrel), anti TNF Antikörpern (Infliximab, Adalimumab) und IL-1 Rezeptor Antagonisten (Anakinra) die ersten Medikamente zur extrazellulären Blockade dieser Zytokine auch in Deutschland zugelassen sind. Diese Medikamente ermöglichen eine wesentlich bessere Kontrolle von krankheitsaktiven Phasen. Sie sind zudem eine wichtige Alternative oder Ergänzung zu den Glukokortikoiden. Trotzdem gibt es bis heute keine Medikamente, die dauerhaft oder spezifisch eine Heilung chronisch-entzündlicher Erkrankungen bewirken. Die meisten der verwendeten Substanzgruppen haben zudem häufig schwere Nebenwirkungen. Es besteht daher nach wie vor ein intensiver Bedarf an der Erforschung krankheitspezifischer Mechanismen von entzündlichen Erkrankungen. Der biochemischen, molekularbiologischen und zellbiologischen Grundlagenforschung fallen hierbei zweierlei wichtige Aufgaben zu: die eine bei der systematischen Aufklärung der molekularen Mechanismen dieser Erkrankungen und die andere - und damit unmittelbar verknüpft - bei der Identifizierung extra- und intrazellulärer Zielstrukturen, die sich für neue therapeutische Ansätze eignen.

In der Lehre unterrichten wir u.a. die komplexen Wirkmechanismen und die evidenzbasierte Anwendung aller heutzutage verwendeter antientzündlicher Medikamente.

Bei unseren Forschungsarbeiten fokussieren wir uns dagegen auf bestimmte, unverstandene Aspekte der Signaltransduktion von Interleukin-1 (aber auch TNF und anderen Stressstimuli), die insbesondere eine Rolle bei der zellulären Expression von weiteren Entzündungsgenen spielen. Hierbei arbeiten wir zur Zeit schwerpunktmässig in Zellkulturmodellen mit biochemischen, molekuarbiologischen, zellbiologischen und bioinformatischen Methoden.

Schematische Darstellung der Aspekte der IL-1 Signaltransduktion, die wir zur Zeit bearbeiten

IL-1 Rezeptoren (IL-1R) werden als Heterodimere auf den meisten Körperzellen konstitutiv exprimiert. Dagegen werden die agonistischen Liganden (IL-1 a und IL-1 b ) im Rahmen einer Entzündungsreaktion von Zellen des unspezifischen Immunsystems (z.B. Monozyten, Makrophagen) neu gebildet. Bindung von IL-1 a oder IL-1 b an den IL-1R induziert sodann über hier nicht gezeigte Protein:Protein Wechselwirkungen und rezeptorproximale Adaptorproteine und Proteinkinasen (MYD88, IRAK1-4, Tollip) innerhalb von 2-10 Minuten die Ausbildung eines oligomeren Signaltransduktionskomplexes, der aus dem Adaptorprotein TRAF6, der Proteinkinase TAK1 und den TAK1-interagierenden Proteinen TAB1-TAB3 besteht. TRAF6 hat hierbei Ubiquitinligaseaktivität, wobei die quervernetzten Ubiquitinketten Protein:Proteinwechselwirkungen mit weiteren Effektoren in der Signalkette stabilisieren (für ein Beispiel siehe hier: pdf.) . TAK1 und TAB1-TAB3 werden IL-1-abhängig reversibel phosphoryliert. Für ein experimentelles Beispiel der schnellen IL-1-abhängigen Aktivierung dieses Signalkomplexes siehe hier pdf. . Mit zeitlicher Verzögerung werden sodann innerhalb von 10-30 Minuten die MAP Kinasen JNK, p38 und ERK (hier nicht gezeigt) und der NF-kappaB Signalweg aktiviert (für ein Beispiel siehe hier: pdf. ). JNK phosphoryliert und aktiviert Transkriptionsfaktoren aus der AP-1 Familie wie z.B. c-Jun ( pdf. ). Zellen, denen JNK oder c-Jun fehlen, zeigen starke Defekte in der Regulation IL-1-abhängiger Gene ( pdf. ). NF-kappaB ist ein komplex regulierter Transkriptionsfaktor, der in seiner inaktiven Form im Cytosol verankert ist und nach IL-1 Aktivierung in den Zellkern transloziert, um an spezifische NF-kappaB Bindungsstellen in den regulatorischen Bereichen (Promotoren und Enhancern) von vielen entzündungsrelevanten Genen zu binden. Für ein Beispiel der IL-1-abhängigen NF-kappaB Bindung an den IL-8 Promoter siehe hier pdf. . Für eine Übersichtsabbildung der IL-8 Generegulation siehe hier ( pdf., pdf. ). Für unsere Ansätze, bei denen wir genomweite Effekte von IL-1 untersuchen, siehe die Darstellung eines Mikroarray Experimentes ( pdf., pdf. ). Vor kurzem konnten wir zeigen, dass JNK/c-Jun und NF-kappaB spezifische, an Chromatin assoziierte Protein:DNA Komplexe ausbilden. In diesen Komplexen sind bestimmte Histondeacetylasen (z.B.HDAC3) enthalten. Die genaue Rolle dieser Komplexe bei der Regulation der zellulären IL-1 Antwort ist noch unverstanden, vermutlich findet auf dieser distalen Ebene im Zellkern eine verfeinerte Umsetzung des IL-1 Signals über komplexe Veränderungen der Chromatinstruktur statt.

Abkürzungen: IL-1R, interleukin-1 receptor; TRAF, TNF-receptor-associated factor; TAK1, TGF b -activated protein kinase 1; TAB1/2, TAK1-binding protein1/2; MKK4/7, MAP kinase kinase 4/7; JNK, Jun-N-terminal kinase; NF-kappaB, nuclear factor kappa B; HDAC, histon deacetylase; Pol II, RNA polymerase II; PIC; preinitiation complex; P, phosphorylation; Ac, acetylation.

Zur Zeit bearbeitete Fragestellungen und Projekte ....