1 Einleitung

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Pathogene werden von einem Organismus als fremd erkannt und durch das Immunsystem effizient bekämpft. Zur Einleitung der Immunantwort exprimieren Immunzellen Pathogen-aktivierbare Oberflächenrezeptoren, die das zellexterne Signal über zahlreiche zytosolische Regulationsstufen an eine Vielzahl von Transkriptionsfaktoren weitergeben. Diese aktivieren im Zellkern ein breites Spektrum von Zielgenen und befähigen dadurch den Organismus zu einer gezielten Abwehrreaktion. Einer der Signal-induzierbaren Transkriptionsfaktoren,
NF-κB („Nuclear Factor κB”), spielt bei den Prozessen zur Steuerung der Immunantwort eine zentrale Rolle. Rezeptor-vermittelte Aktivierung von NF-κB führt zur Transkription einer großen Zahl unterschiedlicher Zielgene wie Zytokine, Chemokine, Adhesionsmoleküle, Akute-Phase Proteine und anderer induzierbarer Effektorenzyme. Viele der Zielgene selbst übernehmen bei der Immunantwort wichtige Funktionen, da sie die Migration, Maturation und Proliferation von Immunzellen regulieren [Ghosh et al, 1998].

Fehlregulation der NF-κB-Signalkaskade kann zu chronischen Entzündungen wie Arthritis, Asthma oder anderen Autoimmunkrankheiten führen. Weiterhin wurde unkontrollierte
NF-κB-Aktivierung mit der Entstehung von Neoplasien in Verbindung gebracht. Vor dem Hintergrund therapeutischer Strategien zur Bekämpfung dieser Krankheiten besteht Interesse an der detaillierten Aufklärung der komplexen Regulationsmechanismen, die zur Modulierung der NF-κB-Aktivität in Immunzellen beitragen.

1.1  Molekulare Grundlagen der NF-κB-Aktivierung

1.1.1  Die NF-κB-Familie

Die Familie der NF-κB Transkriptionsfaktoren wird von fünf strukturell verwandten Proteinen in Säugern gebildet, RelA (p65), RelB, c-Rel, NF-κB1 (p105/p50) und NF-κB2 (p100/p52), deren gemeinsames strukturelles Merkmal die N-terminale „Rel Homology“-Domäne (RHD) ist (Abbildung 1.1). Über dieses Multifunktionsmotif können die unterschiedlichen Faktoren Homo- und Heterodimere bilden und im Zellkern an spezifische Promotor-Sequenzen von Zielgenen binden [May und Ghosh, 1998].

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Abbildung 1.1 Übersicht zur Familie der NF-κB/IκB Proteinfamilie. Charakteristisches Merkmal der NF-κB Transkriptionsfaktoren ist die „Rel Homology“-Domäne (RHD), welche für DNA-Bindung und Dimerisierung der Rel-Faktoren untereinander verantwortlich ist. Die Transaktivierungsdomäne (TAD) wird für die Aktivierung der Transkription nach DNA-Bindung benötigt. Die inhibitorischen IκB-Proteine binden über die „Ankyrin Repeat“–Domäne (ARD) an den C-terminalen Teil der RHD und verhindern den Kernimport der Rel-Faktoren durch Maskierung des Kernlokalisierungssignals. Innerhalb der „Signal Response“-Domäne (SRD) liegen Phosphoakzeptorstellen, die für die IκB-basierte Regulation von NF-κB von essentieller Bedeutung sind. p100 und p105 bilden Vorläufermoleküle, die proteolytisch zu p50 und p52 prozessiert werden. Wichtige zytosolische IκBs sind IκBα, IκBβ und IκBε, bei MAIL und Bcl3 handelt es sich um nukleäre IκBs.

In der Regel reicht für Transkriptionsaktivierung durch NF-κB die DNA („Desoxyribonucleic Acid“)-Bindung eines Dimers allein nicht aus. Einer der beteiligten Faktoren muss zusätzlich eine Transaktivierungsdomäne (TAD) besitzen, die nur p65, RelB und c-Rel im C-terminalen Bereich aufweisen [Hannink und Temin, 1989]. Daher zeigen ausschließlich Dimere mit einem dieser drei Faktoren transkriptionelle Aktivität [Bull et al, 1994; Schmitz et al 1994]. p50 und p52 hingegen wirken als Homodimere inhibitorisch, als Heterodimer mit p65, RelB oder c-Rel wiederum bilden sie potente Transkriptionsaktivatoren [Plaksin D, 1993].

Die „Ankyrin Repeat“-Domäne ist das gemeinsame Merkmal der NF-κB-Inhibitorproteine, den IκBs („Inhibitors of NF-κB“, IκBs). Diese interagieren über die ARD mit der RHD der NF-κB. Durch die Wechselwirkung wird der Kerneintritt von NF-κB reguliert, da die IκBs neben des DNA-bindenden Bereichs auch die Kernlokalisierungssequenz der RHD maskieren [Hatada et al, 1993; Siebenlist et al, 1994]. Die wichtigsten Inhibitorproteine stellen die zytosolischen IκBs IκBα, IκBβ und IκBε dar. Im Zellkern greifen zusätzlich die nukleären IκBs MAIL („Molecule Possessing Ankyrin Repeats Induced By Lipopolysaccharide“) und Bcl3 („B-Cell Chronic Lymphocytic Leukemia/Lymphoma Associated 3”) in die Regulation der NF-κB-Aktivität ein [Haskill et al, 1991; Wulczyn et al, 1992; Zhang et al, 1994; Thompson et al, 1995; Whiteside et al, 1997; Kitamura et al, 2000]. Bei p100 und p105 handelt es sich um Vorläufermoleküle, die N-terminale RHD und C-terminale ARD in einem Protein vereinen und proteolytisch zu p50 und p52 prozessiert werden [Fan und Maniatis, 1991; Palombella et al, 1994; Betts et al, 1996; Xiao et al, 2001; Mordmüller et al, 2003].

1.1.2 Der Mechanismus der NF-κB-Aktivierung

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In Säugerzellen führt die Aktivierung des kanonischen NF-κB Signalweges in der Regel zur Zielgen-Regulation durch p65/p50- oder c-Rel/p50-Heterodimere. In Abwesenheit externer Stimuli befindet sich der Hauptteil der NF-κB-Dimere gebunden von IκBs inaktiv im Zytoplasma (Abbildung 1.2) [Baldwin, 1996]. Nach zellulärer Stimulation phosphoryliert ein hochmolekularer, aus mehreren Untereinheiten bestehender Proteinkomplex, der IκB-Kinasekomplex (IKK), die IκBs [Brockman et al, 1995; Brown et al, 1995]. Die Phosphorylierung wiederum dient als Signal zur Polyubiquitinierung der IκBs durch die E3-Ubiquitin-Ligase SCFβ -TrCP („Skp1/Cul1/F-Box-Protein“, „β-Transducin Repeat Containing Protein“) und zieht deren proteosomalen Abbau nach sich [Rodriguez et al, 1996; Yaron A et al, 1998; Spencer et al, 1999]. Hierdurch wird die Kernlokalisierungssequenz von NF-κB zugänglich und transkriptionsaktive Heterodimere translozieren in den Zellkern, um dort spezifische Zielgene zu aktivieren. Die Tatsache, dass bei kanonischer Aktivierung von NF-κB auf einen ruhenden zytoplasmatischen Proteinvorrat zurückgegriffen und keine de novo Proteinsynthese benötigt wird, ermöglicht eine extrem schnelle Übertragung extrazellulärer Information.

Kürzlich wurde ein alternativer Signalweg zur Aktivierung von NF-κB identifiziert, der durch Signal-induzierte Prozessierung von p100 die Bildung transkriptionsaktiver RelB/p52-Heterodimere bewirkt und wichtige Funktionen bei längerfristigen Entwicklungs- und Differenzierungsprozessen ausübt [Senftleben et al, 2001; Bonizzi et al, 2004; Bonizzi und Karin, 2004]. Allerdings spielt der alternative Signalweg aufgrund verzögerter Kinetik in dieser Arbeit keine Rolle, sodass im Folgenden ausschließlich auf kanonische Signalübertragung Bezug genommen wird.

Abbildung 1.2 Mechanismus der kanonischen Signal-induzierten NF-κB-Aktivierung. Schematische Abbildung zur Verdeutlichung der zentralen Rolle des IKK-Komplexes bei der kanonischen NF-κB-Aktivierung. Eine Vielzahl extrazellulärer Stimuli führt zur Aktivierung dieses zytoplasmatischen Kinasekomplexes, der daraufhin die NF-κB-bindenden IκB-Inhibitorproteine phosphoryliert. Dies initiiert die Ubiquitin (Ubi)-vermittelte, proteosomale Degradation der IκBs, wodurch transkriptionsaktive NF-κB-Dimere freigegeben werden und in den Zellkern translozieren, um die Transkription spezifischer Zielgene in Gang zu setzen.

1.1.3 Der IKK-Komplex

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Alle bisher bekannten Rezeptor-vermittelten NF-κB-Signalkaskaden konvergieren auf der Ebene des IKK-Komplexes, der daher eine der wichtigsten Schaltstellen bei der Aktivierung von NF-κB darstellt. Die zentralen Bestandteile dieses Komplexes sind die Untereinheiten IKKα, IKKβ und IKKγ [Mercurio et al, 1997; DiDonato et al, 1997; Krappmann et al, 2000]. Bei IKKα und IKKβ stimmen 52% der Gesamtproteinsequenz und 65% der Proteinsequenz der katalytischen Domänen überein. Diese Untereinheiten beinhalten die Kinase-Domänen zur Substrat-spezifischen Phosphorylierung der IκBs, wobei IKKβin vitro die stärkere Kinase ist als IKKα [Zandi et al, 1997]. Im Falle von IKKγ handelt es sich um eine regulatorische Komponente des Komplexes ohne enzymatische Aktivität, die keine strukturellen Ähnlichkeiten zu IKKα und IKKβ aufweist, aber für die Aktivierung von NF-κB unerlässlich ist. [Yamaoka et al, 1998; Rothwarf et al, 1998].

Sowohl IKKα als auch IKKβ besitzen in der N-terminalen Kinase-Domäne eine Aktivierungsschleife, die das Aminosäuremotif SLCTS beinhaltet (Abbildung 1.3). Phosphorylierung der beiden Serine innerhalb dieser konservierten Sequenz führt zur Aktivierung der Kinasen [Mercurio et al, 1997]. Im mittleren Teil der Proteine befindet sich eine „Leucin-Zipper“-Domäne, die zur Dimerisierung der Proteine benötigt wird, während im äußersten C-terminalen Bereich die IKKγ-Interaktionsstelle liegt (Abbildung 1.3) [Zandi et al, 1998; May et al, 2000].

Die stöchiometrische Zusammensetzung des ca. 900 kD großen Komplexes ist noch nicht eindeutig geklärt. Aufgrund von Analysen rekombinanter Proteine und Komplexrekonstitution in Hefen wurden stöchiometrisch äquivalente Mengen der Komponenten IKKα, IKKβ und IKKγ vorgeschlagen [Miller und Zandi, 2001]. Die Daten neuerer Studien deuten an, dass ein IKKγ-Tetramer vier katalytisch aktive Untereinheiten bindet [Tegethoff et al, 2003].

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Abbildung 1.3 Domänenstruktur von IKKα und IKKβ. Phosphorylierung innerhalb der Aktivierungsschleife der Kinase-Domäne (KD) aktiviert IKKα und IKKβ. Die „Leucin-Zipper“ (LZ)-Domäne vermittelt Dimerisierung. Über den äußersten C-terminalen Teil der Proteine wird IKKγ, die regulatorische Untereinheit des IKK-Komplexes, gebunden („IKKγ Binding Domain“). Obwohl die „Helix-Loop-Helix“ (HLH)-Domäne zur Aktivierung benötigt wird, ist ihre genaue Funktion unbekannt.

1.2 Die Rolle von NF-κB bei der Steuerung der angeborenen Immunantwort

Der Körper ist einem permanenten Angriff infektiöser Mikroorganismen ausgesetzt, doch nur selten kommt es zu einer schwerwiegenden Erkrankung. Durch die Entwicklung des Immunsystems sind Wirbeltiere in der Lage, pathogene Mikroorganismen wie Viren, Bakterien, Pilze und Parasiten zu erkennen und wirkungsvoll zu bekämpfen. Dabei lassen sich die Abwehrprozesse zwei Kategorien zuteilen, der angeborenen und der adaptiven Immunantwort. Die Fähigkeit zum Aufbau einer primären Verteidigungsreaktion, die bereits in den ersten Minuten nach der Infektion eingeleitet wird, geht auf Keimbahn-kodierte Erbinformation zurück. Immunzellen erkennen über „Pattern Recognition“-Rezeptoren (PRR) konservierte Oberflächenmerkmale („Pathogen Associated Microbial Patterns“, PAMPs) oder Stoffwechselprodukte von Pathogenen und leiten eine wirkungsvolle, aber recht unspezifische erste Abwehrreaktion ein [Janeway und Medzhitov, 2002].

1.2.1  Die proinflammatorische Wirkung von NF-κB

Ursprünglich wurde NF-κB in reifen B-Zellen als ein nukleärer Faktor beschrieben, der die Transkription der Immunglobulin-κ—Leichtkette reguliert [Sen und Baltimore, 1986]. Schnell stellte sich heraus, dass NF-κB nicht nur in B-Zellen, sondern auch in vielen anderen Immun- und Nicht-Immunzellen die Transkription einer Vielzahl von Genen steuert, mit dem übergeordneten Ziel, die Immunantwort zu koordinieren [Sen und Baltimore, 1986; Cross et al, 1989; Griffin et al,1989].

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Eine der wichtigsten Proteinfamilien von PRRs in Säugern wird von mindestens elf bekannten „Toll-like“ Rezeptoren (TLRs) gebildet, die für die schnelle Bekämpfung einer großen Zahl von Pathogenen durch Zellen des Immunsystems essentiell sind [Kopp und Medzhitov, 2003, Takeda et al, 2003]. TLR-vermittelte Erkennung Pathogen-spezifischer Strukturen führt zur Aktivierung NF-κB-gesteuerter Expression auto-, para- und endokrin wirksamer Zytokine wie Interleukin-1 (IL-1), Tumor Nekrose Faktor α (TNFα), Interleukin-6 (IL-6) oder Interleukin-8 (IL-8) [Baeuerle und Baichwal, 1997; Barton und Medzhitov, 2003]. Deren Sekretion fördert die Entstehung einer Entzündung u.a. durch die Aktivierung des Gefäßendothels, die Anlockung einer Vielzahl weiterer Immunzellen zum Ort der Infektion sowie die Einleitung der Differenzierung von Monozyten zu Makrophagen oder die Reifung von dendritischen Zellen. Wie beispielhaft anhand von IL-1 und TNFα ersichtlich ist, reguliert NF-κB hierbei als zentraler Koordinator der angeborenen Immunantwort nicht nur die primäre Produktion einer Vielzahl proinflammatorischer Zytokine, sondern steuert auch die durch diese Zytokine eingeleitete Expression weiterer Zielgene (Abbildung 1.4) [Ghosh und Karin, 2002; Hayden und Ghosh, 2004].

Abbildung 1.4 Schema zur Verdeutlichung der zentralen Rolle von NF-κB bei der Steuerung der angeborenen Immunantwort. Pathogenerkennung z.B. durch TLRs führt zu einer NF-κB-regulierten Ausschüttung von Entzündungsmediatoren wie IL-1 und TNFα, deren proinflammatorische Wirkung durch Aktivierung weiterer NF-κB-regulierter Zielgene gesteuert wird. Auf diese Weise wird eine Kaskade systemischer Effekte angestoßen, die eine effiziente erste Immunabwehr ermöglicht.

1.2.2 Mechanismus der TLR, IL-1- und TNFα-vermittelten NF-κB-Aktivierung

Wie bereits erwähnt, lösen eine Reihe von PAMPs oder entzündungsfördernde Substanzen wie TNFα und IL-1 die Aktivierung von NF-κB aus. Diese unterschiedlichen Stimuli werden von spezialisierten Oberflächenrezeptoren der Zelle erkannt und leiten das Signal über spezifische intrazelluläre Signalwege weiter, die letztlich alle in der Aktivierung des IKK-Komplexes münden [Hatada et al, 2000].

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Proteoglykane (PG) oder Lipopolysaccharide (LPS) bilden klassische Beispiele für konservierte Bestandteile der Zellwände von Bakterien, dienen dem Organismus als PAMPs und werden durch unterschiedliche Vertreter der TLRs, TLR2 und TLR4 erkannt [Poltorak et al, 1998; Hoshino et al, 1999; Takeushi et al, 1999; Schwandner et al, 1999]. Die intrazellulären Bereiche der TLRs und des IL-1 Rezeptors (IL-1R) weisen eine hohe Homologie auf. In beiden Fällen ist eine C-terminale Protein-Interaktionsdomäne, die Toll/IL-1R (TIR)-Domäne, für die Signaltransduktion verantwortlich. Die TLR- und IL-1R-aktivierten Signalketten ähneln sich daher und greifen auf die gleichen Regulatorproteine zurück [Gay und Keith, 1991; Dunne und O’Neill, 2003]. Über die intrazellulären Domänen der Rezeptoren werden zytoplasmatische Regulatoren wie MyD88 („Myeloid Differentiation Factor 88“), IRAK („IL-1 Receptor Associated Kinase“) und TRAF6 („TNF Receptor Associated Factor 6“) rekrutiert, die das Signal zum IKK-Komplex weiterleiten (Abbildung 1.5) [Adachi et al, 1998; Kawai et al, 1999; Thomas et al, 1999; Suzuki et al, 2002; Lomaga et al, 1999].

Im Gegensatz zur TIR-abhängigen Signaltransduktion, die durch monomere Rezeptoren vermittelt wird, induziert die Bindung von TNFα die Trimerisierung des TNF-Rezeptor 1 (TNFR1). Diese ist Voraussetzung für die Assoziation der zytoplasmatischen Regulatoren TRADD (TNF Receptor Associated Death Domain), TRAF2 und RIP (Receptor Interacting Protein), die das Signal in einem noch nicht vollständig aufgeklärten Mechanismus an den IKK-Komplex weitergegeben [Hsu et al, 1995; Hsu et al, 1996a; Hsu et al, 1996b].

Trotz der strukturellen Übereinstimmungen der beiden katalytischen Untereinheiten des IKK-Komplexes IKKα und IKKβ ergeben sich bei der Übertragung TLR- oder TNFα-induzierter Signale offensichtliche funktionale Unterschiede. IKKα-defiziente Mäuse sind lebensfähig, sterben allerdings perinatal an Skelett- und Hautdefekten. Die IL-1- und TNFα-abhängige NF-κB-Aktivierung in Fibroblasten und Thymozyten dieser Tiere ist nicht oder nur schwach beeinträchtigt [Hu et al, 1999; Takeda et al, 1999; Li et al, 1999a]. Im Gegensatz dazu sterben IKKβ-defiziente Mäuse bereits im Embryonalstadium an massiver Hepatozytenapoptose. Durch die Analyse embryonaler IKKβ-defizienter Fibroblasten wurden schwere Defekte bei der IL-1- und TNFα-vermittelten NF-κB-Aktivierung aufgedeckt [Li et al, 1999c;Li et al, 1999b; Tanaka, 1999]. Die Ergebnisse dieser Studien deuten an, dass IKKβ bei IL-1- und TNFα-gesteuerten proinflammatorischen Prozessen essentielle Funktionen ausübt, die nicht von IKKα übernommen werden können. Im Einklang mit den Ergebnissen der „Knock Out“-Studien wurde gezeigt, dass IL-1- und TNFα-induzierte Phosphorylierung von IKKβ, aber nicht von IKKα für die Aktivierung der Kinase-Aktivität des IKK-Komplexes essentiell ist [Delhase et al, 1999].

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Auf mechanistischer Ebene spielt bei Prozessen, die nach Aktivierung der TLR/IL-1R- und TNFR1-Signalwege zur Phosphorylierung von IKKβ führen, die E3-Ubiquitin Ligaseaktivität der TRAF-Proteine eine entscheidende Rolle [Deng et al, 2000]. TRAF2 und TRAF6 weisen sogenannte RING („Really Interesting New Gene“)-Domänen auf. Diese katalysieren die Bildung von K63-vernetzten Polyubiquitin-Ketten auf Substratproteinen, welche im Gegensatz zu K48-verknüpften Polyubiquitinketten in der Regel nicht als Erkennungssignal für proteosomalen Proteinabbau fungieren, sondern vielmehr eine zusätzliche Interaktionsoberfläche für andere Proteine bilden und daher Protein-Protein-Wechselwirkungen und Enzymaktivitäten regulieren [Sun und Chen, 2004].

Abbildung 1.5 Mechanismus der IL-1R/TNFR1-vermittelten IKK-Aktivierung. Rezeptoraktivierung induziert die Oligomerisierung und nachfolgende K63-Autoubiquitinierung von TRAF E3-Ubiquitin-Ligasen. Der Proteinkomplex aus TAB1, TAB2 und TAK1 erkennt diese Polyubiquitinketten, worauf über einen noch unbekannten Mechanismus die Kinase TAK1 aktiviert wird, die IKKβ in der Aktivierungsschleife phosphoryliert.

Im Fall des TLR/IL-1R-vermittelten Signalweges wurde gezeigt, dass Rezeptoraktivierung zur Oligomerisierung von TRAF6 und anschließender K63-Autoubiquitinierung führt (Abbildung 1.5). Über die Polyubiquitinkette bindet TRAF6 an einen Proteinkomplex bestehend aus den Adapterproteinen TAB1 („TAK1 Binding Protein 1“), TAB2 und der Kinase TAK1 („Transforming Growth Factor β Activated Kinase 1“), wodurch über einen noch unbekannten Mechanismus die Aktivierung von TAK1 induziert wird. [Wang et al, 2001]. TAK1 wiederum kann die Aktivierungsschleife von IKKβ direkt phosphorylieren und auf diese Weise die Aktivierung des IKK-Komplexes ermöglichen. Für TRAF2 wird eine ähnliche Funktion bei der TNFR1-vermittelten IKK-Aktivierung vermutet [Shi und Kehrl, 2003].

1.3 Die Rolle von NF-κB bei der Steuerung der erworbenen Immunantwort

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Zur gezielten Eindämmung einer Infektion leitet der Organismus neben der eher unspezifischen angeborenen Immunantwort den Aufbau einer adaptiven (erworbenen) Immunantwort ein. Dadurch wird die selektive Erkennung körperfremder Antigene sowie deren nachhaltige und spezifische Bekämpfung ermöglicht. T- und B-Lymphozyten sind die zellulären Träger der adaptiven Immunantwort und besitzen die Fähigkeit, nach Antigen-gesteuerter Aktivierung infizierte Körperzellen abzutöten oder eine Abwehrreaktion auf der Basis Antigen-spezifischer Antikörper zu etablieren. Da T-Zellen für die Erkennung körperfremder Antigene zuständig sind, bilden diese eine zentrale Regulationseinheit beim Aufbau der adaptiven Immunabwehr. Auf molekularer Ebene wird die T-Zell Antwort durch Aktivierung eines T-Zell spezifischen Zielgen-Programms gesteuert. NF-κB, bereits als molekularer Koordinator der angeborenen Immunantwort erwähnt, spielt bei der Zielgen-Regulation in aktivierten T-Zellen eine zentrale Rolle und übernimmt daher auch eine essentielle Funktion beim Aufbau der Antigen-gesteuerten adaptiven Immunantwort [Janeway et al, 2002].

1.3.1  Grundlagen der T-Zell Antwort

1.3.1.1  Aktivierung von T-Zellen

Phagozyten, die am Ort der Infektion große Mengen an Gewebeflüssigkeit aufnehmen, zerlegen darin enthaltenen Pathogene in kleine Fragmente und präsentieren diese als Antigene auf der Zelloberfläche („Antigen Presenting Cell“, APC) [Banchereau et al, 1998]. Angeregt durch die Einwirkung proinflammatorischer Zytokine wandern die APCs zu den peripheren Lymphorganen, wo sie auf reife, naive T-Zellen treffen, die Antigen-spezifische Oberflächenrezeptoren („T-Cell Receptors“, TCRs) exprimieren. Durch somatische Rekombination sind T-Zellen in der Lage, TCRs mit Affinität zu einer theoretisch unendlichen Anzahl von unterschiedlichen Antigenen zu synthetisieren, wobei jeder T-Zell Klon immer nur TCRs mit Affinität zu einem bestimmten Antigen exprimiert. Durch Selektionsverfahren während der T-Zell Entwicklung im Thymus wird die Expression funktionaler Rezeptoren, die nicht auf körpereigene Antigene reagieren, überwacht (Positiv- und Negativselektion). Trifft die T-Zelle auf eine APC, die ein zum TCR der T-Zelle passendes Antigen präsentiert, führt die erfolgreiche Interaktion (T-Zell Aktivierung) schließlich zur Proliferation und Expansion des aktivierten T-Zell Klons (klonale Expansion und Selektion) [Schlienger et al, 2000; Thery et al, 2001].

Während der Entwicklung im Thymus entstehen zytotoxische T-Zellen („Cytotoxic T-Cells“, Tc) oder T-Helfer Zellen („T-Helper Cells“, Th) aus gemeinsamen Vorläuferzellen [Reiner und Seder, 1995]. Tc-Zellen erkennen körpereigene Zellen, die eine Infektion durch Präsentation von Pathogenfragmenten anzeigen. Passen TCR der Tc-Zelle und das spezifische Antigenfragment auf der Oberfläche der Körperzelle zueinander, wird die Körperzelle von der Tc-Zelle abgetötet [Griffiths, 1995]. Zeitgleich interagieren Th-Zellen mit B-Zellen, die das passende Antigen auf ihrer Oberfläche präsentieren und in der Lage sind, Antigen-spezifische Antikörper herzustellen. Auf diese Weise aktivierte B-Zellen expandieren ebenfalls verstärkt und differenzieren in Plasmazellen, die die spezifischen Antikörper in großer Zahl herstellen und sezernieren [Kupfer et al, 1994].

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Im Laufe einer Infektion werden von allen Zellsubtypen des Immunsystems besonders langlebige und temporär inaktive, sogenannte Gedächtniszellen angelegt. Die Reaktivierung dieser Zellen erlaubt es dem Organismus, im Falle einer Re-Infektionen mit dem gleichen Pathogen sehr viel schneller zu reagieren [Bradley et al, 2000; Stockinger et al, 2004; Rocha et al, 2004].

1.3.1.2 Der T-Zell/APC Kontakt

Für die T-Zell/APC Interaktion sind die auf der Oberfläche von APCs befindlichen MHC („Major Histocompatibility Complex“)-Proteine der Klasse II von großer Bedeutung. Im Unterschied zu den nahezu ubiquitären MHC-Proteinen der Klasse I sind die MHC-Proteine der Klasse II ausschließlich auf Zellen des Immunsystems zu finden. Alle MHC-Proteine gehören der Immunglobulin-Super-Familie an [Janeway et al, 2001]. Ihr gemeinsames Merkmal ist die Aufteilung in einen konstanten und einen variablen Proteinteil, wobei der variable Teil mit zuvor aufgenommenen Antigenen (Ag) beladen und extrazellulär präsentiert werden kann (Ag-MHC) [Stern und Wiley, 1994; Bryant und Ploegh, 2004].

Auf der Oberfläche von T-Zellen ist der TCR-Proteinkomplex für die extrazelluläre Erkennung des Ag-MHC-Komplexes verantwortlich [Davis et al, 1998]. Die direkte Bindung wird von den beiden α- und β-Untereinheiten des TCRs vermittelt, die jedoch keine funktionale zytoplasmatischen Domänen aufweisen [Garcia et al, 1996; Call und Wucherpfennig, 2005]. Für die Signalweiterleitung sind mehrere direkt TCR-assoziierte Untereinheiten γ, δ, ε und ζ verantwortlich, zusammengefasst als CD3 bezeichnet. Vor allem die ε und ζ Untereinheiten besitzen einen ausgedehnten zytoplasmatischen Teil, der das vom TCR aufgenommene Signal ins Zellinnere transduziert [Pitcher und van Oers, 2003].

1.3.1.3 Kostimulation und Anergie

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T-Zellen, die mit körpereigenen Antigenen reagieren, werden während der Reifung im Thymus aussortiert. Allerdings besteht die Gefahr, dass autoreaktive T-Zellen, die gegen Strukturen des eigenen Körpers gerichtet sind, dieser Selektion entkommen. Der Organismus muss aber zwingend vermeiden, dass Selbstantigen-präsentierende Körperzellen in der Lage sind, die produktive Aktivierung autoreaktiver T-Zellen auszulösen. Zum Schutz vor Autoimmunität reicht daher ein alleiniges Antigen-spezifisches MHC/TCR-vermitteltes Signal zur T-Zell Aktivierung nicht aus. Für produktive Aktivierung werden ergänzende, sogenannte Kostimulationssignale benötigt, die auf die Anwesenheit eines Infektionsherds zurückgehen. Daher induzieren proinflammatorische Zytokine wie TNFα die Expression von B7-Molekülen, ebenfalls Mitglieder der Immunglobulin-Super-Familie, auf der APC-Oberfläche [Mellman und Steinman, 2001]. Ein Kostimulationssignal wird nur dann ausgelöst, wenn neben der TCR/Ag-MHC-Interaktion auch B7-Moleküle an den T-Zell spezifischen Oberflächenrezeptor CD28 binden [Green et al, 1994; Lenschow et al, 1996; Greenwald et al, 2005]. Da eine APC nach der Zytokin-Stimulation auf dem Weg zu den peripheren Lymphorganen nicht mehr in der Lage ist, weitere Antigene aufzunehmen und zu präsentieren, sind Antigen-spezifisches (TCR/Ag-MHC) und infektionsspezifisches (B7/CD28) Signal durch TCR/CD28-Kostimulation direkt miteinander gekoppelt.

T-Zell Anergie ist ein weiterer wichtiger Schutzmechanismus zur Erhaltung der Selbstoleranz in einem Organismus [Schwartz, 2003]. Entfällt das Kostimulationssignal und wird nur der TCR von einer APC aktiviert, fehlt die Verknüpfung zu einem Infektionsherd. In diesem Fall verbleibt die Zelle nicht nur inaktiviert, sie verfällt in einen anergischen Zustand der Unempfänglichkeit und kann nun selbst durch kostimulative Signale nicht mehr reaktiviert werden (Abbildung 1.6) [Heissmeyer et al, 2004].

Abbildung 1.6 Produktive T-Zell Aktivierung benötigt Kostimulation. APCs präsentieren Antigene über MHC Klasse II Moleküle. Die Erkennung spezifischer Antigene durch den TCR führt nur dann zur klonalen Expansion der T-Zelle, wenn ein Kostimulationssignal durch die Interaktion von B7-Molekülen mit dem Kostimulationsrezeptor CD28 auftritt. Fehlt das Kostimulationssignal, verfällt die T-Zelle in Anergie.

1.3.1.4 Beeinflussung des Schwellenwerts der T-Zell Aktivierung durch Kostimulation

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APCs, die ein Pathogen aufgenommen und prozessiert haben, präsentieren eine vergleichsweise geringe Anzahl peptidgeladener MHC-Komplexe auf ihrer Oberfläche. Hinzu kommt, dass die Affinität des TCR zu seinem spezifischen Ag-MHC relativ schwach ist. Die Summe dieser Faktoren setzt voraus, dass die Antigenerkennung durch eine äußerst empfindlich gesteuerte Signalkette vermittelt wird. Schon die Bindung einer geringen Anzahl TCRs an Ag-MHCs kann Signale innerhalb der T-Zelle erzeugen, jedoch wird der Schwellenwert zur Aktivierung der T-Zelle dadurch nicht erreicht [Acuto et al, 2003; Irvine et al, 2002]. Durch zeitgleiche Aktivierung des CD28-Rezeptors wird die Intensität des TCR-Signals um ein Vielfaches verstärkt [Viola und Lanzavecchia, 1996; Iezzi et al, 1998]. Zusätzlich erscheint der Schwellenwert zur Auslösung der zellulären Antwort herabgesetzt, wodurch besonders bei sehr schwachen TCR-Signalen die unterstützende Natur der Kostimulation zum Tragen kommt. Da bei der Signalübertragung von TCR und CD28 auf molekularer Ebene vielfach die gleichen Signalproteine beteiligt sind, leistet der Kostimulationsrezeptor wahrscheinlich in der Hauptsache einen quantitativen Beitrag zur Gesamt-Signalintensität. Allerdings sind in T-Zellen auch Mechanismen bekannt, die auf spezifisch CD28-vermittelte Signale zurückgeführt werden können (qualitativer Beitrag) [Shapiro et al, 1997; Burr et al, 2001; Andres et al, 2004a].

1.3.1.5 Die Immunologische Synapse

Die Wechselwirkung von TCR und Ag-MHC induziert die Ausrichtung des Golgi-Apparats und des MTOCs („Microtubule Organisation Center“) in Richtung der APC/T-Zell Kontaktstelle [Sancho et al, 2002]. Im Zuge einer umfangreichen Umordnung des Actin-Zytoskeletts werden eine große Anzahl spezieller Signalproteine im Kontaktbereich angereichert, es kommt zur Ausbildung der sogenannten immunologischen Synapse. Adhäsionsmoleküle wie das Integrin LFA-1 („Lymphocyte Function Associated Antigen 1“) und sein Ligand sammeln sich dabei in einer ringförmigen äußeren Region („Peripheral Supra Molecular Adhesion Complex“, p-SMAC). Im inneren Bereich der Kontaktstelle („Central“ (c) -SMAC) kommt es zur Ansammlung von Ligand-Rezeptor-Aggregaten wie den TCR/Ag-MHC oder CD28/B7 Komplexen [van der Merwe und Davis, 2002]. Allerdings scheint der vollständige Aufbau der Synapse für anfängliche TCR-Signaltransduktion nicht essentiell zu sein, da primäre Signale bereits vor Ausbildung der maturen Synapse detektiert werden können [Lee et al, 2002; Andres et al, 2004b]. Eine mögliche Funktion der Synapse könnte die Konzentrierung von Proteinen und Rezeptoren sein, die für sekundäre Abläufe wichtig sind. Die Ansammlung von CD28 in der c-SMAC erleichtert die Bindung an den B7-Liganden, damit Bildung eines Kostimulationssignals und volle T-Zellaktivierung [Lin et al, 2005].

Die c-SMAC ist ein Bereich hoher Dichte an Lipidflößen („Lipid Rafts“). Dabei handelt es sich um begrenzte Membranregionen (Mikrodomänen), die verstärkt mit Cholesterol und Sphingolipiden angereichert sind [He et al, 2005]. Einige Signalproteine, die bei der
T-Zellaktivierung eine Rolle spielen, sind konstitutiv mit Lipidflößen assoziiert, andere werden erst nach der Aktivierung dorthin befördert. Ursprünglich wurde den Lipidflößen eine Funktion bei der Aggregation der Signalproteine untereinander zugeordnet. Neuere Daten zeigen allerdings, dass weniger die Bildung der Lipidfloß-Mikrodomänen, als vielmehr spezifische Protein-Protein-Interaktionen für die Aggregation wichtig sind [Douglass and Vale, 2005].

1.3.2 PKCθ-vermittelte Aktivierung von NF-κB in T-Zellen

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Bei der Aktivierung von Lymphozyten übernehmen die Transkriptionsfaktoren NF-AT („Nuclear Factor Of Activated T-Cells“), AP-1 („Activator Protein 1“) und NF-κB eine Schlüsselfunktion (Abbildung 1.7). Das verschachtelte Genexpressionsmuster dieser Faktoren ermöglicht es der Zelle, Antigen-spezifisch auf unterschiedliche Signalmuster und Stimulusintensitäten zu reagieren. Rezeptor-proximal wird bei der Signalweiterleitung in erster Linie auf die gleichen Proteine zurückgegriffen, Rezeptor-distal fächern die Signalwege stark auf. Hieraus resultieren komplexe, aber auf mehreren Ebenen regulierbare Proteinnetzwerke, die sowohl für NF-AT als auch für AP-1 und NF-κB spezifische Regulatorproteine aufweisen [Lin und Weiss, 2001].

Abbildung 1.7 Zentrale Funktion von NF-κB bei der T-Zell Aktivierung. Zielgene, die unter der Kontrolle von NF-κB stehen, spielen eine entscheidende Rolle bei der Steuerung von Proliferation, Differenzierung und Lebensdauer aktivierter T-Zellen.

Die Induktion NF-κB-abhängiger Zielgene, von denen eine Vielzahl Proliferation, Differenzierung und Lebensdauer steuert, stellt einen zentralen Schalter bei der Aktivierung von T-Zellen dar. Zu den Antigenrezeptor-induzierten NF-κB-Zielgenen gehören u.a. (I) IL-2 und CD25, deren Expression die klonale Expansion induziert, (II) IL-4, welches die T-Zell Differenzierung steuert, sowie (III) die anti-apoptotischen Proteine BclXL und Bfl1/A1 [Ullman et al, 1990; Jain et al, 1995; Shapiro et al, 1997; Li-Weber et al, 1998; Hehner et al, 2000; Koshnan et al, 2000a; Kucharczak et al, 2003]. Die Antigenerkennung durch den TCR allein führt nur zu einer schwachen NF-κB-Aktivierung. Erst TCR/CD28-Kostimulation vermittelt maximale NF-κB-Aktivität und vermeidet Anergie durch die Expression T-Zell-aktivierender Zielgene [Schmitz et al, 2003].

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Auf molekularer Ebene nehmen die Rezeptor-proximalen Prozesse der TCR/CD28-vermittelten Signaltransduktion Einfluss auf eine Vielzahl von Regulator- und Adapterproteinen. Diese münden u.a. in der Aktivierung PKCθ („Protein Kinase C θ“), einem essentiellen Regulator der T-Zell Aktivierung.

1.3.2.1  Die Funktion von PKC θ

Die Proteinfamilie der PKCs beinhaltet neun bekannte Isoformen. Diese können in drei unterschiedliche Subfamilien, die konventionellen, atypischen und neuen PKCs eingeteilt werden. PKCθ gehört zur Gruppe der neuen PKCs und kann durch Diacylglycerol (DAG) Bindung an die C1-Domäne aktiviert werden (Abbildung 1.8). Die Proteinexpression von PKCθ ist auf Skelettmuskel und T-Zellen begrenzt [Baier, 2003].

T-Zellen PKCθ-defizienter Mäuse zeigen nach TCR/CD28-Stimulation reduzierte AP-1- und blockierte NF-κB-Aktivierung, während die NF-AT-Antwort unbeeinflusst bleibt. Diese Defekte resultieren in stark eingeschränkter Zytokinproduktion und Proliferationsfähigkeit der T-Zellen [Sun et al, 2000]. Bei PKCθ-defizienten T-Zellen einer weiteren, unabhängig hergestellten „Knock Out“-Mauslinie ist im Gegensatz dazu die NF-AT Antwort vollständig blockiert, jedoch wurden bei diesen Tieren nur leichte Defekte bei der AP-1- und NF-κB-Aktivierung festgestellt [Pfeifhofer et al, 2003]. Auch wenn die phänotypische Diskrepanz der beiden Mauslinien nicht restlos aufgeklärt ist, könnten variierende Stimulationsbedingungen oder mögliche Redundanz aufgrund hoher Homologie innerhalb der PKC-Proteinfamilie die Beobachtungen erklären.

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Die Ergebnisse biochemischer Analysen allerdings unterstützen eine prominente Rolle von PKCθ bei der Antigenrezeptor-abhängigen Aktivierung von NF-κB. Überexpression einer konstitutiv aktiven PKCθ-Isoform führt zur Aktivierung eines NF-κB-Reporters und des CD28REs („CD28 Response Element“) des IL-2 Gens. Im Einklang mit diesen Daten blockiert die Überexpression einer dominant-negativen Isoform von PKCθ oder Inaktivierung durch RNA-Interferenz die TCR/CD28-abhängige NF-κB-Aktivierung [Lin et al, 2000]. Zusätzlich verhindert der spezifische PKCθ-Inhibitor Rottlerin selektiv den Kernimport von NF-κB [Courdonniere et al, 2000].

Abbildung 1.8 Domänenstruktur von PKCθ. Die „C2-like“-Domäne vermittelt Protein-Protein-Interaktionen zwischen PKCθ und Bestandteilen des Zytoskeletts. Die C1-Domäne bindet an DAG und trägt im Allgemeinen zur Aktivierung von PKCs bei. Im C-terminalen Bereich des Proteins liegt die Kinase-Domäne (KD).

1.3.2.2 Der Mechanismus der Aktivierung von PKCθ

Die Aktivierung des TCRs und des CD28-Rezeptors leiten eine Welle zytoplasmatischer Tyrosin-Phosphorylierungen ein. Diese Signalkaskaden werden von Tyrosinkinasen wie Lck („Lymphocyte Protein Tyrosine Kinase“) und ZAP70 („ζ-Chain Associated Protein“) koordiniert, die größtenteils den Familien der Src- oder Syk-Kinasen angehören (Abbildung 1.10) [Iwashima et al, 1994; Pitcher und van Oers, 2003]. ZAP70 phosphoryliert das Adapterprotein LAT („Linker Of Activation In T-Cells“), welches über einen Palmitoylrest permanent in den Lipidflößen gebunden und ein wichtiger Baustein im Aufbau der c-SMAC ist [Zhang et al, 1998a; Zhang et al, 1998b]. Phosphoryliertes LAT bildet die Bindungsstelle für eine Reihe von essentiellen Regulatoren der TCR-Signalkaskade wie dem Gerüstprotein SLP76 („SH2 Domain Containing Leukocyte Protein Of 76 kD“), dem Guanin-Nukleotid Austausch-Faktor Vav und PLCγ1 (Phospholipase Cγ1) [Liu et al, 1999; Yablonski et al, 2001, Reynolds et al, 2002].

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PLCγ1 spaltet in der Membran verankertes PIP2 (Phosphatidyl Inositol Bisphosphat) zu IP3 (Inositol Trisphosphat) und DAG. DAG verbleibt an der Membran und dient dort im Allgemeinen als Aktivator für PKCs. [Monks et al, 1997; Monks et al, 1998; Bi et al, 2001]. Allerdings bestimmt die Verfügbarkeit von DAG allein die Aktivität von PKCθ nur in geringem Maße [Villalba et al, 2002]. Vielmehr scheint die Lokalisierung von PKCθ im
c-SMAC entscheidend zur Aktivierung der Kinase beizutragen, wofür ein SLP76/Vav1-abhängiger Mechanismus vorgeschlagen wurde [Bi et al, 2001].

TCR- und CD28-vermittelte Signale führen auch zur Aktivierung von PI3K („Phosphoinositide-3 Kinase“) [Okkenhaug et al, 2004]. PDK1 („3-Phosphoinositide Dependent Kinase 1“), ein PI3K-reguliertes und zumindest teilweise membranassoziiertes Enzym, bindet direkt an verschiedene PKC-Isoformen. Die Interaktion zwischen PDK1 und PKCθ wird neben SLP76 und Vav für die Rekrutierung von PKCθ zur immunologischen Synapse benötigt [Le Good et al, 1998; Lee et al, 2005]. Da wiederum PKCθ direkt an den IKK-Komplex bindet, wird dieser über die PDK1/PKCθ Interaktion in die Lipidfloßdomänen der Zellmembran transportiert [Khoshnan et al, 2000 b].

1.3.3 Carma1, Bcl10 und Malt1, essentielle Regulatoren der Antigenrezeptor-vermittelten NF-κB-Aktivierung

PDK1 rekrutiert neben PKCθ auch den permanent Membran-assoziierten Adapter Carma1 („CARD Containing MAGUK Protein 1“) in den c-SMAC [Zhou et al, 2004]. Carma1 wiederum bildet die molekulare Brücke zu zwei weiteren Proteinen, Bcl10 („B-Cell Chronic Lymphocytic Leukemia/Lymphoma Associated 10“) und Malt1 („Mucosa Associated Lymphoid Tissue 1“), die wie Carma1 durch genetische Inaktivierung mit dem Antigenrezeptor-induzierten NF-κB-Signalweg in Verbindung gebracht wurden [Ruland et al, 2001; Ruland et al, 2003; Ruefli-Brasse et al, 2003; Egawa et al, 2003; Hara et al, 2003]. Anhand von Interaktionsstudien wurde postuliert, dass die Bildung des Carma1/Bcl10/Malt1 (CBM)-Komplexes eine zentrale Rolle bei der NF-κB-Aktivierung in Lymphozyten spielt [Gaide et al, 2002; Che et al, 2004].

1.3.3.1  Carma1

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Carma1 gehört zur Familie der MAGUK (Membrane Associated Guanylate Kinase)-Proteine. Die Mitglieder dieser Gruppe fungieren als Membran-assoziierte Gerüstproteine ohne bekannte enzymatische Funktion, besitzen aber eine Reihe von Protein-Protein Interaktionsdomänen [Dimitratos et al, 1999; Fanning und Anderson, 1999]. Alle MAGUKs sind durch eine stereotype Abfolge der PDZ („PSD95/Dlg/ZO-1 Homologous“) Domäne, SH3 („Src Homology 3“)-Domäne und GUK („Guanylate Kinase Like“)-Domäne charakterisiert. Carma1, Carma2 und Carma3 bilden eine Subfamilie, die zusätzlich eine CC („Coiled-Coil“)-Region und eine N-terminale CARD („Caspase Recruitment Domain“) besitzen (Abbildung 1.9). Die CARD vermittelt homotypisch Proteinwechselwirkungen und wurde ursprünglich mit Prozessen bei der Einleitung von Apoptose in Verbindung gebracht [Bouchier-Hayes und Martin, 2002]. Inzwischen häufen sich Berichte über CARD-Proteine, die für die Bildung von Proteinkomplexen bei der Vermittlung angeborener sowie erworbener Immunität verantwortlich sind und vor allem in NF-κB-assoziierten Signalwegen eine Rolle spielen. Die Carma1-Gewebeverteilung beschränkt sich im Gegensatz zu den beiden anderen Isoformen auf die Milz, den Thymus und periphere Leukozyten [Bertin et al, 2001; Gaide et al, 2001].

Die Analyse eines Mausstamms, der ein in der CC-Domäne punktmutiertes Carma1-Protein exprimiert, zeigt selektive Defekte bei der Antigenrezeptor-vermittelten Signaltransduktion von B- und T-Zellen [Jun et al, 2003]. Die Lymphozyten zeigen intakte Rezeptor-proximale Tyrosinphosphorylierung, NF-AT- und MAP („Mitogen Activated Protein“) Kinasen-Aktivierung, aber defekte NF-κB-Aktivierung. Die T-Zellen homozygoter Tiere sind nicht mehr in der Lage, Stimulus-induziert zu proliferieren oder CD25 zu synthetisieren. Einen vergleichbaren Phänotyp ergab die Analyse einer Carma1 „Knock Out“-Mauslinie. Zusätzlich zu den Störungen bei der erworbenen Immunantwort gibt es Defekte bei Prozessen der angeborenen Immunantwort. Die B-Zellen aus der Milz sind nicht mehr in der Lage, auf LPS zu reagieren und zu proliferieren, was Probleme bei der TLR4-vermittelten Signaltransduktion andeutet [Hara et al, 2003].

1.3.3.2 Bcl10

Bcl10 kann aufgrund von Sequenzhomologien keiner bekannten Proteinfamilie zugeordnet werden, besitzt aber wie Carma1 eine N-terminale CARD, über die beide Proteine miteinander interagieren (Abbildung 1.9) [Gaide et al, 2002]. Im Gegensatz zum N-Terminus zeigt der Bcl10 C-Terminus mit einer überdurchschnittlichen Anzahl an Serinen und Threoninen keine Homologie zu einer bereits beschriebenen Proteindomäne. Anfänglich wurde Bcl10 aufgrund der CARD mit Regulationsmechanismen, die zu Apoptose führen in Verbindung gebracht. Biochemische Analysen ergaben, dass Bcl10-Überexpression in unterschiedlichen Zellsystemen nicht nur die Apoptoserate, sondern auch die transkriptionelle Aktivität von NF-κB Aktivität steigert [Koseki et al, 1999; Willis et al, 1999].

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Weiterhin scheint das Protein eine Rolle bei der Entwicklung aggressiver Formen von MALT-Lymphomen zu spielen. Diese B-Zell Lymphome sind die bekannteste Subgruppe extranodaler non-Hodgkin-Lymphome und zeigen in vielen Fällen chromosomale Translokationen [Zhang et al, 1999]. Eine seltene, aber immer wiederkehrende Translokation, t(1;14)(q22;q32), führt zur Verschiebung des Bcl10-Gens in die Nähe der Immunglobulin (Ig) loci und damit zu verstärkter Bcl10-Expression aufgrund potenter transkriptioneller Ig-„Enhancer“. Zusätzlich unterliegen die Zielbereiche somatischer, B-Zell spezifischer Hypermutation. Eine Sequenzanalyse der chromosomalen Bruchstellen zeigt, dass nach der Translokation eine Vielzahl an Mutationen auftritt, die zur Expression von C-terminal deletiertem Bcl10 führen. Die Expression der Mutanten wurde daraufhin als Grundlage für den Wachstumsvorteil der entarteten B-Zellen vorgeschlagen [Willis et al, 1999].

In anderen Studien wiederum wurde Bcl10 als zelluläres Homolog eines Genprodukts des „Equine Herpesvirus 2“ (EHV2), dem viralen Protein vE10, identifiziert [Thome et al, 1999; Srinivasula et al, 1999]. EHV2 ist ein lymphotroper γ-Herpesvirus, dessen Rolle als Pathogen weitgehend unverstanden ist. Allerdings stehen andere Mitglieder dieser Virenfamilie wie das Eppstein-Barr-Virus oder das „Kaposi Sarcoma Associated Herpesvirus 8“ in direkter Verbindung mit unkontrollierter Zellproliferation und Neoplasie [Thome et al, 2001].

Die Analyse eines Bcl10 „Knock Out“-Mausstamms zeigt 30% embryonale Lethalität aufgrund eines Defekts bei der Schließung des Neuralrohres [Ruland et al, 2001]. Die restlichen 70% der homozygoten Nachkommen überleben und sind anatomisch mit WT-Tieren vergleichbar. Überraschenderweise zeigen aber weder embryonale Stammzellen, Lymphozyten noch Fibroblasten der „Knock Out“-Tiere Unterschiede bei Stimulus-induzierter Apoptose. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die physiologische Funktion von Bcl10 keine Rolle bei der Einleitung von Apoptose spielt. Stattdessen sind die Bcl10-defizienten Mäuse, trotz weitgehend normaler Lymphozytenentwicklung, sehr empfänglich für Infektionen. Untersuchungen der Antigenrezeptor-vermittelten Signalwege zeigen, dass die Defekte bei der adaptiven Immunantwort auf Fehlfunktionen bei der B- und T-Zell Aktivierung zurück zu führen sind. In T-Zellen homozygoter Tiere ist die TCR/CD28-abhängige NF-κB-Induktion neben intakter IL-1- und TNFα-Antwort selektiv blockiert. Da rezeptorproximale Tyrosinphosphorylierung, AP-1- und NF-AT-Aktivierung in den Bcl10-defizienten Lymphozyten nicht defekt sind, scheint Bcl10 ein spezifischer Rezeptor-distaler Regulator des Antigenrezeptor-vermittelten NF-κB Signalweges zu sein.

1.3.3.3 Malt1

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Malt1 gehört zur Proteinfamilie der Paracaspasen. Diese umfasst eine Reihe Caspase-ähnlicher Proteine, deren gemeinsames Merkmal die CLD („Caspase Like Domain“) ist [Uren et al, 2000]. Neben der CLD besitzt Malt1 noch mehrere Proteininteraktionsdomänen wie die N-terminale „Death“-Domäne (DD) und zwei Ig-l („Ig like“)-Domänen. Über die Ig-l-Domänen bindet Malt1 an Bcl10 (Abbildung 1.9). Diese Wechselwirkung induziert die Oligomerisierung von Malt1 [Lucas et al, 2001]. Zusätzlich interagiert die Malt1-CLD mit der CC-Region von Carma1 [Che et al, 2004]. Obwohl die Überexpression von Malt1 allein keine NF-κB-Reporteraktivierung verursacht, wird die auf Bcl10-Überexpression basierende NF-κB-Reporteraktivität durch Koexpression von Malt1 synergistisch verstärkt. Diese Beobachtung spricht dafür, dass beide Proteine gemeinsam im gleichen Signalweg eine Rolle spielen. Der Synergismus bei der Aktivierung geht verloren, wenn die CLD von Malt1 inaktiviert oder die Malt1-Oligomerisierung via Bcl10 verhindert wird [Lucas et al, 2001].

Abbildung 1.9 Schematische Darstellung der CBM-Komplexkomponenten. Die Interaktion zwischen Bcl10 und Carma1 wird durch CARD-CARD Wechselwirkung vermittelt. Malt1 bindet über die Ig-l Domänen an Bcl10 und über die CLD an Carma1.

Neben den angesprochenen, das Bcl10-Gen betreffende Mutationen werden zwei weitere DNA-Translokationen, t(14;18)(p32;p21) und t(11;18)(p21;q21), mit der Entwicklung von MALT-Lymphomen in Verbindung gebracht. Diese betreffen das Malt1-Gen und treten anteilig häufiger auf als die Bcl10-assoziierten Translokationen [Ho et al, 2005]. Bei t(14;18)(p32;p21) kommt es, ähnlich wie bei Bcl10, zur Überexpression von Malt1 durch Verschiebung des Malt1-Gens in die Nähe der Ig-loci [Streubel et al, 2003].Im Gegensatz dazu wird bei t(11;18)(p21;q21) der C-terminale Teil des Malt1-Gens inklusive der CLD-kodierenden Region mit dem N-terminalen Teil des cIAP2-Gens („Inhibitor Of Apoptosis 2“), einem Caspase Inhibitor, zusammengebracht [Uren et al, 2000]. Dies führt zur Expression eines cIAP2-Malt1-Fusionsproteins, welches ein potenter NF-κB-Aktivator ist und wahrscheinlich zur malignen Transformation der B-Zellen beiträgt [Dierlamm et al, 1999]. Es wird angenommen, dass die ursprünglich Bcl10-abhängige Oligomerisierung von Malt1 nun durch homotypische Interaktion der cIAP2 BIR („Baculovirus IAP Repeat”)-Domänen ausgeführt wird und dadurch die Aktivierung der Malt1 CLD von extrazellulären Stimuli entkoppelt ist [Lucas et al, 2001].

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Die Analyse Malt1-defizienter Mäuse deckt einen ähnlichen, auf Lymphozyten beschränkten Phänotyp wie bei Bcl10-defizienten Mäusen auf. Die Tiere zeigen eine vergleichbar hohe Anfälligkeit für Infektionen, da die Aktivierung und Proliferation reifer T-Zellen aufgrund einer selektiven Blockade der Antigenrezeptor-Signalwege unterbunden ist [Ruefli-Brasse et al, 2003]. Es zeigt sich, dass diese Defekte auf eine Inhibierung der NF-κB-aktivierenden Signalkette zurückzuführen sind. In T-Zellen einer unabhängig generierten Malt1-defizienten Mauslinie wurden zusätzlich zu den Defekten bei der Aktivierung von NF-κB auch Defekte bei der Aktivierung von MAP-Kinasen, die u.a. Einfluss auf die Regulation der AP-1 Aktivität nehmen, aufgezeigt [Ruland et al, 2003]. Die mechanistische Basis dieses Effekts ist jedoch derzeit noch nicht geklärt.

Die Antigenrezeptor-vermittelte Aktivierung von B-Zellen Malt1-defizienter Tiere ist ebenfalls gestört, obwohl bei direktem Vergleich beider Studien die Schwere des Phänotyps in Bezug auf die Inhibition der Stimulus-abhängigen NF-κB Induktion variiert. Es ist allerdings unbestritten, dass Malt1 in T-Zellen ein zentraler Regulator der Antigenrezeptor-aktivierten IKK/NF-κB-Signalkaskade ist.

1.3.3.4 Die Funktion von Carma1, Bcl10 und Malt1 bei der Aktivierung des IKK-Komplexes

Über die mechanistischen Details, die zur TCR/CD28-induzierten Aktivierung des IKK-Komplexes führen, liegen widersprüchliche Berichte vor. In einer der publizierten Studien wird ein Mechanismus basierend auf der Oligomerisierung beteiligter Signalproteine vorgeschlagen [Sun et al, 2004]. Die Autoren beobachten, dass Malt1 an TRAF6 bindet, eine E3-Ubiquitin-Ligase, die bereits im Zusammenhang mit IL-1-vermittelter NF-κB-Aktivierung erwähnt wurde. Die Bcl10-abhängige Oligomerisierung von Malt1 führt daher ebenfalls zur Oligomerisierung von Malt1-gebundenem TRAF6. Dies löst K63-Autoubiquitinierung von TRAF6 aus und zieht, wie im IL-1-vermittelten Signalweg, die Aktivierung von TAK1 und Phosphorylierung von IKKβ nach sich (Abbildung 1.10). Allerdings scheint die Voraussetzung für effiziente Aktivierung des IKK-Komplexes zu sein, dass TRAF6 nicht nur sich selbst, sondern parallel auch IKKγ, die regulatorische Untereinheit des IKK-Komplexes, K63-polyubiquitiniert. Die Autoren schlagen vor, dass die Ubiquitinierung von IKKγ wiederum die Phosphorylierung von IKKβ durch TAK1 erleichtert. Da TRAF6-defiziente Mäuse keinen signifikanten Defekt bei der Aktivierung von T-Zellen zeigen, steht der tatsächliche Nachweis der physiologischen Relevanz dieser Beobachtungen noch aus. Möglicherweise erschweren die strukturelle und funktionelle Redundanz der TRAF-Proteine derartige Analysen.

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In einer unabhängigen Studie werden Daten präsentiert, die ebenfalls Antigenrezeptor-vermittelte K63-Ubiquitinierung von IKKγ als Voraussetzung für IKK-Aktivierung in T-Zellen identifizieren. Allerdings werden hier nicht TRAF-Proteine als Ubiquitin-Ligasen für IKKγ vorgeschlagen. Vielmehr legen die Daten nahe, dass die CLD von Malt1 Ubiquitin-Ligaseaktivität besitzt und IKKγ direkt von Malt1 ubiquitiniert wird [Zhou et al, 2004].

Kürzlich wurde der Apoptose-Regulator Caspase 8 (Casp8) als ein weiterer essentieller Mediator der T-Zell Aktivierung beschrieben, obwohl die exakte mechanistische Funktion des Proteins noch nicht aufgeklärt werden konnte. Allerdings bindet Casp8 Signal-induziert sowohl an den CBM- als auch an den IKK-Komplex und übt dadurch möglicherweise eine Brückenfunktion als Komplexstabilisator aus. In Caspase8-defizienten Zellen ist die Wechselwirkung der beiden Komplexe gestört, wodurch eine selektive Blockade der TCR/CD28-abhängigen NF-κB-Akivierung auftritt [Su et al, 2005]. Obwohl Inaktivierung von Casp8 die Ubiquitinierung von IKKγ nicht unterbindet, tritt weder IKKβ— noch IKKα—Phosphorylierung auf. Diese Daten unterstützen die Annahme, dass die Ubiquitinierung von IKKγ allein nicht zur Aktivierung des IKK-Komplexes ausreicht.

Abbildung 1.10 Schematische Darstellung der Prozesse, die nach Kostimulation von T-Zellen zur Aktivierung des IKK-Komplexes führen. PDK1 rekrutiert über PKCθ den IKK-Komplex und über Carma1 den CBM-Komplex an die Membran. Der genaue Mechanismus zur Ubiquitinierung von IKKγ und zur Phosphorylierung von IKKβ ist nicht bekannt, könnte aber in Anlehnung an die TNFR1/IL-1R-aktivierten Signalketten TRAF6 und TAK1 involvieren.

1.4 Zielsetzung

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Die Transkriptionsfaktoren der NF-κB-Familie sind zentrale Regulatoren der angeborenen und adaptiven Immunantwort, da sie die Expression einer Vielzahl von Genen steuern, die proinflammatorische Wirkung haben oder die Aktivierung von Lymphozyten regulieren. Die kostimulative Aktivierung von T-Zellen, die zytotoxische oder Antikörper-vermittelte Mechanismen der adaptiven Immunabwehr einleiten, ist hierbei von besonderem Interesse. Durch genetische Inaktivierung in Mäusen sind unlängst eine Reihe von Proteinen identifiziert worden, die in essentieller Weise Einfluss auf die Aktivierung von NF-κB in T-Zellen ausüben und daher wesentliche Funktionen bei der produktiven T-Zellantwort übernehmen. Im Besonderen sind dabei drei Proteine zu nennen, Carma1, Bcl10 und Malt1, die funktionell in die Aktivierung des IKK-Komplexes, einer der wichtigsten Schaltstellen der NF-κB aktivierenden Signalkette, involviert sind.

Aufgrund von Interaktionsstudien mittels Protein-Überexpression in nicht-lymphoiden Zellen wurde postuliert, dass die Bildung eines Komplexes aus Carma1, Bcl10 und Malt1 Voraussetzung für die Aktivierung von IKK/NF-κB ist. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Bildung des CBM-Komplexes in T-Zellen unter physiologischen Bedingungen nachzuweisen. Weiterhin sollten molekulare Mechanismen identifiziert werden, die im Zusammenhang mit Carma1, Bcl10 und Malt1 die Aktivität der Antigenrezeptor-induzierten NF-κB-Signalkaskade modulieren. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen sollte hierbei die Analyse möglicher posttranslationaler Modifikationen der CBM-Komplexkomponenten und deren funktionelle Charakterisierung in Zellkultur- und Tiermodellen sein.


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09.07.2007