MDCK-MRP2 - Dkfz

Das TRAIL-Apoptosesystem
H. Walczak
Forschungsschwerpunkt D
Tumorimmunologie
In Kooperation mit: C. T. Rauch, Immunex Corp., Seattle, WA,
USA; P. Juo und J. Blenis, Harvard Medical School, Boston, MA,
USA; S. J. Martin, Trinity College, Dublin, Irland; H. Kalthoff,
Universität Kiel; M. Leverkus und E.Kämpgen, Universität
Würzburg; G. Schönrich, M. J. Raftery, F. Zipp, I. Bechmann und
R. Nitsch, Charité, Humboldt Universität, Berlin; M. Lutz, Universität
Erlangen; K. Schulze-Osthoff und M. Los, Universität
Münster; C. D. Gerharz, Universität Düsseldorf; G. R. Screaton
und A. K. Simon, John Radcliffe Hospital, Oxford, UK; M. Weller,
Universität Tübingen; P. Möller, J. Sträter, S. Fulda, C. Beltinger
und K.-M. Debatin, Pathologie und Kinderklinik der Universität
Ulm; P. H. Krammer, E. Greiner und G. Schütz, DKFZ.
Im Rahmen des TRAIL-Projekts ist es das Ziel der Arbeitsgruppe
“Apoptoseregulation”, die grundlegenden biochemischen
Mechanismen der TRAIL-induzierten Apoptose aufzuklären,
Faktoren zu identifizieren, welche Sensitivität versus
Resistenz gegenüber TRAIL-vermittelter Apoptose in normalen
und in Tumorzellen regulieren, die physiologische
Rolle des TRAIL-Systems zu bestimmen und geeignete
TRAIL-Rezeptor-Agonisten für die Krebstherapie zu identifizieren.
Im Dezember 1995 fanden Wiley et al. in einer öffentlich
zugänglichen Sequenzdatenbank ein neues Mitglied der
Tumornekrosefaktor (TNF)-Familie. Sie bezeichneten dieses
Protein aufgrund seiner Eigenschaft Apoptose auslösen zu
können als ‚TNF-related apoptosis-inducing ligand’, TRAIL.
Dabei wurde ein interessantes Phänomen offensichtlich:
TRAIL induzierte Apoptose in vielen Tumorzelllinien, während
normale, nicht-transformierte Zellen entweder nicht
oder in einem sehr viel geringeren Ausmaß durch TRAIL
getötet wurden als die entarteten Zellen des gleichen
Gewebetyps. Die anderen bekannten Apoptose-auslösenden
Mitglieder der TNF-Familie, CD95-Ligand and TNF, sind
toxisch, wenn sie systemisch verabreicht werden. Die Eigenschaft
von TRAIL Tumorzellen, nicht aber normale Zellen
zu töten, führte uns dazu, das Antitumorpotential dieses
Zytokins in vivo zu testen. Wir konnten zeigen, dass TRAIL
in vivo in Tumorzellen Apoptose induziert ohne eine systemische
Toxizität aufzuweisen und weitere Studien haben
ergeben, dass diese Antitumoraktivität synergistisch mit
Chemotherapie und/oder Bestrahlung wirkt. Auch hier war
im Tiermodell keine Toxizität erkennbar. Nachdem zunächst
eine Lebertoxizität für den Menschen angenommen wurde,
geht man nun davon aus, dass Formen von TRAIL, die
keine Protein-Aggregate enthalten, keine Toxizität aufweisen
und daher für die klinische Anwendung entwickelt
werden können.
Um ein neues Todesrezeptor-Ligandensystem verstehen
zu können, benötigt man neben dem Liganden auch den
Rezeptor. Die Suche nach dem Rezeptor für TRAIL endete
mit einem äußerst überraschenden Ergebnis: TRAIL bindet
sowohl an zwei Apoptose-induzierende Rezeptoren (TRAIL-
R1 and TRAIL-R2) als auch an drei nicht Apoptose-induzierende
Rezeptoren (TRAIL-R3, TRAIL-R4 and OPG). Damit
verfügt TRAIL über mehr Rezeptoren als alle anderen Mitglieder
der TNF-Familie. Die Komplexität dieses Rezeptor-
Ligandensystems deutete bereits seine biologische Vielseitigkeit
an, jedoch war selbst einige Zeit nach Entdeckung
von TRAIL und seiner Rezeptoren die physiologische Funktion
dieses neuen Apoptose-induzierenden Systems unbekannt.
In diesem Zusammenhang haben wir gezeigt, dass
TRAIL keine Rolle beim aktivierungsinduzierten Zelltod von
B-Zellen spielt und auch der Zelltod einer Reihe anderer
D040
Apoptose Regulation
Zellen des Immunsystems, die wir zunächst untersuchten,
nicht durch TRAIL vermittelt wird. In der letzten Zeit konnte
in einer Reihe von Studien nachgewiesen werden, dass
TRAIL auf der Oberfläche verschiedener Effektorzellen des
Immunsystems exprimiert wird, u.a. auf Typ II Interferon
(IFN-γ)-stimulierten Monozyten, Cytomegalovirus (CMV)-infizierten
Fibroblasten, Typ I IFN (IFN-α and IFN-β)- oder
TCR-stimulierten T-Zellen, unstimulierten CD4 + T-Zellen,
IFN-α- und IFN-γ-stimulierten sowie Masernvirus-infizierten
dendritischen Zellen (DC) und natürlichen Killerzellen (NK).
Interessanterweise war die funktionelle Expression von
TRAIL häufig mit Interferonstimulation assoziiert. Es ist
möglich, dass die antitumorale Wirkung der Interferone
zumindest zum Teil durch TRAIL vermittelt wird, das den
direkten Tumorzelltod bewirkt. Unstrittig ist jedoch, dass
die Hauptfunktion der Interferone in ihrer antiviralen Aktivität
besteht. Es wurde gezeigt, dass TRAIL spezifisch
Apoptose in viral infizierten Zellen induziert und nicht-infizierte
Zellen verschont bleiben. Es besteht daher die Möglichkeit,
dass sich das TRAIL-Todessystem entwickelt hat,
um virale Transformation zu kontrollieren. Die Tatsache,
dass viele onkogen transformierte Zellen ebenfalls sensitiv
gegenüber TRAIL-induzierter Apoptose sind, könnte daher
eine vorteilhafte Nebenwirkung der eigentlichen Funktion
von TRAIL, nämlich des Abtötens viral transformierter
Zellen darstellen. Die Untersuchung von Mäusen, die
defizient für einen der TRAIL-Todesrezeptoren sind, wird
eine genauere Untersuchung dieser Zusammenhänge ermöglichen.
Diese Mäuse wurden kürzlich in der Arbeitsgruppe
Apoptoseregulation in Zusammenarbeit mit der
Abteilung von Prof. G. Schütz hergestellt und stehen der
Arbeitsgruppe nun zur Verfügung.
Die Deletion von T-Zellen durch Apoptose ist essentiell für
die Homöostase im Immunsystem. Bei peripheren T-Zellen
sind das CD95- sowie das TNF-System in diesem Deletionsprozess
involviert. Zusammen mit unseren Kooperationspartnern
konnten wir zeigen, dass TRAIL keine entscheidende
Rolle beim aktivierungsinduzierten Zelltod peripherer T-
Zellen spielt und dass TRAIL nicht an der negativen Selektion
autoreaktiver T-Zellen im Thymus beteiligt ist. Kürzlich
konnte allerdings auch gezeigt werden, dass vermutlich
ein Defekt im TRAIL-Apoptoseweg peripherer T-Zellen bei
ALPS II-Autoimmunpatienten für diese Erkrankung verantwortlich
ist. Vor diesem Hintergrund kommt einer genauen
Untersuchung sowohl von Regulation und Funktionalität
der TRAIL-Rezeptoren auf peripheren T-Zellen, als auch
des intrazellulären Apoptosesignalwegs in diesen Zellen eine
besondere Bedeutung zu.
Nach der molekularen Identifizierung von TRAIL und seiner
fünf Rezeptoren rückte die Analyse der Signaltransduktion
der TRAIL-Rezeptoren in den Mittelpunkt des Interesses.
Eine Analyse des nativen Signalkomplexes, d.h. des
Komplexes, der sich ausbildet, wenn auf der Zelloberfläche
die TRAIL-Rezeptoren durch ihren Liganden TRAIL kreuzvernetzt
werden, wurde anfänglich dadurch erschwert, dass
die TRAIL-Rezeptoren aufgrund ihrer im Vergleich zum CD95-
Rezeptor etwa zehnfach schwächeren Oberflächenexpression
einen im Gegensatz zu diesem Todesrezeptor nur
schwer detektierbaren Signalkomplex ausbilden. Mit Hilfe
eines von uns verbesserten Verfahrens zur Immunpräzipitation
der TRAIL-Signalkomplexe konnte schließlich gezeigt
werden, dass der TRAIL-DISC die gleiche grundlegende
Zusammensetzung für die Apoptoseinduktion aufweist wie
der CD95-DISC. Diese Ergebnisse werfen die interessante
Frage auf, warum viele Zelltypen eine unterschiedliche Sen-
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
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