PKCdelta als Schlüsselmolekül humaner (Auto)Immunität

Autoimmunerkrankungen des Menschen präsentieren sich in unterschiedlichen Formen und sind häufig mit einer lebenslangen erhöhten Morbidität und sogar Sterblichkeit verbunden. Viele verschiedene Mechanismen können zum Verlust der Immuntoleranz führen und die Ursache ist häufig multifaktoriell, was ein umfassendes Verstehen dieser Störung deutlich erschwert. Kürzlich wurde bei Patienten mit Mutation in PRKCD, dem Gen, das die Protein Kinase C delta (PKCd) kodiert, entdeckt, dass dieser Defekt einen monogenetischen Prototyp einer der häufigsten humoralen autoimmunen Systemerkrankungen, dem Systemischen Lupus Erythematodes (SLE), darstellt. PKCd ist ein Signalprotein mit zahlreichen nachgeschalteten Zielproteinen und Funktionen, das in verschiedenen Signalwegen aktiv ist. In Prkcd knock-out Mäusen zeigt sich eine schwere Form von Autoimmunität als Hauptphänotyp, was auf die besondere Rolle des ubiquitär exprimierten Proteins in der Kontrolle der B-Zell Toleranz hinweist. Untersuchungen der Lymphozyten dieser PKCd-defizienten Patienten bieten daher eine einzigartige Gelegenheit, diese Rolle von PKCd bei der Kontrolle der Immuntoleranz beim Menschen genauer zu untersuchen. Basierend auf der sich ergänzenden langjährigen Erfahrung im Bereich humaner immunvermittelter Erkrankungen wird in den Laboren von K. Warnatz und K. Boztug eine große europäische SLE-Kohorte auf Mutationen in PRKCD untersucht werden. Bei den betroffenen Patienten werden die Lymphozyten- und inbesondere die B Zell- Entwicklung und -Homöostase untersucht werden. Die Erforschung von Signalwegen in Abwesenheit von PKCd wird Aufschluss über die Rolle von PKCd in den Signalnetzwerken geben, die verschiedenen Rezeptoren in B-, T- und NK-Zellen nachgeschaltet sind. Mittels Proteomik sollen neue Interaktionspartner identifiziert werden. Eine veränderte Signalleitung führt zu Störungen in der Kontrolle des Zellzyklus, des Überlebens und der Zellteilung in B-Zellen und sie ist vermutlich der Schlüsselfaktor für die autoimmunen Prozesse in Patienten mit PKCd-Defizienz. Funktionelle Untersuchungen an primären B-Zellen dienen dazu, die einzelnen beitragenden Faktoren zu differenzieren. Schließlich ermöglicht die Kombination von genetischen Analysen und Proteomik die Entdeckung neuer PKCd-assoziierter Faktoren, die ebenfalls an der Entstehung von Autoimmunerkrankungen im Menschen beteiligt sind. Die zusammenhängende Betrachtung von Signalanalysen, Proteomik und funktionellen Untersuchungen in diesem humanen Modell einer systemischen Autoimmunerkrankung wird nicht nur zu einem besseren Verständnis der zugrundeliegenden Pathomechanismen von B-Zell Hyperproliferation und dem Toleranzverlust bei PKCd Defizienz führen, sondern auch Einblick in allgemeine Pathomechanismen bei der Entstehung des SLE geben und somit eine gezielte Entwicklung neuer therapeutischer Möglichkeiten zur Behandlung menschlicher Autoimmunität durch Wiederherstellung der Toleranz ermöglichen.

Im Kooperationsprojekt FWF I2250-B28 haben wir es uns gemeinsam mit Prof. Dr. Klaus Warnatz (Freiburg, DE) zur Aufgabe gemacht, die komplexe Funktionsweise von PKCd zu entschlüsseln. Durch die Untersuchung von monogenetisch bedingtem Systemischem Lupus Erythematodes (SLE) und die Identifikation und Charakterisierung neuer genetischer SLE- Entitäten wollen wir ein weitreichenderes Verständnis der PKCd-Signalwege in der Zelle sowie der SLE-Pathogenese erlangen. Innerhalb Projektlaufzeit haben wir mit Hilfe (inter)nationaler Kooperationspartner/innen aus Österreich, Ungarn, Frankreich, und dem Iran erfolgreich eine Kohorte von mehr als 40 Patient/innen-Proben etabliert. Durch den Ausschluss bekannter SLE-verursachender Gendefekte, konnten wir genetische Diagnosen für 15 Patient/innen liefern. Außerdem haben wir Exomsequenzierungen von 20 Patient/innen durchgeführt und mit Hilfe von State- Of-The-Art-Bioinformatik und Netzwerk-basierten Priorisierungsmethoden analysiert. Die weitere Analyse der in diesem Datenset gefundenen, potentiell krankheitsverusachenden genetischen Varianten führte zur Identifikation vier neuer SLE-Kandidaten-Gene. Durch funktionelle Methoden haben wir die Kausalität der identifizierten Gendefekte und die zugrunde liegenden Pathomechanismen weiter untersucht. Neben dem Fokus auf bisher unbekannte Gendefekte, und um die komplexen Funktionen von PKCd tiefergehend zu verstehen, haben wir uns darauf konzentriert, eigene Proteomik- Daten, die Interaktionspartner von PKCd identifiziert haben, mit RNA-Seq und Phosphoproteomik-Daten von Prof. Dr. Warnatz zu integrieren und zu analysieren. Diese Analyse hat interessante Synergien und Abweichungen gezeigt, hat die Identifikation funktioneller Untergruppen von Proteinen innerhalb der Datensets ermöglicht, und nützliche Einblicke in die vielfältigen Funktionen von PKCd auf mehreren biologischen Ebenen ermöglicht. Basierend auf diesen Analysen haben wir ein multidimensionales Netzwerk, das PKCdome, entworfen. Durch die Analyse des PKCdomes haben wir Schlüsselproteine und Protein-Hubs identifiziert, die zu PKCd-assoziierter Krankheitsentstehung beitragen können. In Summe ist es im Rahmen des Projekts gelungen, durch die Kombination von detaillierten molekularen Studien einzelner Gendefekte, die ein SLE-ähnliches Krankheitsbild verursachen, mit einem systembiologischen Ansatz, der multidimensionale Datensets im PKCdome vereint, wertvolle Einblicke und ein besseres Verständnis der molekularen SLE- Pathogenese zu erhalten.