"Nutritional Immunity" trifft auf Pathogen Erkennung

Unter "nutritional immunity" versteht man jene anti-mikrobiellen Verteidigungsstrategien des Immunsystems, die dazu dienen die Verfügbarkeit essentieller Metallionen für Pathogene zu minimieren, um deren metabolische Aktivität und Fitness zu reduzieren. Nramp1 reduziert dabei spezifisch die Ionenverfügbarkeit im Phagosom um intrazelluläre Pathogene zu inhibieren. Nramp1 ist ein pH-abhängiger Transporter für divalente Metalle, welcher in infizierten Phagozyten im Phagolysosom lokalisiert. Durch das Herauspumpen von Ionen in das Zytoplasma der Zelle, schafft der Transporter eine ionenverminderte Umgebung im Phagosom, welche das Überleben von intrazellulären Pathogenen beeinträchtigt. Darüberhinaus verstärkt Nramp1 auch pro-inflammatorische Funktionen von Immunzellen, darunter eine erhöhte Ausschüttung von Zytokinen und oxidativen Mediatoren. Inflammatorische Immunantworten werden durch die Erkennung von Pathogenen mithilfe bestimmter Rezeptoren auf Wirtszellen ausgelöst, zu welchen die Toll-like Rezeptoren (TLRs) zählen. Interessanterweise, lokalisieren intrazelluläre TLRs, so wie TLR3, TLR7 und TLR9, in denselben endolysosomalen Kompartimenten wie Nramp1, welches eine funktionelle Wechselwirkung zwischen den beiden Proteinen vermuten lässt. Tatsächlich konnte bereits gezeigt werden, dass Nramp1 die Signaltransduktion von TLR7 in Antwort auf ssRNA Liganden verstärkt. Jedoch sind die zugrundeliegenden Mechanismen und die biologische Relevanz im Zuge einer Infektion noch völlig unbekannt. Meine Hypothese schlägt vor, dass Nramp1 die Signalübermittlung von intrazellulären TLRs reguliert indem es deren Prozessierung und Aktivierung im Phagosom beeinflusst. Mittels einem anfänglichen Screenings mit Rezeptor-spezifischen Liganden, möchte ich jene TLRs identifizieren, die mit Nramp1 wechselwirken. Die Neuartigkeit des beantragten Projekts besteht darin, auch die zugrundeliegenden Mechanismen dieser Wechselwirkung zu entschlüsseln, sowie die Resultate mit den Liganden auf echte Pathogene auszuweiten um schlussendlich die biologische Relevanz in einem Maus-Infektionsmodell zu validieren. Mit Hilfe eines Candida glabrata (Cg) Infektionsmodel soll die spezifische Wechselwirkung von Nramp1 und TLR7 untersucht werden. Cg ist ein intrazelluläres Pilzpathogen, das eine Typ I Interferon Antwort über TLR7 induziert. Genau diese Antwort wird als spezifisches "read-out" für die TLR Aktivierung dienen. Abschließend möchte ich aufklären, ob der beobachtete Effekt von Nramp1 primär auf dessen Funktion als Katalysator der Phagosomenansäuerung bzw. des - redoxstatuses oder auf seine autonome Funktion als Metallionen Transporter zurückzuführen ist. Das beantragte Projekt wird maßgeblich zum Verständnis der zellulären Metall-Homöostase und deren Einfluss auf die Immunantwort beitragen. Weiters liefert die Arbeit einen komplett neue Sichtweise darüber, wie TLRs durch umweltbedingte Begebenheiten im Phagosom reguliert werden können. Damit eröffnet die Arbeit neue Strategien zur Behandlung von Erkrankungen.

Mittelpunkt meines Projektes ist die Erforschung der Ursachen die zur Entstehung von Autoimmunerkrankungen führen. Dabei spezialisiert sich meine Arbeit auf die Regulierung und zelluläre Lokalisierung von Toll-like Rezeptoren (TLRs) in Immunzellen. TLRs sind Sensoren unseres Immunsystems spezialisiert auf die Erkennung von mikrobiellen Produkten, um eine entsprechende Immunantwort auf eine Infektion einzuleiten. Allerdings sind nicht alle mikrobiellen Produkte immer eindeutig von körpereigenen Stoffen zu unterscheiden und TLRs haben die schwierige Aufgabe Selbst von Fremd zu differenzieren. Ist diese Differenzierung gestört, kann es zu einer unkontrollierten Aktivierung des Immunsystems und folglich zu Autoimmunerkrankungen kommen. Für TLR7 und 9, welche RNA und DNA Liganden erkennen, ist dieses Konzept bereits gut beschrieben. Um erfolgreich zwischen Selbst und Fremd-Nukleinsäuren zu unterscheiden befinden sich diese Rezeptoren in intrazellulären Kompartimenten, anstatt an der Zelloberfläche. Falsche Lokalisierung von TLR7 und 9 in der Zelle kann zur erleichterten Erkennung von Selbst-Nukleinsäuren führen und eine potentielle Gesundheitsgefahr darstellen. Basierend auf diesem Wissen formulierte ich die Hypothese, dass eine Störung des Transports und der Lokalisierung von TLRs zu einem Verlust der immunologischen Toleranz führen kann und zur Entstehung von Autoimmunerkrankungen, wie zum Beispiel Lupus, prädisponiert. Der Transport von TLRs wird durch das Transmembranprotein Unc93b1 reguliert, welches die Rezeptoren an den richtigen Platz in der Zelle bringt. Um ein besseres Verständnis über die molekularen Mechanismen dieser Regulierung zu gewinnen, habe ich einen Mutagenisierungs-Screen an Unc93b1 durchgeführt. Mit Hilfe dieses Screens habe ich einen neuen regulatorischen Signalweg entdeckt, welcher die immunologische Toleranz von TLR7 und 9 in Immunzellen gewährleistet. Diese Regulierung involviert eine post-translationale Modifizierung von Unc93b1. Ist diese Modifizierung nicht vorhanden, dann detektieren TLR7 und 9 ungehindert Selbst-DNA und RNA. Derzeit teste ich, ob dieser Signalweg eine wichtige regulatorische Rolle in Lupus spielt. Meine Entdeckung könnte grundlegende Erkenntnisse zur Pathogenese von Autoimmunerkrankungen liefern.