Interaktion von NOD2 und IL-31

Die Art einer Immunreaktion, die ein Organismus nach Infektion mit einem pathogenen Erreger durchmacht, wird in erster Linie vom Typ des Pathogens bestimmt. Viren, Bakterien und Pilze aktivieren Immunreaktionen, die durch T-Helfer-Zellen vom Typ1 und Typ17 (Th1- und Th17-Zellen) vermittelt werden, wohingegen Nematoden und andere Parasiten eine Immunreaktion vom Typ 2 (durch Th2-Zellen vermittelt) auslösen. Pathogene Erreger werden von hochspezialisierten Zellen erkannt, die man als Dendritische Zellen bezeichnet. Dendritische Zellen sind mit einer Reihe von Mustererkennungsrezeptoren ausgestattet, die mikrobielle Strukturen aus Viren, Bakterien, Nematoden oder anderen pathogenen Keimen erkennen können. Sobald dendritische Zellen entsprechende Strukturen erkannt haben, werden sie aktiviert und treiben ihrerseits die Ausdifferenzierung von bestimmten T- Helfer-Zellen an, die dann in weiterer Folge andere Zellen des Immunsystems anregen, was die erfolgreiche Bekämpfung einer Infektion zur Folge hat. Dendritische Zellen werden generell durch die Erkennung von mikrobiellen Strukturen in Alarmbereitschaft versetzt. Zusätzliche Signale, wie Stimulation durch lösliche Botenstoffe, die man auch als Zytokine bezeichnet, können wesentlich zur Aktivierung oder Inaktivierung einer Dendritischen Zelle beitragen. Im vorliegenden Projekt untersuchen wir das Zusammenspiel eines bestimmten Mustererkennungsrezeptors mit dem Namen NOD2 und eines relativ neuen Zytokins namens Interleukin-31. Dieser Botenstoff wird von Typ 2 -T-Helfer Zellen ausgeschüttet und wird daher als Th2 Zytokin bezeichnet. Es ist bekannt, dass manche Th2 Zytokine, wie Interleukin-4 und Interleukin-13 nicht nur die Abwehr gegen Parasiten unterstützen können, sondern gleichzeitig auch Th1-Immunantworten, die z.B. durch Infektion mit Bakterien oder Viren aktiviert wurden, unterdrücken. Diese Hemmung von Th1-vermittelten Immunantworten durch Th2 Zytokine kann zu massiven Störungen bei der Bekämpfung von Infektionen führen. Wir zeigen hier, dass Interleukin-31, ebenfalls ein Th2 Zytokin, die Aktivierung von Dendritischen Zellen nicht hemmt, sondern fördert. Dendritische Zellen, die über den Musterkennungsrezeptor NOD2 aktiviert wurden, lassen sich durch Interleukin-31 zusätzlich stimulieren. Die verstärkte Aktivierung von dendritischen Zellen führt zu einer gesteigerten T-Zell-Aktivierung und zu einer verstärkten Th17-vermittelten Immunantwort. Zusätzlich vermuten wir, dass Interleukin-31 seine Wirkung auf dendritische Zellen über einen bestimmten Rezeptor ausübt, über dessen Funktion bislang wenig bekannt ist. Die Aktivierung dieses Rezeptors dürfte einen Signalweg auslösen, der für Interleukin-31 und andere Mitglieder dieser Zytokin-Familie sehr untypisch ist, die interessante Funktion dieses Zytokins jedoch deutlich unterstreicht. In diesem Projekt zeigen wir eine völlig neue Interaktion zwischen dem Th2 Zytokin Interleukin-31 und dem Mustererkennungsrezeptor NOD2 auf. Wir beschreiben Interleukin-31 als Th2 Zytokin, das im Gegensatz zu anderen Th2 Zytokinen Immunreaktionen, die durch Bakterien induziert wurden nicht hemmt, sondern fördert. Dieser neue Aspekt erlaubt es bestimmte Immunreaktionen unter einem anderen Blickwinkel zu betrachten und könnte wesentlich zur Entwicklung neuer therapeutischer Konzepte beitragen.

Interleukin (IL)-31 ist ein löslicher Botenstoff, der besonders bei Hauterkrankungen mit starkem Juckreiz eine Schlüsselrolle spielt. Rezeptoren für IL-31 wurden vermehrt in der Haut von Patientinnen und Patienten mit juckenden Hauterkrankungen (z.B. atopischer Dermatitis) gefunden. Große Hoffnungen liegen daher in neuen Therapieansätzen, die darauf abzielen, den Juckreiz bei atopischer Dermatitis durch Blockade von IL-31 zu hemmen. In weiterer Folge sollte diese Behandlung auch zur Besserung des Hautekzems führen, da der Kreislauf aus Juckreiz und Kratzimpulsen unterbrochen werden könnte. Therapeutische Antikörper gegen IL-31 und den IL-31 Rezeptor sind bereits in Entwicklung und werden aktuell in klinischen Studien geprüft. IL-31 findet man jedoch nicht nur in der Haut, sondern auch in vielen anderen Geweben und Organen, wobei die Rolle von IL-31 in anderen Organen, wie z.B. der Lunge, noch wenig erforscht ist. Erschwerend kommt hinzu, dass IL-31 seine biologischen Effekte über den IL-31 Rezeptor vermittelt, von dem man sieben verschiedene Isoformen kennt. Welche Isoformen in welchen Geweben und Organen auftreten, wie sie reguliert werden und welche Signale sie vermitteln, ist nur teilweise bekannt. Im ersten Teil der Arbeit wurden daher die Signalkapazitäten der sieben Isoformen des IL-31 Rezeptors genau untersucht. Zusätzlich konnte mit SOCS3 ein inhibitorisches Molekül identifiziert werden, welches über eine negative Rückkoppelungsschleife IL-31-vermittelte Signale unter Kontrolle hält. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigte sich mit dem Zusammenspiel zwischen IL-31 Effekten und Signalen, die über den Mustererkennungsrezeptor NOD2 ausgelöst werden. Entgegen unserer Arbeitshypothese konnten wir keine signifikanten Interaktionen definieren, die zu einem besseren Verständnis der Rolle von IL-31 bei Allergien führen würden. Allerdings haben wir eine bislang völlig unbekannte Interaktion zwischen zwei Proteinen erforscht, die mit IL-31 und NOD2 eng verwandt sind, nämlich IL-10 und NOD1. Unsere Studie zeigt, dass NOD1 einen wesentlichen Einfluss auf die Wirkung des entzündungshemmenden Botenstoffes IL-10 hat. Folglich kann eine Fehlregulation von NOD1 zu einer Hyperaktivierung von IL-10 und somit zu erhöhter Immunsuppression führen. Da besonders in Krebszellen erniedrigte NOD1 Konzentrationen gefunden wurden, könnte der von uns beschriebene Mechanismus ein weiteres Erklärungsmodell dafür bieten, warum Tumorzellen in der Lage sind, dem Immunsystem zu entkommen. Im Zuge unserer Arbeiten stellte sich heraus, dass der ursprünglich verwendete kommerzielle IL-31 Batch geringe Endotoxin-Kontaminationen aufwies. Diese Verunreinigungen konnten jedoch durch herkömmliche Tests nicht nachgewiesen werden. Da nicht nachweisebare Endotoxin-Kontaminationen vor allem für die Arbeit mit humanen Immunzellen ein großes Problem darstellen, haben wir uns eingehend mit dem Phänomen der Endotoxin-Maskierung beschäftigt. Wir konnten verschiedene Verfahren beschreiben, die eine Maskierung von Endotoxin zur Folge haben können und stellen einen zell-basierenden Assay vor, mit dem auch maskiertes Endotoxin gut nachweisbar ist. Da IL-31 als ein interessantes therapeutisches Target zur Behandlung von juckenden Hauterkrankungen gilt, stellte sich die Frage, ob IL-31- blockierende Antikörper generell zur Therapie allergischer Erkrankungen herangezogen werden könnten. Daher haben wir im letzten Projektabschnitt die Rolle von IL-31 bei allergischem Asthma untersucht. Obwohl IL-31 Serum-Werte bei Patientinnen und Patienten mit Pollen-Allergie oder allergischem Asthma signifikant erhöht sind, zeigen in vivo Modelle, dass IL-31 in der Lunge eine entzündungshemmende Funktion hat. In der Lunge könnte IL-31 somit Teil eines Rückkoppelungsmechanismus sein, der bei starken allergischen Reaktionen in Kraft tritt um allergische Entzündungserscheinungen zu limitieren. Zusammenfassend zeigen unsere Ergebnisse, dass IL-31 ein komplexes Netzwerk an biologischen Signalen auslöst. Diese Signale sind für juckende Hautentzündungen verantwortlich, könnten aber auch weiterreichende Effekte haben und in anderen Organen, wie der Lunge, zur Limitierung von allergischen Reaktionen beitragen. Um die Rolle von IL- 31 bei Allergien vollständig zu verstehen, werden jedoch weitere Studien erforderlich sein.