Cytokinrezeptoren. Prof. Dr. Albert Duschl

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1 Cytokinrezeptoren Prof. Dr. Albert Duschl

2 Rezeptoroligomerisierung Rezeptoren für Cytokine und verwandte Wachstumsfaktoren lösen - wie Rezeptortyrosinkinasen - ein Signal aus, indem sie Rezeptordimerisierung bewirken. Cytokinrezeptoren sind phylogenetisch nicht mit den RTK verwandt und besitzen intrazellulär keine eigene Enzymaktivität. Cytokinrezeptoren können Homodimere oder Heterodimere bilden. Das dargestellte Growth Hormone (rot) bindet an einen homodimeren Rezeptorkomplex, benötigt dafür aber auch zwei separate Bindungsstellen. de Vos/Ultsch/Kossiakoff: Science 255:306 (1992)

3 Growth Hormone Growth hormone = GH = Wachstumshormon = Somatotropin Fördert Wachstum von Knochen, Knorpel, Muskel und Bindegewebe. Hergestellt in der Adenohypophyse. Die Produktion ist zur Pubertät maximal. Zu hohe Expression führt zu Akromegalie, zu geringe zu Zwergwuchs. Klinisch zugelassen zur Therapie von Zwergwüchsigkeit bei Kindern (1987), Erwachsenen (1996), durch Nierenversagen (1996), durch Turner Syndrom (1996), Wasting Syndrom - Kachexie bei AIDS (1996). GH Antagonisten (Pegmisovant) werden bei Akromegalie verwendet. Chas Addams

4 Cytokinrezeptoren Cytokinrezeptoren sind oft Dimere. Manchmal gibt es eine dritte Untereinheit um die Bindungsaffinität zu verbessern (z.b. IL-2, IL-6, IL-15). TNF-Rezeptoren sind Trimere, weil TNF auch ein Trimer ist. Die Cytokinrezeptor Typ 1 Familie hat konservierte Cysteine und ein WSXWS-Motiv, die in Typ 2 fehlen. Beide Typen haben mindestens zwei Domänen mit Fibronectin Typ III-Fold, einer Variante der Immunglobulin-Superfamilie.

5 Inhibition - nicht so einfach Inhibierende Antikörper gegen IL-2 können Immunreaktionen fördern oder hemmen, je nachdem welche monoklonalen AK verwendet werden. Da IL-2 ein starker T-Zell Aktivator ist, wurden diese Wirkstoffe als Immunsuppressoren entwickelt. Die komplexen Wirkmechanismen haben sich erst experimentell herausgestellt. Prlic and Bevan, Science 311, 1875 (2006)

6 Hämatopoietine Viele Cytokine sind 4-a-Helix Bündel (=Hämatopoietine). Es gibt die kurzkettige und die langkettige Subfamilie. Alle Cytokine aus der 4-Helix-Bündel Familie haben eine up-up-down-down Konnektivität, d.h. Helix A und B gehen nach oben, C und D nach unten. Die Verbindungen A-B und C-D müssen daher zwei lange loops sein. Growth hormone, IL-6, IL-10, IL-31, LIF und CNTF sind Vertreter der langkettigen Gruppe. Paul: Fundamental Immunology

7 Common-Gamma-Familie Rochman et al., Nature Rev. Immunol. 9:480 8(2009) Die Cytokine der gc Familie verwenden alle eine bestimmte Rezeptoruntereinheit, gc (a.k.a. IL-2Rg). Common-gamma-Cytokine gehören zum kurzkettigen Typ. Sie sind Teil der adaptiven Immunregulation: Diese Gruppe umfasst IL-2, IL-4, IL-7, IL-9, IL-15 und IL-21. TSLP ist ähnlich zu IL-7, verwendet aber nicht gc. Einen ähnlichen Stellvertreter ohne gc-verwendung hat auch IL-4 mit IL-13.

8 Jak/Stat Pathway 1 Durch die Dimerisierung kommen intrazellulär rezeptorassoziierte Signalmoleküle in Kontakt und aktivieren sich gegenseitig. Im Fall von Cytokinrezeptoren sind Tyrosin-Kinasen vom Jak-Typ dafür verantwortlich. Es gibt vier davon: Jak1, Jak2, Jak3 und Tyk2. Jak: Janus Kinase, bzw. Just Another Kinase. Jaks phosphorylieren 1. Das andere Jak Protein 2. Den Rezeptor 3. STAT Faktoren 4. Weitere Proteine, z.b. andere Kinasen

9 Jak/Stat Pathway 2 STATs sind gleichzeitig Signalübertragungsmoleküle und Transkriptionsfaktoren (Signal Transducer and Activator of Transcription). Es gibt sieben Stats: STAT1, 2, 3, 4, 5a, 5b und 6. STAT bindet an den phosphorylierten Rezeptor und wird dort von den Jaks phosphoryliert. Aktiviertes (phosphoryliertes) STAT bildet Dimere, die in den Kern wandern. Dimeres STAT bindet an DNA und wirkt als Transkriptionsfaktor im Promotor von Zielgenen.

10 Jak/Stat Pathway, mechanistisch Die Pseudokinasedomäne von Jak bindet im inaktiven Zustand die Kinasedomäne in trans. Bindung des (monomeren) Liganden führt zu einer Scheren-Bewegung, die Transaktivierung auslöst. Ohne Ligand ist der Rezeptordimer weniger stabil. Überschuss des Liganden führt zur Hemmung weil beide Rezeptorketten dann Ligand binden: Die Scherenbewegung kommt nicht mehr zustande. Mutationen die zu permanentem Öffnen der Schere führen, wie beim Epo-Rezeptor beschrieben (Lu et al., J. Biol. Chem. 281:7002 (2006)), führen zu Überaktivität. Wells and Kossiakoff, Science 344:703-4 (2014)

11 Jak/STAT Spezifität Da es nur 4 Jaks und 7 STATs gibt, kann nicht jeder Cytokinrezeptor eigene Kinasen und STAT Faktoren bekommen. Spezifität wird durch ein Zusammenspiel von Rezeptorketten, Jaks, STATs und ev. noch weiteren Proteinen erreicht. Abbas/Lichtman/Pober: Cellular and Molecular Immunology

12 Jak - STAT Hemmung Ein einzelnes Jak (Hopscotch) und ein einzelnes STAT (marelle, STAT92E) gibt es schon bei Drosophila. Jaks lassen sich durch bestimmte Tyrosinanaloga (e.g. Tyrphostine) hemmen. Ein Jak2 Inhibitor (ruxolitinib) ist in der Klinik. Die Spezifität von Inhibitoren ist aber immer ein gewisses Problem. Jak1, Jak2 und Tyk2 werden sehr breit verwendet. Jak3 Verlust ist vom Phänotyp her wie gc Verlust, was X-linked severe combined immunodeficiency (X-SCID) hervorruft. Von den STATs sind STAT4 und STAT6 besonders interessant, da STAT4 spezifisch mit IL-12R und STAT6 spezifisch mit IL-4Ra assoziiert ist. Levitzki, Pharmacology & Therapeutics, 82: (1999)

13 Inhibitoren I Kinasen sind grundsätzlich interessante Targets für Pharmaka. Gleevec hemmt zwar kein Jak, sondern die cytoplasmatische Tyrosinkinase abl, aber STAT ist hier involviert: In Chronisch Myeloischer Leukämie (CML; 9:22 "Philadelphia Chromosom") ist das Onkogen das Fusionsprotein Bcr-abl. Die onkogene Wirkung beruht auf einer fortgesetzten Aktivierung von STAT5. Da IFN-a ebenfalls ein wichtiges CML-Therapeutikum ist, kommen Cytokine hier sogar zweimal ins Spiel. Noble et al., Science 303: (2004)

14 Inhibitoren II Bekannte Tumortherapeutika neuerer Entwicklung sind Gleevec und Herceptin. Sie repräsentieren die beiden Hauptvarianten solcher Agenzien: Kleinmolekulare synthetische Moleküle (überwiegend Tyrosin- oder ATP- Analoga), und Antikörper. "Second generation drugs" versuchen Spezifität, Pharmakokinetik oder andere wichtige Parameter zu verbessern. Ein Thema ist dabei auch dass Targets in verschiedenen Varianten vorkommen können, entweder als unterschiedliche Allele in der Bevölkerung (Problem für Iressa) oder als Mutationen in einzelnen Tumoren (Problem für Gleevec). Sebold-Leopold and English, Nature 441: (2006)

15 Personal targets Auch für gleiche Tumore (im Bild: Brustkrebs) sind ganz verschiedene Onkogene maßgeblich. Eine Hoffnung: Sequenzierung von Tumorgenomen ist inzwischen billig genug für die Anwendung in der Klinik, was zur personalized medicine führt. Ein Problem: Studien haben gezeigt dass innerhalb eines Tumors die einzelnen Zellen ebenfalls große Unterschiede in Bezug auf Mutationen aufweisen können. Nature 479:281 (2011)

16 Targets in Allergie Allergische Erkrankungen haben in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen % aller Erwachsenen in Mitteleuropa haben Allergien. Kausale Therapien: Spezifische Immuntherapie (Hyposensibilisierung) Alle anderen Therapien sind symptomatisch, e.g. Mastzell-Stabilisierung (Nedocromil Sodium, Sodium Cromoglycate), Mediatorblocker (Histamin- und Leukotrienantagonisten), Entzündungshemmung (Steroide) Mögliche Alternative: Suppression des IL-4/IL-13 Jak STAT6 IgE Pathways. STAT6 Aktivierung ist für Klassenwechsel zu IgE obligat (allerdings nicht für die Aufrechterhaltung von IgE Produktion wenn die Plasmazellen schon aktiv sind). Zur Hemmung dieser allergischen Achse sind derzeit mehrere Kandidaten in klinischen Tests. Scientific American

17 STAT6 als Target? + Von IL-4 und IL-13 aktiviert + STAT6 ko Mäuse sind gesund, können aber kaum Allergie oder Asthma entwickeln + Keine essentiellen Funktionen in anderen Signalwegen bekannt + Recht gut verstandenes Molekül + Endogene Inhibitoren (wie SOCS Proteine) bekannt + Anti-IgE ist zugelassen +/- Ubiquitär exprimiert +/- Kreuzrektivität mit anderen STATs? Hebenstreit et al., Cytokine Growth Factor Rev. 17: (2006) - Intrazellulär

18 Inhibition Das Antennapedia-Stat6BP Konjugat hemmt die Tyrosinphosphorylierung von STAT6 in Zellen von Mensch und Maus. Vorteile: Wahrscheinlich sehr spezifisch, nicht zellschädigend oder toxisch, funktioniert anscheinend in allen Zelltypen, überwindet Maus/Mensch Speziesbarriere. Nachteile: Als Peptid abbaubar durch zelluläre Enzyme, teure Peptidsynthese. Mögliche Verwendung: Proof-of-principle Studien zur Hemmung von STAT6 in Allergiemodellen in Mäusen, Leitsubstanz zur Entwicklung synthetischer Hemmstoffe. Stolzenberger et al., Eur. J. Biochem. 268, (2001)

19 Assay STAT6 bindet an DNA Sequenzen mit dem Konsensus TTCNNNNGAA. Reportergene unter Kontrolle geeigneter Bindungsstellen erlauben es, die transkriptionelle Aktivität von STAT6 in lebenden Zellen zu verfolgen. Dieser Ansatz ist zur Promotoranalyse geeignet, aber auch zur Suche nach potentiellen Hemmstoffen in high throughput screening. Hebenstreit et al., Cytokine Growth Factor Rev. 17: (2006) A. Duschl steinzeitliche Technik, heute machen wir das viel besser

20 Kinom Das menschliche Kinom sehen Sie rechts abgebildet. Es gibt mehr als 500 Proteinkinasen. Viele davon sind medizinisch relevant. Mehr über das Kinom (und die Abbildung rechts als kostenloses Poster) finden Sie unter Sie als Studentom müssen die derzeitige om-manie aber auch nicht unbedingt mitmachen. (Mein Lieblingsausdruck: Biom.) Cell Signaling Technology