Regulation von STAT1 und Zytokinantworten durch CDK8

Zytokine sind Signal-übertragende Polypeptide, die von grundlegender Bedeutung für die Aktivierung des Immunsystems sind. Zytokine wirken indem sie den JAK-STAT Signalweg stimulieren, der umfangreiche Änderungen im Genexpressionsmuster auslöst. Für diese Veränderung der Genexpression sind die Transkriptionsfaktoren der STAT-Familie verantwortlich. Die elementaren Prinzipien der Wirkungsweise von STATs sind gut dokumentiert, unser Wissen über die Steuerung der Amplitude und Magnitude der Transkription von STAT-Targetgenen ist jedoch nur rudimentär. Diese quantitativen Eigenschaften, die oft über Gesundheit entscheiden, werden vermutlich durch weitgehend unerforschte Untereinheiten der allgemeinen Transkriptionsmaschinerie reguliert. Dieses Projektvorhaben wird die Rolle der CDK8-Kinase in der STAT-abhängigen Transkription unter die Lupe nehmen. Es wird dabei vor allem der durch das Zytokin Interferon gesteuerte Transkriptionsfaktor STAT1 untersucht. CDK8, eine Untereinheit der allgemeinen Transkriptionsmaschinerie, bindet an den Mediator- Komplex im Chromatin und reguliert so aktivierende Wirkung von Mediator auf Transkription. CDK8 und Mediator erfüllen essentielle Funktionen in Transkription, aber ihre genaue Wirkungsweise ist im Detail unklar. Die wenigen bis jetzt veröffentlichen Studien zu dem Thema sind sich darüber einig, dass CDK8 einen Schalter darstellt, der die Häufigkeit von Initiation und Re-Initiation der Transkription sowie die Effizienz der Transkriptionselongation bestimmen kann. Diese Effekte können abhängig oder unabhängig von der Kinaseaktivität sein. Überraschenderweise kann CDK8 in Bezug auf die Transkriptionsleistung verstärkend oder abschwächend wirken. Die Gründe für diese ambivalente Eigenschaft von CDK8 sind unklar. Wirhabenkürzlich beschrieben, dassCDK8nach Zytokin-Stimulationdie Transaktivierungsdomänen von Chromatin-gebundenen STATs phosphoryliert. Weiters konnten wir zeigen, dass CDK8 die transkriptionelle Aktivität von STAT1 in zweierlei Hinsicht steuert: über die STAT1 Phosphorylierung und unabhängig davon, wobei diese Effekte Targetgen- spezifisch sind. Dieses Projektvorhaben soll die genauen Mechanismen der CDK8-Wirkung auf die transkriptionelle Aktivität von STAT1 im Interferon-Signalweg untersuchen. Eine der wesentlichsten Innovation des Projekts besteht darin, dass Methoden zum Einsatz kommen, die eine Transkriptom-weite Bestimmung von Kinase-abhängigen und unabhängigen Funktionen in Initiation, Re-Initiation und Elongation von Transkription, sowie die Chromatin-Rekrutierung von wichtigsten Transkriptionsregulatoren erlauben. Es soll dabei zum ersten Mal ein genetisch gut zugängliches Zellkultursystem etabliert werden, das in künftigen genetischen Screens zur Identifizierung von Schlüsselmolekülen der CDK8-Wirkung verwendet werden kann. Die Schlussfolgerungen der geplanten Studien am Model des Interferon-STAT1-Signalweges werden in Zytokin-Signalwegen getestet, die andere STATs anschalten. Das Projekt wird somit ein umfangreiches Wissen über die Funktion von CDK8 in der Wirkung von Zytokinen produzieren, welches grundlegende Bedeutung für das Verständnis der ambivalenten und der kürzlich entdeckten krebsfördernden Effekte von CDK8 haben wird.

Immunreaktionen werden durch kleine sekretierte Proteine (sogenannte Zytokine) so gesteuert, dass eine robuste aber nicht schädlich starke Abwehrantwort auf Infektion entsteht. Die Wirkung von Zytokinen beruht auf ihrer Eigenschaft, die Transkription (d.h., die Ablesung der Gensequenz und mRNA-Synthese) von Duzenden von Genen, die in der Immunantwort wichtige Aufgaben erfüllen, präzise zu stimulieren. Dabei werden unterschiedliche Gene je nach ihrer Funktion unterschiedlich stark und lange aktiviert. Wie diese wichtige Gen-spezifische Aktivierung zustande kommt ist im Wesentlichen ungeklärt. Die transkriptionelle Genaktivierung bedarf eines Zusammenspiels von spezifischen Transkriptionsfaktoren mit der RNA-Polymerase II (RNAPII), einem Enzym das die mRNA synthetisiert. Die Kommunikation zwischen Transkriptionsfaktoren und RNAPII wird durch den sogenannten Mediator vermittelt, einem Komplex aus vielen unterschiedlichen Proteinen, die zusammen ein Drehkreuz der Transkriptionssteuerung bilden. Ein wichtiger Teil des Mediators sind die Mediator-Kinasen und wichtige Steuerungsschalter CDK8 und CDK19. Diese Kinasen sind von der Sequenz her sehr ähnlich und es wurde lange Zeit angenommen, dass sie auch ähnliche Funktionen erfüllen. Diese Funktion sollte demnach überwiegend auf der Phosphorylierung (d.h. Modifikation) anderer Proteine durch CDK8 oder CDK19 beruhen. Die Ergebnisse unserer vom Wissenschaftsfonds (FWF)-finanzierten Studie weisen jedoch eindeutig darauf hin, dass in der durch Zytokine stimulierten Transkription CDK8 und CDK19 unterschiedliche Gene regulieren und dabei auch unterschiedliche Regulationsmechanismen zur Geltung kommen. Diese Ergebnisse implizieren, dass CDK8 und CDK19 bei der Gen- spezifischen Aktivierung der Transkription eine zentrale Rolle spielen. Die genaue Funktionsweise der Mediator-Kinasen CDK8 und CDK19 soll in einem Folgeprojet untersucht werden. Die Mediator-Kinasen CDK8 und CDK19 können pharmakologisch reguliert werden; eine therapeutische Nutzung der CDK8 bzw. CDK19 Inhibition ist jedoch ohne Kenntnisse über die genaue Funktion dieser Enzyme nicht möglich. Unsere geplante Studie wird daher auch helfen, geeignete Anwendungen für therapeutische Inhibition von CDK8 und CDK19 bei Immunerkrankungen zu definieren.