Eine neue Rolle der Ektonukleotidase CD39

Viele wichtige Prozesse in unserem Immunsystem sind mit der Freisetzung von Nukleotiden, insbesondere von Adenosintriphosphat (ATP) verbunden, das sich vom Baustein Purin ableitet. ATP, ansonsten der Hauptenergieträger der Zelle, wirkt außerhalb der Zelle durch Stimulation von sogenannten purin-ergen Rezeptoren als potentes Signalmolekül. Die Ektonukleotidase CD39 ist ein Zelloberflächen-Enzym, das durch hydrolytische Spaltung von ATP Dauer und Ausmaß von Nukleotid-induzierten Entzündungs- und Immunreaktionen bestimmt. Unsere erstaunliche, noch nicht publizierte Beobachtung, dass CD39 nicht nur Ektonukleotidase- Aktivität hat, sondern auch in der Lage ist, Isoprenoid-Diphosphate zu spalten, bildet die Grundlage des geplanten Forschungsprojekts. Isoprenoid-Diphosphate sind evolutionär stark konservierte Lipidbausteine, die für Zellwachstum und Zellteilung essentiell sind. Als potentiell gefährliche Substanzen werden sie bei stressbedingten Fehlregulationen auch von bestimmten Immunzellen, die zu den T-Lymphozyten gehören, mittels gammadelta T-Zell-Rezeptor detektiert. Wir wollen diese neue Isoprenoid-Diphosphat-Phosphohydrolase-Aktivität von CD39 untersuchen. Das beinhaltet nicht nur die detaillierte Charakterisierung dieser Aktivität von rekombinantem bzw. zellgebundenem CD39, sondern auch die Untersuchung von Isoprenoid-Diphosphaten als neue CD39 Regulatoren, die kompetitiv den ATP-Abbau hemmen und dadurch purinerge Signalübertragung verstärken können. Dieser Teil beinhaltet auch Messungen von Nukleotiden und Isoprenoiden mit Hilfe hochsensitiver analytischer Methoden, die der Kooperationspartner Prof. Huck vom Innsbrucker Institut für Analytische Chemie und Strahlenschutz ins Projekt einbringt. Die Bedeutung von CD39 als Isoprenoid-Diphosphat-Phosphohydrolase für Immunreaktionen soll in menschlichen Zellen und in Tiermodellen untersucht werden. Durch den Vergleich von Immunisierungen in Wildtyp-Mäusen und in sogenannten knock-out Mäusen, in denen CD39 mittels genetischer Manipulation gezielt inaktiviert wurde, soll die neue Rolle von CD39 endgültig etabliert werden. In weiterer Folge soll durch Verwendung von knock-out Mäusen, in denen purinerge Rezeptoren selektiv inaktiviert wurden, die purinerge Signalübertragung analysiert werden. Knock-out Mäuse (CD39, P2XR und P2YR) werden neben weiteren Methoden von den internationalen Kooperationspartnern Prof. Idzko von der Universität Freiburg in Deutschland bzw. Prof. Simon C. Robson von der Harvard Universität in Boston eingebracht. Die Erforschung der Isoprenoid-Diphosphat-Phosphohydrolase-Aktivität von CD39, die gewissermaßen eine Welt-Première darstellt, wird zum besseren Verständnis von Entzündungs- und Immunreaktionen beitragen, insbesondere im Hinblick auf die Verbesserung der Wirksamkeit von Impfungen und Immuntherapien.

Viele wichtige Prozesse in unserem Immunsystem sind mit der Freisetzung von Adenosintriphosphat (ATP), einem wichtigen Biomolekül, das vom Purin abstammt und auch als die Energiewährung des Lebens bekannt ist. Das Ektoenzym CD39 ist seit langem als ATPase bekannt, d.h. als ein Zelloberflächenenzym, das ATP im extrazellulären Raum durch Hydrolyse seiner Phosphatgruppen abbaut. CD39 kontrolliert auf diese Weise die Dauer und das Ausmaß von ATP-induzierten Entzündungs- und Immunreaktionen. In diesem Projekt konnten wir CD39 eine völlig neue Funktion zuschreiben. Isoprenoid-Diphosphate sind Lipidmoleküle, die im Mevalonatweg entstehen, der am besten für die Synthese von Cholesterin bekannt ist. Isoprenoid-Diphosphate aktivieren jedoch auch T-Zellen, eine bestimmte T-Zell-Untergruppe mit antimikrobiellen und antitumoralen Eigenschaften. Im Zuge ihrer Aktivierung regulieren diese T-Zellen CD39 auf ihrer Oberfläche hoch, welches dann nicht nur ATP hydrolysiert, sondern auch Isoprenoid-Diphosphate abbaut und damit die Antwort der T-Zellen beendet. Interessanterweise erwies sich das Isoprenoid-Diphosphat mit der längsten Seitenkette (GGPP, C20) als resistent gegen CD39-vermittelter Hydrolyse und hemmte sogar die ATP-Hydrolyse durch CD39. Der daraus resultierende leichte Anstieg von extrazellulärem ATP aktivierte P2Y11, einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor aus der P2Y-Familie. In unseren nachfolgenden Studien fanden wir heraus, dass der P2Y11-Rezeptor auf der Oberfläche von Makrophagen, ein weiterer Zelltyp im Immunsystem, mit zwei verschiedenen Zelloberflächenrezeptoren kommunizieren kann, dem Interleukin-1-Rezeptor (IL-1R) und dem Toll-like-Rezeptor 4 (TLR4). Im "Gespräch" mit diesen Rezeptoren induzierte P2Y11 die Freisetzung von löslichen Tumornekrosefaktor (TNF)-Rezeptoren, die in der Lage sind, das potenziell gefährliche Zytokin TNF- in der Mikroumgebung zu neutralisieren. Gleichzeitig unterdrückte P2Y11 die durch mikrobielle Produkte induzierte TNF--Sekretion. Unsere Ergebnisse etablieren somit den P2Y11-Rezeptor als Wächter der TNF--induzierten Entzündung und verbessern unser Verständnis der P2Y11-Rezeptor-Signalkette in entzündungshemmenden Makrophagen. Insgesamt haben unsere Studien eine regulatorische Signalkaskade identifiziert, die Entzündungs- und Immunreaktionen kontrolliert. Der CD39-vermittelte Abbau von Isoprenoiddiphosphaten verhindert überschießende T-Zell-Reaktionen. Die anschließende Aktivierung des P2Y11-Rezeptors verhindert exzessive Entzündung und gewährleistet die Wiederherstellung der Homöostase. Ein agonistisches (stimulierendes) Targeting dieses Signalwegs könnte bei Infektionskrankheiten wie Covid-19 wünschenswert sein. Umgekehrt kann ein antagonistisches (hemmendes) P2Y11-Targeting zur Verbesserung der Krebsimmuntherapie erforderlich sein, da ATP, das in der Mikroumgebung des Tumors meist schon erhöht ist, bei der therapieinduzierten Tumorzerstörung zunehmend freigesetzt wird und dann möglicherweise den entzündungshemmenden P2Y11-Signalweg aktiviert und damit die Wirksamkeit der Krebstherapie einschränkt.