Transkriptionkontrolle durch Mediator-Kinasen CDK8 und CDK19

Immunreaktionen werden durch kleine sekretierte Proteine wie Zytokine und Interferone so gesteuert, dass eine robuste aber nicht schädlich starke Abwehrantwort auf Infektion entsteht. Die Wirkung von Interferonen 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 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 laufenden Studie weisen jedoch eindeutig darauf hin, dass 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. In der geplanten Studie haben wir vor, die unterschiedlichen Funktionen von CDK8 und CDK19 mechanistisch zu erklären. Dabei werden wir die durch Interferon stimulierte Transkription untersuchen, und die Erkenntnisse auch bei anderen Immunreaktionen testen. Die Ergebnisse der geplanten Studie werden unser mangelhaftes Verständnis über die Steuerung der Transkription bei Immunreaktionen wesentlich verbessern. 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. Die geplante Studie wird daher auch helfen, geeignete Anwendungen für therapeutische Inhibition von CDK8 und CDK19 bei Immunerkrankungen zu definieren.

CDK8 & CDK19 - Zwillingsenzyme mit ungleichen Rollen in der antiviralen Abwehr Ziel des Projekts war es zu verstehen, wie Gene, die die Reaktion auf virale Infektionen steuern, aktiviert werden. Eine präzise Regulierung der Genexpression bzw. der Genaktivität ist für das Leben unerlässlich. So ist beispielsweise die Aktivierung von Genen, die am Schutz von Zellen gegen Viren beteiligt sind, entscheidend für eine erfolgreiche Abwehr von viralen Infektionen. Die antivirale Genexpression wird durch Interferone induziert, d.h. durch kleine Proteine, die von virusinfizierten Zellen ausgeschieden werden. Interferone docken an Rezeptoren auf der Zelloberfläche an und setzen eine Kaskade von Signalen in Gang, die letztlich dazu führen, dass die Zelle eine Reihe von antiviralen Genen transkribiert, d. h. aktiviert. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass jedes antivirale Gen im richtigen Ausmaß induziert wird, da eine unzureichende (sowohl zu geringe als auch zu hohe) Expression für den Wirtsorganismus schädlich sein kann. Die Mechanismen, die die Quantität der Gentranskription und damit das Ausmaß der Genexpression regulieren, sind noch wenig bekannt. Um diese wichtige Frage zu klären, haben wir uns auf die Enzyme CDK8 und CDK19 konzentriert. CDK8 und CDK19 sind Bestandteile der Mediator-Kinase, einem unverzichtbaren Regulator der Gentranskription. Die Mediator-Kinase kontrolliert die Menge der Transkription, aber die zugrunde liegenden molekularen Prinzipien sind weitgehend unbekannt. CDK8 und CDK19 sind sehr ähnliche Proteine, von denen man annahm, dass sie funktionell redundant sind. Die Projektergebnisse zeigten jedoch, dass CDK8 und CDK19 funktionell unterschiedliche Proteine sind. Sie aktivieren unterschiedliche Gruppen von Genen und nutzen unterschiedliche Mechanismen bei der Interferon-induzierten antiviralen Reaktion. Die Ergebnisse zeigen, dass CDK8 und CDK19 die Transkriptionsleistung präzise an die jeweiligen Bedürfnisse anpassen. Die Entdeckungen des Projekts revidieren das Konzept der antiviralen Immunität und der Genregulation. Künftige Arbeiten werden die molekularen Mechanismen der quantitativen Steuerung der Transkription durch CDK8 und CDK19 im Detail untersuchen. Die Herausforderung bei diesem Ziel besteht darin, experimentelle Systeme zu entwickeln, die die Infektionsbedingungen widerspiegeln und gleichzeitig die Inaktivierung eines der beiden Proteine zu einem bestimmten Zeitpunkt ermöglichen. Erste Teile dieser Aufgabe wurden im Rahmen des abgeschlossenen Projekts erfolgreich etabliert.