Funktionelle Charakterisierung der Casein Kinase 2 in der Etablierung und Aufrechterhaltung peripherer Toleranz durch dendritische Zellen

Dendritische Zellen (DCs) nehmen eine Schlüsselrolle in unserem Immunsystem ein, indem DCs sowohl Immunität, als auch Toleranz induzieren können. Im Falle der Immunität sind DCs in der Lage die Differenzierung der verschiedenen T-Helferzellen, wie Th1-, Th2- und Th17-Zellen zu steuern und tragen so zu der Qualität einer Immunantwort bei. Auf der anderen Seite können DCs in Gegenwart von TGF-β, IDO und Retinsäure die Differenzierung von regulatorischen T-Zellen induzieren und tragen somit zur Aufrechterhaltung der peripheren Toleranz bei. Insbesondere in den Darm-assoziierten lymphatischen Geweben (GALT) müssen DCs unverhältnismäßige Immunantworten gegen harmlose Antigene aus der Nahrung und kommensale Bakterien verhindern, während gegen Pathogene schützende Immunantworten induziert werden müssen. Auf Grund dieser entgegengesetzten Funktionen der DCs wollten wir die molekularen Mechanismen der DCs untersuchen, die der Regulation von Immunität und Toleranz zu Grunde liegen. Insbesondere der Wnt-Signalweg ist für die Aufrechterhaltung der peripheren Toleranz im GALT von Bedeutung. Da die Casein Kinase 2 in diesem Signalweg entscheidend beteiligt ist, haben wir die CK2-Funktion konditionell, unter der Kontrolle des CD11c-Promotors, deletiert. Hierfür haben wir CD11c-cre Mäuse mit Mäusen verpaart, welche ein von loxP-Signalsequenzen flankiertes Ck2β Gen (CK2β-fl/fl) tragen. Die konditionelle Deletion der CK2-Funktion in DCs, führte zu einer verstärkten Expression der kostimulatorischen Moleküle (wie CD40, CD80, CD86) und der Zytokine IL-6 und IL-12 unter „steady-state“ Bedingungen. Detaillierte Untersuchungen der T-Zellen in CD11c-cre x CK2β-fl/fl Mäusen zeigte eine deutlich reduzierte naive T-Zellpopulation, einhergehend mit einer erhöhten Th1- und Th17-Differenzierung. Speziell in den mesenterialen Lymphknoten konnte eine höhere Frequenz von T-bet+ und Rorγt+ CD4+ T-Zellen gefunden werden, welche große Mengen der Zytokine IFN-γ und IL-17 nach ex vivo Stimulation produzierten. Weiterführende in vivo Versuche, hier wurde das Modell der oralen Toleranz gewählt, zeigten das eine CK2-Deletion in DCs die Induktion einer oralen Toleranz verhindert. Unsere Daten zeigen eindeutig, dass die CK2 entscheidend in der Regulation der DC Homöostase und der Aufrechterhaltung der peripheren Toleranz beteiligt ist.

Funktionelle Charakterisierung der Protein-Kinase CK2 in der Suppression Th2-vermittelter Immunantworten durch regulatorische T-Zellen

Regulatorische T-Zellen (Tregs) leisten durch ihre suppressiven Eigenschaften einen essenziellen Beitrag zur Aufrechterhaltung der immunologischen Toleranz. Sie verhindern schädliche Immunreaktionen gegen Autoantigene, kommensale Bakterien, sowie harmlose Nahrungsmittel-bestandteile. Gleichzeitig gewährleisten sie die Entwicklung effektiver Immunantworten gegen eindringende Pathogene, wie z.B. Parasiten, Bakterien und Viren. Damit haben Tregs direkten Einfluss auf das Gleichgewicht zwischen Immunität und Toleranz. Fehler in der suppressiven Funktionsweise von Tregs begünstigen daher auf der einen Seite die Entstehung zahlreicher autoimmuner Erkrankungen und Allergien. Auf der anderen Seite können Tregs Immunreaktionen bei chronischen Infektionen reduzieren, sowie die Entstehung effektiver Immunantworten gegen Tumore hemmen. Ihre Beteiligung an der Ätiologie all dieser Krankheiten macht Tregs zu einem bedeutenden potenziellen Zielobjekt, um diese Krankheiten effektiv zu therapieren. Die Erweiterung des Grundwissens um die molekularen Mechanismen der Treg-vermittelten Suppression ist daher ein notwendiger Schritt bei der Entwicklung Treg-basierter Theraphieansätze. 2003 konnte mit Foxp3 ein Transkriptionsfaktor identifiziert werden, der maßgeblich die suppressiven Funktionen von Tregs steuert. Um weiteren Einblick in die der Suppression zugrundeliegenden Signalwege zu erhalten, wurde im Institut für Immunologie ein komparativer Kinomarray durchgeführt, anhand dessen die Casein Kinase 2 (CK2) als eine der aktivsten Kinasen in Tregs identifiziert wurde (Daten freundlicherweise von Prof. Dr. Tobias Bopp bereitgestellt). rnBasierend auf den Ergebnissen des Kinomarrays wurde in dieser Arbeit die Funktion der CK2 in Tregs untersucht. Dabei konnte in in vitro Experimenten die Treg-vermittelte Suppression durch den pharmakologische CK2 Inhibitor DMAT aufgehoben werden. Weil derartige Inhibitoren jedoch nicht absolut spezifisch die Aktivität nur einer Kinase supprimieren, wurden außerdem Mäuse mit konditionalem „knockout“ der CK2β Untereinheit spezifisch in Tregs gekreuzt (CK2βTreg-/- Mäuse). Die Analyse dieser Tiere offenbarte eine essenzielle Beteiligung der CK2 an den suppressiven Funktionen von Tregs. So entwickeln CK2βTreg-/- Mäuse mit zunehmendem Alter Splenomegalien und Lymphadenopathien, von denen in besonderem Maße die Mukosa-assoziierten Lymphknoten betroffen sind. Eine Analyse des Aktivierungsstatus der T-Zellen in den Tieren konnte zudem einen erhöhten Anteil sogenannter Effektor-Gedächtnis T-Zellen aufdecken, die charakteristische Merkmale eines Th2 Phänotyps zeigten. Erhöhte Titer des Antikörperisotyps IgE in den Seren von CK2βTreg-/- Mäusen suggerieren zusätzlich eine fehlerhafte Suppression speziell Th2-vermittelter Immunantworten durch CK2β-defiziente Tregs. In Th2-vermittelten Asthma Experimenten in vivo konnte der Verdacht der fehlerhaften Kontrolle von Th2-Antwort bestätigt werden, wobei zusätzlich aufgedeckt wurde, dass bereits unbehandelte CK2βTreg-/- Mäuse Zeichen einer Entzündungsreaktion in der Lunge aufweisen. Bei der Suche nach den molekularen Ursachen der fehlerhaften Suppression Th2-vermittelter Immunantworten durch CK2β-defiziente Tregs konnten zwei mögliche Erklärungsansätze gefunden werden. Zum einen zeigen CK2β-defiziente Tregs eine verringerte Expression von Foxp3, was, in Analogie zu Ergebnissen der Gruppe von R. Flavell (Wang Y.Y. Nature. 445, 766-770 (2007)), zu einer Konversion von Tregs zu Th2 Zellen und damit zur Entstehung eines Th2-basierten, autoimmunen Phänotyps führt. Des Weiteren weisen CK2β-defiziente Tregs eine reduzierte Expression des Transkriptionsfaktors IRF4 auf, der in Tregs entscheidend für die Kontrolle Th2-basierter Immunreaktionen ist (Zheng Y. Nature. 19; 351-356 (2009)). Die dargelegten Ergebnisse identifizieren die CK2 damit als Kinase, die entscheidend an der Treg-vermittelten Suppression speziell Th2-basierter Immunantworten beteiligt ist. Demnach könnten pharmakologische CK2 Inhibitoren beispielsweise dazu eingesetzt werden, um die Treg-vermittelte Suppression im Rahmen chronischer Parasiten-Infektionen aufzuheben. Die in CK2βTreg-/- Mäusen beobachtete Prävalenz der Funktion der CK2 für Mukosa-assoziierte Organe stellt dabei einen zusätzlichen Vorteil dar, weil systemische Nebenwirkungen, die durch die Blockade der Treg-vermittelte Suppression entstehen, zumindest in nicht-Mukosa-assoziierten Geweben nicht zu erwarten sind.rn

Optimization of RNA-based transgene expression by targeting Protein Kinase R

The aim of this thesis was to establish a method for repeated transfection of in vitro transcribed RNA (IVT-RNA) leading to a sustained protein expression lasting for days or even weeks. Once transfected cells recognize IVT-RNA as "non-self" and initiate defense pathways leading to an upregulated interferon (IFN) response and stalled translation. In this work Protein Kinase R (PKR) was identified as the main effector molecule mediating this cellular response. We assessed four strategies to inhibit PKR and the IFN response: A small molecule PKR inhibitor enhanced protein expression and hampered the induction of IFN-transcripts, but had to be excluded due to cytotoxicity. A siRNA mediated PKR knockdown and the overexpression of a kinase inactive PKR mutant elevated the protein expression, but the down-regulation of the IFN response was insufficient. The co-transfer of the viral inhibitors of PKR and the IFN response was most successful. The use of E3, K3 and B18R co-transfection enabled repeated IVT-RNA-based transfection of human fibroblasts. Thus, the developed protocol allows a continuous IVT-RNA encoded protein expression of proteins, which could be the basis for the generation of induced pluripotent stem cells (iPS) for several therapeutic applications in regenerative medicine or drug research.

Regulation von "Silent mating type information regulation 2 homolog Type" 1 (SIRT1) durch die nach DNA-Schaden induzierte Kinase "Homeodomain-interaction kinase" (HIPK2)

"Silent mating type information regulation 2 Type" 1 (SIRT1), das humane Homolog der NAD+-abhängigen Histondeacetylase Sir2 aus Hefe, besitzt Schlüsselfunktionen in der Regulation des Metabolismus, der Zellalterung und Apoptose. Letztere wird vor allem durch die Deacetylierung von p53 an Lys382 und der dadurch verringerten Transkription proapoptotischer Zielgene vermittelt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die SIRT1 Regulation im Zusammenhang mit der DNA-Schadensantwort untersucht.rnIn der Apoptoseregulation übernimmt die Serin/Threonin-Kinase "Homeodomain interacting protein kinase" 2 (HIPK2) eine zentrale Rolle und daher wurde die SIRT1 Modifikation und Regulation durch HIPK2 betrachtet. Durch Phosphorylierung des Tumorsuppressorproteins p53 an Ser46 aktiviert HIPK2 das Zielprotein und induziert die Transkription proapoptotischer Zielgene von p53. Es wurde beschrieben, dass HIPK2 nach DNA-Schädigung über einen bisher unbekannten Mechnismus die Acetylierung von p53 potenzieren kann.rnIn der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass SIRT1 von HIPK2 in vitro und in Zellen an Serin 27 und 682 phosphoryliert wird. Weiterhin ist die Interaktion von SIRT1 mit HIPK2 sowie die SIRT1 Phosphorylierung an Serin 682 durch DNA-schädigende Adriamycinbehandlung erhöht. Es gibt Hinweise, dass HIPK2 die Expression von SIRT1 reguliert, da HIPK2 RNA-Interferenz zur Erniedrigung der SIRT1 Protein- und mRNA-Mengen führt.rnEin weiterer interessanter Aspekt liegt in der Beobachtung, dass Ko-Expression von PML-IV, welches SIRT1 sowie HIPK2 in PML-Kernkörper rekrutiert, die SIRT1 Phosphorylierung an Serin 682 verstärkt. Phosphorylierung von SIRT1 an Serin 682 interferiert wiederum mit der SUMO-1 Modifikation, welche für die Lokalisation in PML-Kernkörpen wichtig ist.rnBemerkenswerterweise reduziert die DNA-schadendsinduzierte SIRT1 Phosphorylierung die Bindung des SIRT1 Ko-Aktivators AROS, beeinflusst aber nicht diejenige des Inhibitors DBC1. Dies führt zur Reduktion der enzymatischen Aktivität von SIRT1 und der darausfolgenden weniger effizienten Deacetylierung des Zielproteins p53.rnDurch die von mir in der vorliegenden Promotionsarbeit erzielten Ergebnisse konnte ein neuer molekularer Mechanismus entschlüsselt werden, welcher die durch HIPK2 modulierte Acetylierung von p53 und die daran anschließende Induktion der Apoptose beschreibt.rnHIPK2-vermittelte SIRT1 Phosphorylierung resultiert in einer verminderten Deacetylasefunktion von SIRT1 und führt so zu einer verstärkten acetylierungsinduzierten Expression proapoptotischer p53 Zielgene.

Epigallocatechin-3-gallate induces cell death in acute myeloid leukaemia cells and supports all-trans retinoic acid-induced neutrophil differentiation via death-associated protein kinase 2

Acute promyelocytic leukaemia (APL) patients are successfully treated with all-trans retinoic acid (ATRA). However, concurrent chemotherapy is still necessary and less toxic therapeutic approaches are needed. Earlier studies suggested that in haematopoietic neoplasms, the green tea polyphenol epigallocatechin-3-gallate (EGCG) induces cell death without adversely affecting healthy cells. We aimed at deciphering the molecular mechanism of EGCG-induced cell death in acute myeloid leukaemia (AML). A significant increase of death-associated protein kinase 2 (DAPK2) levels was found in AML cells upon EGCG treatment paralleled by increased cell death that was significantly reduced upon silencing of DAPK2. Moreover, combined ATRA and EGCG treatment resulted in cooperative DAPK2 induction and potentiated differentiation. EGCG toxicity of primary AML blasts correlated with 67 kDa laminin receptor (67LR) expression. Pretreatment of AML cells with ATRA, causing downregulation of 67LR, rendered these cells resistant to EGCG-mediated cell death. In summary, it was found that (i) DAPK2 is essential for EGCG-induced cell death in AML cells, (ii) ATRA and EGCG cotreatment significantly boosted neutrophil differentiation, and 67LR expression correlates with susceptibility of AML cells to EGCG. We thus suggest that EGCG, by selectively targeting leukaemic cells, may improve differentiation therapies for APL and chemotherapy for other AML subtypes.

Sphingosine kinase 1 is critically involved in nitric oxide-mediated human endothelial cell migration and tube formation

Sphingosine kinases (SKs) convert sphingosine to sphingosine 1-phosphate (S1P), which is a bioactive lipid that regulates a variety of cellular processes including proliferation, differentiation and migration.

A novel mode of action of the putative sphingosine kinase inhibitor 2-(p-hydroxyanilino)-4-(p-chlorophenyl) thiazole (SKI II): induction of lysosomal sphingosine kinase 1 degradation

Sphingosine kinase 1 (SK1) is a key enzyme in the generation of sphingosine 1-phosphate (S1P) which critically regulates a variety of important cell responses such as proliferation and migration. Therefore, inhibition of SK-1 has been suggested to be an attractive approach to treat tumor growth and metastasis formation.

An overlapping kinase and phosphatase docking site regulates activity of the retinoblastoma protein

The phosphorylation state and corresponding activity of the retinoblastoma tumor suppressor protein (Rb) are modulated by a balance of kinase and phosphatase activities. Here we characterize the association of Rb with the catalytic subunit of protein phosphatase 1 (PP1c). A crystal structure identifies an enzyme docking site in the Rb C-terminal domain that is required for efficient PP1c activity toward Rb. The phosphatase docking site overlaps with the known docking site for cyclin-dependent kinase (Cdk), and PP1 competition with Cdk-cyclins for Rb binding is sufficient to retain Rb activity and block cell-cycle advancement. These results provide the first detailed molecular insights into Rb activation and establish a novel mechanism for Rb regulation in which kinase and phosphatase compete for substrate docking.

Fast kinase domain-containing protein 3 is a mitochondrial protein essential for cellular respiration

Fas-activated serine/threonine phosphoprotein (FAST) is the founding member of the FAST kinase domain-containing protein (FASTKD) family that includes FASTKD1-5. FAST is a sensor of mitochondrial stress that modulates protein translation to promote the survival of cells exposed to adverse conditions. Mutations in FASTKD2 have been linked to a mitochondrial encephalomyopathy that is associated with reduced cytochrome c oxidase activity, an essential component of the mitochondrial electron transport chain. We have confirmed the mitochondrial localization of FASTKD2 and shown that all FASTKD family members are found in mitochondria. Although human and mouse FASTKD1-5 genes are expressed ubiquitously, some of them are most abundantly expressed in mitochondria-enriched tissues. We have found that RNA interference-mediated knockdown of FASTKD3 severely blunts basal and stress-induced mitochondrial oxygen consumption without disrupting the assembly of respiratory chain complexes. Tandem affinity purification reveals that FASTKD3 interacts with components of mitochondrial respiratory and translation machineries. Our results introduce FASTKD3 as an essential component of mitochondrial respiration that may modulate energy balance in cells exposed to adverse conditions by functionally coupling mitochondrial protein synthesis to respiration.

The Arabidopsis PHYTOCHROME KINASE SUBSTRATE2 protein is a phototropin signaling element that regulates leaf flattening and leaf positioning

In Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), the blue light photoreceptor phototropins (phot1 and phot2) fine-tune the photosynthetic status of the plant by controlling several important adaptive processes in response to environmental light variations. These processes include stem and petiole phototropism (leaf positioning), leaf flattening, stomatal opening, and chloroplast movements. The PHYTOCHROME KINASE SUBSTRATE (PKS) protein family comprises four members in Arabidopsis (PKS1-PKS4). PKS1 is a novel phot1 signaling element during phototropism, as it interacts with phot1 and the important signaling element NONPHOTOTROPIC HYPOCOTYL3 (NPH3) and is required for normal phot1-mediated phototropism. In this study, we have analyzed more globally the role of three PKS members (PKS1, PKS2, and PKS4). Systematic analysis of mutants reveals that PKS2 (and to a lesser extent PKS1) act in the same subset of phototropin-controlled responses as NPH3, namely leaf flattening and positioning. PKS1, PKS2, and NPH3 coimmunoprecipitate with both phot1-green fluorescent protein and phot2-green fluorescent protein in leaf extracts. Genetic experiments position PKS2 within phot1 and phot2 pathways controlling leaf positioning and leaf flattening, respectively. NPH3 can act in both phot1 and phot2 pathways, and synergistic interactions observed between pks2 and nph3 mutants suggest complementary roles of PKS2 and NPH3 during phototropin signaling. Finally, several observations further suggest that PKS2 may regulate leaf flattening and positioning by controlling auxin homeostasis. Together with previous findings, our results indicate that the PKS proteins represent an important family of phototropin signaling proteins.

Level of G protein-coupled receptor kinase-2 determines myocardial ischemia/reperfusion injury via pro- and anti-apoptotic mechanisms

Activation of prosurvival kinases and subsequent nitric oxide (NO) production by certain G protein-coupled receptors (GPCRs) protects myocardium in ischemia/reperfusion injury (I/R) models. GPCR signaling pathways are regulated by GPCR kinases (GRKs), and GRK2 has been shown to be a critical molecule in normal and pathological cardiac function.

Activation of sphingosine kinase 2 is an endogenous protective mechanism in cerebral ischemia

The two ubiquitously expressed sphingosine kinases (SphK) 1 and 2 are key regulators of the sphingolipid signaling pathway. Despite the formation of an identical messenger, i.e. sphingosine 1-phosphate (S1P), they exert strikingly different functions. Particularly, SphK2 is necessary for the phosphorylation of the sphingosine analog fingolimod (FTY720), which is protective in rodent stroke models. Using gene deficient mice lacking either SphK1 or SphK2, we investigated the role of the two lipid kinases in experimental stroke. We performed 2h transient middle cerebral artery occlusion (tMCAO) and analyzed lesion size and neurological function after 24h. Treatment groups received 1mg/kg FTY720. Neutrophil infiltration, microglia activation, mRNA and protein expression of SphK1, SphK2 and the S1P(1) receptor after tMCAO were studied. Genetic deletion of SphK2 but not SphK1 increased ischemic lesion size and worsened neurological function after tMCAO. The protective effect of FTY720 was conserved in SphK1(-/-) mice but not in SphK2(-/-) mice. This suggests that SphK2 activity is an important endogenous protective mechanism in cerebral ischemia and corroborates that the protective effect of FTY720 is mediated via phospho-FTY720.

The sphingosine kinase 1 and S1P1 axis specifically counteracts LPS-induced IL-12p70 production in immune cells of the spleen

Sphingosine-1-phosphate (S1P) has been implicated in angiogenesis, inflammation, cancerogenesis, neurological excitability and immune regulation and is synthesized by two different sphingosine kinases (SphK). It was suggested that mice lacking the gene for SphK1 exhibit no obvious phenotype, because SphK2 compensates for its absence. However, recent investigations revealed that under challenge SphK1 contributed to pro-inflammatory processes favoring Th2 and Th17 rather than Th1-type reactions. To investigate the immune modulatory role of SphK1 as opposed to SphK2 specifically for the Th1 propagating IL-12p70 we compared WT and SphK1(-/-) splenocytes and Flt3-ligand differentiated BMCs of WT and SphK1(-/-), representing dendritic cells as major producers of IL-12p70, incubated with LPS. We determined the impact on IL-12p70 in comparison to other inflammatory cytokines, and on DC and macrophage surface marker expression, SphK mRNA, protein expression and enzymatic activity in splenocytes. Our data demonstrated that SphK1 deficiency enhanced LPS-induced IL-12p70 production although SphK2 was present. To further characterize SphK1-dependent IL-12p70 regulation we exogenously applied S1P, SEW2871 and the new potent S1P1 agonist CYM5442. Both S1P and S1P1-specific analogs fully compensated the increase of IL-12p70 production in SphK1-deficient splenocytes. The use of pertussis toxin, to block G(i)-coupled signaling downstream of S1P1, again increased IL-12p70 and neglected the compensation achieved by addition of S1P and S1P1 agonists pointing on the importance of this specific S1P-receptor. Given that, in parallel to a prominent IL-12p35 increase following LPS stimulation, LPS also enhanced SphK expression and total SphK activity, we concluded that SphK1-derived S1P acting via S1P1 is a major mechanism of this negative IL-12p70 feedback loop, which did not affect other cytokines. Moreover, our data showed that SphK2 activity failed to compensate for SphK1 deficiency. These findings clearly point to a divergent and cytokine-specific impact of immune cell SphK1 and SphK2 in chronic inflammation and cancer.

Loss of sphingosine kinase-1 in carcinoma cells increases formation of reactive oxygen species and sensitivity to doxorubicin-induced DNA damage

Sphingosine kinases (SK) catalyse the formation of sphingosine 1-phosphate, which is a key lipid mediator regulating cell responses such as proliferation, survival and migration. Here we have investigated the effect of targeted inhibition of SK-1 on cell damage and elucidated the mechanisms involved.