The function of immunoproteasomes in cytokine production and autoimmune diseases
Final Report Abstract
Das Immunproteasom ist ein proteinabbauender zylindrischer Proteinkomplex, der während einer Immunantwort induziert wird, und das konstitutive 20S Proteasom in entzündeten Geweben ersetzt. Im Gegensatz zum konstitutiven 20S Proteasom mit den katalytisch aktiven Untereinheiten β1, β2 und β5 enthält das Immunproteasom die durch die Zytokine TNF und IFNγ induzierbaren, peptidolytisch aktiven Untereinheiten β1i (LMP2), β2i (MECL1) und β5i (LMP7). Dieser Austausch von Untereinheiten verändert die Spaltungspräferenzen des Proteasoms und erhöht die Effizienz der Produktion von Peptidantigenen für die Präsentation auf MHC Klasse I Molekülen. Neben dieser schon länger bekannten Funktion des Immunproteasoms in der Fragmentierung von Antigenen hatten wir vor Beginn dieses Projektes eine neue Funktion des Immunproteasoms in der Entstehung von autoimmunen Erkrankungen wie rheumatoider Arthritis und Typ I Diabetes entdeckt. Wir konnten zeigen, dass ein neuer Inhibitor der Immunproteasom-Untereinheit LMP7 namens ONX 0914 diese Krankheiten in experimentellen Mausmodellen unterdrückt. ONX 0914 supprimierte in vitro die Produktion von IFNγ in T Zellen und IL-6, IL-23 und TNF in aktivierten Monozyten und Makrophagen. Ausserdem wurde die Differenzierung von den pro-inflammatorischen Th17 Zellen aus naiven T Helferzellen durch LMP7 Inhibition unterdrückt. In diesem Projekt konnten wir zeigen, dass auch die Differenzierung der proinflammatorischen Th1 Zellen durch ONX 0914 unterdrückt wird, während die Entwicklung antiinflammatorischer Th2 Zellen nicht verändert wurde. Die Induktion von regulatorischen T Zellen, die autoimmune T-Zellantworten entgegenwirken, wurde hingegen durch ONX 0914 in vitro und in vivo verstärkt. Mechanistisch konnten wir zeigen, dass die Phosphorylierung der Transkriptionsfaktoren STAT1 und STAT3, die für die Entstehung von Th1 bzw. Th17 Zellen essentiell ist, durch die Hemmung von LMP7 deutlich reduziert wurde. Da autoimmune Erkrankungen wie Typ I Diabetes, Morbus Crohn und Multiple Sklerose (MS) alle durch Th17 Zellen hervorgerufen werden, haben wir in verschiedenen klinisch relevanten Mausmodellen untersucht, welche therapeutischen Wirkungen die Behandlung mit ONX 0914 in experimenteller Kolitis und MS entfaltet. Wir konnten zeigen, dass die Symptome und die Ausprägung der entzündlichen Darmerkrankung im Modell der DSS induzierte Kolitis und der T Zell-Transferkolitis unter ONX 0914 Behandlung deutlich reduziert wurden. Die Leukozyteninfiltration in die Darmschleimhaut, die Verkürzung des Dickdarms und die Zytokinproduktion waren reduziert. In zwei Varianten der experimentellen autoimmunen Encephalomyelitis (EAE), dem bedeutendsten Mausmodell für MS, konnte sowohl die Entstehung als auch das Fortschreiten der Krankheit verhindert werden. Dabei waren die Infiltration von proinflammatorischen T Helferzellen und myeloiden Zellen in das Gehirn und das Rückenmark deutlich reduziert. Die Ergebnisse dieses Projektes, welches in sieben bereits erschienen Publikationen in renommierten Fachzeitschriften veröffentlicht wurden, haben das Immunproteasom als vielversprechende Zielstruktur für die Therapie von Rheuma, MS und Morbus Crohn etabliert. Massgeblich dazu beigetragen hat sicher auch die von uns 2012 im Fachjournal Cell publizierte hochauflösende Röntgenkristallstruktur des Immunproteasoms und des konstitutiven 20S Proteasoms in An- und Abwesenheit des LMP7 Inhibitors ONX 0914. Aufgrund dieser Strukturen verstehen wir nun die Basis für die LMP7-Selektivität von ONX 0914, und es können neue LMP7 Inhibitoren konzipiert und medizinalchemisch optimiert werden. Wir wissen bereits von acht verschiedenen Pharmafirmen im In- und Ausland, die potente und selektive Inhibitoren des Immunproteasoms entwickeln oder bereits patentiert haben. Es bleibt zu hoffen, dass diese Inhibitoren in klinischen Versuchen beim Menschen eine ähnliche hohe Wirksamkeit und ähnlich geringe Nebenwirkungen wie in den von uns untersuchten präklinischen Modellen für autoimmune Erkrankungen aufweisen werden.
Publications
- 2010. Prevention of Experimental Colitis by a Selective Inhibitor of the Immunoproteasome. J. Immunol. 185: 634-641
Basler, M., M. Dajee, C. Moll, M. Groettrup, and C. J. Kirk.
- 2011. The antiviral immune response in mice devoid of immunoproteasome activity. J Immunol 187: 5548-57
Basler, M., U. Beck, C. J. Kirk, and M. Groettrup
- 2012. Immuno- and Constitutive Proteasome Crystal Structures Reveal Differences in Substrate and Inhibitor Specificity. Cell 148: 727-738
Huber, E. M., M. Basler, R. Schwab, W. Heinemeyer, C. J. Kirk, M. Groettrup, and M. Groll
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cell.2011.12.030) - 2012. Immunoproteasome subunit LMP7 deficiency and inhibition suppresses Th1 and Th17 but enhances regulatory T cell differentiation J. Immunol. 189: 4182-4193
Kalim, K. W., M. Basler, C. J. Kirk, and M. Groettrup
(See online at https://doi.org/10.4049/jimmunol.1201183) - 2013. The immunoproteasome in antigen processing and other immunological functions. Cur. Opin. Immunol. 25: 74-80
Basler, M., C. J. Kirk, and M. Groettrup
(See online at https://doi.org/10.1016/j.coi.2012.11.004) - 2013. The unique functions of tissue-specific proteasomes. Trends Biochem Sci 39: 17-24
Kniepert, A., and M. Groettrup
(See online at https://doi.org/10.1016/j.tibs.2013.10.004) - 2014. Inhibition of the immunoproteasome ameliorates experimental autoimmune encephalomyelitis. EMBO Mol. Med. 6: 226-38
Basler, M., S. Mundt, T. Muchamuel, C. Moll, J. Jiang, M. Groettrup, and C. J. Kirk
(See online at https://doi.org/10.1002/emmm.201303543)
