Analyse des Pathomechanismus beim Aicardi-Goutières Syndrom im Tiermodell: Autoimmunität durch unkontrollierte Aktivität endogener Retroelemente?
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Systemischer Lupus erythematosus (SLE) ist eine multifaktorielle, entzündliche Autoimmunerkrankung. Die meisten SLE Patienten zeigen eine spontane Überaktivierung des Typ I Interferon (IFN) Systems. Seltene, familiäre Varianten des SLE, in welchen ein einzelner genetischer Defekt die Erkrankung hervorruft, sind beschrieben worden. Das Aicardi-Goutières Syndrom (AGS) stellt eine solche monogenetische SLE Variante dar. Fehlfunktionen in intrazellulären Enzymen wie Trex1, RNase H2 und SAMHD1 können AGS auslösen und spielen eine Rolle bei polygenem SLE. Unser Ziel war, aufzuklären wie Mutationen dieser Enzyme eine Typ I IFN Antwort und IFN-abhängige Autoimmunität, die AGS charakterisieren, hervorrufen. Mittels Trex1-defizienter Mäuse und Zellen konnten wir zeigen, dass die gesteigerte Typ I IFN Produktion und die entzündliche Erkrankung nicht durch Reverse Transkriptaseinhibitoren behandelbar ist. Wir konnten beweisen, dass Retrotransposition von L1-Reporterelementen durch Funktionsverlust von Trex1 weder in vitro noch in vivo verstärkt wird. Unsere Resultate argumentieren gegen eine kausale Rolle von erhöhter endogener Retrotransposition bei Erkrankungen mit Trex1-Funktionsverlust. Allerdings lässt sich eine solche Kausalität nicht völlig ausschließen. Weiterhin zeigten wir, dass Trex1-defiziente hämatopoetische Zellen und insbesondere dendritische Zellen genügend Typ I IFN produzieren, um in einem anderweitig Trex1-profizienten Tier Autoimmunität und eine entzündliche Erkrankung zu verursachen. Wir konnten „nucleotide excision repair“ als potentielle Hauptquelle von immunstimulatorischem Nukleinsäuredebris in Trex1- defizienten Zellen ausschließen. Wir zeigten, dass Verlust von Trex1 zu DNA-Schäden und einer erhöhten Mikronukleusfrequenz führt. Diese Genomschäden scheinen jedoch nicht die Ursache der IFN-Antwort von Trex1-defizienten Zellen darzustellen, da die Entzündung und IFN Produktion in Trex1-/- Trp53-/- Mäusen gegenüber Trex1-/- Wurfgeschwistern nicht verstärkt war. Wir führen die Erforschung von DNA-Reparatur- und –Replikationsmechanismen als mögliche Quellen von pathogenem Nukleinsäuredebris fort. RNase H2 erhält die Genomintegrität mittels Entfernung von Ribonukleotiden („ribonucleotide excision repair“ (RER), welche in der S-Phase des Zellzyklus in das eukaryontische Genom fehleingebaut werden. Ribonukleotide destabilisieren DNA und teilweiser Funktionsverlust von Genen die RNase H2 Untereinheiten kodieren, führt zu spontanen Genomschäden. Wir konnten zeigen, dass selektiver Verlust von RER in der Epidermis von Mäusen zu spontanen DNA-Schäden, intraepithelialer Keratinozytenneoplasie sowie invasivem Spinaliom mit vollständiger Penetranz führt. Weiterhin fanden wir eine starke Typ I IFN Produktion und Hautentzündung, welche durch zusätzlichen Verlust von p53 potenziert wurde. Unsere Resultate untermauern das Konzept, dass Zellen mit starken Genomschäden die IFN-Hauptquelle in AGS Patienten mit RNase H2-Defekten darstellen. Dies deckt sich mit einer kürzlich erschienen Studie der Arbeitsgruppe von Andrew Jackson, welche zeigte, dass chromosomale Aberrationen durch RNase H2-Funktionsverlust letztlich zur Bildung von Mikronuklei führen. Nach Zusammenbruch der Mikronukleusmembran erkennt der zytosolische Nukleinsäuresensor cGAS das freigesetzte mikronukleäre Chromatin und initiiert eine IFN-Antwort. Wir zeigten, dass die Typ I IFN-Antwort von SAMHD1-/- Mäusen sowohl intakte RNA- als auch DNA-Sensoren benötigt. Weitergehend konnten wir beweisen, dass die Typ I IFN-Antwort von SAMHD1-/- embryonalen Fibroblasten vom DNA-Sensor cGAS abhängt. Unsere Resultate legen nahe, dass pathogene RNA- und DNA-Liganden eine Rolle bei der IFN-Produktion spielen oder dass alternativ einer der beiden Signalwege eine Voraktivierung durch den jeweils anderen benötigt. Momentan untersuchen wir die Abhängigkeit der IFN-Induktion von einem speziellen RNA- Sensor. Weiterhin erforschen wir die Rolle von endogenen Retroelementen bei der Typ I IFN Antwort von SAMHD1-defizienten Zellen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Mouse SAMHD1 has antiretroviral activity and suppresses a spontaneous cell-intrinsic antiviral response. Cell Rep 2013;4:689-96
Behrendt R, Schumann T, Gerbaulet A, Nguyen LA, Schubert N, Alexopoulou D, Berka U, Lienenklaus S, Peschke K, Gibbert K, Wittmann S, Lindemann D, Weiss S, Dahl A, Naumann R, Dittmer U, Kim B, Mueller W, Gramberg T, Roers A
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Deregulated type I IFN response in TREX1- associated familial chilblain lupus. J Invest Dermatol 2014;134:1456-1459
Peschke K, Friebe F, Zimmermann N, Wahlicht T, Schumann T, Achleitner M, Berndt N, Luksch H, Behrendt R, Lee-Kirsch MA, Roers A, Günther C
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Mouse models for Aicardi-Goutières syndrome provide clues to the molecular pathogenesis of systemic autoimmunity. Clin Exp Immunol 2014;175:9-16
Behrendt R, Roers A
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TREX1 deficiency triggers cell-autonomous immunity in a cGAS-dependent manner. J Immunol 2014;192:5993-7
Ablasser A, Hemmerling I, Schmid-Burgk JL, Behrendt R, Roers A, Hornung V
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Type I interferonopathies - an expanding disease spectrum of immunodysregulation. Semin Immunopathol 2015;37(4):349-57
Lee-Kirsch MA, Wolf C, Kretschmer S, Roers A
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Loss of Trex1 in dendritic cells is sufficient to trigger systemic autoimmunity. J Immunol 2016;197:2157-66
Peschke K, Achleitner M, Frenzel K, Gerbaulet A, Ada SR, Zeller N, Lienenklaus S, Lesche M, Poulet C, Naumann R, Dahl A, Ravens U, Günther C, Müller W, Knobeloch KP, Prinz M, Roers A, Behrendt R
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Recognition of endogenous nucleic acids by the innate immune system. Immunity 2016;44:739-54
Roers A, Hiller B, Hornung V
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Lack of Trex1 causes systemic autoimmunity despite the presence of antiretroviral drugs. J Immunol 2017;199:2261-2269
Achleitner M, Kleefisch M, Hennig A, Peschke K, Polikarpova A, Oertel R, Gabriel B, Schulze L, Lindeman D, Gerbaulet A, Fiebig U, Lee-Kirsch MA, Roers A, Behrendt R
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Ribonucleotide excision repair is essential to prevent squamous cell carcinoma of the skin. Cancer Res 2018;78:5917-5926
Hiller B, Hoppe A, Haase C, Hiller C, Schubert N, Müller W, Reijns MAM, Jackson AP, Kunkel TA, Wenzel J, Behrendt R, Roers A
