Regulation der TRAIL-vermittelten Apoptose: Mechanismen und quantitative Bewertung der Heterogenität in der zellulären Antwort in Zellpopulationen

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Scheurich
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 200136644

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Dieses Projekt hatte zum Ziel, die über den Todesliganden TRAIL (TNF-related apoptosis inducing ligand) induzierte Apoptose in der humanen Lungenkarzinomlinie NCI-H460 quantitativ und qualitativ besser zu verstehen. Dazu wurden umfangreiche quantitative Experimentaldaten erhoben, die den kooperierenden Systemwissenschaftlern als Basis zur Erstellung mathematischer Modelle zur Verfügung gestellt wurden. Folgende zwei zentrale Fragestellungen wurden bearbeitet: 1) Wie wirkt sich die Heterogenität innerhalb der Zellpopulation, die durch die unterschiedlichen Zellzyklusstadien der frei proliferierenden Zellen hervorgerufen wird, auf die TRAIL-Sensitivität aus? Hier zeigte sich, dass Zellen im Verlauf der S-Phase des Zellzyklus zunehmend Resistenz entwickeln und somit erst den Zyklus beenden und sich teilen, bevor sie gegebenenfalls TRAIL-induzierte Apoptose erfahren. Zellen in der G1-Phase sterben dagegen sehr rasch innerhalb von ca. drei Stunden. Der Status im Zellzyklus beeinflusst die Empfindlichkeit gegenüber TRAIL also durchaus und trägt stark zur Heterogenität der apoptotischen Antwort innerhalb der Population bei. 2) Welche Moleküle des intrazellulären Signalnetzwerks der Apoptoseinduktion und –hemmung spielen in unserem zellulären System die Rolle der big player, die letztlich die Entscheidung über Überleben oder Zelltod treffen? Hier zeigte es sich, dass diese letzte Kontrolle überraschend spät im Signalnetzwerk stattfindet, insbesondere auf der Ebene der beiden antagonistischen Moleküle XIAP und Smac. Da Smac aus den Mitochondrien freigesetzt werden muss um XIAP neutralisieren zu können, muss zwingend der mitochondriale apoptotische Weg der NCI-H460 Zelle aktiviert werden, damit die Zelle in Apoptose gehen kann. Aber auch wenn die Smac-Freisetzung im Experiment gehemmt wird, die Zelle also eine TRAIL- Stimulation überlebt, werden sowohl die Initiatorcaspase-8, die Initatorcaspase-9, sowie die Effektorcaspase-3 initial gespalten. Dieser Zustand eines partiell aktivierten Apoptoseweges - obwohl die Zelle letztlich überlebt - wird als potenziell gefährlich angesehen, da er wohl die Entstehung (weiterer) genetischer Instabilität fördert. Daher wäre dieser Zustand im Rahmen einer Tumortherapie sehr unerwünscht und sollte möglichst verhindert werden. Unerwartet war der Befund, dass die ebenfalls über den mitochondrialen apoptotischen Weg aktivierte Caspase-9 in unserem zellulären Modell der TRAIL-induzierten Apoptose keine zentrale Rolle spielt. Insgesamt führen unsere Ergebnisse zu einem besseren Verständnis der Regulation der Todesrezeptor-vermittelten Apoptose, insbesondere auch durch die Unterstützung durch die kooperierenden Systemwissenschaftler.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A minimal mathematical model for the initial molecular interactions of death receptor signalling. Math Biosci Eng. 9 (2012) 663-83
  Winkel C, Neumann S, Surulescu C, Scheurich P
  (Siehe online unter https://doi.org/10.3934/mbe.2012.9.663)
• Dominant negative effects of tumor necrosis factor (TNF)-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) receptor 4 on TRAIL receptor 1 signaling by formation of heteromeric complexes. J Biol Chem. 289 (2014) 16576-87
  Neumann S, Hasenauer J, Pollak N, Scheurich P
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1074/jbc.M114.559468)
• (2015) An individual-based simulation framework for dynamic, heterogeneous cell populations during extrinsic stimulations. J of Coupled Systems and Multiscale Dynamics, Vol. 3, Number 2, 143-55
  Imig D, Pollak N, Strecker T, Scheurich P, Allgöwer F, Waldherr S
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1166/jcsmd.2015.1072)
• On the relationship between cell cycle analysis with ergodic principles and age-structured cell population models. J Theor Biol. 414 ( 2017) 91-102
  Kuritz K, Stöhr D, Pollak N, Allgöwer F
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jtbi.2016.11.024)
• TRAIL-R3/R4 and inhibition of TRAIL signalling in cancer. . In: Micheau O. (eds) TRAIL, Fas Ligand, TNF and TLR3 in Cancer. Resistance to Targeted Anti-Cancer Therapeutics, vol 12. Springer, Cham, 2017. S. 27-57
  Danish L, Stöhr D, Scheurich P, Pollak N
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-56805-8_2)