Funktionelle Charakterisierung der CRBN E3 Ubiquitin-Ligase, das Zielprotein von Lenalidomid

• Antragsteller: Professor Dr. Jan Krönke
• Fachliche Zuordnung: Hämatologie, Onkologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263416443

Lenalidomid ist eine immunomodulatorische Substanz (IMIDs), die sich durch eine hohe Wirksamkeit bei der Behandlung des Multiplen Myeloms, weiterer B-Zell-Lymphome und des Myelodysplastischen Syndroms (MDS) mit del(5q) auszeichnet. Für lange Zeit war der Mechanismus von Lenalidomid und der analogen Substanzen Thalidomid und Pomalidomid unbekannt. Mit Hilfe verschiedener proteomischer Analysen gelang es uns, den molekularen Wirkmechanismus von Lenalidomid beim Multiplen Myelom aufzuklären. Lenalidomid bindet und aktiviert die CRBN-DDB1-CUL4A-ROC1 E3 Ligase zur spezifischen Ubiquitinierung der lymphoiden Transkriptionsfaktoren IKZF1 (Ikaros) und IKZF3 (Aiolos), was in deren proteosomalen Abbau resultiert. Depletion von IKZF1 and IKZF3 inhibiert selektiv das Wachstum von Multiplen Myelom Zellen und stimuliert T-Die immunomodulatorische Substanz (IMiD) Lenalidomid hat eine hohe klinische Aktivität beim Multiplen Myelom (MM) und Myelodysplastischen Syndrom (MDS) mit del(5q). In 2014 fanden wir heraus, dass Lenalidomid die Substratspezifität von Cereblon (CRBN), dem Substrat-Adaptor der CRBN-CRL4 E3 Ubiquitin Ligase moduliert. Lenalidomid induziert die Ubiquitinierung und Degradierung der lymphoiden Transkriptionsfaktoren Ikaros (IKZF1) und Aiolos (IKZF3), was zur Wachstumshemmung von MM-Zellen und der Freisetzung von Interleukin-2 durch T-Zellen führt. In der ersten Förderperiode konnten wir nun auch den Wirkmechanismus von Lenalidomid beim MDS mit del(5q) aufklären: Lenalidomid induziert die CRBNCRL4-vermittelte Degradierung von Casein Kinase 1a(CK1a), das haploinsuffizient in del(5q) MDS-Zellen ist, was zu TP53-Aktivierung und Apoptose führt. Desweiteren fanden wir heraus, dass eine einzelne nicht-konservierte Aminosäuren in CRBN dafür verantwortlich sind, dass IMiDe in Mäusen unwirksam sind. Durch Expression der humane Variant CrbnI391V konnten wir die natürliche Resistenz in Mäusen überwinden, was wir in der nächsten Förderperiode für die Enwticklung neuer Maus-Tumormodelle nutzen, die zum ersten Mal erlauben auch die indirekten Anti-Tumorwirkungen der IMiDe wie die Modulierung des Immunsystems zu untersuchen.Wir konnten desweiteren in einer Kooperation IMiD-basierte homodimere “proteolysis targeting chimeras” (PROTAC) als erste chemische Inhibitoren von CRBN etnwickeln. Diese wollen wir nutzen, um die physiologische Rolle von CRBN und die Effekte der IMiDe in weiteren Modellen zu untersuchen.Das mit CRBN interagierende Protein FAM46C, das rekurrent beim Multiplen Myelom mutiert ist, konnte als Tumor-Suppressor charakterisiert werden, das die Sensitivität zu Lenalidomid beeinflusst. In laufenden Untersuchungen untersuchen wir die Multiple Myelom-spezifische Rolle von FAM46C-Mutationen und deren Effekt auf hämatopoetische Zellen in vivo.Im dritten Projekt konnten wir mit der IKZF1 RNA-Expression einen prognostischen Marker für Lenalidomid-behandelte Patienten identifizieren. Exom- und RNA-Sequenzierungen von vor und nach Therapie entnommenen Myelomproben ergaben eine große Heterogenität von Genmutationen und aberrant exprimierten Genen in den resistenten Zellen. In der nächsten Förderperiode wollen wir diese Untersuchungen durch quantitative Proteinuntersuchungen komplementieren und die Ergebnisse mit Hilfe von CRISPR-Cas9-basierten Screens in Zelllinien funktionell untersuchen.Die Ergebnisse des Emmy Noether-Projekts werden das Wissen zur Funktion der CRBN-CRL4 E3 Ligase sowie den molekularen Mechanismsus der IMiDe erweitern. Da aktuell mit großem Interesse neue IMiD-basierte Substanzen entwickelt werden, die die Funktion von Ubiquitin Ligasen beeinflussen, haben unsere Ergebniss nicht nur Implikationen für die Behandlung von Patienten mit Multiplem Myelom und MDS, sondern darüber hinaus auch für die Entwicklung neuer Medikamente im Allgemeinen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen