Functional role of DNA Methylation in human regulatory T cells.
Immunology
Final Report Abstract
Regulatorische T-Zellen (Tregs) sind Immunzellen, die sowohl im Bereich der immunologischen Grundlagenforschung als auch aus klinischer/therapeutischer Sicht von großem Interesse sind. Sie agieren entzündungshemmend (anti-inflammatorisch) und verhindern so unerwünschte/schädliche Immunreaktionen, die Grundlage für Autoimmunerkrankungen und chronisch-entzündliche Erkrankungen sind (z.B. Rheuma, Morbus Crohn, Multiple Sklerose oder Diabetes Mellitus Typ I). Der adoptive Transfer von Tregs wird derzeit als zelltherapeutischer Ansatz zur Behandlung von Autoimmunität und Komplikationen nach Organtransplantation getestet. Die Entstehung und Funktion von Tregs wird maßgeblich durch den Transkriptionsfaktor FOXP3 gesteuert. Daher ist es wichtig, die Mechanismen der Genregulation von FOXP3 vollständig zu verstehen. Unsere Gruppe konnte in der Vergangenheit zeigen, dass epigenetische Mechanismen bei der Regulation von FOXP3 eine wichtige Rolle zu spielen scheinen. Ein Kausalzusammenhang konnte bisher allerdings noch nicht nachgewiesen werden. Als epigenetisch bezeichnet man Mechanismen, die durch die dreidimensionale Struktur des Genoms bedingt werden und die in die Regulation von Gene eingreifen. Der Grad an Methylierung von DNA ist dabei ein entscheidender Faktor. In diesem Projekt konnten wir eine Methode etablieren, die es ermöglicht, selektiv an spezifischen Regionen im Genom den Methylierungsgrad zu ändern (sogenannte 'Epigenetische Editierung'). Diese neue Methode wendeten wir an der TSD-Region (TSDR) an, die an der Regulation des FOXP3-Gens beteiligt ist. Die Etablierung dieser Methode in humanen T-Zellen aus dem peripherem But stellt bereits einen wichtigen Erfolg dar, da diese Methode leicht auch an anderen Zellpopulationen und an anderen Genen eingesetzt werden kann. Zukünftig kann so der Einfluss von epigenetischen Mechanismen an weiteren Regionen im Genom untersucht werden. Des Weiteren kann die Methode eventuell auch zur Optimierung von Zelltherapie-Ansätzen verwendet werden. Für die TSDR konnten wir feststellen, dass diese Region tatsächlich durch einen Verlust der Methylierung (=Demethylierung, hier mittels epigenetischer Editierung herbeigeführt) aktiviert wird und als kausale Ursache, die Expression des FOXP3-Gens initiieren kann. Dies war insofern überraschend, als dass die TSDR bisher lediglich als stabilisierendes Element einer bereits bestehenden FOXP3 Expression diskutiert worden war, nicht aber als alleiniger Induktor. Trotz der TSDR-vermittelten FOXP3 Expression konnte allerdings keine, für Tregs charakteristische, immunsuppressive Funktion der Zellen festgestellt werden. Auch dies war überraschend, da eine künstliche Überexpression von FOXP3 bisher als ausreichend für eine Treg-Funktionalität galt. Wir vermuten, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass in unserem Ansatz der epigenetischen Editierung eine physiologische Regulation des Gens vorliegt, und keine künstliche Überexpression. Wir konnten in unserem erfolgreichen Projekt daher erstmals darlegen, dass die TSDR in ihrem demethylierten Zustand kausal eine Expression des FOXP3 Gens in humanen T-Zellen herbeiführen kann. Dafür scheint es nötig zu sein, dass alle Methylierungsstellen innerhalb der TSDR demethyliert vorliegen, da Zellen mit einem gemischten TSDR-Methylierungsprofil keine FOXP3-Expression aufwiesen. Der Großteil der hier generierten Daten und wichtige neue Materialien (Plasmide) wurden zur weiteren wissenschaftliche Nutzung durch andere Wissenschaftler*innen in Datenbanken hinterlegt. Unterschiedliche Aspekte des Projektes werden in weiterführenden Studien weiter untersucht, Forschungsmittel konnten hierfür z.T. schon eingeworben werden (EU, Einstein Stiftung Berlin).
Publications
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Targeted De-Methylation of the FOXP3-TSDR Is Sufficient to Induce Physiological FOXP3 Expression but Not a Functional Treg Phenotype. Frontiers in immunology 11 (2020) 609891
C. Kressler, G. Gasparoni, K. Nordstrom, D. Hamo, A. Salhab, C. Dimitropoulos, S. Tierling, P. Reinke, H.D. Volk, J. Walter, A. Hamann, and J.K. Polansky
