Molecular mechanisms of nuclear translocation of TRAIL-R2
Final Report Abstract
TRAIL ist ein Todesligand, der nach Bindung an seine plasmamembranständigen Rezeptoren TRAIL- R1 und TRAIL-R2 den Zelltod auslösen kann. Die Beobachtung, dass dies präferentiell in Tumorzellen, nicht jedoch in gesunden Zellen geschieht, führte zur Hoffnung, TRAIL als anti-Tumor Therapeutikum nutzen zu können. Seitdem wurden sowohl der Ligand selbst als auch agonistische anti-TRAIL-R1 und anti-TRAIL-R2 Antikörper in klinischen Studien erprobt, bisher ohne Erfolg. Viele Faktoren sind für das Misslingen dieser therapeutischen Versuche verantwortlich. Unter anderem sind das die konstitutive oder erworbene Apoptoseresistenz der Tumorzellen, unzureichend effektive TRAIL-R-Agonisten und nicht zuletzt das TRAIL-TRAIL-Rezeptor System selbst, dessen komplexe Wirkungsweise noch nicht gut verstanden ist. So existieren neben den zwei Todesrezeptoren zwei weitere plasmamembranständige TRAIL-Rezeptoren, TRAIL-R3 und TRAIL-R4, deren Funktionen noch wenig erforscht sind. Darüber hinaus können TRAIL-R1 und TRAIL-R2 neben der Induktion des Zelltodes auch verschiedene pro-inflammatorische Signaltransduktions-wege induzieren, die in der Konsequenz zu invasivem Tumorwachstum und Metastasierung führen können. Des Weiteren können die TRAIL-Rezeptoren auch im Zytoplasma und im Zellkern vorkommen. Die funktionelle Bedeutung dieser Topologie blieb allerdings lange unbeachtet. Wir konnten erstmalig die malignitätsfördernde Funktion des nukleären TRAIL-R2 (nTRAIL-R2) als negativem Regulator der Reifung von miRNA Let- 7 beschreiben. Über diesen Mechanismus fördert der nTRAIL-R2 die Proliferation von Krebszellen und das Wachstum der Pankreastumore in vivo, was wir in einem Mausmodell beweisen konnten. Unsere Vorarbeiten zum Projekt deuteten auf weitere Funktionen des nTRAIL-R2 hin. Um diese zu verstehen und evtl. verhindern/modulieren zu können, ist es notwendig, die Mechanismen der nukleären Translokation von TRAIL-R2 zu kennen. Die Hypothese des beantragten Projektes lautete, dass die Entschlüsselung dieser Mechanismen das Verständnis der TRAIL-R - Biologie erweitern wird und zur Entwicklung neuer Therapiekonzepte beitragen könnte. Neben TRAIL-R2 kommen auch TRAIL-R1 und TRAIL-R4 im Zellkern vor. Unter Verwendung von Krebszelllinien verschiedener Abstammung konnten wir zeigen, dass die nukleären TRAIL Rezeptoren von der Zelloberfläche stammen, ihre Wanderung in den Kern durch den natürlichen Liganden, den endogenem TRAIL (eTRAIL) stimuliert wird und dieser Prozess dramatisch durch die Stimulation mit rekombinantem TRAIL (rTRAIL) verstärkt wird. Eine Behandlung mit den agonistischen TRAIL-R1- bzw. TRAIL-R2-spezifischen, für die klinische Anwendung zugelassenen Antikörpern führt auch zur nukleären Translokation des entsprechenden Rezeptors, was eine potentielle bisher unbekannte Nebenwirkung der Therapie darstellen könnte. Mechanistisch konnten wir feststellen, dass für die nukleäre Translokation die Clathrin-abhängige Endozytose unentbehrlich ist. Für den Kern-Export konnten wir aktuell das CRM1 Protein und die NES (nuclear export sequence) im TRAIL-R2-Protein identifizieren. Die Mechanismen des Imports/Exports von TRAIL-R1 und TRAIL-R4, wie auch deren nukleäre Funktionen sind weiterhin unbekannt. Im Rahmen des geförderten Projektes konnten wir zeigen, dass TRAIL-R2 aber auch TRAIL-R1 im Zellkern mit Chromatin assoziiert vorkommen, was auf deren mögliche Rolle in der Regulation der Genexpression hinweist. Nicht nur die nukleäre Lokalisation dieser Todesrezeptoren, sondern auch deren Assoziation mit Chromatin wird durch die Behandlung der Zellen mit rTRAIL massiv verstärkt, eine weitere unbekannte Gefahr für eine TRAIL-basierte anti-Tumor Therapie. Große Bedeutung schreiben wir unserer Entdeckung zu, dass nTRAIL-R2 mit dem Tumorsuppressorprotein p53 interagiert, seine Stabilität herabsetzt und damit auch seine Funktion als Transkriptionsfaktor inhibiert. Dies ist neben der Let7-Hemmung eine weitere malignitätsfördernde Funktion des nTRAIL-R2. Interessanterweise konnten wir zudem zeigen, dass nTRAIL-R2 auch mit PML Protein interagiert, einem Organisator von PML nuclear bodies (PML-NBs), die Partnerproteine sequestrieren, modifizieren oder abbauen können, einschließlich p53. Da PML-NBs die Schlüsselrolle in vielen zellulären Prozessen/Funktionen spielen, wie Regulation der Transkription, Antwort auf Schädigung der DNA, Zellproliferation und Apoptose, könnte nTRAIL-R2 durch die Modulation von PML-NBs auch diese Prozesse beeinflussen. In Übereinstimmung mit der Funktion des nTRAIL-R2 als Inhibitor der Entstehung von Let7, dem Masterregulator der Differenzierung und Stemmness und mit den erhöhten nTRAIL-R2 Levels in undifferenzierten Zellen (Haselmann) konnten wir aktuell zeigen, dass nTRAIL- R2 die Stammzelleigenschaften der Tumorzellen fördert. Der Fakt, dass eTRAIL die konstitutive nukleäre Translokation von TRAIL-R2 stimuliert, zusammen mit der Tatsache, dass die meisten Tumorzellen selbst diesen sogenannten Todesligand produzieren, ist von herausragender Tragweite für das Verständnis der Rolle von eTRAIL bei der malignen Transformation und eröffnet damit neue Perspektiven für therapeutische Strategien. So schlagen wir vor, anstatt Stimulation der TRAIL-Rezeptoren, wie bei bisherigen therapeutischen Ansätzen alternativ zu versuchen, das eTRAIL zu neutralisieren. Um solche Strategien entwickeln zu können, ist es allerdings notwendig, die Biologie des endogenen TRAIL noch besser zu verstehen.
Publications
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TRAIL Induces Nuclear Translocation and Chromatin Localization of TRAIL Death Receptors. Cancers, 11(8), 1167.
Mert, Ufuk; Adawy, Alshaimaa; Scharff, Elisabeth; Teichmann, Pierre; Willms, Anna; Haselmann, Verena; Colmorgen, Cynthia; Lemke, Johannes; von, Karstedt Silvia; Fritsch, Jürgen & Trauzold, Anna
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TRAIL-receptor 2—a novel negative regulator of p53. Cell Death & Disease, 12(8).
Willms, Anna; Schupp, Hella; Poelker, Michelle; Adawy, Alshaimaa; Debus, Jan Frederik; Hartwig, Torsten; Krichel, Tim; Fritsch, Jürgen; Singh, Steven; Walczak, Henning; von Karstedt, Silvia; Schäfer, Heiner & Trauzold, Anna
