Funktionelle Charakterisierung des Einflusses bakterieller Proteasen auf entzündliche Darmerkrankungen

• Antragsteller: Dr. Markus Lakemeyer
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biologische und Biomimetische Chemie ; Medizinische Mikrobiologie und Mykologie, Hygiene, Molekulare Infektionsbiologie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450273105

Weltweit leiden mehr als 6,8 Millionen Menschen an chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (CED) wie Colitis ulcerosa oder Morbus Crohn, welche mangels eines Heilmittels lediglich symptomatisch behandelt werden können. Auf molekularer Ebene wurden CED und weitere gastrointestinale Krankheiten mit einer übermäßigen Proteolyse und deregulierter Signaltransduktion durch Protease-aktivierte Rezeptoren (PARs) assoziiert. PARs stellen eine Untergruppe von vier G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) dar. Im Gegensatz zu klassischen GPCRs werden PARs nicht durch Bindung von löslichen Liganden aktiviert. Stattdessen erfolgt die Aktivierung durch proteolytische Abspaltung einer extrazellulären N-terminalen Domäne (NTD) des Rezeptors, wodurch ein neuer N-Terminus entsteht, der als gebundener Ligand agiert. Da viele Darmerkrankungen mit einer Dysbiose des menschlichen Mikrobioms einhergehen, sind Proteasen kommensaler Bakterien mögliche Regulatoren für die Homöostase und Pathogenese im Darm, und somit potentielle therapeutische Angriffspunkte. Es ist jedoch nicht bekannt, welche Proteasen von kommensalen Bakterien produziert werden und welche Rolle sie bei der Proteolyse von humanen PARs spielen. Es ist vorstellbar, dass Kommensale durch basale Aktivierung oder proteolytische Desensibilisierung von PARs Entzündungen des Darms entgegenwirken. Auf der anderen Seite könnten pathobione Stämme Proteasen sekretieren, die durch eine gesteigerte PAR-Aktivierung CED fördern. In initialen Untersuchungen der Gruppe von Prof. Matthew Bogyo konnten bereits drei kommensale Stämme identifiziert werden, die PAR2 durch sekretierte Proteasen aktivieren. In diesem Forschungsvorhaben werde ich Proteasen kommensaler Bakterien charakterisieren, die PAR-vermittelte Signalwege im menschlichen Darm beeinflussen. Zunächst werde ich ein Hochdurchsatz-Screening etablieren, mit dem ich die Proteolyse der NTDs aller vier menschlicher PARs in vitro verfolgen und die entsprechenden proteolytischen Schnittstellen lokalisieren kann. Anschließend werde ich individuelle Kulturen von 250 kommensalen Bakterienstämmen auf die proteolytische PAR-Prozessierung untersuchen. In einem mehrstufigen Prozess aus biochemischer Fraktionierung und Massenspektrometrie-basierten chemoproteomischen Methoden werden die entsprechenden Proteasen identifiziert. Anhand von eukaryotischen Zelllinien werde ich untersuchen, ob die proteolytische Prozessierung der NTDs auch an den vollständigen, membrangebundenen PARs erfolgt und welche Signaltransduktionswege hierdurch induziert werden. Zuletzt werde ich multizelluläre und Organoid-Modelle nutzen, um den Einfluss der bakteriellen PAR- Prozessierung auf die Darmpermeabilität zu bestimmen. Die erfolgreiche Durchführung dieser Ziele wird nicht nur neue mikrobielle Proteasen aufdecken und ihre Rolle in Darmerkrankungen bestimmen, sondern auch den Grundstein für zukünftige Mikrobiom-basierte Behandlungsmöglichkeiten legen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Matthew Bogyo, Ph.D.