Neuroprotektive Funktionen des orphanen Zytokinrezeptors CRLF3 - Untersuchungen an humanen Stammzell-differenzierten Neuronen
Experimentelle Modelle zum Verständnis von Erkrankungen des Nervensystems
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Erythropoetin (Epo) fördert das Überleben und die Regeneration der Zellen des Nervensystems der Säugetiere durch Aktivierung des „klassischen“ homodimeren EpoR und weiterer, zum Teil unidentifizierter Rezeptoren. Insekten-Orthologe des phylogenetisch konservierten Typ I Zytokinrezeptor CRLF3 (Cytokine Receptor-Like Factor 3) initiieren anti-apoptotische Mechanismen nach Stimulation mit humanem Epo. Neben Epo konnte auch EV-3 (Epo Spleißvariante, die EpoR nicht aktiviert) als Ligand des Insekten-CRLF3 identifiziert werden. Bis dato konnte kein endogener Ligand für CRLF3 der Säugetiere und kein endogener Rezeptor für EV-3 ermittelt werden. In humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC) wurde CRLF3 mutiert und sowohl CRLF3-KO und wildtypische Zellen zu Neuronen differenziert. Durch Rotenon induzierter Zelltod konnte in wildtypischen Zellen durch Epo und EV-3 verhindert werden. Dagegen wurden CRLF3-KO Neurone durch keines der beiden Zytokine geschützt. Nach Stimulation der Neurone mit markiertem EV-3 akkumulierten die wildtypischen, aber nicht die CRLF3-KO Zellen EV-3 in endozytotischen Vesikeln. EV-3 verhinderte die durch Rotenon induzierte Expression der pro-apoptotischen Faktoren BAX und Caspase-3 und stimulierte die Transkription des anti-apoptotischen BCL-2. Diese durch EV-3 vermittelte überlebensfördernde Regulation der Transkriptionsaktivität trat in CRLF3-KO Neuronen nicht auf. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der humane CRLF3-Rezeptor ein Zellmembranlokalisierter Rezeptor für Epo und EV-3 ist, der nach Aktivierung anti-apoptotische intrazelluläre Mechanismen stimuliert und den durch (patho-) physiologischen Stress induzierten Zelltod verhindert. Zur weiteren Charakterisierung der CRLF3-vermittelten Neuroprotektion wurde eine mögliche Regulation der pro-apoptotischen Acetylcholinesterase (AChE) untersucht. In kultivierten Hirnneuronen von Tribolium castaneum werden beide für AChE codierenden Gene (ace-1 und ace-2) unter apoptogenen Bedingungen (Hypoxie) verstärkt exprimiert und pharmakologische Inhibition der AChE verhindert Hypoxie-induzierten Zelltod. Epo, durch Aktivierung von CRLF3, verhindert die Hypoxie-induzierte Expression von ace-1 und schützt die Neurone vor apoptotischem Zelltod. Epo-/CRLF3-vermittelte Neuroprotektion in Käfern (und in der Wanderheuschrecke L. migratoria) beruht demnach auf der Unterdrückung der stressinduzierten Expression von ace-1. Ein bisher unverstandenes Phänomen ist die konzentrationsabhängig „gegenläufige“ Wirkung von Epo und EV-3 auf Neurone und andere Zelltypen von Säugetieren und Insekten. Oberhalb der optimalen Konzentration wird der neuroprotektive Effekt wieder schwächer und anschließend zunehmend toxisch. Protektive Konzentrationen von Epo reduzieren die Expression von ace-1 in Neuronen von Heuschrecken und Käfern wogegen toxische Epo- Konzentrationen eine verstärkte Expression induzieren. Die differenzielle Regulation der Expression pro-apoptotischer AChE vermittelt demnach die gegenläufige protektive/toxische Wirkung unterschiedlicher Konzentrationen von Epo. Ob ähnliche Epo-/CRLF3-vermittelte Regulationen der AChE-Expression auch in Neuronen von Säugetieren stattfinden wurde bisher nicht beschrieben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Anti-apoptotic and neuroprotective erythropoietin/CRLF3-signalling in insects and humans. University Goettingen Repository.
Knorr, Debbra Yasemin
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Meeting of the Society for Neuroscience in San Diego; Poster “The human cytokine receptor CRLF3 is a neuroprotective EV-3 (erythropoietin) receptor”
Knorr, Rodriguez Polo, Pies, Schwedhelm-Domeyer, Pauls, Behr & Heinrich
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Protection of insect neurons by erythropoietin/CRLF3-mediated regulation of pro-apoptotic acetylcholinesterase. Scientific Reports, 12(1).
Knorr, Debbra Y.; Schneider, Kristin; Büschgens, Luca; Förster, Jan; Georges, Nadine S.; Geurten, Bart R. H. & Heinrich, Ralf
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15th Göttingen meeting of the German Neuroscience Society; Poster “The human cytokine receptor CRLF3 is a neuroprotective EV-3 (erythropoietin) receptor”
Knorr, Twellsieck, Rodriguez Polo, Pies, Schwedhelm-Domeyer, Pauls, Behr & Heinrich
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Multifaceted promotion of apoptosis by acetylcholinesterase. Frontiers in Cell Death, 2.
Knorr, Debbra Y.; Demirbas, Defne & Heinrich, Ralf
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The cytokine receptor CRLF3 is a human neuroprotective EV-3 (Epo) receptor. Frontiers in Molecular Neuroscience, 16.
Knorr, Debbra Y.; Rodriguez, Polo Ignacio; Pies, Hanna S.; Schwedhelm-Domeyer, Nicola; Pauls, Stephanie; Behr, Rüdiger & Heinrich, Ralf
