UV-vermittelte und mitochondriale Stressreaktionen bei der Pathogenese des kutanen Lupus erythematodes
Zusammenfassung der Projektergebnisse
UV-Licht ist ein bekannter Auslöser für Schübe bei systemischem und kutanem Lupus erythematodes (LE). Zentraler Mediator bei der Pathogenese des LE stellen Typ I Interferone (IFN) dar, die sowohl in lӓsionaler als auch in nichtlӓsionaler Haut aufreguliert sind. Ziel des im Rahmen des Walter Benjamin-Stipendium geförderten Projektes war es, mitochondrialen Stress nach UV-Strahlung in der Haut von LE zu untersuchen und zu verstehen, wie IFN die epidermale Entzündungsreaktion verstärkt. In diesem Projekt wurde die Interaktion von DNA in der Z-Konformation (Z-DNA) mit Z-DNA binding protein 1 (ZBP1) untersucht. Wir konnten erstmals zeigen, dass UV in Keratinozyten (KCs) zu mitochondrialen Schäden führt, die in einer Freisetzung von mitochondrialer Z-DNA resultieren. UVB erzeugt mitochondriale Z-DNA über die Generierung von reaktiven Sauerstoffspezies, die durch oxidative Schädigung von DNA die Konfigurationsӓnderung von B- DNA zu Z-DNA begünstigen. Weiterhin kommt es nach UV zur Freisetzung dieser mitochondrialen Z-DNA ins Zytosol, die dort von Sensoren des angeborenen Immunsystems erkannt werden kann. IFN führt zu einer Stabilisierung der Z-DNA durch Induktion des Sensors Z-DNA binding protein 1 (ZBP1). Wir konnten sowohl auf Ebene der Genexpression als auch auf Proteinebene zeigen, dass ZBP1 in der Haut der photosensitiven Erkrankungen LE und Dermatomyositis überexprimiert ist und mit der IFN-Signatur korreliert. Einzelzellsequenzierungen von LE-Hautbiopsien zeigen, dass ZBP1 vor allem in basalen KCs, einem für die Absorption von UV-Strahlung äußerst wichtigen Zelltyp, hochreguliert ist. Konfokale Mikroskopie und proximity ligation assay konnte die Interaktion von Z-DNA und ZBP1 bestätigen. Durch Blockade von ZBP1 werden in KCs UV-induzierte Zytokine und Chemokine signifikant vermindert. Im Gegensatz dazu verursacht eine genetische Überexpression von ZBP1 durch die Stabilisierung von Z-DNA eine spontane Interferonsignatur, analog zur Dysregulation des Typ I IFN Signalweges in LE-KCs. Unsere Ergebnisse identifizieren erstmals Z-DNA and ZBP1 als kritische Mediatoren für UVB-induzierte Entzündungen und klären, wie IFN die Entzündung der Haut nach UV verstärkt. Die Blockade von Ligand (Z-DNA) und Rezeptor (ZBP1) stellt daher einen möglichen neuen Therapieansatz für photosensitive autoimmune Erkrankungen einschließlich LE und Dermatomyositis dar. Zudem wurde in einer Kollaboration untersucht, inwieweit die chronisch kutane IFN-Signatur eine Infektion mit Staphylococcus aureus begünstigt, der in LE Läsionen vermehrt vorhanden ist. Es wurde nachvollzogen, dass IFN in einer Adaptation des Metabolismus in Makrophagen hin zur Glykolyse endet, woraufhin vermindert proinflammatorische Zytokinen sezerniert werden. Dieser Mechanismus ist abhängig von IFN-induzierter NO-Synthase (iNOS). Eine kutane MRSA- Infektion bei Mäusen, die konstitutiv epidermales Typ-I-IFN exprimieren, begünstigte gestörte Wundheilung, Vaskulopathie und Lungeninfektion. Zusammenfassend stellt diese von der DFG geförderte Arbeit eine erfolgreiche Karriereinvestition mit zahlreichen Publikationen auf dem Gebiet der UV- und IFN-Biologie dar. Wir konnten in diesem Projekt zentrale Mechanismen der autoimmunen Photosensitivitӓt bei LE sowie der Einfluss der kutanen Interferonsignatur bei Hautinfektionen klären. In Folgeprojekten wird die Wirkung von epidermaler Überexpression von Typ I IFN in vivo untersucht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
A critical role for IFN-β signaling for IFN-κ induction in keratinocytes. Frontiers in Lupus, 2.
Xu, Bin; Musai, Jon; Tan, Yee Sun; Hile, Grace A.; Swindell, William R.; Klein, Benjamin; Qin, J. Tingting; Sarkar, Mrinal K.; Gudjonsson, Johann E. & Kahlenberg, J. Michelle
-
Epidermal ZBP1 stabilizes mitochondrial Z-DNA to drive UV-induced IFN signaling in autoimmune photosensitivity. openRxiv.
Klein, Benjamin; Reynolds, Mack B.; Xu, Bin; Gharaee-Kermani, Mehrnaz; Gao, Yiqing; Berthier, Celine C.; Henning, Svenja; Loftus, Shannon N.; McNeely, Kelsey E.; Victory, Amanda M.; Dobry, Craig; Hile, Grace A.; Ma, Feiyang; Turnier, Jessica L.; Gudjonsson, Johann E.; O’Riordan, Mary X. & Michelle, Kahlenberg J.
-
Interferon alpha promotes caspase-8 dependent ultraviolet light-mediated keratinocyte apoptosis via interferon regulatory factor 1. Frontiers in Immunology, 15.
Loftus, Shannon N.; Gharaee-Kermani, Mehrnaz; Xu, Bin; Moore, Tyson M.; Hannoudi, Andrew; Mallbris, Mischa J.; Klein, Benjamin; Gudjonsson, Johann E. & Kahlenberg, J. Michelle
-
Keratinocytes – Amplifiers of Immune Responses in Systemic Lupus Erythematosus. Current Rheumatology Reports, 27(1).
Klein, Benjamin; Nguyen, Nguyen Thi Kim; Moallemian, Rezvan & Kahlenberg, J. Michelle
-
Type I interferon governs immunometabolic checkpoints that coordinate inflammation during Staphylococcal infection. Cell Reports, 43(8), 114607.
Reynolds, Mack B.; Klein, Benjamin; McFadden, Michael J.; Judge, Norah K.; Navarrete, Hannah E.; Michmerhuizen, Britton C.; Awad, Dominik; Schultz, Tracey L.; Harms, Paul W.; Zhang, Li; O’Meara, Teresa R.; Sexton, Jonathan Z.; Lyssiotis, Costas A.; Kahlenberg, J. Michelle & O’Riordan, Mary X.
-
UV-induzierte Pathogenese des Lupus erythematodes. Die Dermatologie, 75(7), 528-538.
Kurz, Bernadett; Klein, Benjamin; Berneburg, Mark & Meller, Stephan
