VL Signal 5

Cytokinrezeptoren
Prof. Dr. Albert Duschl
Rezeptoroligomerisierung
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Rezeptoren für Cytokine und
verwandte Wachstumsfaktoren lösen
- wie Rezeptortyrosinkinasen ein Signal aus, indem sie
Rezeptordimerisierung bewirken.
Cytokinrezeptoren sind phylogenetisch
nicht mit den RTK verwandt und
besitzen intrazellulär keine eigene
Enzymaktivität.
Cytokinrezeptoren können
Homodimere oder Heterodimere
bilden. Das dargestellte Growth
Hormone (rot) bindet an einen
homodimeren Rezeptorkomplex,
benötigt dafür aber auch zwei
separate Bindungsstellen.
© de Vos/Ultsch/Kossiakoff: Science 255:306 (1992)
Growth Hormone
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Growth hormone = GH =
Wachstumshormon = Somatotropin
Fördert Wachstum von Knochen,
Knorpel, Muskel und Bindegewebe.
Hergestellt in der Adenohypophyse.
Die Produktion ist zur Pubertät
maximal. Zu hohe Expression führt zu
Akromegalie, zu geringe zu
Zwergwuchs.
Klinisch zugelassen zur Therapie von
Zwergwüchsigkeit bei Kindern (1987),
Erwachsenen (1996), durch
Nierenversagen (1996), durch Turner
Syndrom (1996), Wasting Syndrom Kachexie bei AIDS (1996).
GH Antagonisten (Pegmisovant)
werden bei Akromegalie verwendet.
© Chas Addams
Cytokinrezeptoren
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Cytokinrezeptoren sind oft Dimere.
Manchmal gibt es eine dritte
Untereinheit um die
Bindungsaffinität zu verbessern
(z.B. IL-2, IL-6, IL-15). TNFRezeptoren sind Trimere, weil TNF
auch ein Trimer ist.
Die Cytokinrezeptor Typ 1 Familie
hat konservierte Cysteine und ein
WSXWS-Motiv, die in Typ 2
fehlen.
Beide Typen haben mindestens
zwei Domänen mit Fibronectin Typ
III-Fold, einer Variante der
Immunglobulin-Superfamilie.
Inhibition - nicht so einfach
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Inhibierende Antikörper
gegen IL-2 können
Immunreaktionen fördern
oder hemmen, je nachdem
welche monoklonalen AK
verwendet werden.
Da IL-2 ein starker T-Zell
Aktivator ist, wurden diese
Wirkstoffe als
Immunsuppressoren
entwickelt. Die komplexen
Wirkmechanismen haben
sich erst experimentell
herausgestellt.
© Prlic and Bevan, Science 311, 1875 (2006)
Hämatopoietine
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Viele Cytokine sind 4-a-Helix Bündel
(=Hämatopoietine). Es gibt die kurzkettige
und die langkettige Subfamilie.
Alle Cytokine aus der 4-Helix-Bündel Familie
haben eine up-up-down-down Konnektivität,
d.h. Helix A und B gehen nach oben, C und
D nach unten. Die Verbindungen A-B und
C-D müssen daher zwei lange loops sein.
Growth hormone, IL-6, IL-10, IL-31, LIF und
CNTF sind Vertreter der langkettigen
Gruppe.
© Paul: Fundamental Immunology
Common-Gamma-Familie
© Rochman et al., Nature Rev. Immunol. 9:480 8(2009)
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Die Cytokine der gc Familie verwenden alle eine bestimmte Rezeptoruntereinheit, gc
(a.k.a. IL-2Rg).
Common-gamma-Cytokine gehören zum kurzkettigen Typ. Sie sind Teil der
adaptiven Immunregulation: Diese Gruppe umfasst IL-2, IL-4, IL-7, IL-9, IL-15 und
IL-21. TSLP ist ähnlich zu IL-7, verwendet aber nicht gc. Einen ähnlichen
„Stellvertreter“ ohne gc-Verwendung hat auch IL-4 mit IL-13.
Jak/Stat Pathway 1
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Durch die Dimerisierung kommen
intrazellulär rezeptorassoziierte
Signalmoleküle in Kontakt und
aktivieren sich gegenseitig.
Im Fall von Cytokinrezeptoren sind
Tyrosin-Kinasen vom Jak-Typ dafür
verantwortlich. Es gibt vier davon:
Jak1, Jak2, Jak3 und Tyk2.
Jak: Janus Kinase,
bzw. Just Another Kinase.
Jaks phosphorylieren
1. Das andere Jak Protein
2. Den Rezeptor
3. Stat Faktoren
4. Weitere Proteine, z.B. andere
Kinasen
Jak/Stat Pathway 2
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STATs sind gleichzeitig
Signalübertragungsmoleküle und
Transkriptionsfaktoren (Signal
Transducer and Activator of
Transcription).
Es gibt sieben Stats: STAT1, 2, 3 ,4,
5a, 5b und 6.
Stat bindet an den phosphorylierten
Rezeptor und wird dort von den Jaks
phosphoryliert.
Aktiviertes (phosphoryliertes) Stat
bildet Dimere, die in den Kern
wandern.
Dimeres Stat bindet an DNA und wirkt
als Transkriptionsfaktor im Promotor
von Zielgenen.
Jak/Stat Pathway, mechanistisch
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Die Pseudokinasedomäne von Jak
bindet im inaktiven Zustand die
Kinasedomäne in trans.
Bindung des (monomeren) Liganden
führt zu einer Scheren-Bewegung, die
Transaktivierung auslöst.
Ohne Ligand ist der Rezeptordimer
weniger stabil. Überschuss des
Liganden führt zur Hemmung weil
beide Rezeptorketten dann Ligand
binden: Die Scherenbewegung kommt
nicht mehr zustande.
Mutationen die zu permanentem
„Öffnen“ der Schere führen, wie beim
Epo-Rezeptor beschrieben (Lu et al.,
J. Biol. Chem. 281:7002 (2006)),
führen zu Überaktivität.
© Wells and Kossiakoff, Science 344:703-4 (2014)
Jak/Stat Spezifität
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Da es nur 4 Jaks und 7 Stats gibt, kann nicht jeder Cytokinrezeptor eigene Kinasen
und Stat Faktoren bekommen. Spezifität wird durch ein Zusammenspiel von
Rezeptorketten, Jaks, Stats und ev. noch weiteren Proteinen erreicht.
© Abbas/Lichtman/Pober: Cellular and Molecular Immunology
Jak - STAT Hemmung
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Ein einzelnes Jak (Hopscotch) und ein
einzelnes STAT (marelle, STAT92E) gibt es
schon bei Drosophila.
Jaks lassen sich durch bestimmte
Tyrosinanaloga (Tyrphostine) hemmen. Es
sind auch schon Versuche mit dem Jak2Inhibitor AG490 bei Leukämie gemacht
worden. Die Spezifität solcher Inhibitoren ist
aber immer ein gewisses Problem.
Jak1, Jak2 und Tyk2 werden sehr breit
verwendet. Jak3 Verlust ist vom Phänotyp
her wie gc Verlust, was X-linked severe
combined immunodeficiency (X-SCID)
hervorruft.
Von den STATs sind STAT4 und STAT6
besonders interessant, da STAT4 spezifisch
mit IL-12R und STAT6 spezifisch mit IL-4Ra
assoziiert ist.
© Levitzki, Pharmacology & Therapeutics, 82:231-239 (1999)
Inhibitoren I
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Kinasen sind grundsätzlich interessante
Targets für Pharmaka.
Gleevec hemmt zwar kein Jak, sondern
die cytoplasmatische Tyrosinkinase abl,
aber Stat ist hier involviert:
In Chronisch Myeloischer Leukämie
(CML; 9:22 "Philadelphia Chromosom")
ist das Onkogen das Fusionsprotein Bcrabl. Die onkogene Wirkung beruht auf
einer fortgesetzten Aktivierung von Stat5.
Da IFN-a ebenfalls ein wichtiges CMLTherapeutikum ist, kommen Cytokine
hier sogar zweimal ins Spiel.
© Noble et al., Science 303:1800-05 (2004)
Inhibitoren II
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Bekannte Tumortherapeutika neuerer
Entwicklung sind Gleevec und Herceptin. Sie
repräsentieren die beiden Hauptvarianten solcher
Agenzien: Kleinmolekulare synthetische
Moleküle (überwiegend Tyrosin- oder ATPAnaloga), und Antikörper.
"Second generation drugs" versuchen Spezifität,
Pharmakokinetik oder andere wichtige Parameter
zu verbessern.
Ein Thema ist dabei auch dass Targets in
verschiedenen Varianten vorkommen können,
entweder als unterschiedliche Allele in der
Bevölkerung (Problem für Iressa) oder als
Mutationen in einzelnen Tumoren (Problem für
Gleevec).
© Sebold-Leopold and English, Nature 441: 457-462 (2006)
Personal targets
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Auch für „gleiche“ Tumore (im Bild: Brustkrebs) sind ganz verschiedene Onkogene
maßgeblich. Eine Hoffnung: Sequenzierung von Tumorgenomen ist inzwischen billig
genug für die Anwendung in der Klinik, was zur personalized medicine führt.
Ein Problem: Studien haben gezeigt dass innerhalb eines Tumors die einzelnen Zellen
ebenfalls große Unterschiede in Bezug auf Mutationen aufweisen können.
© Nature 479:281 (2011)
Targets in Allergie
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Allergische Erkrankungen haben in den letzten
Jahrzehnten stark zugenommen. 20-30% aller
Erwachsenen in Mitteleuropa haben Allergien.
Kausale Therapien: Spezifische Immuntherapie
(Hyposensibilisierung)
Alle anderen Therapien sind symptomatisch, e.g.
Mastzell-Stabilisierung (Nedocromil Sodium,
Sodium Cromoglycate), Mediatorblocker
(Histamin- und Leukotrienantagonisten),
Entzündungshemmung (Steroide)
Mögliche Alternative: Suppression des IL-4/IL-13
– Jak – STAT6 – IgE Pathways. STAT6
Aktivierung ist für Klassenwechsel zu IgE obligat
(allerdings nicht für die Aufrechterhaltung von IgE
Produktion wenn die Plasmazellen schon so aktiv
sind).
© Scientific American
STAT6 als Target?
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+ Von IL-4 und IL-13 aktiviert
+ STAT6 ko Mäuse sind gesund,
können aber kaum Allergie oder
Asthma entwickeln
+ Keine essentiellen Funktionen in
anderen Signalwegen bekannt
+ Recht gut verstandenes Molekül
+ Endogene Inhibitoren (wie SOCS
Proteine) bekannt
+ Anti-IgE ist zugelassen
+/- Ubiquitär exprimiert
+/- Kreuzrektivität mit anderen
STATs?
- Intrazellulär
© Hebenstreit et al., Cytokine Growth Factor Rev. 17:173-88 (2006)
Inhibition
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Das Antennapedia-Stat6BP Konjugat hemmt
die Tyrosinphosphorylierung von STAT6 in
Zellen von Mensch und Maus.
Vorteile: Wahrscheinlich sehr spezifisch, nicht
zellschädigend oder toxisch, funktioniert
anscheinend in allen Zelltypen, überwindet
Maus/Mensch Speziesbarriere.
Nachteile: Als Peptid abbaubar durch zelluläre
Enzyme, teure Peptidsynthese.
Mögliche Verwendung: Proof-of-principle
Studien zur Hemmung von STAT6 in
Allergiemodellen in Mäusen, Leitsubstanz zur
Entwicklung synthetischer Hemmstoffe.
© Stolzenberger et al.,
Eur. J. Biochem. 268, 4809-4814 (2001)
Assay
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STAT6 bindet an DNA
Sequenzen mit dem
Konsensus TTCNNNNGAA.
Reportergene unter Kontrolle
geeigneter Bindungsstellen
erlauben es, die
transkriptionelle Aktivität von
STAT6 in lebenden Zellen zu
verfolgen.
Dieser Ansatz ist zur
Promotoranalyse geeignet,
aber auch zur Suche nach
potentiellen Hemmstoffen in
high throughput screening.
© Hebenstreit et al., Cytokine Growth Factor Rev. 17:173-88 (2006)
© A. Duschl – steinzeitliche Technik, heute machen wir das viel besser
Kinom
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Das menschliche Kinom sehen Sie
rechts abgebildet. Es gibt mehr als
500 Proteinkinasen. Viele davon sind
medizinisch relevant.
Mehr über das Kinom (und die
Abbildung rechts als kostenloses
Poster) finden Sie unter
www.cellsignal.com
Sie als Studentom müssen die
derzeitige om-Manie aber auch nicht
unbedingt mitmachen. (Mein
Lieblingsausdruck: Biom.)
© Cell Signaling Technology

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