Ludwig-Boltzmann-Institut für Zellbiologie und Immunbiologie der Haut
Photobiologie und Photoimmunologie
1. Mechanismen der UV- und Ligand-induzierten Apoptose von Keratinozyten:
Wir
konnten zeigen, dass nicht, wie lange Zeit angenommen, nukleärer DNA-Schaden alleine entscheidend ist,
ob eine Zelle nach UV-Bestrahlung in die Apoptose geht oder nicht, sondern auch andere Faktoren dabei von
Bedeutung sind. In diesem Zusammenhang konnte unsere Arbeitsgruppe beobachten, dass UV-Strahlung zu
einer direkten Aktivierung von Todesrezeptoren führt. Die Mechanismen dieser direkten
Rezeptoraktivierung sind unklar, und werden derzeit auf molekularbiologischer Ebene untersucht. In diesem
Zusammenhang konnte gezeigt werden, dass Veränderungen im Zytoskelett eine Aktivierung der
Todesrezeptoren begünstigen und dies unter Umständen auch bei der UV-induzierten Apoptose
von Bedeutung ist. Derzeit wird untersucht, inwieweit Ceramide, membranständige Lipide, bei der direkten
Aktivierung von Todesrezeptoren von Bedeutung sind. Eine weitere wichtige Rolle in der Vermittlung der
UV-induzierten Apoptose spielen reaktive Sauerstoffspezies, zumal beobachtet wurde, dass in Gegenwart von
Radikalfängern die UV-induzierte Apoptose partiell inhibiert wird. Eine Reduktion des DNA-Schadens
durch Zugabe exogener Reparaturenzyme, eine Inhibierung der Aktivierung der Todesrezeptoren sowie die
Zugabe von Radikalfängern hat eine komplette Inhibition des UV-vermittelten Zelltodes zur Folge. Dies
zeigt, dass die drei Signalwege in additiver aber von einander unabhängiger Weise an der
Signaltransduktion des UV-induzierten Zelltodes beteiligt sind. Wir konnten beobachten, dass der
Entzündungsmediator Interleukin-1 (IL-1) Ligand-induzierte Apoptose verhindert, im Gegensatz
dazu aber UV-induzierte Apoptose verstärkt. Die Inhibition der Ligand-induzierten Apoptose ist auf eine
Aktivierung des anti-apoptotisch wirksamen Transkriptionsfaktors NFkB
zurückzuführen. Die Verstärkung des durch UV-Strahlung vermittelten Zelltodes durch IL-1
ist durch eine vermehrte Freisetzung des Todesliganden Tumornekrose-Faktor-a
bedingt. Dafür ist ebenfalls die Aktivierung von NFkB verantwortlich. Wie
diese ambivalente Funktion von NFkB kontrolliert wird, wird derzeit untersucht,
insbesondere welche Rolle die molekulare Zusammensetzung und Aktivierungskinetik des NFkB Komplexes sowie der UV-induzierte DNA-Schaden, vor allem im Hinblick auf die
Zugänglichkeit von NFkB regulierten Promotorbereichen, und
koregulatorische Faktoren spielen. Eine entscheidende Rolle dürfte dabei der differentiellen Regulation
der Signalstransduktionsproteine der TRAF-Familie zukommen.Zusätzlich wird untersucht, welche
molekularen Mechanismen dem apoptotischen Effekt des Todesliganden TRAIL (tumor necrosis factor
related apoptosis inducing ligand) zugrunde liegen. TRAIL induziert präferentiell Apoptose in
Tumorzellen, nicht aber in normalen Zellen. Aus diesem Grunde ist die Substanz aus therapeutischer Hinsicht
vor allem für die onkologische Therapie von Bedeutung. Welche Mechanismen der Suszeptibilität
bzw. Resistenz von TRAIL zugrunde liegen, ist weitgehend ungeklärt. Wir konnten beobachten, dass die
Applikation von äußerst geringen subletalen Mengen von UVB-Strahlung TRAIL-resistente Zellen
extrem sensitiv gegenüber diesem Todesliganden machen. Dies dürfte auf eine Inhibition der
Expression des antiapoptotischen Proteins FLIP zurückzuführen sein. Die Expression bzw. der
Prozessierungsstatus von FLIP eine entscheidende Rolle spielt, ob Melanomzellen gegenüber TRAIL
resistent oder empfindlich sind. Über die Aufklärung der zugrunde liegenden Mechanismen dieses
Phänomens wird erwartet, dass dadurch die Faktoren, die über TRAIL-Suszeptibilität bzw.
-Resistenz entscheiden, identifiziert werden können.
2. Modulation
der DNA-Reparatur:
Da UV-induzierte Apoptose eine wichtige Rolle bei der
Photocarcinogenese spielt, werden die molekularen Mechanismen des UV-mediierten Zelltodes untersucht. Im
Zentrum der derzeitigen Studien steht die Frage, ob bzw. über welche Mechanismen UV-induzierte
Apoptose von außen beeinflusst werden kann. In diesem Zusammenhang wurde beobachtet, dass das
immunmodulatorische Zytokin Interleukin-12 (IL-12) UV-induzierte Apoptose von Keratinozyten in vitro
deutlich reduziert. Ebenso wurde in vivo eine Reduktion der Sonnenbrandzellen nach Injektion von IL-12
gefunden werden. Dies ist nicht auf einen Filtereffekt von IL-12 zurückzuführen, da
spektrophotometrische Analysen ausschlossen, dass IL-12 im UVB-Bereich absorbiert. Interessanterweise
konnte in vitro eine deutliche Reduktion des UV-induzierten DNA-Schadens (Pyrimidindimere) nach Zugabe
von IL-12 beobachtet werden. Immunhistochemische Untersuchungen bestätigten diese Ergebnisse auch
für die in vivo Situation. Wurden die Analysen unmittelbar nach UV-Bestrahlung durchgeführt,
waren keine Unterschiede im UV-induzierten DNA-Schaden zu beobachten. Dies ließ vermuten, dass IL-12
DNA-Schaden reduziert. Dies konnte im Comet-Assay bestätigt werden, was nahe legte, dass IL-12
DNA-Reparatur induziert. Dementsprechend war IL-12 in der Lage, bestimmte Komponenten des
“Nucleotide Excision Repair“ (NER) auf transkriptioneller Ebene zu induzieren. In XPA-knock-out
Mäusen, die aufgrund einer genetischen Manipulation über keinen funktionsfähigen NER
verfügen, war IL-12 nicht in der Lage, die Formation von Sonnenbrandzellen zu reduzieren. Ebenso konnte
in Lymphozyten von Xeroderma pigmentosum Patienten eine Reduktion des DNA-Schadens durch IL-12 nicht
nachgewiesen werden. Diese Untersuchungen zeigen, dass der protektive Effekt von IL-12 vermutlich auf eine
Induktion des NER durch IL-12 zurückzuführen ist. Dies ist insofern eine wichtige Beobachtung, als
dadurch erstmalig gezeigt werden konnte, dass der NER nicht nur konstitutiv exprimiert wird, sondern auch einer
Regulation unterliegt, und über Zytokine beeinflusst werden kann. Zukünftige Untersuchungen
werden zeigen, ob durch den protektiven Effekt von IL-12 eine Reduktion des Photocarcinogeneserisikos erzielt
werden kann. IL-12 ist auch in der Lage, UV-induzierte Immunsuppression aufzuheben. Die
Unterdrückung des Immunsystems durch UV-Strahlung wird zum überwiegenden Teil durch die
Induktion von DNA-Schaden mediiert. Dementsprechend scheint die Fähigkeit von IL-12, UV-induzierte
Immunsuppression aufzuheben, auf seine Kapazität DNA-Reparatur zu induzieren
zurückzuführen sein, da IL-12 die Unterdrückung einer Kontaktsensibilisierung durch
UV-Strahlung in Wildtyptieren nicht aber in DNA-Reparatur defizienten Mäusen (XPA knock out)
aufhebt. Die Fähigkeit DNA-Reparatur zu induzieren scheint aber nicht auf IL-12 beschränkt zu sein,
zumal wir beobachten konnten, dass IL-18 ebenfalls in der Lage ist, UV-induzierte Apoptose zu reduzieren. Dies
geht auch mit einer Reduktion des DNA-Schadens einher und ist in XPA knock out Mäusen nicht zu
beobachten.
3. Pathomechanismen epidermaler Entzündungen
insbesondere des allergischen Kontaktekzems:
Während die Induktionsphase
des allergischen Kontaktekzems sehr gut untersucht ist, sind die Mechanismen der Auslösephase des
allergischen Kontaktekzems weitgehend unbekannt. Im Rahmen dieses Projektes wird untersucht, welche
negativ-regulatorischen Mechanismen die Auslösephase des allergischen Kontaktekzems beeinflussen.
In diesem Zusammenhang interessiert die Bedeutung von regulatorischen T-Zellen. UV-induzierte
regulatorische T-Zellen inhibieren nach intravenöser Injektion die Induktion eines allergischen
Kontaktekzems. Allerdings üben sie nach intravenöser Injektion keinen inhibitorischen Effekt auf
die Auslösephase aus. Es wird daher angenommen, dass regulatorische T-Zellen lediglich in der
Induktionsphase nicht aber in der Auslösephase suppressiv wirken. Unter der Annahme, dass
regulatorische T-Zellen nach intravenöser Injektion vorwiegend in die Lymphknoten migrieren nicht aber
in die Peripherie, wurden UV-induzierte hapten-spezifische regulatorische T-Zellen in die Ohren sensibilisierter
Mäuse injiziert. In diesen Mäusen war anschließend das allergische Kontaktekzem nicht
auszulösen. Diese Untersuchungen zeigen, dass regulatorische T-Zellen nach direkter Applikation in den
Manifestationsort des allergischen Kontaktekzems dieses sehr wohl unterdrücken können. Die
Unterdrückung der Entzündungsreaktion ist auf eine Freisetzung des immunsuppressiven Zytokins
IL-10 zurückzuführen. Die Migration von regulatorischen T-Zellen in die Lymphknoten nach
intravenöser Injektion ist auf die Expression des lymph node homing Rezeptors CD62L
zurückzuführen. Im Gegensatz dazu exprimieren regulatorische T-Zellen nicht die Liganden für
E- und P-Selectin, welche für die Migration in die Haut essentiell sind. Derzeit wird nach
Möglichkeiten gesucht, das Expressionsmuster der Oberflächenmoleküle so zu
verändern, dass eine Migration in die Haut ermöglicht wird. Regulatorische T-zellen dürften
auch beim therapeutischen Effekt der Photopherese von Bedeutung sein. Dieses ursprünglich für
die Behandlung von kutanen T-Zelllymphomen entwickelte Therapieverfahren hat auch eine guten
therapeutischen Effekt bei Autoimmunerkrankungen, Transplantatabstoßungen und der graft versus host
disease. In einem experimentellen Tiermodell der Photopherese konnte gezeigt werden, dass Reinfusion von
Leukozyten, die in vitro Methoxypsoralen und UVA-Strahlung ausgesetzt wurden, die Induktion einer
Kontaktsensibilisierung in Antigen-spezifischer Weise unterdrückt. Diese Unterdrückung ist auf
zellulärer Ebene transferierbar. Die dafür verantwortlichen T-Zellen exprimieren CD25 und CD4.
Beteiligter Wissenschaftler:
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