Arbeitsgruppen des Instituts

  • Mitarbeiter

    Dr. Angelique Hölzemer, Dr. Claudia Beisel, Dr. Christian Körner, Dr. Sebastian Lunemann, Dr. Gloria Martrus, Dr. Susanne Ziegler, Dr. Madeleine Bunders

    Abb

    Die Arbeitsgruppe Virus Immunologie am UKE und HPI "HPI/Fotograf: Udo Thomas"

    Forschungsprojekte

    Schwerpunkte innerhalb der Arbeitsgruppe sind die Charakterisierung antiviraler NK Zellantworten und Untersuchungen, wie geschlechtsspezifische Faktoren die Entwicklung von antiviralen Immunantworten beeinflussen. Die Arbeitsgruppe ist zudem an mehreren DFG und EU-geförderten Verbunds Projekten beteiligt (siehe Forschungsnetzwerke) .

    Antivirale zelluläre Immunantworten

    Das Immunsystem spielt eine zentrale Rolle in der Kontrolle viraler Infektionen. Insbesondere T-Zellen und NK-Zellen können virusinfizierte Zellen erkennen und abtöten. Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Altfeld untersucht die antiviralen T- und NK-Zellantworten gegen humanpathogene Viren, einschließlich HIV-1, HCV und Influenza. Insbesondere werden die Mechanismen analysiert, über welche T- und NK-Zellen virusinfizierte Zellen erkennen und zerstören, und die Strategien untersucht, welche Viren entwickelt haben, um diesen zellulären Immunantworten auszuweichen. Zudem haben wir in vitro Modelle entwickelt, um das Zusammenspiel von angeborenen und erworbenen Immunantworten im Verlauf einer Virusinfektion zu analysieren. Ziel dieser Studien ist es, protektive Immunantworten zu identifizieren, welche mit Hilfe von neuen Impfstrategien oder immuntherapeutischer Ansätze induziert werden können.

    Viruserkennung und Immunaktivierung

    Humanpathogene Viren können durch eine Reihe von Rezeptoren des Immunsystems erkannt werden. Insbesondere Zellen des angeborenen Immunsystems haben sich darauf spezialisiert, Bestandteile von Viren als fremd zu erkennen, und daraufhin eine antivirale Immunantwort zu initiieren. Während die Aktivierung des angeborenen Immunsystems eine wichtige Rolle in der Kontrolle akuter Virusinfektionen spielt, kann eine persistierende Aktivierung des Immunsystems in chronischen viralen Infektionen (HIV-1, HCV) zum Krankheitsbild der Infektion (CD4 T-Zell Verlust, Leberfibrose) beitragen. Die Arbeitsgruppe untersucht die intrazellulären Rezeptoren und Signalkaskaden, die zur Erkennung von Viren führen. Ein Schwerpunk ist die Analyse von Toll-like Rezeptoren, und ihr Einfluss auf die Pathogenese viraler Infektionen. Ein weiterer Aspekt ist der Effekt von Sexualhormonen auf die antivirale Immunantwort, und die Konsequenzen für geschlechtsspezifische Unterschiede im Verlauf von Infektionen mit humanpathogenen Viren. Ziel dieser Untersuchungen ist es, neben einem besseren Verständnis der molekularen Mechanismen der Viruspathogenese auch neue immunmodulierende Ansätze zu entwickeln, welche die pathologische Immunaktivierung während persistierender viraler Infektionen (HIV-1, HCV) reduzieren können.

    Ausgewählte Publikationen

    1: Niehrs A, Garcia-Beltran WF, Norman PJ, Watson GM, Hölzemer A, Chapel A, Richert L, Pommerening-Röser A, Körner C, Ozawa M, Martrus G, Rossjohn J, Lee JH, Berry R, Carrington M, Altfeld M. A subset of HLA-DP molecules serve as ligands for the natural cytotoxicity receptor NKp44. Nat Immunol. 2019 Jul 29. doi: 10.1038/s41590-019-0448-4. [Epub ahead of print] PubMed PMID: 31358998.

    2: Langeneckert AE, Lunemann S, Martrus G, Salzberger W, Hess LU, Ziegler AE, Poch T, Ravichandran G, Matschl U, Bosse JB, Tiegs G, Fischer L, Koch M, Herkel J, Oldhafer KJ, Schramm C, Altfeld M. CCL21-expression and accumulation of CCR7(+) NK cells in livers of patients with primary sclerosing cholangitis. Eur J Immunol. 2019 May;49(5):758-769. doi: 10.1002/eji.201847965. Epub 2019 Feb 27. PubMed PMID: 30785638.

    3: Lotter H, Altfeld M. Sex differences in immunity. Semin Immunopathol. 2019 Mar;41(2):133-135. doi: 10.1007/s00281-018-00728-x. Epub 2019 Feb 11. PubMed PMID: 30742253.

    4: Lunemann S, Schöbel A, Kah J, Fittje P, Hölzemer A, Langeneckert AE, Hess LU, Poch T, Martrus G, Garcia-Beltran WF, Körner C, Ziegler AE, Richert L, Oldhafer KJ, Schulze Zur Wiesch J, Schramm C, Dandri M, Herker E, Altfeld M. Interactions Between KIR3DS1 and HLA-F Activate Natural Killer Cells to Control HCV Replication in Cell Culture. Gastroenterology. 2018 Nov;155(5):1366-1371.e3. doi: 10.1053/j.gastro.2018.07.019. Epub 2018 Jul 19. PubMed PMID: 30031767.

    5: Lunemann S, Martrus G, Goebels H, Kautz T, Langeneckert A, Salzberger W, Koch M, J Bunders M, Nashan B, van Gisbergen KPJM, Altfeld M. Hobit expression by a subset of human liver-resident CD56(bright) Natural Killer cells. Sci Rep. 2017 Jul 27;7(1):6676. doi: 10.1038/s41598-017-06011-7. PubMed PMID: 28751776; PubMed Central PMCID: PMC5532267.

    6: Körner C, Simoneau CR, Schommers P, Granoff M, Ziegler M, Hölzemer A, Lunemann S, Chukwukelu J, Corleis B, Naranbhai V, Kwon DS, Scully EP, Jost S, Kirchhoff F, Carrington M, Altfeld M. HIV-1-Mediated Downmodulation of HLA-C Impacts Target Cell Recognition and Antiviral Activity of NK Cells. Cell Host Microbe. 2017 Jul 12;22(1):111-119.e4. doi: 10.1016/j.chom.2017.06.008. PubMed PMID: 28704647; PubMed Central PMCID: PMC5565794.

    7: Ziegler SM, Beisel C, Sutter K, Griesbeck M, Hildebrandt H, Hagen SH, Dittmer U, Altfeld M. Human pDCs display sex-specific differences in type I interferon subtypes and interferon α/β receptor expression. Eur J Immunol. 2017 Feb;47(2):251-256. doi: 10.1002/eji.201646725. Epub 2017 Jan 3. PubMed PMID: 27891600.

    8: Garcia-Beltran WF, Hölzemer A, Martrus G, Chung AW, Pacheco Y, Simoneau CR, Rucevic M, Lamothe-Molina PA, Pertel T, Kim TE, Dugan H, Alter G, Dechanet-Merville J, Jost S, Carrington M, Altfeld M. Open conformers of HLA-F are high-affinity ligands of the activating NK-cell receptor KIR3DS1. Nat Immunol. 2016 Sep;17(9):1067-74. doi: 10.1038/ni.3513. Epub 2016 Jul 25. PubMed PMID: 27455421; PubMed Central PMCID: PMC4992421.

    9: Hölzemer A, Thobakgale CF, Jimenez Cruz CA, Garcia-Beltran WF, Carlson JM, van Teijlingen NH, Mann JK, Jaggernath M, Kang SG, Körner C, Chung AW, Schafer JL, Evans DT, Alter G, Walker BD, Goulder PJ, Carrington M, Hartmann P, Pertel T, Zhou R, Ndung'u T, Altfeld M. Selection of an HLA-C*03:04-Restricted HIV-1 p24 Gag Sequence Variant Is Associated with Viral Escape from KIR2DL3+ Natural Killer Cells: Data from an Observational Cohort in South Africa. PLoS Med. 2015 Nov 17;12(11):e1001900; discussion e1001900. doi: 10.1371/journal.pmed.1001900. eCollection 2015 Nov. PubMed PMID: 26575988; PubMed Central PMCID: PMC4648589.

    10: Alter G, Heckerman D, Schneidewind A, Fadda L, Kadie CM, Carlson JM, Oniangue-Ndza C, Martin M, Li B, Khakoo SI, Carrington M, Allen TM, Altfeld M. HIV-1 adaptation to NK-cell-mediated immune pressure. Nature. 2011 Aug 3;476(7358):96-100. doi: 10.1038/nature10237. PubMed PMID: 21814282; PubMed Central PMCID: PMC3194000

    Forschungsnetzwerke

    DFG: KFO 306 Primär Sklerosierende Cholangitis

    DFG: SFB 841 Leberentzündung: Infektion, Regulation und Konsequenzen (A7: Mechanismen der NK-Zell-vermittelten Kontrolle der HCV-Infektion)

    LFF-FV 45 Geschlechtsdimorphismus im Immunstystem

    EHVA: European HIV Alliance

    DZIF: Deutsches Zentrum für Infektionsforschung

  • Mitarbeiter

    Prof. Eva Tolosa, Dr. rer. nat. Anna Gieras, Dr. rer. nat. Anne Rissiek, Christina Gehbauer, Dana Komadina, Elena Billeb, Enja Schneider, Dr. rer. nat. Kati Tillack, Laura Glau, Manuela Kolster, Riekje Winzer, Romy Hackbusch, Sarah-Jolan Bremer

    Forschungsprojekte

    Auswirkungen prä- und postnataler medizinischer Ereignisse auf die Entwicklung des Immunsystems

    Der Zeitraum um die Geburt ist essentiell für die Entwicklung des adaptiven Immunsystems. Der Thymus, ein primäres lymphatisches Organ, bildet die Mikroumgebung für die Reifung und Differenzierung von T-Zellen aus lymphoiden Vorläuferzellen des Knochenmarks. Sorgfältige Selektionsprozesse im Thymus gewährleisten ein extensives und funktionales Immunsystem und eliminieren potentiell autoreaktive T-Zellen. Zur Zeit der Geburt ist die thymische T-Zell Produktion auf ihrem Höhepunkt, bevor sie bereits nach den ersten Lebensjahren abnimmt. Ein intakter Thymus ist daher insbesondere in der frühen Kindheit von essentieller Bedeutung für die Generierung des peripheren T-Zell Repertoire.

    Erste Studien lassen vermuten, dass eine Beeinträchtigung der Thymusfunktion in dieser fragilen Zeit das Risiko von (Auto-) Immunerkrankungen, wie z. B. Typ-1-Diabetes, Asthma oder Allergien in späteren Lebensphasen erhöht. In Anbetracht der wichtigen Rolle des Thymus in der Entwicklung des Immunsystems, insbesondere bei der Kontrolle von Autoimmunität, fokussieren sich unsere Projekte hierbei auf den Einfluss zweier unabhängiger, medizinischer Eingriffe mit Auswirkungen auf den Thymus, die pränatale Steroidtherpie und die frühkindliche Thymektomie.

    In unseren Studien möchten wir zum einen die Langzeiteffekte auf das Immunsystem von Kindern untersuchen, deren Mütter prenatal mit Glukokortikoiden behandelt wurden und zum anderen möchten wir das Immunsystem von jungen Thymektomie-Patienten über einen Zeitraum von mehreren Jahren umfassend beobachten und erhoffen uns neue Erkenntnisse über die Effekte der Thymektomie auf die Immunität.

    Bild KFO PRINCE

    Auswirkungen prä- und postnataler medizinischer Eingriffe auf die Entwicklung des Immunsystems

    Charkterisierung der Adeninnukleotid-metabolisierenden Ektoenzyme und purinergen Rezeptoren

    Die Adeninenukleotide und -nukleoside (AN) ATP und NAD sowie deren Metabolite, spielen eine Schlüsselrolle in der Modulation von Immunantworten. In diesem Forschungsvorhaben beschäftigen wir uns zum einen mit der Regulation von Ektoenzymen. Diese Zelloberflächenmoleküle steuern Signalwege durch den Abbau von AN sowie der Generierung von Adenosine bzw. second messengern. Durch das Zusammenspiel der beiden Ektoenzyme CD39 und CD73 wird das entzündungsfördernde Molekül Adenosintriphosphat (ATP) in das entzündungshemmende Molekül Adenosin umgewandelt. Zudem charakterisieren wir den Einfluss der so metabolisierten AN auf purinerge Rezeptoren. Extrazelluläres ATP dient als Ligand für purinerge Rezeptoren (P2X). Die Bindung von ATP an den Ionenkanal P2X7 führt zum Einstrom von Kalziumionen (Ca2+) und zum Ausstrom von Kaliumionen (K+), was bei Zellen des angeborenen Immunsystems die Freisetzung von proinflammatorischen Zytokine und somit die Entstehung eines proinflammatorischen Milieus fördert. Bei manchen Erkrankungen wie z.B. Tumorerkrankungen ist es therapeutisch von Vorteil die Immunantwort zu verstärken, andere Krankheitsbilder wie z.B. bei Autoimmunerkrankungen hingegen erfordern eine immunsuppressive Therapie. Die Modulierung der ATP-Adenosin-Achse, durch Regulation von Ektoenzymen (CD39, CD73) und purinergen Rezeptoren, stellen somit ein interessantes Foschungsziel für den erster Schritt zur Entwicklung derartiger immunmodulatorischer Therapien dar. Wir planen durch den Einsatz von Inhibitoren und Knock-Out-Systemen den zellspezifischen Einfluss dieser Ektoenzyme und Rezeptoren zu modulieren und so mögliche Angriffspunkte für die Regulation von Immunantworten zu charakterisieren.

    Bild

    Abbau von extrazellulärem ATP zu Adenosin

    Ausgewählte Publikationen

    MECHANISMS OF IMMUNE REGULATION

    Schneider E, Rissiek A, Winzer R, Puig B, Rissiek B, Haag F, Mittrücker HW, Magnus T, Tolosa E. Generation and function of non-cell-bound CD73. Frontiers in Immunology 2019

    Rissiek A, Baumann I, Cuapio A, ter Haar N, Kolster M, Dodge-Khatami A, Arck PC, Mittrücker HW, Koch-Nolte F, Haag F, Tolosa E (2015) The expression of CD39 on regulatory T cells is genetically driven and further upregulated at sites of inflammation. J Autoimmunity 58:12-20

    Brucklacher-Waldert V, Stuerner K, Kolster M, Wolthausen J, Tolosa E (2009) Phenotypical and functional characterization of T helper 17 cells in multiple sclerosis. Brain 132:3329-3341

    T CELL DEVELOPMENT AND SELECTION

    Gieras, A, Gehbauer C, Perna-Barrull D, Engler JB, Diepenbruck I, Glau L, Joosse SA, Kersten N, Klinge S, Mittrücker HW, Friese MA, Vives-Pi M, Tolosa E. Prenatal administration of betamethasone causes changes in the T cell receptor repertoire influencing development of autoimmunity. Frontiers in Immunology 2017, 8:1505. doi: 10.3389/fimmu.2017.01505. eCollection 2017.

    Tolosa E, Li W, Yasuda Y, Wienhold W, Denzin LK, Lautwein A, Driessen C, Schnorrer P, Weber E, Stevanovic S, Kurek R, Melms A, Bromme D (2003) Cathepsin V is involved in the degradation of invariant chain in human thymus and is overexpressed in myasthenia gravis. Journal of Clinical Investigation 112 (4):517-526

    Adamopoulou E, Tenzer S, Hillen N, Klug P, Rota IA, Tietz S, Gebhardt M, Stevanovic S, Schild H, Tolosa E, Melms A, Stoeckle C (2013) Exploring the MHC-peptide matrix of central tolerance in the human thymus. Nat Commun 4:2039. doi:10.1038/ncomms3039

    Tolosa E, King LB, Ashwell JD (1998) Thymocyte Glucocorticoid Resistance Alters Positive Selection and Inhibits Autoimmunity and Lymphoproliferative Disease in MRL-lpr/lprMice. Immunity 8 (1):67-76

    IMMUNE PHENOTYPING

    Lessel D*, Gehbauer C*, Brämswig MC*, Schluth-Bolard C, ….Britsch S, Tolosa E*, Kubisch C*. BCL11B mutations in patients affected by a neurodevelopmental disorder with reduced type 2 innate lymphoid cells. Brain. 2018 Aug 1;141(8):2299-2311. doi: 10.1093/brain/awy173.

    Mohme M, Schliffke S, Maire CL, Rünger A, Glau L, Mende KC, Matschke J, Gehbauer C, Akyüz N, Zapf S, Holz M, Schaper M, Martens T, Schmidt NO, Peine S, Westphal M, Binder M*, Tolosa E*, Lamszus K*. Immunophenotyping of Newly Diagnosed and Recurrent Glioblastoma Defines Distinct Immune Exhaustion Profiles in Peripheral and Tumor-infiltrating Lymphocytes. Clinical Cancer Res. 2018; 24(17):4187-4200 pii: clincanres.2617.2017.

    Thom V, Schmid S, Gelderblom M, Hackbusch R, Kolster M, Schuster S, Thomalla G, Keminer O, Pless O, Bernreuther C, Glatzel M, Wegscheider K, Gerloff C, Magnus T*, Tolosa E* (2016) IL-17 production by CSF lymphocytes as a biomarker for cerebral vasculitis. Neurol Neuroimmunol Neuroinflamm 3 (2):e214. doi:10.1212/NXI.0000000000000214

    Forschungsnetzwerke

    DFG: : Molekulare Mechanismen und Funktion der Öffnung des P2X7 Ionenkanals in T Zellen mit Prof. F. Koch-Nolte

    DFG: KFO 296 Feto-maternal immune cross talk: Consequences for maternal and offspring's (P7: Impact of prenatal steroid treatment on the offsprings immune system)

    DFG: KFO 296 Feto-maternal immune cross talk: Consequences for maternal and offspring's (S1:Coordination of recruitment, tissue acquisition, data management, statistical support and methodological quality control for the prospective cohort PRenatal DetermInants of Children`s HEalth (PRINCE))

    DFG: SFB 1328 Adenine nucleotides in immunity and inflammation (A13 The role of adenine nucleotides during progression and resolution of cerebral ischemia)

    DFG: SFB 1328 Adenine nucleotides in immunity and inflammation (A14 Extra cellular ATP to adenosine axis in the biology of regulatory and effector T cells)

    DFG: FOR 2879 ImmunoStroke

  • Mitarbeiter

    Prof. Dr. Hans-Willi Mittrücker, Dr. Friederike Raczkowski, Dr. Stefanie Klinge, Dr. Karsten Yan, Dr. Alexandra Hierweger, Daniel Reimes, Niels Lory, Aenne Harberts, Constantin Schmidt, Karen-Maria Brede, Tabea Bertram, Joanna Schmid

    Forschunsprojekte

    T-Zellen spielen eine zentrale Rolle in Immunantworten gegen Pathogene, sie sind aber auch entscheidend für die Entstehung von Autoimmunerkrankungen. In unsrer Arbeitsgruppe verwenden wir verschiedene Mausmodelle für bakterielle Infektionen und für Autoimmunerkrankungen der Niere um die Funktion und Regulation von T-Zellen zu untersuchen. Schwerpunkte sind:

    ● Die Funktion und Regulation von CD4 und CD8 T-Zellen in Infektionen mit bakterielen Pathogenen. Die Analysen finden in Infektionsmodellen für Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus und Salmonella typhimurium statt.

    ● Die Rolle des Transkriptionsfaktors Interferon Regulatory Factor 4 (IRF4) in der Aktivierung und Differenzierung von T-Zellen.

    ● Die Regulation von Immunantworten durch Interleukin-6 und hier insbesondere die Bedeutung verschiedener IL-6-Signalwege für die Aktivierung und Differenzierung von Immunzellen.

    ● Autoimmune Nierenerkrankungen und die Rolle von T-Zellen in der Entstehung und Aufrechterhaltung von Immunreaktionen gegen glomeruläre Strukturen. Die Analysen finden in Mausmodellen für die anti-Glomeruläre Basalmembran-Nephritis statt.

    ●Die Bedeutung von Ektoenzymen und purinergen Rezeptoren für die Regulation von T-Zellen.

    Ausgewählte Publikationen

    1. Mittrücker H-W, Matsuyama T, Grossman A, Kündig TM, Potter J, Shahinian A, Wakeham A, Patterson B, Ohashi PS, Mak TW. Requirement for the transcription factor LSIRF/IRF4 for mature B and T lymphocyte function. Science. 1997. 275:540-543.

    2. Mittrücker H-W, Steinhoff U, Köhler A, Krause M, Lazar D, Mex P, Miekley D, Kaufmann SHE. Poor correlation between BCG vaccination-induced T cell responses and protection against tuberculosis. Proc Natl Acad Sci USA. 2007. 104:12434-12439.

    3. Hopfer H, Holzer J, Hünemörder S, Paust HJ, Sachs M, Meyer-Schwesinger C, Turner JE, Panzer U, Mittrücker H-W. Characterization of the renal CD4+ T-cell response in experimental autoimmune glomerulonephritis. Kidney Int. 2012. 82:60-71.

    4. Hoge J, Yan I, Jänner N, Schumacher V, Chalaris A, Steinmetz OM, Engel DR, Scheller J, Rose-John S, Mittrücker H-W. IL-6 controls the innate immune response against Listeria monocytogenes via classical IL-6 signaling. J Immunol. 2013. 190:703-711.

    5. Raczkowski F, Ritter J, Heesch K, Schumacher V, Guralnik A, Höcker L, Raifer H, Klein M, Bopp T, Harb H, Kesper DA, Pfefferle PI, Grusdat M, Lang PA, Mittrücker H-W*, Huber M*. The transcription factor Interferon Regulatory Factor 4 is required for the generation of protective effector CD8+ T cells. Proc Natl Acad Sci USA. 2013. 110:15019-15124. (*shared last authorship)

    6. Hünemörder S, Treder J, Ahrens S, Schumacher V, Paust H-J, Menter T, Matthys P, Kamradt T, Meyer-Schwesinger C, Panzer U, Hopfer H, Mittrücker H-W. TH1 and TH17 cells promote crescent formation in experimental autoimmune glomerulonephritis. J Pathol. 2015. 237:62-71.

    7. Mahnke J, Schumacher V, Ahrens, S, Käding N, Feldhoff LM, Huber M, Rupp J, Raczkowski F*, Mittrücker H-W*. Interferon Regulatory Factor 4 controls TH1 cell effector function and metabolism. Sci Rep. 2016. 6:35521. (*shared last authorship)

    8. Krebs CF, Paust HJ, Krohn S, Koyro T, Brix SR, Riedel JH, Bartsch P, Wiech T, Meyer-Schwesinger C, Huang J, Fischer N, Busch P, Mittrücker H-W, Steinhoff U, Stockinger B, Perez LG, Wenzel UO, Janneck M, Steinmetz OM, Gagliani N, Stahl RAK, Huber S, Turner JE, Panzer U. Autoimmune renal disease Is exacerbated by S1P-receptor-1-dependent intestinal Th17 cell migration to the kidney. Immunity. 2016. 45:1078-1092.

    9. Turner JE, Becker M, Mittrücker H-W, Panzer U. Tissue-resident lymphocytes in the kidney. J Am Soc Nephrol. 2018. 29:389-399.

    10. Klinge S, Yan K, Reimers D, Brede KM, Schmid J, Paust HJ, Krebs CF, Panzer U, Hopfer H, Mittrücker H-W. Role of regulatory T cells in experimental autoimmune glomerulonephritis. Am J Physiol Renal Physiol. 2019. 316:F572-F581.

    Forschungsnetzwerke

    DFG:SFB 1328 “Adenine Nucleotides in Immunity and Inflammation” (A03: “Adenine nucleotide-modulated T cell differentiation and effector Functions”, Prof. H.-W. Mittrücker, Prof. Samuel Huber)

    DFG: SFB 1192 „Immune-mediated glomerular diseases” (A4: “Autoreactive T cell responses in glomerulonephritis”)

    DFG: KFO 296 „Feto-maternal immune cross talk: Consequences for maternal and offspring’s health” (P2 "Identification of viral determinants and maternal immune responses underlying influenza A virus disease severity during pregnancy“, Prof. G. Gabriel, Prof. H.-W. Mittrücker, Prof. P. Arck).

    DFG: SFB 841 “Leberentzündung: Infektion, Regulation und Konsequenzen" (A3 “Regulation der T-Zellantwort im Verlauf von bakteriellen Leberinfektionen”)

  • Mitarbeiter

    Prof. Friedrich Haag, Gudrun Dubberke, Klaus Kaschubowski, Sana Javed, Dr. rer. nat. Stephan Menzel

    Forschungsprojekte

    Extrazelluläre Nukleotide als Regulatoren der Funktionen von Lymphozyten

    Neben ihrer metabolischen Bedeutung in Zellinneren spielen Adenosin-Triphosphat (ATP) und andere Adenin-Nukleotide außerhalb von Zellen wichtige Rollen als autokrine und parakrine Signalüberträger. ATP ist innerhalb von Zellen reichlich vorhanden (3-10 mM), aber unter physiologischen Bedingungen ist es außerhalb von Zellen kaum messbar (im niedrigen nanomolaren Bereich). ATP kann jedoch von Zellen freigesetzt werden, entweder aktiv zur gezielten Signalübertragung oder passiv bei Schädigung der Zelle. Wenn es in den Extrazellularraum gelangt, kann ATP auf ionotrope P2X- oder metabotrope P2Y-Rezeptoren auf der Zelloberfläche wirken. Während die P2Y-Rezeptoren zur Familie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR), handelt es sich bei den P2X-Rezeptoren um ATP-gesteuerte Kationenkanäle, die u.a. den Einstrom von Kalziumionen (Ca2+) in die Zell bewirken können. Außerhalb der Zelle wird ATP jedoch auch schnell wieder abgebaut. Durch die kombinierte Wirkung der Ektoenzyme der CD39-Familie (Ekto-Nucleosid-Triphosphat Diphosphohydrolasen, ENTPDs) und der Ekto-5’-Nukleotidase CD73 wird ATP zu Adenosin abgebaut, welches seinerseits auf andere Mitglieder der GPCR-Familie, die P1 Adenosin-Rezeptoren, wirken kann.

    Die Regulation der Balance von extrazellulärem ATP und Adenosin ist ein wichtiger Mechanismus zur Regulation der Entzündungsreaktion. Die Freisetzung von ATP ist ein in der Evolution konserviertes Gefahrensignal, welches den Untergang von Zellen anzeigt, und bei Immunzellen die Auslösung oder Verstärkung einer Entzündungsreaktion fördert. Diesen pro-inflammatorischen Signalen wirkt der Abbau von ATP zu Adenosin entgegen. Die Stimulation insbesondere der zu den P1-Rezeptoren gehörenden A2A und A2B-Rezeptoren wirkt in vielen Immunzellen als ein starkes dämpfendes (und damit anti-inflammatorisches) Signal.

    Ähnlich wie extrazelluläres ATP kann auch extrazelluläres NAD Signalkaskaden auslösen, indem es als Substrat entweder für die Ekto-NADase CD38 oder die ADP-Ribosyltransferase ARTC2 zur Verfügung steht. ARTC2 überträgt eine ADP-ribose-Einheit von NAD auf ein Zielprotein, dessen Funktion dadurch i.d.R. verändert wird, ein Prozess, der als ADP-Ribosylierung bezeichnet wird. Auf T-Lymphozyten der Maus, welche ARTC2 tragen, ist ein prominentes Zielprotein der ATP-gesteuerte Ionenkanal P2X7, der durch diese Modifikation P2X7 aktiviert wird. CD38 verwendet extrazelluläres NAD als Substrat, um Kalzium-mobilisierende “second messenger”-Moleküle wie zyklische ADP-Ribose (cADPR) oder Nikotinsäure-Adenin-Dinukleotid-Phosphat (NAADP) zu erzeugen, welche bei der Aktivierung von Zellen zur erhöhung der zytosolischen Kalziumkonzentration beitragen.

    Abb

    Extrazelluläres ATP wirkt auf P2X- und P2Y-Rezeptoren auf der Zelloberfläche. (Stephan Menzel 2015)

    Ausgewählte Publikationen

    xxx

    Forschungsnetzwerke

    DFG: SFB 1328 Adenine nucleotides in immunity and inflammation (A12 Role of the ectonucleotidases CD39 and CD73 for the modulation of the immune response in chronic human viral infections)

    DFG: SFB 1328 Adenine nucleotides in immunity and inflammation (Z02 Antibodies and nanobodies for adenine nucleotide research)

  • Short CV Prof. Friedrich Koch-Nolte

    Deputy Director (since 1997)

    Phone: +49 (0) 40 7410 - 53612
    Mail: nolte@uke.de

    University Degrees
    Biology, Wesleyan University 1976 (BA)
    Medicine, University of Tübingen, 1983 (MD)
    Molceular Biology, University of Hamburg, 1986 (Diploma)

    Professor associée at the University of Rouen, France (2006-2007)
    Visiting scientist at the University of California, San Francisco, CA, USA (1994)
    Visiting scientist at the DNAX Research Institute of Molecular Biology, Palo Alto, CA, USA (1997)
    Visiting scientist at The Jackson Lab, Bar Harbor, ME, USA (1991, 1999)

    Mentorship Award of the Simon-Claussen Foundation (2009)
    Research Award of the Werner Otto Foundation (1997)
    Research Award of the Martini Foundation (1991)

    Member of the
    Deutsche Gesellschaft für Immunologie (DGfI)
    Deutsche Gesellschaft für Biochemie und Molekularbiologie (GBM)
    Deutsche Gesellschaft für Zellbiologie (DGZ)

    Research Interests

    The focus of our laboratory is on the molecular characterization of lymphocyte membrane proteins, in particular receptors and enzymes involved in signaling by extracellular nucleotides. We generate monoclonal and single domain antibodies as new research and therapeutic tools. We are interested in ADP-ribosylation as a pathogenic mechanism of bacterial toxins and as a reversible posttranslational modification regulating protein functions. Using genetic immunization and antibody engineering, we strive to develop new tools for combating infections and for treating diseases of the immune system.

    1. Lymphocyte membrane proteins: enzymes and receptors involved in signaling by extracellular NAD and ATP

    Membrane proteins mediate the communication of cells with their environment. They function as receptors for soluble ligands and counter-receptors on other cells, as ion channels, nutrient transporters, and enzymes. The nucleotides NAD and ATP are key metabolites of energy metabolism found in cells from all kingdoms of life. The cell membrane is impermeable to these nucleotides, but they can exit cells via channels or pores gated by mechanical and/or electrical stimuli. During infection and inflammation injured cells release NAD and ATP through the damaged cell membrane. Extracellular NAD and ATP alert cells of the immune system to sites of tissue damage.

    Fig 1

    Fig. 1 Purinergic siganling: During inflammation, injured cells release the nucleotides NAD and ATP as danger signals which allert immune cells of tissue damage

    Cells of the immune system are equipped with a variety of sensors for these nucleotides (Fig. 1), including ligand-gated ion channels (P2X purine receptors) and nucleotide-metabolizing ecto-enzymes (CD38, CD296). CD296 (ARTs) functions as NAD-sensors and relay information about the levels of extracellular NAD into ADP-ribosylation of cell surface and secreted proteins. The NAD-hydrolyzing ecto-enzyme CD38 restricts the intensity and duration of NAD-signaling in the extracellular space by hydrolyzing NAD. Opening of the P2X7 ion channel is induced by binding of the soluble ligand ATP, or by NAD-dependent ADP-ribosylation. Passage of ions through P2X7 (calcium into the cell, potassium out of the cell) triggers a cascade of downstream events, including protease activation (caspases and ADAMs), externalization of phosphatidylserine (PS), activation of the inflammasome and cell death. Mice that cannot express the mentioned purine receptors or ecto-enzymes show impaired immune responses. The receptors and enzymes of purinergic signaling, thus, present potential targets for new anti-inflammatory or immune-stimulating drugs. In mouse models, activating the ARTC2 > P2X7 axis can enhance anti-tumor responses, while blocking this axis can reduce inflammation in autoimmune diseases.

    2. Antibody engineering: genetic immunization, single domain antibodies

    Antibodies are important tools of research, diagnosis and therapy. Antibodies are raised by immunizing experimental animals with proteins, synthetic peptides, or DNA. In the case of DNA immunizations, the protein encoded by the DNA is produced in its native conformation by the cells of the immunized animal and the induced immune response yields antibodies directed against proteins in native conformation (ADAPINCs) (Fig. 2). Such antibodies are useful in many applications were anti-peptide antibodies fail, e.g. affinity purification, flow cytometry, ELISA, FACS, and functional studies. cDNA immunization is offered as a service via the antibody core facility of the UKE.

    Fig 2

    Fig2 2 Antibodies induced by genetic immunization recognize native proteins, antibodies induced by peptide immunization recognize denatured proteins

    Llamas produce unusual antibodies composed only of heavy chains. Their antigen-binding domain (VHH) is readily produced as a soluble recombinant protein, also designated nanobody or single domain antibody (sdAb) (Fig. 3). Nanobodies can form finger like extrusions that block clefts on protein surfaces, such as the active site crevice of enzymes, the ligand binding domain of a receptor, and the receptor binding domain of a virus. Nanobodies have great potential as therapeutics and as imaging agents.

    Fig. 3

    Fig.3 Schematic diagram of conventional antibodies and of heavy chain only antibodies made by llamas, dromedraries and other camelids

    We have generated enzyme-blocking nanobodies from llamas immunized with different ARTs: the SpvB Salmonella toxin, the binary clostridium difficile toxin CDTa, and the T cell ecto-enzyme ARTC2 (CD296). These nanobodies protect cells from the cytotoxic effects of SpvB, CDT, and ARTC2. In case of ARTC2, the nanobodies effectively block ARTC2 on the cell surface of regulatory T cells and iNKT cells within 10 minutes after intravenous injection. These nanobodies provide an important tool for protecting these regulatory cells from death induced by NAD released during tissue preparation.
    We have also generated nanobodies against CD38, the major NAD-hydrolyzing ecto-enzyme. CD38 is emerging as a therapeutic target in multiple myeloma and other hematopoertic malignancies. Some of our nanobodies outperform the recently licensed CD38-specific monoclonal antibody Daratumumab (Darzalex) in cytotoxicity vs. hematopoetic cancer cell lines.
    In cooperation with Ablynx, a Belgian company devoted to developing nanobodies for human therapies, we have generated nanobodies that block or enhance gating of the P2X7 ion channel. The P2X7-blocking nanobodies ameliorated inflammation in mouse models of glomerulonephritis and allergic dermatitis. In endotoxin-treated human blood cells, they effectively blocked LPS/ATP-induced release of the potent pro-inflammatory cytokine IL-1ß.
    In order to facilitate the generation of new nanobodies, we have cloned the nanobody-encoding IgH locus from llama and successfully transferred an engineered version of this locus to transgenic mice (Fig. 4). Upon immunization, these mice produce nanobody-based heavy chain antibodies that undergo somatic hypermutation and class switch recombination. This novel platform greatly expands our capacity to generate functional nanobodies against interesting targets.

    Fig. 4

    Fig. 4 Schematic diagram of the engineered bacterial artificial chromosomes (BAC-V=3) used to generate nanobody-producing transgenic mice

    3. Posttranslational modifications: ADP-ribosylation, glycosylation, lipid anchors

    The function of proteins can be regulated via the attachment of chemical moieties. These enzyme-catalyzed modifications, coined posttranslational modifications (PTMs), include phosphorylation, glycosylation, ADP-ribosylation, and the attachment of lipid anchors.
    ADP-ribosylation is a reversible PTM, in which ADP-ribosyltransferases (ARTs) transfer the ADP-ribose moiety from NAD onto a specific amino acid side chain in a target protein and ADP-ribosylhydrolases (ARHs) remove the ADP-ribose group (Fig. 5). We have determined the 3D structures of a prototype ART and a prototype ARH. The 3D structure of rat ARTC2 resembles a pacman with a wide-open mouth crunching on the substrate NAD. The 3D structure of human ARH3 resembles a pumpkin in which four alpha helices coordinate two magnesium ions at the bottom of the active site crevice.

    Fig.5

    Fig.5 ADP-ribosylation is a reversible posttranslational modification regulating protein function

    ADP-ribosylation is used by pathogenic toxins such as Diphtheria, Pertusssis and Clostridial toxins to modulate host protein functions. Toxin-related ARTs are expressed by cells of the immune system. ADP-ribosylation of membrane proteins can be monitored using labeled analogues of NAD. Using 32P-NAD, ADP-ribosylation results in radiolabeling of the target protein. Using etheno-NAD, ADP-ribosylation of target proteins can be detected with a monoclonal antibody directed against etheno-adenosine. This 1G4 antibody can be used to sort cells on the basis of cell surface ART-activity and to purify etheno-ADP-ribosylated proteins.

    ARTC2 itself is posttranslationally modified, e.g. by attachment of a GPI lipid anchor (Fig. 1 above). The GPI-anchor targets ARTC2 to lipid rafts, specialized regions of the cell membrane that play an important role in signal transduction, e.g. during activation of T cells by antigen presenting cells. The association of ARTC2 with lipid rafts focuses ARTC2 onto specific target proteins and thereby may regulate the signaling function of raft-associated proteins. ADP-ribosylation of the P2X7 ion channel on arginine residue 125 activates P2X7 to form a non-selective ion-channel, permitting calcium ions to enter the cell and potassium ions to exit the cell. This induces dramatic alterations of the cell membrane, including the externalization of PS, shedding of L-selectin, and formation of membrane blebs.

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