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NF-kB-abhängige Verstärkung UVB-induzierter Apoptose

Projektbeschreibung

Der programmierte Zelltod (Apoptose) ist ein wichtiger zellulärer Schutzmechanismus, durch den geschädigte oder potentiell entartete Zellen gezielt eliminiert werden können. Der Transkriptionsfaktor NF-κB hemmt normalerweise Apoptose, indem er die Expression von antiapoptotischen Proteinen induziert. Konstitutiv aktives NF-κB in Tumorzellen macht Signalwege der NF-κB-Aktivierung zu interessanten Zielen für die Entwicklung neuer Krebstherapeutika. NF-κB selbst unterliegt dabei einer negativen Feedback-Regulation durch die NF-κB-abhängige Resynthese seines eigenen Inhibitors, IκBα.

Das Zytokin Interleukin-1ß (IL-1) aktiviert NF-κB und wirkt so in der Regel antiapoptotisch. Interessanterweise wird aber die von UVB-Strahlung induzierte Apoptose bei Ko-Stimulation mit IL-1 nicht gehemmt, sondern sogar verstärkt. Der Effekt hängt mit NF-κB-abhängiger Expression von TNFα zusammen, so dass NF-κB hier proapoptotisch wirksam ist (Pöppelmann et al., 2005). Dieser proapoptotische Effekt geht einher mit einer anhaltenden NF-κB-Aktivität, verursacht durch das dauerhafte Fehlen des Inhibitors IκBα.

Ziel dieses Projekts ist es, mit Hilfe von mathematischer Modellierung die Mechanismen aufzuklären, die für das dauerhafte Fehlen von IκBα nach IL-1+UVB-Stimulation verantwortlich sind. Als ein Grund wurde experimentell die anhaltende Aktivität der IκBα Kinase IKKß identifiziert, die auf UVB-induzierte Deaktivierung der IKKß-Phosphatase PP2A zurückgeht (Barisic et al., 2008). In einer ersten Phase wurde daher ein Modell für die IL-1-induzierte IKK-Phosphorylierung erstellt, indem das Modell von Lipniacki et al. (2004) angepasst und reduziert wurde. Dadurch kann die IKK-Phosphorylierung unabhängig von den Downstream-Prozessen analysiert werden. Mit Hilfe des Modells können die Mechanismen der PP2A-Deaktivierung näher untersucht werden. Es wird gezeigt, dass PP2A konstitutiv aktiv ist und dass die UVB-induzierte Deaktivierung wahrscheinlich kein direkter Einfluss von UVB ist, sondern von anderen Molekülen vermittelt wird (Witt et al., 2009). Für niedrige IL-1-Stimulationen ist die IKK-Phosphorylierung verzögert: die Modellierung sagt voraus, dass in der Signalkaskade ein Autoaktivierungsprozess vorliegt, möglicherweise Auto-Ubiquitinierung  von TRAF6 (Witt et al., 2011).

Durch Kopplung des IKKß-Phosphorylierungsmoduls mit einem Modell der Downstream-Prozesse erhält man ein Gesamtmodell des NF-κB-Signalweg. Dieses Modell kann nicht nur zahlreiche experimentelle Daten quantitativ reproduzieren, sondern auch verschiedene unabhängige Daten erfolgreich vorhersagen. Durch Vergleich des Modells mit Modellvarianten kann gezeigt werden, dass die Prozesse, die zur UVB-induzierten NF-κB-Aktivierung führen, komplexer sind als bisher angenommen. Sie beruhen auf einem Cross-Talk von UVB-induzierter Translationsinhibition und PP2Ac-Deaktivierung. Der Beitrag der jeweiligen Einzelmechanismen kann durch in silico Knockouts ermittelt werden. Er variiert stark, abhängig von Stimulation und verwendeter Zelllinie: Nach IL-1+UVB-Stimulation ist PP2A-Deaktivierung hauptsächlich für das Fortbleiben von IκB verantwortlich. Nach alleiniger UVB-Stimulation kann dagegen in den untersuchten Zellen der beobachtete IκBα-Abbau nur durch eine Kooperation beider Mechanismen erklärt werden. In anderen Zelllinien könnte außerdem Translationsinhibition alleine für den IκBα-Abbau nach UVB-Stimulation verantwortlich sein (Witt et al., submitted).

 

NFkB Pathway

 

 Partner

IZI (Institut für Zellbiologie und Immunologie), Universität Stuttgart

Finanzierung

DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft)

Literatur

Lipniacki, T.; Paszek, P.; Brasier, A. R. A. R.; Luxon, B. & Kimmel, M. (2004), J Theor Biol 228(2), 195-215.
Pöppelmann, B.; Klimmek, K.; Strozyk, E.; Voss, R.; Schwarz, T. & Kulms, D. (2005), J Biol Chem 280(16), 15635-15643.
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Publikationen

Witt, J.; Husser, S.; Kulms, D.; Barisic, S.; Sawodny, O. & Sauter, T. (2007), Proceedings of the SICE Annual Conference, 1353 - 1358.

Barisic, S.; Strozyk, E.; Peters, N.; Walczak, H. & Kulms, D. (2008), Cell Death Differ 15(11), 1681-1690.

Witt, J.; Barisic, S.; Schumann, E.; Allgöwer, F.; Sawodny, O.; Sauter, T. & Kulms, D. (2009), BMC Systems Biology 3:71 url

Witt, J.; Barisic, S.; Sawodny, O.; Ederer, M.; Kulms, D. & Sauter, T. (2010), Seventh International Workshop on Computational Systems Biology, WCSB 2010, June 16-18, 2010, Luxembourg.

Witt, J.; Barisic, S.; Sawodny, O.; Ederer, M.; Kulms, D. & Sauter, T. (2011), EURASIP Journal on Bioinformatics and Systems Biology 2011:3 url

Witt, J.; Konrath, F.; Sawodny, O.; Ederer, M.; Kulms, D. & Sauter, T., Analysing the role of UVB-Induced Translational Inhibition and PP2Ac Deactivation in NF-kappaB Signaling Using a Minimal Mathematical Model, PLoS ONE, in press

Kontakt

Michael Ederer