610 Medizin und Gesundheit
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Tumor necrosis factor (TNF) receptor 1 (TNFR1), TNFR2 and fibroblast growth factor-inducible 14 (Fn14) belong to the TNF receptor superfamily (TNFRSF). From a structural point of view, TNFR1 is a prototypic death domain (DD)-containing receptor. In contrast to other prominent death receptors, such as CD95/Fas and the two TRAIL death receptors DR4 and DR5, however, liganded TNFR1 does not instruct the formation of a plasma membrane-associated death inducing signaling complex converting procaspase-8 into highly active mature heterotetrameric caspase-8 molecules. Instead, liganded TNFR1 recruits the DD-containing cytoplasmic signaling proteins TRADD and RIPK1 and empowers these proteins to trigger cell death signaling by cytosolic complexes after their release from the TNFR1 signaling complex. The activity and quality (apoptosis versus necroptosis) of TNF-induced cell death signaling is controlled by caspase-8, the caspase-8 regulatory FLIP proteins, TRAF2, RIPK1 and the RIPK1-ubiquitinating E3 ligases cIAP1 and cIAP2. TNFR2 and Fn14 efficiently recruit TRAF2 along with the TRAF2 binding partners cIAP1 and cIAP2 and can thereby limit the availability of these molecules for other TRAF2/cIAP1/2-utilizing proteins including TNFR1. Accordingly, at the cellular level engagement of TNFR2 or Fn14 inhibits TNFR1-induced RIPK1-mediated effects reaching from activation of the classical NFκB pathway to induction of apoptosis and necroptosis. In this review, we summarize the effects of TNFR2- and Fn14-mediated depletion of TRAF2 and the cIAP1/2 on TNFR1 signaling at the molecular level and discuss the consequences this has in vivo.
Fibroblast growth factor-inducible 14 (Fn14) is a member of the tumor necrosis factor (TNF) receptor superfamily (TNFRSF) and is activated by its ligand TNF-like weak inducer of apoptosis (TWEAK). The latter occurs as a homotrimeric molecule in a soluble and a membrane-bound form. Soluble TWEAK (sTWEAK) activates the weakly inflammatory alternative NF-κB pathway and sensitizes for TNF-induced cell death while membrane TWEAK (memTWEAK) triggers additionally robust activation of the classical NF-κB pathway and various MAP kinase cascades. Fn14 expression is limited in adult organisms but becomes strongly induced in non-hematopoietic cells by a variety of growth factors, cytokines and physical stressors (e.g., hypoxia, irradiation). Since all these Fn14-inducing factors are frequently also present in the tumor microenvironment, Fn14 is regularly found to be expressed by non-hematopoietic cells of the tumor microenvironment and most solid tumor cells. In general, there are three possibilities how the tumor-Fn14 linkage could be taken into consideration for tumor therapy. First, by exploitation of the cancer associated expression of Fn14 to direct cytotoxic activities (antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity (ADCC), cytotoxic payloads, CAR T-cells) to the tumor, second by blockade of potential protumoral activities of the TWEAK/Fn14 system, and third, by stimulation of Fn14 which not only triggers proinflammtory activities but also sensitizes cells for apoptotic and necroptotic cell death. Based on a brief description of the biology of the TWEAK/Fn14 system and Fn14 signaling, we discuss the features of the most relevant Fn14-targeting biologicals and review the preclinical data obtained with these reagents. In particular, we address problems and limitations which became evident in the preclinical studies with Fn14-targeting biologicals and debate possibilities how they could be overcome.
Soluble tumor necrosis factor (TNF)-like weak inducer of apoptosis (TWEAK), in contrast to membrane TWEAK and TNF, is only a weak activator of the classical NFκB pathway. We observed that soluble TWEAK was regularly more potent than TNF with respect to the induction of TNF receptor-associated factor 1 (TRAF1), a NFκB-controlled signaling protein involved in the regulation of inflammatory signaling pathways. TNF-induced TRAF1 expression was efficiently blocked by inhibition of the classical NFκB pathway using the IKK2 inhibitor, TPCA1. In contrast, in some cell lines, TWEAK-induced TRAF1 production was only partly inhibited by TPCA1. The NEDD8-activating enzyme inhibitor MLN4924, however, which inhibits classical and alternative NFκB signaling, blocked TNF- and TWEAK-induced TRAF1 expression. This suggests that TRAF1 induction by soluble TWEAK is based on the cooperative activity of the two NFκB signaling pathways. We have previously shown that oligomerization of soluble TWEAK results in ligand complexes with membrane TWEAK-like activity. Oligomerization of soluble TWEAK showed no effect on the dose response of TRAF1 induction, but potentiated the ability of soluble TWEAK to trigger production of the classical NFκB-regulated cytokine IL8. Transfectants expressing soluble TWEAK and membrane TWEAK showed similar induction of TRAF1 while only the membrane TWEAK expressing cells robustly stimulated IL8 production. These data indicate that soluble TWEAK may efficiently induce a distinct subset of the membrane TWEAK-targeted genes and argue again for a crucial role of classical NFκB pathway-independent signaling in TWEAK-induced TRAF1 expression. Other TWEAK targets, which can be equally well induced by soluble and membrane TWEAK, remain to be identified and the relevance of the ability of soluble TWEAK to induce such a distinct subset of membrane TWEAK-targeted genes for TWEAK biology will have to be clarified in future studies.
Die erfolgreiche therapeutische Beeinflussung pathophysiologischer Prozesse im Herzen nach myokardialem Infarkt stellt nicht zuletzt durch die steigenden Fallzahlen in der westlichen Welt und die vergleichsweise hohe Mortalität eine Herausforderung an Forschung und Entwicklung dar. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene therapeutische Strategien in klinisch relevanten Mausmodellen des Myokardinfarkts und des Ischämie-Reperfusions-Schadens getestet.
Zunächst wird untersucht, ob sich der Einsatz des NFκB-aktivierenden Zytokins TWEAK, welches weitreichende Funktionen in physiologischen Prozessen wie Wundheilung und Entzündung besitzt, als eine mögliche Therapiestrategie eignet. Die Expression von TWEAK wird nach myokardialem Infarkt stark im Herzgewebe induziert. Das gleiche gilt für den Rezeptor von TWEAK, Fn14, der vor allem auf kardialen Fibroblasten exprimiert wird. Daher wird angenommen, dass das TWEAK-Fn14-System am kardialen Remodelling und der Wundheilung im infarzierten Herzen beteiligt sein kann.
Eine rekombinante Variante von TWEAK - HSA-Flag-TWEAK - wird im Mausmodell des Myokardinfarkts getestet. Überraschenderweise zeigt sich hierbei, dass die therapeutische Behandlung von infarzierten Versuchstieren mit diesem Protein die Mortalität im Vergleich zu Placebo-behandelten Mäusen signifikant erhöht. Dies geht mit einem vermehrten Auftreten an linksventrikulären Rupturen einher, ohne dass Defekte im kardialen Remodelling oder eine erhöhte Apoptoserate im Herzen festgestellt werden können. HSA-Flag-TWEAK bewirkt eine Erhöhung der Gewebekonzentrationen an verschiedenen pro-inflammatorischen Zytokinen (IFN-γ, IL-5, IL-12, GITR, MCP-1/-5 und RANTES) und das vermehrte Einwandern von Immunzellen in das Myokard. Hierbei ist insbesondere die stark erhöhte Infiltration an neutrophilen Granulozyten auffällig. Ein kausaler Zusammenhang zwischen diesen Immunzellen und den auftretenden kardialen Rupturen kann durch die Depletion der Neutrophilen gezeigt werden: Nach der systemischen Applikation eines Ly6G-depletierenden Antikörpers ist das Auftreten von kardialen Rupturen nach TWEAK-Gabe vergleichbar mit der Placebo-behandelten Infarktgruppe. Die Tatsache, dass die Mortalität dennoch erhöht ist, deutet auf weitere negative Effekte durch TWEAK hin. Diese Ergebnisse legen die Vermutung nahe, dass eine Hemmung der TWEAK-Fn14-Achse positive Effekte auf die Wundheilung nach Herzinfarkt bewirken könnte.
Als zweite Therapiestrategie wird die pharmakologische Beeinflussung verschiedener Blutplättchen-spezifischer Zielstrukturen untersucht, um das Auftreten von Mikrothromben nach Myokardinfarkt zu reduzieren. Eine Hemmung über das Blutplättchen-Glykoprotein GPVI bewirkt in dem hier eingesetzten Mausmodell der kardialen Ischämie-Reperfusion eine signifikant verbesserte Mikrozirkulation sowie verringerte Infarktgrößen. GPVI stellt somit ein vielversprechendes Ziel für eine blutplättchenhemmende Therapie nach Myokardinfarkt dar.
Zusammengefasst werden in der vorliegenden Arbeit verschiedene neuartige Therapieoptionen untersucht, die die Auswirkungen ischämischer Erkrankungen des Herzens beeinflussen können. Die Ergebnisse besitzen daher das Potenzial, zur Entwicklung neuer Therapien nach Myokardinfarkt beizutragen.
Das pleiotrope Zytokin TNF (tumor necrosis factor) kann an den TNF-Rezeptor 1 (TNFR1) und den TNF-Rezeptor 2 (TNFR2) binden und mit deren Hilfe seine biologischen Funktionen über verschiedene Signalwege, wie z.B. NFB- und MAPK-Aktivierung bzw. Apop¬toseinduktion, vermitteln. In früheren Arbeiten konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung des TNFR2 zur proteasomalen Degradation des Adaterproteins TRAF2 führt und dadurch die TNFR1-induzierte Apoptose verstärkt wird. TWEAK (tumor necrosis like weak inducer of apoptosis), das ebenfalls der TNF-Ligandenfamilie angehört und die Interaktion mit dessen Rezeptor Fn14 (fibroblast growth factor-inducible 14), der wie der TNFR2 zur Untergruppe der TRAF-bindenden Rezeptoren der TNF-Rezeptorfamilie gehört, zeigten in verschiedenen Arbeiten auch eine TRAF2-degradierende Wirkung. In der vorliegenden Arbeit konnte nun gezeigt werden, dass dies auch im Falle des TWEAK/Fn14-Systems mit einem verstärkenden Effekt auf die TNFR1-vermittelte Apoptose einhergeht. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass TWEAK zusätzlich auch die TNFR1-induzierte Nekrose verstärkt, die den Zelltod durch andere Mechanismen als bei der Apoptose induziert. Von anderen Arbeiten unserer Gruppe war bekannt, dass lösliches TWEAK (sTWEAK) und membranständiges TWEAK (mTWEAK) bezüglich der TRAF2-Depletion wirkungs¬gleich sind. Da der apoptotische Fn14-TNFR1-„crosstalk“ auf der Depletion von TRAF2-Komplexen beruht wurden auch keine signifikanten Unterschiede zwischen sTWEAK und mTWEAK in Bezug auf die Verstärkung der TNFR1-induzierten Apoptose beobachtet. Interessanter¬weise zeigte sich in der vorliegenden Arbeit jedoch, dass sTWEAK den klassischen NFB-Signalweg gar nicht bzw. nur schwach aktiviert, wohingegen mTWEAK diesen stark induziert. Bei der Aktivierung des alternativen NFB-Signalweges hingegen ließen sich keine Unterschiede zwischen sTWEAK und mTWEAK erkennen. Die Aktivierung eines Signalweges wird also durch die Oligomerisierung des Liganden nicht moduliert, demgegenüber aber erwies sich die Aktivierung eines anderen Signalweges als stark abhängig von der Liganden-Oligomerisierung. Vor dem Hintergrund, dass das Adapterprotein TRAF1 (TNF-receptor-associated factor 1) Heterotrimere mit TRAF2 bildet, wurde weiterhin untersucht, ob dieses Molekül einen Einfluss auf die Aktivität der TWEAK-induzierten Signalwege hat. Tatsächlich zeigte sich in TRAF1-exprimie¬renden Zellen eine Verstärkung der TWEAK-induzierten Aktivierung des klassischen NFB-Signalweges Zukünftige Studien müssen nun aufklären, inwieweit die hier gefundenen Mecha-nismen das Zusammenspiel von TNF und TWEAK in vivo bestimmen.