Abteilung für Molekulare Innere Medizin (in der Medizinischen Klinik und Poliklinik II)
Refine
Has Fulltext
- yes (9)
Is part of the Bibliography
- yes (9)
Document Type
- Journal article (6)
- Doctoral Thesis (3)
Keywords
- TNF (9) (remove)
Institute
- Abteilung für Molekulare Innere Medizin (in der Medizinischen Klinik und Poliklinik II) (9)
- Graduate School of Life Sciences (2)
- Klinik und Poliklinik für Allgemein-, Viszeral-, Gefäß- und Kinderchirurgie (Chirurgische Klinik I) (1)
- Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Plastische Gesichtschirurgie (1)
- Medizinische Klinik und Poliklinik II (1)
- Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften (1)
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.
Tumor necrosis factor (TNF) receptor-2 (TNFR2) has attracted considerable interest as a target for immunotherapy. Indeed, using oligomeric fusion proteins of single chain-encoded TNFR2-specific TNF mutants (scTNF80), expansion of regulatory T cells and therapeutic activity could be demonstrated in various autoinflammatory diseases, including graft-versus-host disease (GvHD), experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) and collagen-induced arthritis (CIA). With the aim to improve the in vivo availability of TNFR2-specific TNF fusion proteins, we used here the neonatal Fc receptor (FcRn)-interacting IgG1 molecule as an oligomerizing building block and generated a new TNFR2 agonist with improved serum retention and superior in vivo activity.
Methods
Single-chain encoded murine TNF80 trimers (sc(mu)TNF80) were fused to the C-terminus of an in mice irrelevant IgG1 molecule carrying the N297A mutation which avoids/minimizes interaction with Fcγ-receptors (FcγRs). The fusion protein obtained (irrIgG1(N297A)-sc(mu)TNF80), termed NewSTAR2 (New selective TNF-based agonist of TNF receptor 2), was analyzed with respect to activity, productivity, serum retention and in vitro and in vivo activity. STAR2 (TNC-sc(mu)TNF80 or selective TNF-based agonist of TNF receptor 2), a well-established highly active nonameric TNFR2-specific variant, served as benchmark. NewSTAR2 was assessed in various in vitro and in vivo systems.
Results
STAR2 (TNC-sc(mu)TNF80) and NewSTAR2 (irrIgG1(N297A)-sc(mu)TNF80) revealed comparable in vitro activity. The novel domain architecture of NewSTAR2 significantly improved serum retention compared to STAR2, which correlated with efficient binding to FcRn. A single injection of NewSTAR2 enhanced regulatory T cell (Treg) suppressive activity and increased Treg numbers by > 300% in vivo 5 days after treatment. Treg numbers remained as high as 200% for about 10 days. Furthermore, a single in vivo treatment with NewSTAR2 upregulated the adenosine-regulating ectoenzyme CD39 and other activation markers on Tregs. TNFR2-stimulated Tregs proved to be more suppressive than unstimulated Tregs, reducing conventional T cell (Tcon) proliferation and expression of activation markers in vitro. Finally, singular preemptive NewSTAR2 administration five days before allogeneic hematopoietic cell transplantation (allo-HCT) protected mice from acute GvHD.
Conclusions
NewSTAR2 represents a next generation ligand-based TNFR2 agonist, which is efficiently produced, exhibits improved pharmacokinetic properties and high serum retention with superior in vivo activity exerting powerful protective effects against acute GvHD.
Macrophages stand in the first line of defense against a variety of pathogens but are also involved in the maintenance of tissue homeostasis. To fulfill their functions macrophages sense a broad range of pathogen- and damage-associated molecular patterns (PAMPs/DAMPs) by plasma membrane and intracellular pattern recognition receptors (PRRs). Intriguingly, the overwhelming majority of PPRs trigger the production of the pleiotropic cytokine tumor necrosis factor-alpha (TNF). TNF affects almost any type of cell including macrophages themselves. TNF promotes the inflammatory activity of macrophages but also controls macrophage survival and death. TNF exerts its activities by stimulation of two different types of receptors, TNF receptor-1 (TNFR1) and TNFR2, which are both expressed by macrophages. The two TNF receptor types trigger distinct and common signaling pathways that can work in an interconnected manner. Based on a brief general description of major TNF receptor-associated signaling pathways, we focus in this review on research of recent years that revealed insights into the molecular mechanisms how the TNFR1-TNFR2 signaling network controls the life and death balance of macrophages. In particular, we discuss how the TNFR1-TNFR2 signaling network is integrated into PRR signaling.
TNFR1 and TNFR2 regulate the extrinsic apoptotic pathway in myeloma cells by multiple mechanisms
(2011)
The huge majority of myeloma cell lines express TNFR2 while a substantial subset of them failed to show TNFR1 expression. Stimulation of TNFR1 in the TNFR1-expressing subset of MM cell lines had no or only a very mild effect on cellular viability. Surprisingly, however, TNF stimulation enhanced cell death induction by CD95L and attenuated the apoptotic effect of TRAIL. The contrasting regulation of TRAIL- and CD95L-induced cell death by TNF could be traced back to the concomitant NFjBmediated upregulation of CD95 and the antiapoptotic FLIP protein. It appeared that CD95 induction, due to its strength, overcompensated a rather moderate upregulation of FLIP so that the net effect of TNF-induced NFjB activation in the context of CD95 signaling is pro-apoptotic. TRAIL-induced cell death, however, was antagonized in response to TNF because in this context only the induction of FLIP is relevant. Stimulation of TNFR2 in myeloma cells leads to TRAF2 depletion. In line with this, we observed cell death induction in TNFR1-TNFR2-costimulated JJN3 cells. Our studies revealed that the TNF-TNF receptor system adjusts the responsiveness of the extrinsic apoptotic pathway in myeloma cells by multiple mechanisms that generate a highly context-dependent net effect on myeloma cell survival
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.
Liganden und Rezeptoren der TNF-Familie regulieren eine Vielzahl zellulärer Prozesse, darunter Apoptose und Immunprozesse. TNF-Liganden kommen in Form löslicher und membranständiger trimerer Moleküle vor, wobei die trimere Organisation durch die konservierte THD vermittelt wird. Im Gegensatz zu den membranständigen Molekülen können lösliche TNF-Liganden nicht immer an ihren TNF-Rezeptor binden oder ihn effektiv aktivieren. Für zwei solcher inaktiven TNF-Liganden, nämlich TRAIL und CD95L, konnte gezeigt werden, dass durch sekundäre Oligomerisierung oder durch artifizielle Herstellung einer Membranständigkeit mittels Antikörperdomänen gegen zelloberflächenexprimierte Proteine hochaktive Ligandenvarianten generiert werden können. Inwieweit sich diese Verfahren auf die T-Zell-kostimulatorischen TNF-Liganden OX40L, 41BBL und CD27L übertragen lassen, wurde in dieser Arbeit untersucht. Lösliche Flag- und Flag-TNC-Varianten von OX40L und 41BBL zeigten eine gute Bindung an die Rezeptoren OX40 und 41BB. Die lösliche Variante Flag-CD27L konnte nicht an ihren Rezeptor CD27 binden. Dies war aber nach Einführung der trimerstabilisierenden TNC-Domäne möglich. Eine effektive Aktivierung ihres Rezeptors, nachgewiesen durch Analyse der IL8-Induktion, bewirkten die löslichen TNF-Ligandenvarianten nur nach sekundärer Oligomerisierung mittels des Flag-spezifischen Antikörpers M2. Eine ähnlich gute TNFR-Aktivierung ließ sich durch Einführung der hexamerisierenden Fc-Domäne erzielen. Fc-Flag-OX40L und Fc-Flag-41BBL induzierten bereits ohne sekundäre Quervernetzung effektiv IL8. Die Hexamerisierung alleine reichte für die lösliche CD27L-Variante nicht aus, hier war zusätzlich zur Fc- wiederum auch die TNC-Domäne erforderlich, um die Bindung an CD27 und eine schwache IL8-Induktion zu erzielen. Für die FAP-bindenden Fusionsproteine antiFAP-Flag- OX40L, antiFAP-Flag-41BBL und antiFAP-Flag-TNC-CD27L war die Bindung an OX40, 41BB und CD27 sowie an FAP nachweisbar. Erst durch die artifizielle Membranständigkeit nach Bindung an FAP konnten diese Fusionsproteine über ihren Rezeptor effektiv IL8 induzieren. Zusammenfassend ließ sich somit zeigen, dass sich schwach oder nicht aktive lösliche Ligandenvarianten von OX40L und 41BBL durch sekundäre Oligomerisierung, durch die Fc-Hexamerisierungsdomäne und durch artifizielle Membranständigkeit in hochaktive Liganden verwandeln lassen. Lösliche CD27L-Varianten benötigen zusätzlich die trimerstabilisierende TNC-Domäne, um CD27 binden und aktivieren zu können. Für das bessere Verständnis der Ligand-Rezeptor-Interaktionen wurden zusätzlich OX40L-, 41BBL- und CD27L-Fusionsproteine mit der hochaktiven Gaussia princeps Luziferase (GpL) generiert, um Gleichgewichtsbindungs-, Dissoziationsstudien und homologe Kompetitionsassays durchführen zu können. Für die Fusionsproteine GpL-Flag-TNC-OX40L, GpL-Flag-TNC-41BBL und GpL-Flag-TNC-CD27L konnte gezeigt werden, dass die IL8-Induktion nicht von der Rezeptorbelegung abhängt, sondern von der sekundären Oligomerisierung, da bei gleicher Rezeptorbelegung durch sekundär quervernetzte TNF-Liganden mehr IL8 induziert wird, die Rezeptoraktivierung also qualitativ besser sein muss.
Der Tumornekrosefaktor (TNF) entfaltet seine vielfältigen biologischen Aktivitäten durch die Stimulation der beiden TNF-Rezeptoren TNFR1 und TNFR2. Die TNFR1-vermittelte Signaltransduktion ist in vielen Details gut verstanden, wohingegen die TNFR2-vermittelte Signaltransduktion bis heute kaum untersucht ist. Mit Hilfe einer in unserer Gruppe entwickelten hochaktiven TNFR2-spezifischen TNF-Variante sowie einer bereits länger bekannten TNFR1-spezifischen TNF-Variante wurde in dieser Arbeit die TNF-Signaltransduktion insbesondere im Mutiplen Myelom untersucht. Mit Hilfe der beiden TNF-Varianten konnte gezeigt werden, dass die alleinige Stimulation des TNFR2 die Aktivierung des alternativen NFkappaB-Signalweges vermittelt, wohingegen TNFR1 nicht dazu in der Lage ist. So zeigte sich im Einklang mit der inhibitorischen Funktion des Adapterproteins TRAF2 in der Signaltransduktion des alternativen NFkappaB-Signalweges, dass die TNFR2-Stimulation in einer TRAF2-Depletion resultiert. Dies führt weiterhin zur Akkumulation von NIK und der Prozessierung von p100 zu seiner aktiven Form p52, den klassischen biochemisch nachweisbaren Ereignissen der Aktivierung des alternativen NFkappaB-Signalweges. Aufgrund der Rolle des NFkappaB-Systems im Multiplen Myelom (MM) und der stimulierenden Wirkung des TNFR1 und TNFR2 auf das NFkappaB-System wurde die Expression und Funktion dieser beiden Rezeptoren auf Myelomzelllinien untersucht. Insbesondere wurde analysiert, welchen Effekt eine spezifische Stimulation der beiden TNF-Rezeptoren auf die apoptotische Sensitivität von Myelomzellen hat. Mit einer Ausnahme wiesen alle untersuchten Myelomzelllinien eine eindeutige TNFR2-Oberflächenexpression auf, die TNFR1-Expression hingegen war heterogen. Die TNFR1-Stimulation in den TNFR1-positiven Zelllinien zeigte keinen wesentlichen Einfluss auf die Zellviabilität. Allerdings resultierte eine Vorstimulation mit TNF in einer gesteigerten Sensitivität für den CD95L-induzierten Zelltod, schützte aber gleichzeitig vor der TRAIL-vermittelten Induktion der Apoptose. Der gegenläufige Effekt der TNF-Vorstimulation auf den CD95L- und TRAIL-induzierten Zelltod konnte auf die Hochregulation der CD95-Oberflächenexpression und der gesteigerten Expression des antiapoptotischen cFLIPLong-Proteins zurückgeführt werden. Beide Effekte basieren auf der TNF-induzierten Aktivierung des klassischen NFkappaB-Signalweges. Im CD95L-induzierten Zelltod überkompensierte die Induktion der CD95-Expression offensichtlich die Hochregulation von cFLIPLong und resultierte in gesteigertem Zelltod. Der TRAIL-induzierte Zelltod hingegen wurde durch die TNF-Vorstimulation abgeschwächt, da hier lediglich die durch den klassischen NFkappaB-Signalweg vermittelte gesteigerte Expression des antiapoptotischen cFLIPLong eine Rolle spielte. Desweiteren zeigten die Analysen in dieser Arbeit, dass die TNFR2-Stimulation zu einer Depletion von TRAF2 und z. B. in JJN3-Zellen zu einer Sensitivierung für den TNFR1-induzierten Zelltod führte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten in der Summe somit, dass das TNF-TNFR-Signaling durch verschiedene Mechanismen Einfluss auf den Ausgang der extrinsischen Apoptoseinduktion hat, und dass der Effekt von TNF auf das Überleben von MM-Zellen kontextabhängig ist.
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.