Charakterisierung und mathematische Modellierung der pathogenen Typ I Interferon Antwort verursacht durch Defekte des mit dem Aicardi-Goutières Syndrom assoziierten Gens SAMHD1.]

• Antragsteller: Professor Dr. Rayk Behrendt
• Fachliche Zuordnung: Immunologie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325560868

In den letzten Jahren wurde deutlich, dass eine fehlgeleitete Aktivierung des angeborenen Immunsystems zur Entstehung von Autoimmunität führen kann. Überschiessende Zytokinproduktion nach fälschlicher Aktivierung von Pattern Recognition Rezeptoren (PRRs) ist ein wesentlicher Pathomechanismus, der den Verlust der immunologischen Selbst-Toleranz vorantreibt, was am Beispiel chronischer Typ I Interferon (IFN)-Produktion eindrucksvoll demonstriert wurde. Defekte in intrazellulären Enzymen wie TREX1, RNAseH2, ADAR oder SAMHD1 lösen die seltene mit dem Systemischen Lupus Erythematodes (SLE) verwandte Autoimmunerkrankung Aicardi Goutières Syndrom (AGS) aus. Der Verlust der enzymatischen Aktivität eines dieser Proteine führt zur Akkumulation dessen Nukleinsäuresubstrates, welches dann durch entsprechende Sensoren erkannt wird und die Produktion von pathogenem Typ I IFN bewirkt. Alle mit AGS-assoziierten Enzyme besitzen eine einzigartige Substratspezifiät, weshalb der IFN-Produktion verursacht durch den Verlust eines dieser Enzyme, jeweils individuelle Pathomechanismen zugrunde liegen. In diesem Projekt möchten wir den Mechanismus der spontanen IFN Produktion nach Verlust des Proteins SAM and HD domain containing 1 (SAMHD1) untersuchen. Kürzlich fanden wir heraus, dass die Aktivierung des Typ I IFN Systems bei defektem SAMHD1, im Gegensatz zum Funktionsverlust der übrigen AGS-assoziierten Enzyme, sowohl die intakte zytoplasmatische RNA-Erkennung als auch die intakte zytoplasmatische DNA-Erkennung erfordert. Wir werden Experimente in Zellkultur und mathematische Modellierung miteinander kombinieren, um die Dynamik der Aktivierung des Rig-like (RLR) Signalwegs und des cGAS-STING Signalweges, welche RNA und DNA im Zytoplasma detektieren, nachzuvollziehen. Dazu werden wir SAMHD1-defiziente embryonale Mausfibroblasten (MEFs) genetisch modifizieren und die Aktivierung dieser Signalwege nach Verlust der essentiellen Sensoren dieser Signalwege und Stimulation durch spezifische exogene Nukleinsäureliganden untersuchen. Die gewonnen Daten bilden die Grundlage der Modellierungsarbeit, die zu Entwicklung eines quantitativen mathematischen Modells der intrazellulären Nukleinsäureerkennung durch die RLR und cGAS dienen. Anhand dieses mathematischen Modells werden wir die transkriptionelle Regulation der IFN Antwort nach Stimulation mit spezifischen Liganden sowie nach Verlust von SAMHD1 nachvollziehen. Zusätzlich entwickeln wir ein stets erweiterbares in silico Modell, in dem man die Immunantwort gegen im Zytoplasma akkumulierende Nukleinsäuren, z.B. bei genetischen Defekten des intrazellulären Nukleinsäureabbaus oder im Rahmen von Virusinfektionen nachvollziehen kann. Wir denken daher, dass dieses Projekt für zukünftige Untersuchungen von Typ I IFN-assoziierten genetischen Autoimmunerkrankungen als auch für Infektionserkrankungen relevant ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen