AG Höltje: C3 Proteine und neuronale Regeneration

In enger Kooperation mit neurologisch orientierten Kliniken und Instituten werden das Vorkommen und die zugrundeliegenden Mechanismen verschiedener autoimmun-vermittelter Erkrankungen des Nervensystems untersucht.

Autoimmunerkrankungen des ZNS haben in den letzten Jahren aufgrund der Identifizierung einer wachsenden Anzahl von neuronalen Autoantigenen und der Charakterisierung entsprechender klinischer Krankheitsentitäten eine beträchtliche Aufmerksamkeit erhalten. Zum Beispiel sind Antikörper gegen den N-Methyl-D-Aspartat-Rezeptor (NMDAR) mit einer schweren Form der limbischen Enzephalitis assoziiert, die hauptsächlich jüngere Frauen betrifft. Darüber hinaus könnten NMDAR-Antikörper auch bei älteren Menschen zur Verlangsamung der kognitiven Fähigkeiten beitragen, und die gegenwärtigen Ansichten der molekularen Ereignisse erweitern, die zumindest einer Untergruppe von neurodegenerativen Erkrankungen zugrunde liegen. Diese Befunde erfordern eine vertiefte Charakterisierung der pathogenen Mechanismen der Antikörper-vermittelten neuronalen Autoimmunität und der damit verbundenen klinischen Pathologie, die ein klassisches Beispiel der translationalen Medizin darstellt ("von Synapse zu Symptom" und "von Symptom zu Synapse"). In diesem Zusammenhang konnten von uns pathogene Effekte von Antikörpern bei der Anti-DPPX-Enzephalitis charakterisiert werden, einer im Jahr 2013 identifizierten Antikörper-vermittelten Erkrankung, die sowohl das zentrale als auch das enterische Nervensystem betrifft. Anti-DPPX-Seren verursachten eine Übererregbarkeit von Neuronen des enterischen Nervensystems und verringerten die DPPX-Expression in den Membranen von Hippocampusneuronen, was den klinischen Phänotyp von Patienten mit Anti-DPPX-Enzephalitis widerspiegelt.

Weiterhin konnten wir das Vesikel-assoziierte Protein Synapsin (I und II) als bisher nicht beschriebenes Ziel von Autoantikörpern der IgA- und IgG-Subklasse bei einem Patienten mit limbischer Enzephalitis identifizieren. In einer Follow-up-Studie untersuchten wir die Prävalenz von Synapsin-Autoantikörpern in einer multizentrischen Studie, die die Seren von Patienten mit verschiedenen neurologischen Erkrankungen analysierten. Dazu gehörten a) Enzephalitis, von denen einige mit anderen anti-neuronalen Antikörpern assoziiert waren, b) Multiple Sklerose (MS) oder klinisch isoliertes Syndrom (CIS) und c) psychiatrische Fälle von psychotischen, bipolaren oder depressiven Störungen. Synapsin-Autoantikörper des IgG-Subtyps wurden bei ca. 6% der Patienten gefunden, jedoch nicht bei gesunden Kontrollen.

In einer Studie zu SARS-CoV-2 Antikörpern konnte für eine Teilpopulation der gegen das virale Spike Protein gerichteten Antikörper eine Autoimmunität gegen Hirnstrukturen, u.a. Blutgefäße, nachgewiesen werden. Die Untersuchung des Auftretens von autoimmunreaktiven Antikörpern gegen Hirngefäße im Rahmen von Encephalitis-Erkrankungen sowie Autoimmunität im Zusammenhang mit Demenzerkrankungen steht zur Zeit im Fokus der Arbeitsgruppe.

C3-Proteine - häufig als C3 Exoenzyme oder C3 Transferasen bezeichnet - bilden eine Familie von bislang sieben bekannten ADP-Ribosyltransferasen aus unterschiedlichen Bakterienstämmen. Alle Mitglieder dieser Proteinfamilie ADP-ribosylieren selektiv die kleinen GTP-bindenden Proteine RhoA, B, C und hemmen so nachgeschaltete Signalwege, weshalb sie seit ihrer Entdeckung als Werkzeuge zur Erforschung von Rho-abhängigen Prozessen verwendet werden. Rho-Proteine sind die Schlüssel-Regulatoren des Zytoskeletts eukaryontischer Zellen. Bei der enzymatischen Inaktivierung kommt es zum Transfer von ADP-Ribose des Co-Substrats Nikotinamidadenindinukleotid (NAD+) auf Asparagin an Position 41 von Rho Funktionell kommt es dadurch zu einer Inaktivierung von Rho. In den letzten Jahren konnten von uns sowie anderen Arbeitsgruppen zusätzlich für einige C3 Proteine nicht-enzymatische Interaktionen bzw. zelluläre Effekte nachge¬wiesen werden. In Arbeiten an hippocampalen Kultursystemen und in vivo Regenerationsmodellen nach experimenteller Rückenmarksläsion bei Mäusen konnten wir erstmals zeigen, dass C3bot eine neurotrophe Aktivität aufweist, die völlig unabhängig von der enzymatischen Aktivität auftritt.

Wie beschrieben, bewirken die von Clostridium botulinum gebildete Transferase C3bot und davon abgeleitete Peptide ein beschleunigtes Wachstum und einen ver¬stärkten Verzweigungsgrad bei Axonen und Dendriten. Das Intermediärfilament-Protein Vimentin scheint ein extrazellulärer Rezeptor für C3bot zu sein. Zusätzlich zum Vimentin sind weitere Membranoberflächenstrukturen (Kohlenhydrate, Lipide) für Bindung und Aufnahme von C3bot von Bedeutung. Mit Hilfe eines Vimentin knock-out (Maus) Modells konnten wir die Rolle von Vimentin für die axonotrophen Effekte von C3bot bestätigen. Durch Einsatz des Vimentin knock-out Modells sollen weitere sowohl an der Bindung und Aufnahme als auch an intrazellulären Wirkungen beteiligte Strukturen/Proteine identifiziert werden. In diesem Zusammenhang wurde die ß1-integrin Untereinheit als zusätzlicher Bindungspartner charakterisiert. Kürzlich konnte durch unserer Arbeitsgruppe weiterhin gezeigt werden, dass Vimentin mittels exosomaler Freisetzung aus Astrozyten an die Plasmamembran von Neuronen bindet und so die neurotrophe Wirkung von C3bot fördert.