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Arbeitsgruppe Prof. Dr. rer. nat. Stefan Schütze

Mitarbeiter

  • Prof. Dr. Stefan Schütze (Leiter)
  • Dr. Jürgen Fritsch (DFG)
  • Dr. Vladimir Tchikov (Medical Faculty)
  • MSc Philipp Zingler (DFG)
  • Lotta Caning (med. Doktorand)
  • Anna Laura Heck (med. Doktorand, IRTG-Stipendium)
  • Matthias von Garrel (med. Doktorand; IRTG-Stipendium)
  • Vinzenz Särchen (MSc Student)

AGSchütze 022017von links: S. Schütze, A.L. Heck, L. Caning, M. von Garrel, P. Zingler, V. Särchen, J. Fritsch (20170214) 

 

Aktuelle Projekte

  1. Regulation und Funktion der Internalisierung und des intrazellulären Transports von TNF-Rezeptor 1 (TNF-R1)in der Signaltransduktion und auf die biologischen Effekte von TNF (DFG - SCHU733/14-1
  2. Rolle von Ubiquitinierung und Proteolyse in der Regualtion der TNF-R1 Signaltransduktion (DFG - SFB 877, TP B1)
  3. Funktionelle Bedeutung der Internalisierung des CD95 / Fas-Rezeptors für pro- und nicht-apoptotische Signalgebung in Typ I und Typ II Zellen
    (DFG - Projekt SCHU 733/8-1)
  4. Funktionelle Bedeutung der posttranslationalen Modifikation des TNF-Rezeptor 1 durch Palmitoylierung auf die Lokalisation des Rezeptors in der Plasmamembran und selektive
    Signaltransduktion. (Fakultätsförderung 2016, - J. Fritsch)
  5. Das M. tuberculosis-Phagosom: Dynamik der erregerinduzierten Modulation intrazellulärer Grenzflächen
    (DFG-Projekt SCHU 733/7-1)
  6. Stellenwert der sauren Sphingomyelinase in der Diagnose der Sepsis
    (Fakultätsförderung)
  7. Topologie, Funktion und Regulation der Ceramid-Produktion in CD95, TRAIL und TNF-R1 signaling (DFG-Projekt SCHU 733/9-1; Schwerpunktprogramm "Sphingolipide und Krankheit" , SPP1267)

 

1. Regulation und Funktion der Internalisierung und des intrazellulären Transports von TNF-Rezeptor 1 (TNF-R1)in der Signaltransduktion und auf die biologischen Effekte von TNF

In dem vorgeschlagenen Projekt möchten wir die räumliche und zeitlichen Regulation und Funktion der kompartimentierten TNF-R1 Signaltransduktion untersuchen. In vorhergehenden Studien konnten wir zeigen, dass die TNF-vermittelte Internalisierung des Rezeptors ein früher Regulationsmechanismus der proliferativen und apoptotischen Signaltransduktion darstellt. In einer kürzlich durchgeführten Studie haben wir gezeigt, dass die Endozytose des TNF-R1 sowie dessen intrazellulärer Transport von der K63-ubiquitinierung des Rezeptors abhängig sind. Nach Identifizierung der E3 Ubiquitin-Ligase RNF8 sowie deren anschließender Herunterregulation konnte eine komplette Blockade des apoptotischen Signalweges einhergehend mit einer erhöhten Proliferation nachgewiesen werden. In diesem Projekt möchten wir die molekularen Mechanismen der Internalisierung und des intrazellulären Transports des TNF-R1 im Detail aufklären.

Mitarbeiter

Jürgen Fritsch

Gefördert durch die DFG, SCHU733/14-1

 

2. Rolle von Ubiquitinierung und Proteolyse in der Regulation der TNF-R1 Signaltransduktion

Ubiquitinylierung und Proteolyse stellen wichtige regulatorische Elemente der Signalübertragung des Zytokins Tumor Nekrose Faktor (TNF) dar. Wir wollen die Rolle von proteolytischen Prozessen in der Signalübertragung des TNF-Rezeptors in zeitlicher und räumlicher Dimension aufklären. Die Spezifität und Selektivität verschiedener Ubiquitin-Ligasen und Proteasen zur Aktivierung oder Inaktivierung von zentralen Schaltelementen der TNF-Rezeptor Signalkaskade sollen auf der Ebene der Zelloberfläche sowie an den internalisierten TNF-Rezeptosomen analysiert werden. Ziel des Projekts ist die Korrelation der identifizierten Elemente mit der Pathophysiologie von Apoptose-Resistenz von Tumorzellen sowie von akuten und chronischen Entzündungsprozessen in ausgewählten Modellsystemen.

Mitarbeiter

Philip Zingler, Anna Laura Heck, Vinzenz Särchen, Jürgen Fritsch

Gefördert durch die DFG, SFB 877, Teilprojekt  B1 (S. Schütze)

3. Funktionelle Bedeutung der Internalisierung des CD95 / Fas-Rezeptors für pro- und nicht-apoptotische Signalgebung in Typ I und Typ II Zellen

Die funktionelle Bedeutung der Rezeptor-Internalisierung für die CD95 Signalübertragung wird in der Literatur kontrovers diskutiert. Wir konnten kürzlich zeigen, dass die Internalisierung des TNF-R1 essentiell für die Rekrutierung des DISC und die Vermittlung der Apoptose ist. Signalwege, die nicht zur Apoptose führen, werden dagegen von der Zelloberfläche initiiert.

Auch für CD95 ist beschrieben daß über diesen Rezeptor neben der Apoptose auch andere, nicht-apoptotische Signalwege vermittelt werden können, wie die Induktion des Transkriptionsfaktors NF-kappaB und der MAP-Kinase. Diese Signalwege sind mit einer erhöhten Motilität und Invasivität von CD95-Apoptose-resistenten Tumoren verknüpft. Zu den der Internalisierung von CD95 zugrundeliegenden Mechanismen ist bekannt, dass sie sich offensichtlich auf Typ-I Tumorzellen beschränken und in diesen Zelltypen eine Interaktion über Aktin mit dem Zytoskelett besteht. Darüber hinaus ist der molekulare Mechanismus der CD95 Internalisierung, die funktionelle Bedeutung für die Biologie von CD95 und die zugrundeliegenden Regulationsmechanismen wenig untersucht und sollen im Rahmen dieses Projekts bearbeitet werden.

Mittels konfokaler Laser-Scan Mikroskopie sowie unserer immunomagnetischen Separierungstechnik soll an isolierten CD95-Rezeptosomen untersucht werden, ob nach Stimulation mit löslichem oder membrangebundenen CD95-Liganden aus diesen intrazellulären Vesikeln Signale in das Zellinnere übertragen werden können. Es soll weiterhin geklärt werden, welche Signale von intrazellulären Rezeptosomen und welche Signale von CD95 an der Zelloberfläche von Typ I und II Tumorzellen ausgehen, in welchem zeitlichen Rahmen die jeweilige Signalgebung erfolgt und welche physiologische Bedeutung ihnen zukommt. In der weiteren Perspektive soll der molekulare Regulationsmechanismus der CD95-Internalisierung, die Ursache für die selektive Internalisierung in Typ I Tumorzellen und mögliche Defekte dieses Signalweges in CD95 resistenten Tumoren aufgeklärt werden.

Mitarbeiter

Jürgen Fritsch

Gefördert durch die DFG, Projekt SCHU-733/8-1 (S. Schütze)


4. Funktionelle Bedeutung der posttranslationalen Modifikation des TNF-Rezeptor 1 durch Palmitoylierung auf die Lokalisation des Rezeptors in der Plasmamembran und selektive Signaltransduktion.

Für die Regulation der selektiven pro- oder anti-apoptotische Signalweiterleitung des TNF-R1 ist die zelluläre Kompartimentierung des aktivierten Rezeptors essentiell. Die pro-apoptotische Signal-kaskade wird durch eine K63-Ubiquitinierung des TNF-R1 zur Internalisierung des Rezeptors und Rekrutierung des „death-inducing signaling complex“ induziert. Die Rolle weiterer posttranslationaler Modifikationen bei der Diversifizierung der
TNF-vermittelten Signale ist bisher unbekannt. Wir konnten eine Palmitoylierungsstelle im TNF-R1 identifizieren und zeigen dass die Inhibition der Palmitoylierung einen Effekt auf die 
Internalisierung des Rezeptors hat. Im vorliegenden Antrag soll der  molekulare Mechanismus dieses Effekts untersucht werden. Hierfür soll die Palmitoylierung des Rezeptors biochemisch nachgewiesen und die putative Palmitoylierungsstelle mutiert werden. Desweiteren soll die TNF-R1 spezifische Palmityltransferase identifiziert und durch knock-out funktionell charakterisiert werden. Zur biochemischen Untersuchung der Modifikation des TNF-R1 soll unser etabliertes Verfahren zur immunomagnetischen Isolation von TNF-Rezeptosomen eingesetzt werden, mittels ImageStream Hochdurchsatzmikroskopie sollen funktionelle Analysen der TNF-R1 Mutanten sowie der knock-out Experimente durchgeführt werden (Nachweis der Rezeptorkompartimentierung, Apoptose und NF-kB-Translokation).

Mitarbeiter

Jürgen Fritsch, Vinzenz Särchen, Lotta Caning

Gefördert durch die Medizinische Fakultät (J. Fritsch)

 

5. Topologie, Funktion und Regulation der Ceramid-Produktion in CD95, TRAIL und TNF-R1 signaling

Im Rahmen der durch Rezeptor-vermittelte Signale induzierten Metabolisierung von Sphingolipiden entstehen bioaktive Moleküle wie Ceramide, Sphingosin und Sphingosin-1-Phosphat. Die Balance zwischen den intrazellulären Konzentrationen dieser Metaboliten ist ein kritischer Parameter zellulärer Regulationsprozesse. Ceramid spielt eine wichtige Rolle in der Signalübertragung der "Todesrezeptoren" TNF-R1, CD95 und des TRAIL (DR5) Rezeptors. Im Vordergrund der durch Ceramid und Sphingosin vermittelten biologischen Effekte steht die Übertragung pro-apoptotischer Signale. Sphingosin-1-Phosphat dagegen ist an proliferativen und anti-apoptotischen Effekten beteiligt. Die zentralen offenen Fragen betreffen die Aufklärung der intrazellulären Lokalisation der Ceramid-Produktion, die Aufklärung Ceramid-nachgeschalteter Effektorsysteme, d.h. die direkt durch Ceramid aktivierbaren Signalenzyme und deren funktionelle Bedeutung, sowie die Aufklärung des molekularen Mechanismus der Ceramid-Protein-Interaktion. Es gelang uns mittels selbst entwickelter Methodik mehrere direkt an Ceramid bindende Proteine zu identifizieren: die Aspartat-Protease Cathepsin D (CTSD), welche mit der Vermittlung der TNF-induzierten Apoptose assoziiert ist, die katalytische Untereinheit der heterotrimeren Proteinphosphatase 2A (PP2A), die Proteinkinase C-ceta, die Protease Calpain, sowie die neutrale Sphingomyelinase (N-SMase). Innerhalb der TNF-Rezeptor Signaltransduktion wird die A-SMase über die sogenannte "Todesdomäne" (death-domain, DD) und in Abhängigkeit von der Internalisierung des TNF-R1 aktiviert. Die TNF R-1 Internalisierung ist auch eine Voraussetzung für die Vermittlung der TNF induzierten Apoptose. Die weitere Vermittlung des apoptotischen Signals durch Cathepsin D erfolgt durch Spaltung des pro-apoptotische Proteins Bid. Die Bid-Spaltung durch Cathepsin D führt über die Freisetzung von Cytochrom c zur Aktivierung der Caspasen -9 und -3. CD95 und TRAIL Rezeptoren induzieren über einen noch unbekannten Mechanismus eine sehr schnelle Translokation der A-SMase an die Zelloberfläche. In diesem Projekt sollen die der N-SMase-2 und N-SMase-3 nachgeschalteten Signalwege durch Identifizierung der involvierten Proteine mittels Ceramid-Affinitäts-chromatographie und RNA silencing charakterisiert werden. Zum Zweiten soll der molekulare Mechanismus der A-SMase Aktivierung und -Sekretion nach Stimulation der CD95- und TRAIL-Rezeptoren analysiert werden. Zum Dritten soll die Kompartimentierung und Regulation des Sphingolipid-Metabolismus (Sphingosin- und Sphingosine-1-Phosphat Produktion) in isolierten TNF Rezeptosomen untersucht werden.

Mitarbeiter

N.N.

Gefördert durch die DFG, Schwerpunktprogramm "Sphingolipide und Krankheit (SPP1267) (S. Schütze)

6. Das M. tuberculosis-Phagosom: Dynamik der erregerinduzierten Modulation intrazellulärer Grenzflächen (in Kooperation mit PD Dr. Norbert Reiling, FZ Borstel)

Durch Mykobakterien hervorgerufene Krankheiten weisen unter allen bakteriellen Infektionskrankheiten weltweit die höchste Morbidität und Mortalität auf. Die Infektion mit M. tuberculosis erfolgt hauptsächlich auf dem Luftweg über den Respirationstrakt. In der Lunge kommt es zur Interaktion zwischen Mykobakterien und den Alveolarmakrophagen. Pathogene wie apathogene Mykobakterien werden von den Makrophagen phagozytiert, und es kommt zur Ausbildung des Phagosoms innerhalb der Zelle. Bei einer Infektion mit apathogenen Mykobakterien fusioniert das Phagosom mit lysosomalen Kompartimenten: Das Mykobakterium wird durch den Makrophagen u.a. durch den Einsatz einer Vielzahl von Hydrolasen abgetötet. Pathogene Mykobakterienspezies wie M. tuberculosis und M. avium verfügen über eine Vielzahl von Mechanismen, die Phagosom/Lysosom-Fusion zu unterbinden, um in professionellen Phagozyten zu persistieren. Eine erhebliche Bedeutung in der Modulation der Infektabwehr gegenüber Mykobakterien kommt der primären Wirtszelle der Mykobakterien, dem Makrophagen zu. Es ist bislang allerdings größtenteils unklar, welche Signalereignisse zu welchem Zeitpunkt der Mykobakterien-Makrophagen-Interaktion initialisiert werden. Die bisherigen zeitaufwendigen Isolierungsmethoden von Phagosomen haben eine engmaschige kinetische Analyse der Komposition von reifenden Phagosomen noch nicht in ausreichendem Maße ermöglicht.

In diesem Projekt werden M. tuberculosis-Phagosomen zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Infektion mittels der immunomagnetischen Separationstechnik aus Alveolarmakrophagen isoliert und mittels Western-Blot auf 1-und 2D-Gelen sowie biochemischer Analytik auf Signal-Mediatoren antibakterieller Prozesse untersucht. Die anschließende Untersuchung in Makrophagen aus selektiv defizienten Mausstämmen wird Aussagen nicht nur über die tatsächliche Präsenz, sondern auch über die Bedeutung einer Vielzahl von Rezeptoren und Signalmolekülen für die Phagosom-Bildung und -Reifung sowie die intrazelluläre Erregerelimination ermöglichen. Darüber hinaus sollen durch die Kombination mit einem methodischen Proteomics-Ansatz bislang unbekannte, an diesen intrazellulären Prozessen beteiligte Proteine identifiziert werden. Da mit dieser Methodik nur die Mykobakterien isoliert werden, die tatsächlich von den Makrophagen phagozytiert worden sind, stellt die vorliegende Methode einen geeigneten methodischen Ansatz dar, um neben der Protein-Analytik auch die mykobakterielle Genexpression in den Phagosomen als Konsequenz der zellulären Antwort (Aktivierung über verschiedene Rezeptoren, Interferon (IFN)gamma induzierte Effekte in Mykobakterien) zu untersuchen. Die zu erwartenden Ergebnisse aus vergleichenden Analysen (Makrophagen/Dendritische Zellen; virulente/avirulente Mykobakterien-Spezies) eröffnen die Perspektive, gefundene pathogenetisch bedeutsame Mechanismen in der Rezeptornutzung und Signaltransduktion selektiv im Rahmen innovativer Therapieformen beeinflussen zu können.

Mitarbeiter

Vladimir Tchikov

Gefördert durch die DFG, Projekt SCHU 733/7-1 (S. Schütze)

7. Stellenwert der sauren Sphingomyelinase in der Diagnose der Sepsis (In Kooperation mit Prof. Dr. Norbert Weiler, Klinik für Anästhesiologie und Operative Intensivmedizin)

Postoperative infektiöse Komplikationen stellen nach wie vor eines der zentralen Probleme auf Intensivstationen dar. Nicht selten kommt es durch diesen lokalen infektiösen Stimulus zu einer frühen körpereigenen systemischen Antwort (SIRS: Systemic inflammatory response syndrome), die in ihrem Verlauf zu einer manifesten Sepsis mit konsekutivem Multiorgan-versagen führen kann. Da die Mortalität der Patienten mit Sepsis mit dem Ausmaß der inflammatorischen Wirtsantwort ansteigt, sind Marker von Bedeutung, die Patienten mit Infektionen und drohendem Organversagen, d.h. einer beginnenden Sepsis frühzeitig diskriminieren, um effiziente Therapiemaßnahmen frühzeitig einzuleiten. Das Sphingolipid Ceramid, produziert aus dem membranären Sphingomyelin durch das Enzym saure Sphingomyelinase (A-SMase), scheint eine nicht minder entscheidende Rolle in der komplexen immunologischen Signalkaskade der Inflammation zu spielen, insbesondere in der Entstehung eines septisch bedingten Lungenödems. Die A-SMase-Aktivität soll erstmalig prospektiv in einem großen Kollektiv postoperativer Patienten untersucht werden, um neben der Sensitivität und Spezifität auch klinische Aussagen über Art und Dynamik der Induktion in Relation zum Schweregrad der Erkrankung treffen zu können. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen darüber hinaus mit bereits klinisch etablierten Sepsismarkern (Procalcitonin) sowie Markern, die das frühe- (CD64-Expression auf Leukozyten) bzw. das späte Stadium der Inflammation (HLA-DR-Expression auf Monozyten) abbilden, korreliert werden.

Mitarbeiter

N.N

Gefördert durch die Medizinische Fakultat der CAU

Veröffentlichungen (seit 2004)

 

Buchbeiträge (seit 2004)

Tchikov, V., Fritsch, J., Kabelitz, D., Schütze, S. (2010) Immunomagnetic isolation of subcellular compartments. Meth. Microbiol. 37, 21-34

Schütze, S., Schneider-Brachert, W. (2009) Impact of TNF-R1 and CD95 internalization on apoptotic and antiapoptotic signaling. In: Death Receptors and Cognate Ligands in Cancer 49, 63-85

Schütze, S., Tchikov, V. (2008) Immunomagnetic isolation of TNF-receptosomes. Meth. Enzymol.  442, 101-123                        

Regulatory Circuits Con­trolling Receptor Expression and TNF-production. In: M. Freund , H. Link & K. Welte (eds.), Cytokines in Hemopoiesis, Oncology and AIDS, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, p. 197-204.