Immun-Epigenetik

Die Genom-Struktur in T-Zellen verstehen – und therapeutisch nutzbar machen

Polansky

Einleitung

Zusätzlich zur DNA-Sequenz – unserem Genom – beeinflusst auch die dreidimensionale Struktur unseres Erbgutes – das ‘Epi-genom’ – die Eigenschaften und Funktion einer Zelle. Von der dreidimensionalen Genom-Struktur hängt die Zugänglichkeit der DNA-Sequenz ab. Somit können nur Gene, die in zugänglichen Bereiche liegen, abgelesen und exprimiert werden und so die Funktion der Zelle mitbestimmen. Daher bietet die Analyse des Epigenoms tiefe Einblicke in die Entstehungsgeschichte und in das derzeitige Genexpressionsprofil einer Zelle und ermöglicht zusätzlich Rückschlüsse auf deren zukünftige Entwicklung.

CD4+ T-Lymphozyten tragen wesentlich zum Schutze vor Erkrankungen bei, indem sie sich in funktionell-unterschiedliche Subtypen differenzieren. Diese Subtypen entstehen unter anderem durch Veränderungen im Epigenom. Die epigenetisch-regulierte Genexpression ermöglicht spezifische Funktionen und somit eine spezialisierte Abwehrreaktion gegen Infektionen und die Unterdrückung von Tumoren. Andererseits sind diese Zellen auch maßgeblich an der Aufrechterhaltung von chronischen Entzündungserkrankungen (z.B. viele Arten von Rheuma) und Autoimmunität beteiligt.

Unsere Arbeitsgruppe untersucht daher das Epigenom von CD4+ T-Lymphozyten von gesunden Spendern sowie von Rheuma-Patienten. Durch diese Daten können wir Kandidaten-Gene identifizieren, die zur krankheitsassoziierten Fehl-Entwicklung von T-Lymphozyten beitragen. Zudem können wir innerhalb dieser Gene epigenetische Regulationselemente erkennen, die aussichtsreiche Ziel-Strukturen für therapeutische Ansätze darstellen, da epigenetische Strukturen generell reversibel und daher “therapierbar” sind.

Wir verwenden modernste Techniken zur epigenomischen Charakterisierung von T-Lymphozyten von Gesunden und von Rheuma-Patienten. Diese Daten helfen uns, die Entwicklung und Funktion dieser Zellen besser zu verstehen sowie krankheitsassoziierte Biomarker und Gene zu identifizieren, die an der Krankheitsentstehung und -aufrechterhaltung beteiligt sind.

Im zweiten Schritt möchten wir herausfinden, wie diese epigenetischen Veränderungen funktionell auf molekularer Ebene die krankheitsassoziierte Fehl-Entwicklung von T-Zellen regulieren, sowie deren beschleunigten Alterungsprozess beeinflussen. Diesbezüglich konnten wir bereits klären, wie epigenetische Regulationselemente die funktionelle Prägung von T-Zellen bei der ‘gesunden’ T-Zell-Entwicklung kontrollieren. Diese Erkenntnisse wenden wir nun auf die krankheitsassoziierten T-Zell-Populationen an. Zusätzlich konnten wir bereits feststellen, dass der zelluläre Alterungsprozess ebenfalls vom Epigenom beeinflusst wird. Wir möchten daher nun die molekularen Mechanismen dieses Prozesses klären, da T-Zellen in chronisch-entzündeten Geweben eine beschleunigte Alterung durchlaufen und damit womöglich zur Aufrechterhaltung der Entzündung beitragen.

In unserem dritten Forschungsschwerpunkt entwickeln wir Strategien zur gezielten Veränderung von epigenetischen Prozessen, die die Funktion und das Überleben von T-Z ell-Populationen beeinflussen können. Dies kann auch als neue Therapie-Option von Interesse sein. Hierfür verwenden wir modernste ‘Epigenetic Editing’-Methoden, die auf der ‘CRISPR/Cas9-Technik’ basieren. Mit deren Hilfe möchten wir epigenetische Regulationselemente in (krankheits-assoziierten) Genen spezifisch steuern. Dies soll einerseits für eine funktionelle Re-Programmierung von pathogenen T-Zellen eingesetzt werden, sowie andererseits zur Modifikation von T-Zell-Populationen dienen, die so für eine erfolgreiche T-Zell-Transfer-Therapie mit den gewünschten Eigenschaften ausgestattet werden können. Die gezielte Manipulation des epigenetisch-gesteuerten Alterungsprozesses in T-Zellen könnte zudem die Anhäufung von gealterten T-Zellen im chronisch-entzündeten Gewebe verhindern, sowie die Überlebenszeit von T-Zellen für zelltherapeutische Transferansätze verlängern.

Ausgewählte Publikationen

Szilagyi BA, Triebus J, Kressler C, de Almeida M, Tierling S, Durek P, Mardahl M, Menning A, Engelbert D, Floess S, Huehn J, Syrbe U, Walter J, Polansky JK*, Hamann A* (2017). Gut memories don´t fade: Expression of the gut homing receptor integrin α4β7 is stably imprinted in CD4+ memory T cells by epigenetic modification of regulatory regions in the itga4 locus. * shared last authorship. Mucosal Immunology, doi: 10.1038/mi.2017.7.

Schmidt F, Gasparoni N, Gasparoni G, Gianmoena K, Cadenas C, Polansky JK, Ebert P, Nordström K, Barann M, Sinha A, Fröhler S, Xiong J, Amirabad A, Ardakani F, Hutter B, Zipprich G, Felder B, Eils J, Brors B, Chen W, Hengstler J, Hamann A, Lengauer T, Rosenstiel P, Walter J, Schulz MH (2017). Combining transcription factor binding affinities with open chromatin data for accurate gene expression prediction. Nuclear Acid Res, 9;45(1):54-66.

Stunnenberg HG, Hirst M, Abrignani S, […] Polansky J, […] Zipprich G (2016). The International Human Epigenome Consortium: A Blueprint for Scientific Collaboration and Discovery. Cell. 17;167(5):1145-1149.

Durek P, Nordström K, Gasparoni G, Kressler C, de Almeida M, Salhab A, Bassler K, Ulas T, Xiong J, Glažar P, Klironomos F, Sinha A, Kinkley S, Yang X, Schmidt F, Dehghani Amirabad A, Behjati Ardakani F, Feuerbach L, Gorka O, Ebert P, Müller F, Li N, Frischbutter S, Schlickeiser S, Cendon C, Fröhler S, Felder B, Gasparoni N, Imbusch CD, Hutter B, Zipprich G, Tauchmann Y, Reinke S, Wassilew G, Hoffmann U, Arrigoni L, Richter AS, Sieverling L, Chang H-D, Syrbe U, Manke T, Kalus U, Eils J, Brors B, Ruland J, Lengauer T, Rajewsky N, Chen W, Schulz MH, Dong J, Sawitzki B, Chung H-R, Rosenstiel P, Schultze JL, Radbruch A, Walter J, Hamann A, Polansky JK. (2016) Epigenomic Profiling of Human CD4+ T Cells Supports a Linear Differentiation Model and Highlights Molecular Regulators of Memory Development. Immunity, 45, 1148-1161.

Pink M, Ratsch BA, Mardahl M, Durek P, Polansky JK, Karl M, Baumgrass R, Wallner S, Cadenas C, Gianmoena K, Floess S, Chen W, Nordstroem K, Tierling S, Olek S, Walter J, Hamann A, Syrbe U: (2016) Imprinting of Skin/Inflammation Homing in CD4+ T Cells Is Controlled by DNA Methylation within the Fucosyltransferase 7 Gene. J Immunol, doi:10.4049/jimmunol.1502434

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Polansky JK, Bahri R, Divivier M, Duitman EH, Vock C, Goyeneche-Patino DA, Orinska Z, Bulfone-Paus S. (2016) High dose CD11c-driven IL15 is sufficient to drive NK cell maturation and anti-tumor activity in a trans-presentation independent manner. Scientific Reports Jan 29;6:19699.

Bahri R, Pateras IS, D'Orlando O, Goyeneche-Patino DA, Campbell M, Polansky JK, Sandig H, Papaioannou M, Evangelou K, Foukas PG, Gorgoulis VG, Bulfone-Paus S. (2015) IL-15 suppresses colitis-associated colon carcinogenesis by inducing antitumor immunity. Oncoimmunology. 4(9):e1002721.

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Toker A, Engelbert D, Garg G, Polansky JK, Floess S, Miyao T, Baron U, Düber S, Geffers R, Giehr P, Schallenberg S, Kretschmer K, Olek S, Walter J, Weiss S, Hori S, Hamann A, Huehn J. (2013) Active demethylation of the Foxp3 locus leads to the generation of stable regulatory T cells within the thymus. J Immunol. 190(7):3180-8.

Polansky JK, Schreiber L, Thelemann C, Ludwig L, Krüger M, Baumgrass R, Cording S, Floess S, Hamann A and Huehn J (2010). Methylation matters: Binding of Ets-1 to the demethylated Foxp3 gene contributes to the stabilization of Foxp3 expression in regulatory T cells. J Mol Med. Oct;88(10):1029-40.

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Huehn J, Polansky JK, Hamann A. (2009). Epigenetic control of FOXP3 expression: the key to a stable regulatory T-cell lineage? Nat Rev Immunol. Feb;9(2):83-9.

Polansky JK, Kretschmer K, Freyer J, Floess S, Garbe A, Baron U, Olek S, Hamann A, von Boehmer H, Huehn J (2008). DNA methylation controls Foxp3 gene expression. Eur J Immunol. 38(6):1654-63.

Apostolou I, Verginis P, Kretschmer K, Polansky J, Huehn J, von Boehmer H. (2008). Peripherally Induced Treg: Mode, Stability, and Role in Specific Tolerance. J Clin Immunol. Nov;28(6):619-24.

Polansky JK and Huehn J (2007). To be or not to be a Treg: Epigenetic regulation of Foxp3 expression in regulatory T cells. Z Rheumatol. 66(5): 417-20.

Floess S, Freyer J, Siewert C, Baron U, Olek S, Polansky J, Schlawe K2 Chang HD, Bopp T, Schmitt E, Klein-Hessling S, Serfling E, Hamann A, and Huehn J (2007). Epigenetic control of the foxp3 locus in regulatory T cells. PLoS biology 5: e38.

Marson A, Kretschmer K, Frampton GM, Jacobsen ES, Polansky JK, MacIsaac KD, Levine SS, Fraenkel E, von Boehmer H, Young RA (2007). Foxp3 occupancy and regulation of key target genes during T-cell stimulation. Nature 22; 445(7130):931-5.

Mitarbeiter

M. Sc. Christopher Kressler (PhD Student)
Wojciech Leszczynski (Master Student)
Lydia Verlaat (Master Studentin)
Dania Hamo (Master Studentin)

Kooperationspartner

Benedikt Brors, Jürgen Eils (beide DKFZ Heidelberg)

Ho-Ryun Chung (MPI-MG Berlin)

Thomas Hildebrandt, Susanne Holtze (IZW, Berlin)

Jochen Hühn (HZI Braunschweig)

Thomas Lengauer (MPI-INF Saarbrücken)

Thomas Manke (MPI-IE Freiburg)

Nikolaus Rajewsky, Wei Chen (beide MDC Berlin)

Philip Rosenstiel (Uni Kiel)

Jürgen Ruland (TU München)

Birgit Sawitzki (Charite Berlin)

Alexander Scheffold (Charite, Berlin)

Joachim L. Schultze (Uni Bonn)

Marcel Schulz (Uni Saabrücken)

Uta Syrbe (Charite Berlin)

Hans-Dieter Volk (Charite und BCRT Berlin)

Dr. Julia Polansky-Biskup

Deutsches Rheuma-Forschungszentrum Berlin
Immun-Epigenetik
Charitéplatz 1
10117 Berlin

Tel: +49 3028460729
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Fax: +49 3028460656
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