Immun-Epigenetik

Epigenetische Modifikationen steuern welche Gene aktuell exprimiert werden, welche Gene als Reaktion auf Signale exprimiert werden können und welche Gene dauerhaft deaktiviert sind. Sie wirken wie molekulare Schalter, mit denen Gene „an“ oder „aus“ geschaltet werden können. Mit den bisher zur Verfügung stehenden Techniken ist es jedoch kaum möglich, einzelne epigenetisch wirksame Positionen im Genom daraufhin zu überprüfen, welche Auswirkungen die Modifikation auf die Genexpression mit sich bringt. Während die regulatorischen Elemente auf Basis evolutionär konservierter DNA-Sequenzen identifiziert werden können, bleiben die Wirkzusammenhänge meist auf korrelative Beobachtungen beschränkt.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben wir CRISPR/Cas9-basierte epigenetische Editierungsmethoden etabliert, mit denen wir in der Lage sind, epigenetische Markierungen an bestimmten genomischen Loci selektiv zu modifizieren. Mithilfe der neuen Methode können wir jetzt die funktionelle Rolle der epigenetischen Modifikation auf einem gewählten regulatorischen Element in der nativen Chromatinumgebung einer lebenden Zelle untersuchen.

Auch über die Grundlagenforschung hinaus ist die epigenetische Editierung vielversprechend – insbesondere für therapeutische Anwendungen, wie z. B. bei der adoptiven T-Zelltherapie. Hier kann Epigenetic Editing eingesetzt werden, um therapeutische T-Zell-Produkte je nach Bedarf mit gewünschten Eigenschaften auszustatten, wie z.B. Migrationsverhalten, Resilienz gegen inhibitorische Checkpoint-Moleküle oder entzündungsfördernde und entzündungshemmende Funktionen.

T-Zellen bilden eine Gruppe spezialisierter Immunzellen, die eine zentrale Rolle in der adaptiven Immunabwehr des Körpers einnehmen. Die Nutzung dieser Zellen in einer adoptiven T Zelltherapie – eine Form der individualisierten Immuntherapie – zur Behandlung von Krebs oder Autoimmunerkrankungen, wird weltweit erforscht. Die Produktion individualisierter T-Zellprodukte ist außerordentlich aufwendig und an viele Rahmenbedingungen geknüpft. Sie steht daher nur an wenigen Standorten und für bestimmte Krankheitsverläufe zu Verfügung.

Daher erforschen wir, wie sich solche T-Zellprodukte im Labor aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) herstellen lassen. iPSCs bilden eine Quelle fast unlimitiert und jederzeit verfügbaren Zellmaterials. Mit T-Zellprodukten aus iPSCs würde ein um Größenordnungen effektivere T-Zelltherapie möglich. Wir arbeiten deshalb daran, die natürliche Entwicklung der Immunzellen unseres Körpers mit iPSC nachzubilden und vergleichen diese in vitro generierten Zellen phänotypisch und epigenetisch mit ihren in vivo vorkommenden Pendants.

T-Gedächtniszellen sind langlebige T-Lymphozyten, die nach einer Erstinfektion mit einem dem Immunsystem bislang unbekannten Pathogen entstehen. Sie verleihen Immunität gegen genau diesen einen Krankheitserreger, indem sie bei wiederholter Exposition eine schnelle und wirksame Immunreaktion hervorrufen. Aufgrund ihrer Pathogenspezifität müssen T-Zellen eine umfangreiche klonale Expansion durchlaufen, um eine ausreichende Anzahl von Effektorzellen für eine effektive Pathogeneliminierung zu erzeugen. Als langlebige Immunzellen müssen T-Gedächtniszellen ihre funktionelle Identität auch durch wiederholte Proliferationszyklen hindurch bewahren. Ihre zellulare Identität wird durch das Epigenom bestimmt, ein komplexes Netzwerk chemischer Veränderungen des Genoms, die die Chromatinstruktur und die Genexpression regulieren. Die bestuntersuchten epigenetischen Markierungen sind dabei Histon-Modifikationen und DNA-Methylierung. Sie kontrollieren die Zugänglichkeit des Chromatins und prägen dadurch die zelltypspezifische Transkriptionssignatur. Die Erhaltung der epigenetischen Integrität ist von entscheidender Bedeutung für die Aufrechterhaltung des Wirkungspotenzials von T-Gedächtniszellen, damit sie über Jahrzehnte hinweg eine dauerhafte Immunität gewährleisten können.

Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass T-Zellen unter bestimmten pathologischen Bedingungen, z.B. in entzündlichen Mikroumgebungen, während der Proliferation ihre zelluläre Identität verlieren können, was zu funktionellen Veränderungen führen kann. Dieses Phänomen ist nicht nur auf Krankheitsfälle beschränkt, sondern auch bei der Herstellung therapeutischer Zellprodukte, die eine umfangreiche Vermehrung von Zellen in vitro erfordern, von großer Bedeutung. Eine anhaltend proliferierende in vitro-Kultur wird mit epigenetischen und transkriptionellen Veränderungen in Verbindung gebracht, die die Stabilität, Potenz und therapeutische Wirksamkeit dieser zellulären Produkte beeinträchtigen können.

Insbesondere während der Proliferation ist die Aufrechterhaltung des DNA-Methylierungsprofils fehleranfällig, was zu einer fortschreitend abnehmenden Methylierung in normalerweise hochgradig methylierten Regionen führt. Diese Hypomethylierung deutet darauf hin, dass eine übermäßige Zellteilung die epigenetische Stabilität gefährdet. Wir untersuchen daher die Mechanismen der proliferationsbedingten epigenetischen Veränderungen sowie ihre funktionellen Auswirkungen auf T-Zellen. Durch die Entschlüsselung dieser Mechanismen wollen wir verstehen, wie Proliferation die Identität und Funktion von T-Zellen in Gesundheit und Krankheit prägt, und die gewonnenen Erkenntnisse für die Verbesserung von Zelltherapieansätzen nutzen.

Mesenchymale Stromazellen (MSCs) sind vielversprechend für zellbasierte Therapien, weil sie immunmodulatorisch wirken, multipotent differenzierungsfähig und aus verschiedenen Gewebequellen verfügbar sind.  Ihre Vielseitigkeit macht sie zu einem interessanten Zelltyp für die Forschung, mit potenziellem Einsatz auch bei entzündlichen Erkrankungen und zur Verbesserung der Geweberegeneration, einschließlich der Knorpelregeneration bei Arthrose.

In unserem Projekt wollen wir Erkenntnisse über epigenomische Stabilität und Modulation aus unserer Forschung an Lymphozyten auf MSCs übertragen. Ziel ist es dabei, ihren therapeutischen Nutzen weiter zu verbessern.

Zu diesem Zweck wollen wir epigenetische Regulationsmechanismen und -muster während der Zelldifferenzierung von MSCs besser verstehen. Wir verwenden vergleichendes epigenomisches Profiling, um kritische regulatorische Stellen zu identifizieren, die das Transkriptom während der Differenzierung steuern. Darauf aufbauend werden wir unseren epigenetic editing-Ansatz nutzen, um regulatorische Elemente gezielt zu aktivieren und damit das zelluläre Verhalten zu steuern. Dabei fokussieren wir insbesondere auf die in vitro Differenzierungsfähigkeit von MSCs in knorpelähnlichem Gewebe.

Darüber hinaus wollen wir den fortschreitenden DNA-Methylierungsänderungen, die während der in vitro-Zellexpansion beobachtet werden, entgegenwirken, da diese die Fitness und Funktionalität von Zellprodukten beeinträchtigen können.

CD4+ T-Helferzellen (Th) können zur Entwicklung von Autoimmunität beitragen, indem sie eine pathogene Entzündungsreaktion orchestrieren. Th17-Zellen sind eine proinflammatorische Untergruppe der CD4+ Th-Zellen, die zu vielen Autoimmunerkrankungen beitragen – einschließlich des systemischen Lupus erythematodes (SLE). Der Östrogenrezeptor ERβ wird in Th17-Zellen von Menschen aller Geschlechter exprimiert, jedoch ist seine Expression in Immunzellen vieler SLE-Patienten verringert. Unser Ziel ist es zu verstehen, welche Rolle ERβ in gesunden Th17-Zellen spielt und wie sein Verlust zu SLE beitragen könnte.