Funktion und Regulation der ISG15 spezifischen Isopeptidase USP18

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Klaus-Peter Knobeloch
• Fachliche Zuordnung: Immunologie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Biochemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325088716

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen dieses DFG geförderten Projektes wurde die Funktion von USP18 untersucht, welches als ISG15 spezifische Protease fungiert und zudem eine zentrale Rolle bei der Regulation des Typ I Interferon (IFN) Signalweges darstellt. Es war eine eingehendere Untersuchung von interagierenden Proteinen, die Analyse embryonaler Letalität USP18 defizienter Mäuse, sowie die funktionelle Analyse von USP18 in verschiedenen Organen durch gezielte, konditionelle Inaktivierung projektiert. Kurz nach der Einreichung unseres Antrages erschien eine Veröffentlichung aus der Arbeitsgruppe von DE Zhang (SCRIBBS, USA), in dem beschrieben wurde, dass die auch von uns beobachtete embryonale Lethalität auf eine defekte fetale Hämatopiese zurückzuführen ist. Hierzu wurden auch weitere umfassende Analysen wie Colony forming assays durchgeführt und hämatopoiese-spezifische konditionelle USP18 ko Mäuse analysiert. Wir haben uns daher entschlossen, diesen Punkt wegen Redundanz nicht weiter zu verfolgen. Mit Ressourcen aus diesem Projekt gelang es uns zu einer bedeutenden in Nature erschienenen Publikation des Ivan Dikic Labors beizutragen, in dem gezeigt werden konnte, dass die Papain-like-Protease von SARS-CoV-2 (PlPro) analog zu USP18 ISG15 von Substraten dekonjugiert und so die angeborene Immunität unterläuft. Zudem gelang es uns einen neuen Zellbasierten Interaktionsassay zu entwickeln, der es erlaubt Interaktionen von USP18 mit ISG15 oder STAT2 oder von SARS-CoV-2 PlPro mit ISG15 quantitativ zu analysieren. Mit Hilfe dieses Assays konnten erste small molecules identifiziert werden, die die Interaktion von USP18 und ISG15 stören. Hier konnte gezeigt werden, dass auch eines dieser Moleküle die Inhibition der USP18 Protease-Aktivität inhibiert. Diese Experimente werden weiter verfolgt mit dem Ziel Modulatoren der IFN Antwort, der ISG15 Dekonjugation bzw Inibitoren der SARS-CoV-2 deISGylase PlPro zu identifizieren. Zur weitergehenden Untersuchung der Funktion von USP18 in Mikroglia wurden in Kollaboration mit Prof. M Prinz neue Cre Linien entwickelt. Diese werden nun im Rahmen des SFB/TRR 167 eingesetzt, um spezifisch die Rolle von USP18 in CNS-assoziierten Makrophagen oder parenchymalen Mikroglia zu analysieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• The probacterial effect of type I interferon signaling requires its own negative regulator USP18. Sci Immunol. 2018 Sep 28;3(27):eaau2125
  Shaabani N, Honke N, Nguyen N, Huang Z, Arimoto KI, Lazar D, Loe TK, Lang KS, Prinz M, Knobeloch KP, Zhang DE, Teijaro JR
  
• Loss of USP18 in microglia induces white matter pathology. Acta Neuropathol Commun. 2019 Jul 4;7(1):106
  Schwabenland M, Mossad O, Peres AG, Kessler F, Maron FJM, Harsan LA, Bienert T, von Elverfeldt D, Knobeloch KP, Staszewski O, Heppner FL, Meuwissen MEC, Mancini GMS, Prinz M, Blank T
  
• Interferon-stimulated gene 15 accelerates replication fork progression inducing chromosomal breakage. J Cell Biol. 2020 Aug 3;219(8):e202002175
  Raso MC, Djoric N, Walser F, Hess S, Schmid FM, Burger S, Knobeloch KP, Penengo L
  
• Papain-like protease regulates SARS-CoV-2 viral spread and innate immunity. Nature. 2020 Nov;587(7835):657-662
  Shin D, Mukherjee R, Grewe D, Bojkova D, Baek K, Bhattacharya A, Schulz L, Widera M, Mehdipour AR, Tascher G, Geurink PP, Wilhelm A, van der Heden van Noort GJ, Ovaa H, Müller S, Knobeloch KP, Rajalingam K, Schulman BA, Cinatl J, Hummer G, Ciesek S, Dikic I
  
• Protein modification with ISG15 blocks coxsackievirus pathology by antiviral and metabolic reprogramming. Sci Adv. 2020 Mar 11;6(11):eaay1109
  Kespohl M, Bredow C, Klingel K, Voß M, Paeschke A, Zickler M, Poller W, Kaya Z, Eckstein J, Fechner H, Spranger J, Fähling M, Wirth EK, Radoshevich L, Thery F, Impens F, Berndt N, Knobeloch KP, Beling A
  
• Strategies to Target ISG15 and USP18 Toward Therapeutic Applications. Front Chem. 2020 Jan 21;7:923
  Jiménez Fernández D, Hess S, Knobeloch KP
  
• Ring finger protein 213 assembles into a sensor for ISGylated proteins with antimicrobial activity. Nat Commun. 2021 Oct 1;12(1):5772
  Thery F, Martina L, Asselman C, Zhang Y, Vessely M, Repo H, Sedeyn K, Moschonas GD, Bredow C, Teo QW, Zhang J, Leandro K, Eggermont D, De Sutter D, Boucher K, Hochepied T, Festjens N, Callewaert N, Saelens X, Dermaut B, Knobeloch KP, Beling A, Sanyal S, Radoshevich L, Eyckerman S, Impens F