Wie spezifiziert Signalcodierung die Immunantwort von Makrophagen?

• Antragstellerin: Dr. Stefanie Luecke
• Fachliche Zuordnung: Immunologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419234150

Makrophagen und andere Zellen des angeborenen Immunsystems nutzen über ein Dutzend Pattern Recognition Receptors (PRRs) um pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs) zu erkennen. Die verschiedenen Rezeptoren aktivieren drei zentrale Signalkinasen, IKK, TBK1, und MAPK. Die nachgeschalteten Transkriptionsfaktoren bestimmen die vielfältige, stimulusspezifische Genexpression der primären Immunantwort. Zwei Hypothesen sollen erklären, wie nur drei Signalwege zu stimulusspezifischer Genexpression führen: 1) Ein kombinatorischer Code, d.h. dass die Signalwege in stimulusspezifischen Kombinationen aktiviert werden und dass die Gene unterschiedlich auf verschiedene Signale reagieren. 2) Ein dynamischer Code, d.h. dass Information über den Stimulus in der Dynamik der Signalaktivität encodiert ist und dass die Zielgene unterschiedliche dynamische Profile unterscheiden können. Neuere Studien bestätigen, dass die Aktivitätsdynamik einiger Signalwege stimulusspezifisch ist. Es ist allerdings nicht bekannt, wie die dynamische und kombinatorische Steuerungen integriert werden um Informationen über die Stimulusidentität an den Nukleus zu übermitteln. Informationscodierung kann mit Hilfe der Informationstheorie untersucht werden, ein mathematischer Ansatz aus dem Bereich der Telekommunikation. In diesem Projekt soll die stimulusspezifische Integration der kombinatorischen und dynamischen Aktivierung der drei PRR-aktivierten Signalwege, IKK/NFκB, TBK1/IRF3 und p38 MAPK, untersucht werden. Dazu müssen die Reaktionen einzelner Zellen analysiert werden, da die heterogene Antwortdynamik individueller Zellen verloren geht, wenn nur die Gesamtpopulation betrachtet wird. Deshalb werden wir einen Systembiologieansatz entwickeln, der die quantitative Bestimmung der Signalaktivitäten in einzelnen Zellen in einem neuen dreifachen Reportersystem, das primären Makrophagen sehr ähnelt, erlaubt. Dafür werden wir fluoreszierende Reporter für NFκB, IRF3 und p38 in murine, aus hämatopoetischen Stammzellen gewonnene Makrophagen einfügen. Dann werden wir 24 h Lebendzellmikroskopie und automatisierte Hochdurchsatzbildanalyse optimieren. Danach werden wir einen kürzlich entwickelten informationstheoretischen Algorithmus anwenden um die dynamischen und kombinatorischen Codes zu identifizieren, die die Stimulusidentität übermitteln. Damit werden wir untersuchen, wie die Dosis- und PAMP-Spezifität durch das Zusammenwirken des dynamischen und des kombinatorischen Codes bestimmt wird, wie die Identität der Pathogene in der Integration mehrere PAMP-spezifischer Aktivierungsmuster encodiert ist und wie die Polarisation der Makrophagen durch IFNγ die Stimulusspezifität der Signalübertragung verändert. Diese Studie wird neue Einsichten liefern zu der Balance von strenger Regulierung und hoher Spezifität der Immunantworten von Makrophagen. Dies ist wichtig für Erforschung und Behandlung von Autoimmun- und Entzündungskrankheiten, die oft dysregulierte Makrophagenaktivität involvieren.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Alexander Hoffmann