Untersuchungen zur Modulation der IL-6-Signaltransduktion und zur Funktion der feed back Inhibitoren SOCS1 und SOCS3

Sommer, Ulrike; Heinrich, Peter C.

doi:25391

Untersuchungen zur Modulation der IL-6-Signaltransduktion und zur Funktion der feed back Inhibitoren SOCS1 und SOCS3

Sommer, Ulrike (Author)

2003 & 2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ulrike Sommer

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2003

UmfangVI, 100 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Prüfungsjahr: 2003. - Publikationsjahr: 2004

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Heinrich, Peter C. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2003-12-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-7766
DOI: 10.18154/RWTH-CONV-123582
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61981/files/61981.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Monozyt (Genormte SW) ; Zelldifferenzierung (Genormte SW) ; Makrophage (Genormte SW) ; Interleukin 6 (Genormte SW) ; Signaltransduktion (Genormte SW) ; Inhibitor (Genormte SW) ; Cytokine (Genormte SW) ; Suppressorgen (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; IL-6 (frei) ; SOCS3 (frei) ; SOCS1 (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Um eine unkontrollierte Aktivierung von Zellen zu vermeiden, muss einer durch extrazelluläre Stimuli induzierten Signalübertragung auch eine Abschaltung bzw. Regulation folgen. Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen die Regulationsmechanismen der IL-6-Signaltransduktion. Im ersten Teil wurde eine kurzzeitige Reprimierung des IL-6-Signals in der frühen Phase der Differenzierung von primären humanen Monozyten zu Makrophagen beobachtet. Da IL-6 ein wichtiger Differenzierungsfaktor für Makrophagen ist, war der hier beobachtete Effekt erstaunlich und eine Klärung von Bedeutung. Zur Charakterisierung dieser Beobachtung wurde die Aktivierbarkeit der Zellen durch andere Stimulationen wie zum Beispiel IFN? und FMLP überprüft. Makrophagen, die zum gleichen Zeitpunkt nicht auf IL-6 reagierten, waren durch beide Faktoren aktivierbar. Dies zeigte, dass es sich um eine gezielte Unterdrückung des IL-6-Signals im frühen Stadium der Makrophagen-Differenzierung handelte. Als Ursache dieses Effekts konnte eine verminderte Oberflächenexpression der Rezeptoren gp130 und gp80 ausgeschlossen werden. Ob der feedback Inhibitor SOCS3 hierbei eine Rolle spielt, oder ob spezifische Differenzierungs- oder Adhäsionsvorgänge für den Effekt verantwortlich sind, muß in weiterführenden Studien untersucht werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden die feedback Inhibitoren des IL-6-Signalweges SOCS1 und SOCS3 näher untersucht. Im endogenen System konnte für SOCS3 gezeigt werden, dass eine Stimulation sowohl mit IL-6 als auch mit OSM zu einer Tyrosinphosphorylierung des Proteins führte. Interessanterweise war für diese Modifikation keine Rekrutierung an das Tyrosin 759 in gp130, das sonst für die Hemmung des IL-6-Signals über SOCS3 essentiell ist, notwendig. Weiterhin konnte jedoch gezeigt werden, dass die Funktion der SH-2-Domäne nicht durch die Tyrosinphosphorylierung von SOCS3 beeinflusst wurde. SOCS-Proteine können durch Interaktion mit ElonginC einen E3-Ubiqutin-Ligase-Komplex ausbilden, der zur Degradation von SOCS-bindenden Proteinen führt. In Kollaborationsstudien mit der Arbeitsgruppe von Prof. James A. Johnston (Queen´s University of Belfast) wurde gezeigt, dass die Phosphorylierung von SOCS3 die Interaktion mit ElonginC unterbindet. In der vorliegenden Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass diese posttranslationale Modifikation zu einer Verringerung der Halblebenszeit von SOCS3 führte. Diese Ergebnisse lassen die Hypothese zu, dass die Phosphorylierung von SOCS3 die SOCS3-abhängige Degradation von Interaktionspartnern unterbindet, indem die eigene Degradation induziert wird. Ein Mechanismus für die Hemmung von Januskinasen durch SOCS-Proteine konnte durch die im letzten Abschnitt der Arbeit durchgeführten gezielten Mutagenesestudien und die Betrachtung der Modellstruktur von SOCS1 vorgeschlagen werden. Es wurde eine Aminosäure in der ESS (Extended SH2 Subdomain) von SOCS1 identifiziert, die zur Stabilität der SH2-Domäne beiträgt. Durch diesen Befund kann postuliert werden, dass die ESS von SOCS1 als Helix die SH2-Domäne stabilisiert und die KIR (Kinase Inhibitory Region) in die Richtung der oberen Region der Kinasedomäne der Januskinase ausrichtet. Durch Mutationsstudien konnte von dieser Region gezeigt werden, dass sie tatsächlich an der SOCS1-Interaktion beteiligt ist. Es kann also angenommen werden, dass die KIR die Januskinasen durch einen Kontakt der oberen Region der Kinasedomäne hemmt.

To avoid an uncontrolled activation of cells by extracellular stimuli there must exist mechanisms which regulate the signal transduction. Here, regulatory mechanisms of the IL-6 signal transduction pathway were analyzed. In the first part a desensitization of the IL-6 signal could be observed during the early stages of the differentiation of primary monocytes to macrophages. Interestingly the cells could not respond to IL-6 when they started to adhere, whereas the non-adherent cells as well as the adherent cells at later stages of differentiation did respond to IL-6. This effect seemed to be restricted to the IL-6 signal transduction since the cells did react to other stimuli like IFNg (STAT1 activation) and FMLP (migration). The desensitization was not due to down-regulation of the receptors gp130 and gp80 because the surface expression did not change during the differentiation of the monocytes. Further studies need to be done to solve the mechanisms of the observed effect. One possible explanation could be the constitutive expression of the feed back inhibitor SOCS3 in the early phase of differentiation. This would lead to the inhibition of IL-6 signalling. The second part of this thesis aimed at the characterization of the feed back inhibitors SOCS1 and SOCS3. It could be shown that endogenous SOCS3 is tyrosine phosphorylated upon stimulation of cells with IL-6 and other IL-6-type cytokines like OSM. Most interestingly, the recruitment of SOCS3 to the tyrosine motif pY759 of gp130, which is crucial for the inhibitory action of SOCS3, was not required for phosphorylation. In addition the function of the SOCS3-SH2 domain was not abrogated upon SOCS3 phosphorylation. It has been shown that SOCS proteins can be recruited to an E3-ubiquitin ligase complex through the interaction with ElonginC. This then leads to the degradation of SOCS binding proteins. In collaboration with the group of professor James A. Johnston at Queen´s University of Belfast we were able to show that the phosphorylation of SOCS3 disrupts the interaction with ElonginC. In this thesis it could be shown that phosphorylated SOCS3 has a shorter half-life than the non-phosphorylated protein. This suggests that the phosphorylation of SOCS3 affects the SOCS3-dependent degradation of binding partners by targetting SOCS3 itself for degradation. By combining mutagenesis studies with molecular modelling approaches a new mechanism for the inhibition of Janus kinases by SOCS proteins was proposed. A crucial amino acid within the ESS (Extended SH2 Subdomain) region of SOCS1 was identified that contributes to the stability of the SOCS1-SH2 domain. Based on this finding it can be postulated that the ESS region of SOCS1 forms a helical structure that stabilizes the SH2-domain and orientates the KIR (Kinase Inhibitory Region) towards the upper lobe of the Janus kinase. Furthermore mutations in this upper lobe showed that the binding of SOCS1 to the Janus kinase is reduced. It can thus be assumed that SOCS1 inhibits Janus kinases by contacting the upper lobe of the kinase domain through its KIR region.

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