Die Interleukin-12-Familie

Interleukine stellen einen wichtigen körpereigenen Botenstoff von Zellen des Immunsystems dar. Sie gehören zu einer Gruppe von Peptidhormonen, den sogenannten Zytokinen. Sie vermitteln die Kommunikation zwischen Leukozyten und anderen an der Immunreaktion beteiligten Zellen. Aufgrund Ihrer funktionellen Zusammengehörigkeit können verschiedene Familien unterschieden werden, wovon eine die Interleukin-12-Familie (IL-12-Familie) darstellt. Die IL-12-Familie setzt sich zusammen aus drei Zytokinen: IL-12, IL-23 und IL-27.

Anfang der 90er Jahre wurde IL-12, damals bekannt unter dem Namen natural killer cell stimulatory factor (NKSF), als erstes der drei Zytokine charakterisiert. Alle drei Moleküle bestehen aus je zwei Untereinheiten und stellen somit Heterodimere dar. IL-12 setzt sich zusammen aus einem 40kDa (p40) und einem 35kDa (p35) schweren Teil. Erst 10 Jahre später wurde IL-23 charakterisiert, ein aus p40 und p19 bestehendes Heterodimer (OPPMANN et al., 2000). Einige Zeit später wurde IL-27 der IL-12-Familie zugeordnet. Es ist ebenfalls ein Heterodimer, zusammengesetzt aus dem p40-verwandten EBI3 (Epstein-Barr-Virus induziertes Gen 3) und dem p35-verwandten Protein p28. Alle drei Zytokine gelten als proinflammatorisch und beeinflussen die Entwicklung der T-Zellen. Dieser Schritt, bei dem eine naive CD4⁺-T-Zelle zu einer Th1- oder Th2-Zelle wird, hat einen entscheidenden Einfluss darauf, wie die adaptive Immunantwort ausfällt, ob hauptsächlich Makrophagen aktiviert oder aber Antikörper gebildet werden.

Abbildung 2-6: Schematische Darstellung der Interleukine (PFLANZ et al., 2002)

2.5.1 Interleukin-12 Struktur und Bedeutung

Im Jahr 1991 wurde das Zytokin IL-12 charakterisiert. Es gehört zu der Gruppe der proinflammatorischen Zytokine und entsteht bei vielen Infektionen in der frühen Phase. Es wird von DC, B-Zellen, Monozyten, neutrophilen Granulozyten und Makrophagen gebildet und sezerniert. Eine zentrale Rolle nimmt IL-12 bei der funktionellen Differenzierung naiver CD4⁺ T-Zellen in reife Th1-Effektor-Zellen sowie bei der Aktivierung von NK und CD8⁺ T-Zellen ein (TRINCHIERI et al., 2003; HÖLSCHER, 2004; BROMBACHER et al., 2003;

WOLF et al., 1991). Durch Stimulierung natürlicher Killerzellen leitet IL-12 die Th1 vermittelte Immunantwort ein und erhält sie aufrecht, wodurch die zellvermittelte Immunantwort begünstigt wird. Zusätzlich steuert das von Makrophagen sezernierte IL-12 in Zusammenarbeit mit IFN-γ die Differenzierung aktivierter naiver CD4⁺-T-Zellen zu Th1-Effektorzellen. Kommt es auf DC zu einer Stimulation der Toll-Like-Rezeptoren TLR4 oder TLR9 wird die Produktion von IL-12 induziert und es kommt zusätzlich zu einer Expression von Co-stimulatorischen Molekülen wie CD40 (AKIRA et al., 2001). Binden von DC präsentierte parasitäre Antigene an den TZR, bedarf es eines Costimulus durch einen CD40-Ligand auf Seiten der T-Zellen, um die IL-12 Produktion in Gang zu setzen (CELLA et al., 1996).

IL-12 ist ein durch Disulfidbrücken verbundenes Heterodimer (TRINCHIERI, 1995). WOLF et al. (1991) gelang es, die cDNA von beiden Untereinheiten, p40 und p35, zu klonieren (WOLF et al., 1991). Die kleinere Untereinheit p35 ist verwandt mit den Zytokinen IL-6 und GM-CSF. p40 hingegen hat keinerlei Homologien zu anderen Zytokinen, wobei es am ehesten der extrazellulären Domäne des IL-6-Rezeptors entspricht (GATELY et al., 1998).

Die p40-Untereinheit von IL-12 wird im Gegensatz zur p35-Untereinheit nicht nur als Heterodimer, sondern auch als Homodimer unabhängig sezerniert (GILLESSEN et al., 1995).

Das Homodimer kann sowohl antagonistisch als auch agonistisch auf den IL-12-Rezeptor wirken (GILLESSEN et al., 1995; HÖLSCHER et al., 2001; GATELY et al., 1996). Des Weiteren kann die IL-12p40-Untereinheit zusammen mit einem 19kd schweren Protein das IL-12-verwandte Zytokin IL-23 bilden (OPPMANN et al., 2000).

Der IL-12-Rezeptor (IL-12R) ist auf aktivierten T-Zellen und NK-Zellen, aber auch auf DC zu finden. Der IL-12R ist ein Typ 1 transmembraner Zytokinrezeptor, der aus einer β1- und einer β2-Untereinheit besteht, die strukturelle Verwandtschaft zu der gp130-Untereinheit der Zytokinrezeptorfamilie aufweisen (GATELY et al., 1998). Die p35-Untereinheit bindet an die

IL-12Rβ2-Kette, während die p40-Untereinheit die IL-12Rβ1-Kette besetzt (PRESKY et al., 1996). Die IL-12Rβ2-Untereinheit wird auf humanen Th1-, jedoch nicht auf Th2-Zellen exprimiert und ist damit in vitro ein entscheidender Faktor bei der Differenzierung der Th-Zellen. Detaillierte Analysen von ROGGE et al. (1997) zeigten, dass IL-4 zu einem großen Teil für die Unterdrückung der IL-12Rβ2 Kette verantwortlich ist. Eine unabhängige Expression von IL-12Rβ1 wurde bei mehreren Zelltypen festgestellt, im Falle von IL-12R2 jedoch nur bei CD4⁺ T-Zellen (ROGGE et al., 1997). Die IL-12Rβ2 Untereinheit vermittelt hauptsächlich die Signaltransduktion. Der Signaltransduktionsweg erfolgt durch die Bindung beider Untereinheiten des IL-12 an den IL-12R, die zu einer Phosphorylierung der Janus Kinasen JAK2 und TYK2 führt. Die Effekte der Rezeptorbindung sind hauptsächlich auf die Phosphorylierung von „Signal transducer and activator of transcription“ STAT4 zurückzuführen. Die Expression von STAT4 wird reguliert durch die Aktivierung von T-Zellen (BACON et al., 1995a; BACON et al., 1995b).

Physiologische und pathophysiologische Funktionen

IL-12 ist ein immunregulatorisches Zytokin, das eine zentrale Rolle in der Einleitung der zellvermittelten Immunantwort spielt (GATELY et al., 1998). Wird IL-12 ausgeschaltet, kommt es zu einer gestörten IFN-γ-Produktion und Th1-Reaktion. Unter anderem IL-10, aber auch Th1-assoziierte Zytokine wie Typ-1-Interferone und TNFα blockieren in vitro IL-12 (ASTE-AMEZAGA et al., 1998; MA u. TRINCHIERI, 2001). Eine weitere Regulation erfährt IL-12 über die „suppressors of cytokine signalling“ (SOCS)-Familie. SOCS-1 und SOCS-3 blockieren IL-12-Signalwege und führen zu einer verminderten IFN--Produktion (EYLES et al., 2002). Zytokine wie GM-CSF aktivieren DC besonders effektiv, so dass sie co-stimulierende Signale exprimieren.

Bei Infektionen fällt IL-12 eine wichtige Rolle zu, hauptsächlich bei Infektionen mit intrazellulären Pathogenen. In murinen Modellen wurde die essentielle Bedeutung von IL-12 bei der Abwehr von intrazellulären Krankheitserregern demonstriert. Studien an IL-12-defizienten Mäusen haben gezeigt, dass endogenes IL-12 eine entscheidende Rolle in der Abwehr von Infektionen spielt. Defekte im IL-12-Signalweg oder eine Blockade von IL-12 führt zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber intrazellulären Infektionenserregern wie Leishmanien, Mykobakterien und Trypanosoma (MATTNER et al., 1996; MURRAY et al., 2006; YAP et al., 2000; DE JONG et al., 1998; ALTARE et al., 1998; CASANOVA u.

ABEL, 2004). In unterschiedlichen Untersuchungen konnte darüber hinaus eine differentielle Bedeutung der p35- und p40-Untereinheit beschrieben werden. So zeigte sich bei

p35-Knockout-Mäusen im Gegensatz zu Wildtyp-Mäusen eine erhöhte Resistenz gegen Mykobakterien (WAKEHAM et al., 1998; HÖLSCHER et al., 2001; KHADER et al., 2006;

EHLERS et al., 2005).

Neben der beschriebenen Rolle bei protektiven Immunantworten spielt IL-12 eine wichtige Rolle bei überschießenden Immunantworten, Erkrankungen des Menschen zu denen Morbus Crohn und rheumatoide Arthritis zählen. Eine Behandlung mit anti-IL-12p40-Antikörpern brachte bei Morbus Crohn-Patienten eine Besserung der akuten Symptomatik (MANNON et al., 2004). In einem Mausmodell der rheumatoiden Arthritis und der Collagen-induzierten Arthritis wiesen IL-12p35/p40-Knockout^-Mäuse eine weniger ausgeprägte Erkrankung auf (MC INTYRE et al., 1996). Im Falle der Experimentellen Autoimmunen Enzephalitis (EAE), einem Mausmodell für Multiple Sklerose, verschlimmerte eine Gabe von rekombinanten IL-12p40 die Ausprägung der Entzündungsreaktion (MC INTYRE et al., 1996; LEONARD et al., 1996).

2.5.2 Interleukin-23 Struktur und Vorkommen

Vor wenigen Jahren wurde Interleukin-23 als das zweite Mitglied der IL-12-Familie charakterisiert. Das Heterodimer setzt sich zusammen aus einem 19kDa schweren Protein (p19) und der von IL-12 bekannten Untereinheit p40 (OPPMANN et al., 2000). Sezerniert wird p19 vor allem von aktivierten DC und phagozytierenden Zellen. IL-23 bindet an seinen Rezeptor, der dem IL-12 entsprechend aus zwei Ketten besteht: p40 bindet an die IL-12R 1-Kette, p19 an eine IL-23R genannte Kette. Die humanen Rezeptorketten werden vornehmlich auf aktivierten T-Zellen, Gedächtnis-T-Zellen und NK-Zellen, zu einem geringen Grad aber auch auf Monozyten, Makrophagen und DC exprimiert. Im murinen Organismus findet sich der Rezeptor auf aktivierten T-Zellen, auf aus Knochenmark generierten DC sowie auf aktivierten Makrophagen (TRINCHIERI et al., 2003; BROMBACHER et al., 2003;

LANGRISH et al., 2004; HUNTER, 2005).

Die Bindung von IL-23 an den IL-23-Rezeptor (IL-23R) bewirkt eine Aktivierung von JAK-Kinasen, die den IL-23R phosphorylieren, so dass STATs (STAT 1, 3, 4 und 5) binden und ebenfalls dimerisieren werden können. Über die Regulation der IL-23p19-Expression ist bislang wenig bekannt. Ebenso wie IL-12 wird die Transkription über Aktivierung des Transkriptionsfactors c-Rel, der zur NF⎢B Familie gehört, beeinflusst (SANJABI et al., 2000;

GRUMONT et al., 2001; CARMONDY et al., 2007). Auch der Interferon-Regulatory-Factor-5 (IRF) führt sowohl zur IL-12-, als auch zur IL-23-Expression (OUYANG et al., 2007). Bei Abwesenheit von IRF-1 und -8, welche die IL-12-Expression stimulieren, scheint die IL-23-Synthese gesteigert (GORIELY et al., 2008). Der TLR-2-Ligand Peptidoglykan (PGN) ist ein potenterer Induktor der IL-23-Expression als das TLR-4-bindende LPS (CARMONDY et al., 2007; RE u. STROMINGER, 2001). Des Weiteren scheinen C-Typ Lektine bevorzugt zur Synthese von IL-23 zu führen (LEIBUNDGUT-LANDMANN et al., 2007), ebenso wie Prostaglandin E2 (PGE2) und Adenosintriphosphat (ATP) (SHEIBANIE et al., 2004;

SCHNURR et al., 2005).

Physiologische und pathophysiologische Funktionen

IL-23 scheint die zentrale Rolle in der Pathogenese diverser Autoimmunerkrankungen wie Experimentelle Autoimmune Enzephalomyelitis (EAE) (CUA et al., 2003; MURPHY et al., 2003), Collagen-induzierten Arthritis (CIA) (MURPHY et al., 2003) und experimenteller Colitis (UHLIG et al., 2006; YEN et al., 2006) zu spielen. Die genetische Deletion von IL-23p19, nicht aber von IL-12p35, schützt Mäuse vor EAE und CIA. Im Rahmen der Helicobacter-induzierten T-Zell-abhängigen Colitis zeigten Mäuse mit einer p19-Defizienz eine leichtere Form der Erkrankung, während IL-12p35-Knockout Mäuse eine ausgeprägte Pathologie entwickelten (KULLBERG et al., 2006; HUE et al., 2006). Als grundlegend für die Erregerabwehr und Autoimmunerkrankungen wird derzeit die von 23 beeinflusste IL-17-Produktion postuliert. IL-17 wirkt als proinflammatorisches Zytokin, das im Gewebe für eine Ausschüttung proinflammatorischer Mediatoren wie IL-8, CXCL-1, TNFα und G-CSF und somit für den Einstrom neutrophiler Granulozyten sorgt (AGGRAWAL et al., 2003;

KOLLS et al., 2004; KELLY et al., 2005). IL-23-Knockout^-Mäuse wiesen im Vergleich zu EAE-anfälligen Wildtyp-Mäusen gleiche Mengen an IFN-γ-produzierenden Zellen auf; die Menge IL-17-produzierender T-Zellen im ZNS war in den p19-defizienten Mäusen jedoch reduziert. Auch führt die Stimulation von aktivierten und Gedächtnis-T-Zellen in Anwesenheit von IL-23 zur Ausschüttung von IL-17 (MURPHY et al., 2003; LANGRISH et al., 2005).

IL-23 spielt eine wichtige Rolle bei der Abwehr von Infektionen, z.B. mit Cryptococcus neoformans und Klebsiella pneumoniae. Unter einer Infektion starben Mäuse mit einer Deletion des IL-23p19 eher als der Wildtyp und zeigten eine höhere Erregerlast (KLEINSCHEK et al., 2006; HAPPEL et al., 2005). Bei einer intraperitonealen Infektion mit Toxoplasma gondii bewirkte die Behandlung von IL-12p40-Knockout^-Mäusen mit

rekombinantem IL-23 einen Überlebensvorteil gegenüber den unbehandelten Kontrollmäusen, die an ungehinderter Parasitenreplikation verstarben (LIEBERMANN et al., 2004).

2.5.3 Interleukin-27 Struktur und Vorkommen

Interleukin-27 ist ein heterodimeres Zytokin bestehend aus p28 und dem Eppstein-Barr induzierten Gen 3 (EBI3). Es wird unter anderem von humanen aktivierten Monozyten und murinen Makrophagen exprimiert (PFLANZ et al., 2002; WIRTZ et al., 2005). EBI3 weist Gemeinsamkeiten mit IL12p40 auf (DEVERGNE et al., 1997) und bildet mit p35 das Zytokin IL-35 (CASTELANI et al., 2010). Man kann sowohl Ähnlichkeiten zwischen der p28-Kette und der IL-12-Untereinheit p35 feststellen als auch zwischen EBI3 und der IL-12p40-Untereinheit. EBI3 ist zudem auch der Struktur des löslichen IL-6-Rezeptors (IL-6Rα) nahe.

Binden Liganden wie LPS oder Poly I:C an Toll-Like-Rezeptoren, wird die Produktion der Untereinheiten induziert (PFLANZ et al., 2002; SCHNURR et al., 2005; WIRTZ et al., 2005).

Die Untereinheit p28 kann durch IFN-γ hochreguliert werden, während dies bei EBI3 durch Signalübertragung über CD40L und IL-1β möglich ist (SCHNURR et al., 2005; LIU et al., 2007).

Der IL-27 Rezeptor (IL-27R), der von epithelialen Zellen, DC, Monozyten, natürlichen Killerzellen und T-Zellen exprimiert wird, setzt sich zusammen aus dem Signaltransduktionsmolekül Glykoprotein 130 (gp130) und der spezifischen IL-27Rα Kette, die auch WSX-1 oder TCCR (T-cell-cytokine-receptor) genannt wird (SHIBATA et al., 2010). Die IL-27Rα Kette wird ausschließlich auf Immunzellen wie T-Zellen, NK-Zellen, Mastzellen, Monozyten, neutrophilen Granulozyten und B-Zellen exprimiert (PFLANZ et al., 2004; WIRTZ et al., 2005). T-Lymphozyten zeigen die höchste Expressionsrate des IL-27Rα (VILLARINO et al., 2005). Während IL-27 in der Lage ist, auch in Abwesenheit von gp130 an die Kette des IL-27R zu binden, kann eine erfolgreiche Signaltransduktion nur in Anwesenheit beider Untereinheiten erfolgen. LUCAS et al. (2003) konnten zeigen, dass durch Bindung von IL-27 an seinen Rezeptor die Signalübertragung über STAT1 und STAT3 erfolgt (LUCAS et al., 2003).

Physiologische und pathophysiologische Funktionen

IL-27 induziert die Produktion von IFN-γ in humanen T-Zellen und verstärkt in Kombination mit IL-12 die Entwicklung der Th1-Immunantwort. Ebenso inhibiert IL-27 die

Differenzierung der Th17 Zellen (BATTEN et al., 2006; STUMHOFER et al., 2006). Auf der einen Seite hemmt IL-27 die Differenzierung von T-Helferzellen zu Th2 über eine Blockade des Transkriptionsfaktors GATA3, auf der anderen Seite induziert es die Entwicklung von Th1 über T-bet (YOSHIMOTO et al., 2007; PFLANZ et al., 2002; TAKEDA et al., 2003).

Die suppressiven Effekte sind abhängig vom STAT1-Signaltransduktionsweg. Eine In-vivo-Studie zeigte, dass IL-27R-defiziente Mäuse durchaus in der Lage sind, eine Th1 Antwort aufzubauen, die z.B. ausreicht, um die Parasiten-Vermehrung bei einer Toxoplasma gondii Infektion zu unterdrücken. Allerdings entwickelten diese Mäuse eine tödliche Th-Zell-abhängige entzündliche Erkrankung im ZNS (VILLARINO et al., 2003). Auch die Infektion mit Leishmania donovani bei IL-27R-defizienten Mäusen resultiert in Th1-vermittelter Beseitigung des Parasiten, führt jedoch ebenfalls zur Entwicklung einer schweren Immunpathologie in der Leber (ROSAS et al., 2006). STUMHOFER et al. (2007) konnten nachweisen, dass IL-27 über einen STAT3 abhängigen Mechanismus die IL-10-Produktion induzieren kann (STUMHOFER et al., 2007).

Abbildung 2-7: Schematische Darstellung der Rezeptoren (modifiziert nach ABBAS, 2010, und NING-WEI, 2010)