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Medizinische Klinik
Innere Medizin II
Hämatologie, Onkologie, klinische Immunologie und Rheumatologie

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Adresse: Otfried-Müller-Straße 10
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Translationale Onkologie

Sektion für Translationale Onkologie

Der Schwerpunkt unseres Labors liegt auf der Erforschung der Mechanismen der hämatopoetischen Differenzierung und der leukämogenen Transformation. Wir wenden multidisziplinäre Ansätze an, die verschiedene Forschungsbereiche abdecken.

Forschungsthemen

 1. Verständnis der Pathophysiologie von Syndromen des Knochenmarkversagens vor der Leukämie, insbesondere der schweren kongenitalen Neutropenie (CN, Kostmann-Syndrom). 

 

Kontakt

Arbeitsgruppenleitung

frontend.sr-only_#{element.contextual_1.children.icon}: Prof. Dr. Julia Skokova


frontend.sr-only_#{element.contextual_1.children.icon}: 07071 29-82168


frontend.sr-only_#{element.contextual_1.children.icon}: 07071 29-3675


E-Mail-Adresse: Julia.Skokowa@med.uni-tuebingen.de


2.Identifizierung neuer Genmutationen bei Patienten mit vererbter Neutropenie und Leukämie mittels NGS. 

Wir haben bei Patienten mit schwerer kongenitaler Neutropenie, die an Leukämie erkrankt sind, eine sehr hohe Häufigkeit von kooperativ erworbenen Mutationen in CSF3R und RUNX1 festgestellt.

 

 

 3. Verständnis der Mechanismen der durch G-CSF ausgelösten myeloischen Differenzierung.

Wir fanden heraus, dass der Lymphoid Enhancer-binding Factor 1 (LEF-1) in granulozytären Vorläuferzellen von CN-Patienten stark herunterreguliert war, was zu einem Reifungsstopp der Granulopoese im Promyelozytenstadium aufgrund einer fehlerhaften Aktivierung von C/EBPa führte (Nature Medicine, 2006). Wir haben auch gezeigt, dass LEF-1 bei CN-Patienten durch eine verstärkte Ubiquitinierung und Degradation des LEF-1-Proteins durch hyperaktiviertes STAT5 herunterreguliert wird (Blood, 2014).

 

 

Wir beschrieben auch das Protein HCLS1 (Hematopoietic Cell-specific Lyn-Substrate 1) als einen wichtigen Akteur bei der durch G-CSFR ausgelösten granulozytären Differenzierung von hämatopoetischen Zellen in vitro und in vivo.

HCLS1 wird in menschlichen myeloischen Zellen stark exprimiert, und die Behandlung mit G-CSF führte zur Phosphorylierung und Aktivierung des HCLS1-Proteins. HCLS1 interagiert zusammen mit seinem Bindungspartner HAX1 (HCLS1-associated protein X 1) mit dem Transkriptionsfaktor LEF-1, was zu einer nuklearen Translokation von LEF-1 und zur Aktivierung von LEF-1-Zielgenen führt. Diese Prozesse sind entscheidend für die myeloische Differenzierung. Bei Patienten mit schwerer kongenitaler Neutropenie (CN) sind die Expression und die Funktionen von HCLS1 stark herunterreguliert, was zu schwerwiegenden Defekten bei der Expression von LEF-1 und LEF-1-Zielgenen führt, gefolgt von einer beeinträchtigten Granulopoese (Nature Medicine, 2012).

Wir untersuchen die Mechanismen der Herunterregulierung von HCLS1 bei CN-Patienten im Gegensatz zu den Mechanismen und Folgen eines hyperaktivierten HCLS1-Proteins bei myeloischer Leukämie.

 

 

 4. Hämatopoetische Differenzierung von iPS-Zellen.

iPS-Zellen sind reprogrammierte somatische Zellen mit embryonalen Stammzellen (ES-Zellen), die durch die Einführung spezifischer Transkriptionsfaktoren in somatische Zellen erzeugt werden. ES/iPS-Zellen können dazu beitragen, den Prozess der normalen Embryogenese und den Differenzierungsprozess verschiedener Abstammungslinien, insbesondere in frühen Stadien, zu erforschen. Andererseits geht man davon aus, dass die iPS-Zelltechnologie, die krankheitsspezifische pluripotente Stammzellen erzeugt, in Kombination mit einer gezielten Zelldifferenzierung eingesetzt werden kann. Wir haben neutrophile Differenzierungssysteme aus humanen iPS-Zellen unter Verwendung eines Stromazell-Kokultursystems (Morishima T, et al. J Cell Physiol. 2011) und eines serum- und feederfreien Monolayerkultursystems (Morishima, T. et al. Haematologica. 2014) etabliert. Wir haben iPS-Zelllinien von einem Patienten mit schwerer kongenitaler Neutropenie (SCN) und HAX1-Genmangel erzeugt und gezeigt, dass die In-vitro-Differenzierung dieser vom Patienten stammenden iPS-Zellen den hämatologischen Phänotyp des Patienten rekapituliert. Darüber hinaus haben wir den HAX1-Genmangel in den vom Patienten stammenden iPS-Zellen durch lentivirale Transduktion mit HAX1-cDNA korrigiert und die Krankheitsdarstellung in den genkorrigierten Zellen erfolgreich zurückgehalten (Morishima, T. et al. Haematologica. 2014). Diese Ergebnisse zeigen, dass unser Kultursystem in Kombination mit der lentiviralen Gentransduktion ein nützliches Werkzeug zur Erleichterung der Krankheitsmodellierung für myeloische Zelllinien sein wird. Wir untersuchen nun den Mechanismus der normalen myeloischen Zelldifferenzierung und der Krankheitspathophysiologie in myeloischen Zelllinien mit Hilfe der iPS-Zelltechnologie.

 

 

 5. Posttranslationale Modifikation von Proteinen durch De-/Acetylierung und ihre Rolle bei hämatopoetischer Differenzierung und leukämogener Transformatio. 

Posttranslationale Modifikationen (PTM) sind entscheidend für die Regulierung der Funktionen vieler eukaryontischer Proteine. Zu den wichtigsten PTM gehören die Phosphorylierung, Lysinacetylierung, Ubiquitinierung und Methylierung. In den letzten zehn Jahren wurde die Lysin-Acetylierung bei einer Vielzahl von Proteinen gefunden, aber nicht so umfassend untersucht wie die Phophorylierung. Die posttranslationale De-/Acetylierung von Proteinen führt zur Aktivierung oder Deaktivierung ihrer Funktionen. Außerdem kann die Lysin-Acetylierung je nach Kontext mit anderen PTMs in einer agonistischen oder antagonistischen Weise zusammenwirken.

Vor kurzem haben wir die Nicotinamid-Phosphoribosyltransferase (NAMPT) als ein wesentliches Enzym identifiziert, das die durch den Granulozyten-Kolonie-stimulierenden Faktor (G-CSF) ausgelöste Granulopoese vermittelt. Die Behandlung mit G-CSF erhöht sowohl bei gesunden Personen als auch bei Patienten mit kongenitaler Neutropenie die intrazelluläre NAMPT-Konzentration und den Plasmaspiegel. NAMPT aktiviert die NAD(+)-abhängigen Sirtuine, die für die posttranslationale Deacetylierung vieler Transkriptionsfaktoren und Adaptorproteine verantwortlich sind (Nature Medicine, 2009).


 

 

Wir haben auch gezeigt, dass LEF-1 durch SIRT1, eine NAD+-abhängige Protein-Deacetylase, deacetyliert und deaktiviert wird. Wir untersuchen auch die Auswirkungen der De-/Acetylierung von LEF-1 auf die Ubiquitinierung. Wir untersuchen neue therapeutische Ansätze zur Modulation des LEF-1-Acetylierungsstatus (Behandlung mit NAMPT, Vitamin B3 und NAMPT-Inhibitor) zur Verbesserung/Korrektur der hämatopoetischen Differenzierung bei gesunden Personen, CN, CN/AML und de novo AML-Patienten.

Wir untersuchen die Mechanismen der Herunterregulierung von HCLS1 bei CN-Patienten im Gegensatz zu den Mechanismen und Folgen des hyperaktivierten HCLS1-Proteins bei myeloischer Leukämie. Wir konzentrieren uns auf die durch GCSF ausgelöste Aktivierung von HCLS1 über die NAD+/NAMPT/SIRT-Deacetylierung und die Überschneidungen zwischen Phosphorylierung und De-/Acetylierung bei der HCLS1-Aktivierung.

 6. In-vivo-Modellierung von Leukämie und Neutropenie in humanisierten NGS-Mäusen

Wir sind dabei, ein humanisiertes NGS-Mausmodell für Leukämie und Neutropenie zu entwickeln.

 

 

 7. Bewertung der Rolle von IFNß-Signalen und Neutrophilen bei Entzündung und Tumorentstehung. Der Mechanismus der Typ-I-Interferon-vermittelten Polarisierung von tumorassoziierten Neutrophilen in Mäusen und Menschen.

Neutrophile sind die am häufigsten vorkommenden weißen Blutkörperchen und spielen eine Schlüsselrolle bei Entzündungsreaktionen des Wirts. Wichtig ist, dass Entzündungen mit einer erhöhten Anfälligkeit für Krebs in Verbindung gebracht werden, und dass Neutrophile als entscheidender Bestandteil dieses Prozesses eine wesentliche Rolle bei der entzündungsbedingten Tumorentstehung spielen. Diese Zellen sind auch ein unabhängiger prognostischer Marker bei einer Vielzahl von Neoplasien, z. B. korreliert eine hohe Anzahl von intra-tumoralen Neutrophilen sowohl bei lokalisierten als auch bei metastasierten Nierenzellkarzinomen mit einer negativen Prognose.

Die Mikroumgebung des Tumors stellt eine besondere Nische dar, die die infiltrierenden Immunzellen extrem beeinflusst. Das Konzept der Immunzellpolarisierung wurde zuerst für Makrophagen beschrieben (Anti-Tumor M1/Pro-Tumor M2). Kürzlich wurde eine Polarisierung von Neutrophilen postuliert, da diese Zellen verschiedene Funktionen in der Tumormikroumgebung zu haben scheinen, darunter solche, die das Tumorwachstum fördern (N2) oder hemmen (N1).

Zuvor konnten wir zeigen, dass sich in Tumoren von Mäusen, denen endogene Typ-I-IFNs fehlen, eine deutlich erhöhte Anzahl von Neutrophilen ansammelt. Solche TANs unterstützen nicht nur effizient die Tumorangiogenese und das Tumorwachstum, indem sie pro-angiogene Moleküle (VEGF und MMP9) hochregulieren, sondern sezernieren auch höhere Mengen an Neutrophilen anlockenden Chemokinen und zeigen eine verlängerte Überlebenszeit im Vergleich zu ihren WT-Pendants. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass Neutrophile, die für den Tumor arbeiten, metastatische Prozesse effizient unterstützen, da sie pro-metastatische Proteine wie Bv8, MMP9, S100A8 und S100A9 hochregulieren und die direkte Abtötung von Tumorzellen durch Neutrophile hemmen. Insgesamt haben unsere Daten gezeigt, dass IFN-β ein N1-förderndes Zytokin ist.

Hier fügen wir weitere Beweise hinzu, die die Bedeutung von Typ-I-IFNs für die Polarisierung von Neutrophilen in der Tumormikroumgebung unterstreichen, und zeigen mögliche Mechanismen auf, die für dieses Phänomen verantwortlich sind. In Ifnb1-/- Mäusen beobachten wir eine signifikante Herabregulierung der neutrophilen Marker gegen den Tumor, wie ICAM1 und TNF-α. Darüber hinaus zeigen die Neutrophilen eine verminderte Bildung von NETs, begleitet von einer geringeren Fähigkeit zur Tumorabtötung. Unter diesen Bedingungen wird ein massiv erhöhter Neutrophilenumsatz in Kombination mit einer Anhäufung unreifer Neutrophiler beobachtet. Wichtig ist, dass eine therapeutische Intervention bei Mäusen mit niedrig dosiertem IFN-β eine Anti-Tumor-Aktivierung der Neutrophilen in den Tumoren und in der prämetastatischen Lunge bewirkt. Entsprechend wurden bei menschlichen Melanompatienten, die sich einer Typ-I-IFN-Therapie unterzogen, die antitumoralen Eigenschaften der Neutrophilen verstärkt, was auf einen wirksamen Therapieerfolg hindeutet, der weiter untersucht werden sollte, um den therapeutischen Einsatz von Typ-I-IFNs zu optimieren.

Die erhöhte Neutrophilenzahl in Ifnb1-/-Mäusen ist wahrscheinlich auf eine signifikante Hochregulierung der G-CSF-Expression in Neutrophilen aus verschiedenen anatomischen Kompartimenten in Ifnb1-/-Mäusen mit Tumor zurückzuführen. In Übereinstimmung damit werden signifikant erhöhte Serumspiegel von G-CSF beobachtet. Kürzlich konnten wir zeigen, dass G-CSF die Synthese von NAMPT induziert, einem ratenlimitierenden Enzym, das Nicotinamid (NA) in NAD+ umwandelt, das wiederum die NAD+-abhängigen Protein-Deacetylasen Sirtuine (SIRTs) aktiviert. NAMPT dient als Inhibitor der neutrophilen Apoptose und als neutrophiles Chemoattraktionsmittel (CXCL8-Hochregulierung beim Menschen). Es ist ein potenter pro-inflammatorischer Faktor (Hochregulierung der ROS-Freisetzung) und pro-angiogener Faktor (Reifung der glatten Muskulatur). Unsere Ergebnisse zeigen nicht nur erhöhte G-CSF-Spiegel, sondern auch NAMPT und SIRT1 in Mäusen mit Ifnb1-/--Tumoren. Dies korreliert mit erhöhter Tumorangiogenese, Wachstum und Metastasierung.

Da tumorassoziierte neutrophile Granulozyten (TANs) ein hochwirksames therapeutisches Ziel darstellen, unterstreichen diese Daten das therapeutische Potenzial von Interferonen und NAMPT-Inhibitoren und legen eine Optimierung ihres klinischen Einsatzes als wirksame Antitumormittel nahe.

Interview mit Prof. Skokowa zu neuen Erkenntnissen über neuartige Proteintherapeutika gegen Immundefekte und Leukämie

Proteine haben zahlreiche Funktionen im menschlichen Körper. So spielt beispielsweise eine bestimmte Gruppe, die Zytokine, eine wichtige Rolle bei der Produktion von Blutzellen. Diese Zellen werden im Knochenmark aus Stammzellen gebildet, die durch Zytokine reguliert werden, die die Zellteilung, das Zellwachstum und die Reifung zu reifen Blutzellen anregen. Gemeinsam mit Dr. M. ElGamacy, der am Max-Planck-Institut für Biologie und in der Sektion für Translationale Onkologie am Universitätsklinikum tätig ist, hat sich die Gruppe von Prof. Dr. Julia Skokowa, Leiterin der Sektion für Translationale Onkologie der Abteilung Innere Medizin II des Universitätsklinikums Tübingen, zum Ziel gesetzt, das Problem der sehr spärlichen Verfügbarkeit von Zytokinen zu lösen. Ihr Ziel ist es, neue Zytokine für die Behandlung menschlicher Krankheiten zu entwickeln, wie hämatopoetische Stammzellerkrankungen - vererbte und erworbene Immundefekte und Leukämie. Steven Pohl, Kommunikationsreferent am Universitätsklinikum, hatte die Gelegenheit, mit Prof. Skokowa über neue Studienergebnisse zu sprechen, die kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature communications veröffentlicht wurden.

Prof. Dr. Julia Skokowa, Leiterin der Sektion für Translationale Onkologie der Abteilung Innere Medizin II des Universitätsklinikums Tübingen

Genetische oder erworbene Defekte in den Zytokinen, ihren Rezeptoren oder der nachgeschalteten Signalübertragung können zu schweren, oft lebensbedrohlichen Krankheiten führen, wie z. B. Knochenmarkversagen, Störungen der Stammzellenregeneration nach einer Transplantation oder Leukämie. Trotz des fundierten Wissens über die Biologie, Struktur und Funktionen der Zytokine werden nur wenige therapeutisch genutzt. So zeigten z.B. Wirkstoffe, die bereits im Einsatz sind, nicht immer die gewünschte Aktivität, Stabilität oder Spezifität.

Ja! Eines der wenigen rekombinanten humanen Zytokine, die weltweit zur Behandlung von Patienten und Patientinnen mit Erkrankungen der weißen Blutkörperchen und zur Transplantation hämatopoetischer Stammzellen eingesetzt werden, ist der Granulozyten-Kolonie-stimulierende Faktor (G-CSF), der jedes Jahr weltweit Millionen von Leben rettet. G-CSF wurde 1987 von Prof. Karl Welte entdeckt. Er war auch der erste, der G-CSF zur Behandlung von Patienten und Patientinnen mit Erkrankungen der weißen Blutkörperchen einsetzte. Als Seniorprofessor am Universitätsklinikum Tübingen forscht Prof. Welte weiter an der Biologie der Zytokine und Blutkrankheiten und arbeitet mit meiner Forschungsgruppe zusammen.

Es gibt leider nur sehr wenig klinisch zugelassene und wirksame Zytokine. Gemeinsam mit Dr. ElGamacy arbeiten wir daran, das Problem der äußerst geringen Verfügbarkeit von Zytokinen für die Therapie von Krankheiten zu lösen. Obwohl viele Patienten und Patientinnen mit Blutkrankheiten von Therapie mit G-CSF profitieren, warten immer noch viele auf spezifische Behandlungen, die mit G-CSF nicht behandelt werden können. Unser Ziel ist es, durch modernes Proteindesign neue Zytokine, Zytokininhibitoren und andere therapeutische Proteine zu entwickeln, die in Bezug auf ihre Stabilität, Spezifität und Bindungsaffinität an ihre Rezeptoren besser sind als native Zytokine. Auch die Widerstandsfähigkeit gegenüber verschiedenen körpereigenen Enzymen, die normalerweise Zytokine spalten und zerstören wollen wir verbessern. Dieser Ansatz ist in Europa einzigartig und wird weltweit nur von wenigen Gruppen verfolgt.

Wir haben erfolgreich Analoga von G-CSF, also Zytokine mit ähnlicher struktureller und funktioneller Eigenschaften, entwickelt, die aber eine höhere Thermostabilität, stärkere Bindung an den G-CSF-Rezeptor und eine höhere Aktivität auf hämatopoetische Stammzellen aufweisen. Wir konnten zeigen, dass die von uns entwickelten Proteine die Bildung reifer weißer Blutkörperchen aus hämatopoetischen Stammzellen von Menschen stimulieren.

Zunächst müssen wir die immunogenen Wirkungen unserer Proteine sowie ihre Pharmakokinetik und Pharmakodynamik bewerten. Anschließend werden wir unsere Erkenntnisse in klinischen Studien umsetzen. Wir planen, Patienten und Patientinnen mit Erkrankungen der weißen Blutkörperchen mit diesen neu entwickelten Proteinen zu behandeln. Da designte Proteine sehr stabil, günstig und einfach herzustellen sind, wollen wir einen neuen Weg der Zytokinverabreichung erfinden - anstelle von subkutanen oder intravenösen Injektionen von Zytokinen, die zudem immer im Kühlschrank aufbewahrt werden müssen, können neu entwickelte Zytokine in Form von Tabletten gegeben. Bis heute gibt es keine oral einzunehmenden Zytokine. Die Verabreichung von Zytokinen in Form von Tabletten wird die Therapie-Bereitschaft der Patientinnen und Patienten deutlich verbessern und jene in Entwicklungsländern ohne Zugang zu Kühlschränken erreichen.

Darüber hinaus verwenden wir ein De-novo-Proteindesign für die Entwicklung weiterer therapeutischer Proteine mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten zur Behandlung hämatopoetischer, immunologischer und onkologischer Erkrankungen. Die aktuell veröffentlichte Arbeit ist ein Sprungbrett für unsere aktuellen Arbeiten zur Schaffung noch komplexerer Zytokine mit völlig neuen Funktionen zur Behandlung unheilbarer Krankheiten. Das therapeutische Potenzial des De-novo-Proteindesigns ist enorm, und unsere Ergebnisse liefern bereits erste Beispiele. Damit machen wir die ersten erfolgreichen Schritte zum Aufbau einer Nische für die translationale Forschung zu diesem Thema, indem wir auf einzigartige Weise computergestützte Ansätze mit translationaler Forschung verbinden.


Weiterführende Informationen finden Sie in der Nature-Veröffentlichung: https://www.nature.com/articles/s41467-022-30157-2 (Skokowa, J, et al. A topological refactoring design strategy yields highly stable granulopoietic proteins. Nature Communications, 26. Mai)

Das Interview führte Steven Pohl

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