Genetic decoupling of NINJ1-mediated cell lysis from developmental hydrocephalus reveals the physiological role of the α1 domain

In jeder lebenden Zelle fungiert eine schützende Haut, die Plasmamembran, als lebenswichtige Barriere, die die internen Mechanismen der Zelle sicher und getrennt von der Außenwelt hält. Wenn eine Zelle auf eine spezifische, gewaltsame Weise stirbt, die als Pyroptose bekannt ist, wird diese Haut nicht nur beschädigt; sie wird zertrümmert. Dieser Bruch setzt eine Flut interner Signale frei, die das Immunsystem vor Gefahr warnen, aber er löst auch eine Kettenreaktion von Entzündungen aus. Ein Protein namens NINJ1 sitzt auf der Oberfläche dieser Zellen und fungiert als der Hauptschalter für dieses Zertrümmern. Ohne NINJ1 bleibt die Membran intakt, selbst nachdem die Zelle gestorben ist, wodurch die Freisetzung dieser Entzündungssignale verhindert wird. Wissenschaftler wollten diesen Prozess schon lange an Mäusen untersuchen, um zu verstehen, wie Entzündungen Krankheiten vorantreiben, aber es gab ein großes Hindernis: Mäuse, denen das NINJ1-Protein vollständig fehlt, leiden oft an einer schweren Gehirnerkrankung namens Hydrocephalus, bei der sich Flüssigkeit im Schädel ansammelt, was viele von ihnen vor der Nutzung in der Forschung sterben lässt. Dies machte es nahezu unmöglich, große Gruppen dieser Mäuse für große Experimente zu züchten.

Ein Team von Forschern bei Genentech und der Australian National University hat dieses Problem nun gelöst, indem sie eine neue Art von Maus geschaffen haben, die sich in ihrer Immunantwort wie eine NINJ1-defiziente Maus verhält, aber vollkommen gesund aufwächst. Sie konzentrierten sich auf einen spezifischen, kleinen Abschnitt des NINJ1-Proteins, ein gekrümmtes Segment nahe dem Anfang des Moleküls, das als Alpha-1-Domäne bekannt ist. Durch eine winzige, präzise Änderung im genetischen Code dieses spezifischen Abschnitts erschufen sie eine Maus, die nicht in der Lage ist, ihre Zellmembranen beim Sterben aufzubrechen, genau wie eine Maus, der gar kein NINJ1 fehlt. Im Gegensatz zu den Mäusen ohne NINJ1 entwickeln sich diese neuen Mäuse jedoch normal und leiden nicht unter Hydrocephalus. Diese Entdeckung beweist, dass der Teil des Proteins, der für das Aufbrechen der Zellen verantwortlich ist, von dem Teil verschieden ist, der für eine gesunde Gehirnentwicklung benötigt wird.

Um zu verstehen, wie sie dies erreicht haben, muss man zuerst betrachten, wie das NINJ1-Protein funktioniert. In einer gesunden, lebenden Zelle sitzt NINJ1 ruhig auf der Oberfläche. Wenn die Zelle ein Todessignal erhält, verändert NINJ1 seine Form und lagert sich zu langen, engen Ketten oder Filamenten zusammen. Diese Filamente wirken wie ein Reißverschluss oder ein Keil, der die Zellmembran auseinanderdrängt und sie zum Platzen bringt. Die Forscher wussten, dass eine spezifische Aminosäure, ein Baustein des Proteins, die sich an Position 45 innerhalb dieser Alpha-1-Domäne befindet, entscheidend für diese Montage ist. In früheren Experimenten mit in einer Petrischale gezüchteten Zellen stoppte die Änderung dieses einzelnen Bausteins von einem Lysin zu einem Glutamin die Bildung der Ketten, die für das Aufreißen der Membran nötig sind. Das Team entschied zu testen, ob diese gleiche Änderung auch in einem ganzen lebenden Tier funktionieren würde.

Sie verwendeten ein modernes Gen-Editing-Werkzeug, um genau diese Änderung in die DNA von Mäusembryonen einzuführen. Das Ergebnis war eine Linie von Mäusen, die sie Ninj1K45Q nannten, welche diese spezifische Mutation auf beiden Kopien ihres Gens trugen. Als die Forscher die Immunzellen dieser Mäuse untersuchten, fanden sie, dass die Zellen normal aussahen und sich normal verhielten. Das NINJ1-Protein war in den korrekten Mengen auf der Oberfläche vorhanden. Wenn sie jedoch die Zellen durch verschiedene Methoden zum Tod brachten, wie etwa durch die Exposition gegenüber bakteriellen Toxinen oder Chemikalien, die den Zelltod induzieren, weigerten sich die Zellen jedoch zu platzen. Anstatt zu reißen und ihren Inhalt freizusetzen, schrumpften die Zellen einfach und blieben intakt. Dies bestätigte, dass die Mutation erfolgreich die Fähigkeit des Proteins außer Kraft gesetzt hatte, die Membran aufzubrechen, was effektiv den Effekt des Fehlens von NINJ1 nachahmte.

Die Forscher testeten dann, ob diese Mutation andere verwandte Proteine beeinflusste. Sie betrachteten NINJ2, ein Cousin-Protein, das eine ähnliche Struktur und Sequenz aufweist. Einige frühere Studien hatten suggeriert, dass NINJ2 ebenfalls eine Rolle beim Zellplatzen spielen könnte, vielleicht als Backup oder Regulator. Das Team erstellte Mäuse, denen NINJ2 vollständig fehlte, und stellte fest, dass diese Mäuse keinen Unterschied darin zeigten, wie ihre Zellen aufbrachen, im Vergleich zu normalen Mäusen. Selbst als sie sowohl NINJ1 als auch NINJ2 entfernten, verhielten sich die Zellen exakt so, wie wenn nur NINJ1 fehlte. Dies widerlegte die Idee, dass NINJ2 beim Aufbrechen dieser spezifischen Immunzellen half, und bestätigte, dass NINJ1 der alleinige Treiber dieses Prozesses in diesem Kontext ist.

Der wahre Durchbruch kam jedoch, als die Forscher die allgemeine Gesundheit der Mäuse untersuchten. Mäuse, denen das NINJ1-Protein vollständig fehlt, haben ein gut dokumentiertes Problem: Etwa die Hälfte von ihnen stirbt kurz nach der Geburt, und viele der Überlebenden haben vergrößerte Köpfe aufgrund von Flüssigkeitsansammlungen im Gehirn. Dieser Hydrocephalus war ein großer Engpass, der Wissenschaftler daran hinderte, die großen Mengen an Mäusen aufzuziehen, die für komplexe Krankheitsstudien benötigt werden. Als das Team ihre neuen Ninj1K45Q-Mäuse untersuchte, waren die Ergebnisse bemerkenswert. Diese Mäuse wurden in der erwarteten Anzahl geboren, überlebten bis ins Erwachsenenalter und zeigten keine Anzeichen von Hydrocephalus oder anderen Entwicklungsstörungen. Ihre Köpfe hatten eine normale Größe und Form.

Um sicherzustellen, dass dies nicht nur ein Zufall war, testeten die Forscher die Mäuse in einem Modell der Leberverletzung. Sie injizierten den Mäusen eine Substanz, die den Tod von Leberzellen verursacht, ein Prozess, der normalerweise zu einer massiven Freisetzung von Entzündungssignalen und Leberschäden in Standardmäusen führt. In den neuen mutierten Mäusen starben die Leberzellen, aber da das NINJ1-Protein die Membran nicht aufbrechen konnte, wurden die Entzündungssignale nicht freigesetzt. Folglich war der Leberschaden signifikant reduziert. Dies bewies, dass die Mutation die Entzündungskaskade in einem lebenden Tier erfolgreich stoppte, genau wie es in den Zellen in der Petrischale der Fall war.

Die Forscher erstellten auch einen zweiten Typ von Mutantenmaus, um einen anderen Teil des Proteins zu testen. Sie änderten einen anderen Baustein, Tryptophan an Position 29, von dem zuvor angenommen wurde, dass er daran beteiligt ist, wie Zellen aneinander haften. Diese Mäuse, die Ninj1W29A genannt wurden, wuchsen ebenfalls gesund und ohne Hydrocephalus auf. Im Gegensatz zur ersten Gruppe brachen ihre Zellen jedoch dennoch normal auf, wenn sie starben. Dies sagte den Wissenschaftern, dass das Tryptophan an Position 29 nicht essenziell für die membranbrechende Funktion ist, das Lysin an Position 45 jedoch schon.

Diese Erkenntnisse ermöglichen es Wissenschaftlern, endlich zwei unterschiedliche Aufgaben zu trennen, die NINJ1 erfüllt. Eine Aufgabe ist das Aufbrechen der Zellmembran, um Entzündungssignale freizusetzen – eine Funktion, die die Alpha-1-Domäne und das spezifische Lysin an Position 45 erfordert. Die andere Aufgabe ist die Gewährleistung der normalen Gehirnentwicklung – eine Funktion, die nicht die membranbrechende Fähigkeit benötigt, aber verloren geht, wenn das gesamte Protein fehlt. Die neuen Ninj1K45Q-Mäuse besitzen die defekte Membranfunktion, behalten aber die gesunde Entwicklungsfunktion bei. Das bedeutet, dass Forscher nun große Kolonien dieser Mäuse züchten können, um zu untersuchen, wie das Zellplatzen Krankheiten wie Sepsis, Autoimmunerkrankungen oder Infektionen vorantreibt, ohne sich um den störenden Faktor von Entwicklungsfehlern im Gehirn sorgen zu müssen.

Die Studie klärte auch die Rolle des NINJ2-Proteins. Indem sie zeigten, dass Mäuse, denen NINJ2 fehlt, keine Probleme mit dem Zellplatzen haben, lieferten die Forscher einen starken Beweis dafür, dass NINJ2 in diesen Immunzellen keine signifikante Rolle in diesem Prozess spielt, zumindest unter den getesteten Bedingungen. Dies hilft dabei, den Fokus für die zukünftige Forschung einzugrenzen, indem es darauf hindeutet, dass Bemühungen zum Verständnis des Zellplatzens auf NINJ1 konzentriert werden sollten.

Im größeren Bild bietet diese Arbeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft ein leistungsfähiges neues Werkzeug. Jahrelang hat die Unfähigkeit, große Zahlen gesunder NINJ1-defizienter Mäuse zu produzieren, den Umfang der Forschung zu entzündlichen Krankheiten begrenzt. Das neue Mausmodell beseitigt diese Barriere. Es ermöglicht Wissenschaftlern, die spezifischen Folgen des Stoppens des Zellplatzens in einem lebenden Organismus zu untersuchen, ohne den einschränkenden Faktor von Entwicklungsfehlern im Gehirn. Die Forscher haben demonstriert, dass es möglich ist, die zerstörerische Kraft des Zellplatzens genetisch von den essenziellen Prozessen der Entwicklung zu entkoppeln. Dies öffnet die Tür für präzisere Untersuchungen darüber, wie Entzündungen funktionieren und wie sie kontrolliert werden könnten, was einen klareren Weg zum Verständnis und zur Behandlung von Krankheiten ebnet, bei denen unkontrollierte Entzündungen Schaden anrichten. Die Arbeit ist ein klares Beispiel dafür, wie präzise Gentechnik ein praktisches Problem in der Forschung lösen kann, indem sie ein schwer zu untersuchendes biologisches Phänomen in ein handhabbares und robustes experimentelles System verwandelt.