USP13 stabilizes prohibitin 1 to support CD14 turnover and restrain TLR4-NLRP3 inflammatory signaling in sepsis

Wenn der Körper mit einer schweren Infektion konfrontiert wird, muss er auf einem Drahtseilakt wandeln. Er muss eine starke Verteidigung heraufbeschwören, um die eindringenden Keime zu bekämpfen, aber wenn diese Verteidigung zu aggressiv wird, kann sie sich gegen den eigenen Körper wenden und zu Organversagen und Tod führen. Diese gefährliche Überreaktion ist ein Kennzeichen der Sepsis, einem Zustand, bei dem das Immunsystem die Fähigkeit verliert, seine Reaktion zu kalibrieren. An der vordersten Front dieses Kampfes stehen spezialisierte Sensoren auf der Oberfläche von Immunzellen. Diese Sensoren fungieren wie Türklingeln, die Alarm schlagen, wenn sie Anzeichen von Bakterien erkennen. Ein solcher Sensor namens CD14 arbeitet eng mit einem anderen, TLR4, zusammen, um eine gemeinsame bakterielle Komponente zu erkennen und die Entzündungsreaktion auszulösen. Der Körper besitzt eingebaute Mechanismen, um diese Sensoren auszuschalten, sobald die Aufgabe erledigt ist, damit der Alarm nicht ewig weiterklingelt. Dieser Prozess des Ausschaltens der Sensoren beinhaltet das Markieren für die Entfernung, ein wenig so, als würde man ein Paket mit einem „Entsorgen“-Aufkleber versehen, damit das Recyclingzentrum der Zelle weiß, dass es es abbauen soll. Wenn dieses Recyclingsystem versagt, häufen sich die Sensoren an, der Alarm klingelt weiter und der Körper leidet unter unkontrollierter Entzündung.

Forscher wissen schon lange, dass ein Protein namens Prohibitin 1 oder PHB1 dabei hilft, diesen Recyclingprozess für den CD14-Sensor zu steuern. Eine neue Studie von Wissenschaftlern der Shanghai Jiao Tong University und der Fudan University zeigt jedoch, dass PHB1 selbst fragil ist und Schutz benötigt, um seine Aufgabe zu erfüllen. Das Team entdeckte, dass ein anderes Protein, USP13, als Wächter für PHB1 fungiert. Wenn der Körper unter dem Stress einer Sepsis steht, sinken die Spiegel dieses Wächterproteins. Oh die ausreichende Menge an USP13 bricht PHB1 zu schnell ab. Dies lässt die CD14-Sensoren ohne ihren Manager zurück, was dazu führt, dass sie sich auf der Zelloberfläche ansammeln. Das Ergebnis ist ein außer Kontrolle geratener Entzündungssignalweg, der die Lunge schädigt und das Sterberisiko erhöht. Die Forscher fanden heraus, dass die Wiederherstellung der PHB1-Spiegel – selbst wenn der Wächter fehlte – den Sturm beruhigen und die Überlebensraten in Tiermodellen verbessern konnte. Diese Arbeit identifiziert eine spezifische Kette von Ereignissen, die steuert, wie das Immunsystem seinen eigenen Alarm ausschaltet, und bietet ein neues Verständnis dafür, warum eine Sepsis außer Kontrolle gerät.

Der Weg zu dieser Entdeckung begann mit einem Blick auf menschliche Daten. Die Forscher analysierten genetische Informationen aus Blutproben von einundfünfzig Sepsis-Patienten und zweiundzwanzig gesunden Menschen. Sie fanden heraus, dass das Gen für USP13 bei den Sepsis-Patienten signifikant leiser war als in der gesunden Gruppe. Um sicherzustellen, dass dies nicht nur ein Nebeneffekt der hohen Anzahl zirkulierender weißer Blutkörperchen während einer Infektion war, passten sie ihre Analyse an, und der Abfall von USP13 blieb deutlich bestehen. Sie untersuchten auch eine kleine Gruppe älterer Patienten, die in einem Krankenhaus in Shanghai aufgenommen wurden, und verfolgten sie vom Zeitpunkt der Diagnose der Sepsis bis zu einer Woche später. Bei diesen Patienten waren die USP13-Spiegel zu Beginn niedrig, zeigten aber Anzeichen einer Erholung, während sie die frühen Stadien ihrer Erkrankung durchliefen. Dieses Muster deutete darauf hin, dass der Verlust von USP13 ein echtes Merkmal der Krankheit war und nicht nur eine zufällige Schwankung.

Um zu verstehen, was passiert, wenn dieses Protein fehlt, wandte sich das Team an Labormodelle. Sie züchteten menschliche Lungenzellen in Schalen und reduzierten die Menge an USP13, die diese produzierten. Als diese Zellen einem bakteriellen Toxin ausgesetzt wurden, das Entzündungen auslöst, erlitten jene, denen es an USP13 mangelte, wesentlich mehr Schäden. Sie produzierten mehr schädliche Moleküle, sogenannte reaktive Sauerstoffspezies, die wie Rost im Inneren der Zelle wirken, und sie zeigten Anzeichen eines viel schnelleren Absterbens als normale Zellen. Die Zellen setzten auch höhere Mengen an entzündlichen Chemikalien frei, wie etwa TNF-alpha und IL-6, die die Art und Weise des Körpers sind, um um Hilfe zu schreien, aber in Überschüssen zerstörerisch werden können. Diese Experimente bestätigten, dass die Zellen ohne USP13 die Belastung einer Infektion nicht so gut bewältigen konnten, wie sie es sollten.

Die Wissenschaftler untersuchten dann, wie USP13 die Zelle schützt. Sie fanden heraus, dass USP13 physisch an PHB1 bindet. In der Sprache der Zellbiologie tragen Proteine oft winzige Etiketten namens Ubiquitin, die sie für die Zerstörung markieren. Das Team zeigte, dass USP13, wenn es vorhanden ist, diese Etiketten von PHB1 entfernt und es somit effektiv vor dem Abbau rettet. Ohne USP13 wird PHB1 markiert und viel schneller zerstört. Diese Beziehung wurde dadurch bewiesen, dass eine Version von USP13, die die Fähigkeit verloren hatte, diese Etiketten zu schneiden, PHB1 nicht mehr schützen konnte. Das Ergebnis war eine klare Befehlskette: USP13 hält PHB1 stabil, und PHB1 wird benötigt, um die CD14-Sensoren zu managen.

Um zu sehen, ob diese Kette in einem lebenden Tier Bestand hat, verwendeten die Forscher Mäuse. Sie injizierten den Mäusen ein Virus in die Venen, um die Mengen an entweder USP13 oder PHB1 zu senken. Als diese Mäuse später eine Dosis eines bakteriellen Toxins erhielten, um eine Sepsis zu simulieren, starben sie in viel höherem Maße als normale Mäuse. Ihr Blut war voller hoher Mengen an entzündlichen Chemikalien, und ihre Lungen zeigten Anzeichen von schwerem Stress und Zelltod. Dies bewies, dass der Verlust eines der beiden Partner die Tiere viel anfälliger für die Infektion machte.

Der kritischste Teil der Studie war der Test, ob der durch den Verlust von USP13 verursachte Schaden durch die Wiederherstellung von PHB1 behoben werden konnte. Die Forscher erzeugten Mäuse, denen es an USP13 mangelte, gaben ihnen dann aber mittels eines viralen Vektors eine Dosis PHB1. Diese Mäuse überlebten die Sepsis-Herausforderung mit wesentlich höheren Raten als die Mäuse, denen beide Proteine fehlten. Ihre Werte für entzündliche Chemikalien sanken, und ihre Lungen sahen gesünder aus. Um die Ergebnisse für die reale Welt relevanter zu machen, testeten sie auch eine Version von PHB1, die direkt in den Körper injiziert werden konnte, anstatt sich auf genetische Manipulation zu verlassen. Als sie dieses Protein Mäusen gaben, die bereits für USP13 ausgeschaltet worden waren, reduzierte es immer noch die Entzündung und verbesserte das Überleben, selbst wenn es erst Stunden nach Beginn der Infektion verabreicht wurde. Dies deutete darauf an, dass das durch den fehlenden Wächter verursachte Problem gelöst werden konnte, indem man einfach den Arbeiter ersetzte, den er eigentlich schützen sollte.

Das Team untersuchte auch, wie dieser Mechanismus in einem komplexeren Modell der Sepsis funktioniert, nämlich in einem, bei dem eine Mischung aus menschlichen Darmbakterien in den Bauchraum der Mäuse injiziert wurde. Dies ahmt eine reale Infektion nach, bei der mehrere Arten von Bakterien beteiligt sind, anstatt nur eines einzelnen Toxins. Die Ergebnisse waren dieselben: Mäuse, denen USP13 oder PHB1 fehlte, litten stärker, und die Wiederherstellung von PHB1 rettete sie. Darüber hinaus zeigten sie, dass die Beziehung zwischen diesen Proteinen strikt einseitig war. Die Wiederherstellung von PHB1 behob die Probleme, die durch einen Mangel an USP13 entstanden waren, aber das Hinzufügen von extra USP13 konnte die Probleme, die durch einen Mangel an PHB1 verursacht wurden, nicht beheben. Dies bestätigte, dass PHB1 direkt unter USP13 in der Hierarchie der Kontrolle steht.

Schließlich verfolgten die Forscher den Effekt bis hin zu den CD14-Sensoren. Sie fanden heraus, dass, wenn PHB1 fehlte, die CD14-Sensoren nicht für die Entfernung markiert wurden. Stattdessen häuften sie sich auf der Oberfläche der Zellen an. Diese Akkumulation bedeutete, dass die Zellen gegenüber bakteriellen Signalen hyperempfindlich waren, was zu der übermäßigen Entzündung führte, die die Tiere tötete. Durch die Wiederherstellung von PHB1 kehrte der Markierungsprozess zum Normalzustand zurück, die Sensoren wurden entfernt und die Entzündungsreaktion wurde wieder unter Kontrolle gebracht.

Diese Studie bietet keine sofortige Heilung für Sepsis und behauptet auch nicht, dass die Gabe von PHB1 an Patienten eine fertige Therapie darstellt. Die Forscher weisen vorsichtig darauf hin, dass sie noch nicht die beste Dosierung, den optimalen Zeitpunkt und die langfristige Sicherheit einer solchen Behandlung beim Menschen ermittelt haben. Die Arbeit liefert jedoch eine klare Karte eines unterbrochenen Pfades. Sie zeigt, dass der Körper bei einer Sepsis ein schützendes Protein verliert, das wiederum ein anderes Protein stabil hält, welches es dem Immunsystem ermöglicht, seine Sensoren außer Kontrolle geraten zu lassen. Durch die Identifizierung dieser spezifischen Verbindung bietet die Studie ein neues Ziel für die zukünftige Forschung und legt nahe, dass Therapien, die darauf abzielen, diese Proteinkette zu stabilisieren, dem Körper eines Tages helfen könnten, die Kontrolle über seine eigenen Abwehrmechanismen zurückzugewinnen.