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

Wanneer het lichaam een ernstige infectie tegemoet treedt, moet het op een koord dansen. Het moet een krachtige verdediging oproepen om de binnendringende ziektekiemen te bestrijden, maar als die verdediging te agressief wordt, kan deze zich tegen het lichaam zelf keren, wat leidt tot orgaanfalen en de dood. Deze gevaarlijke overreactie is een kenmerk van sepsis, een toestand waarbij het immuunsysteem zijn vermogen verliest om zijn respons te kalibreren. Aan de frontlinie van deze strijd staan gespecialiseerde sensoren op het oppervlak van immuuncellen. Deze sensoren werken als deurbellen die het alarm doen rinkelen wanneer ze tekenen van bacteriën detecteren. Eén dergelijke sensor, genaamd CD14, werkt nauw samen met een andere, TLR4, om een veelvoorkomend bacterieel component te herkennen en de ontstekingsreactie te triggeren. Het lichaam heeft ingebouwde mechanismen om deze sensoren uit te schakelen zodra de klus geklaard is, om te voorkomen dat het alarm eeuwig blijft rinkelen. Dit proces van het uitschakelen van de sensoren houdt in dat ze worden gemarkeerd voor verwijdering, een beetje zoals een "verwijder"-sticker op een pakket plakken zodat het recyclingcentrum van de cel weet dat het afgebroken moet worden. Als dit recyclingsysteem faalt, stapelen de sensoren zich op, blijft het alarm rinkelen en lijdt het lichaam aan ongecontroleerde ontsteking.

Onderzoekers weten al lang dat een eiwit genaamd prohibine 1, of PHB1, helpt bij het beheren van dit recyclingsproces voor de CD14-sensor. Echter, een nieuwe studie van wetenschappers van de Shanghai Jiao Tong Universiteit en de Fudan Universiteit onthult dat PHB1 zelf fragiel is en bescherming nodig heeft om zijn werk te kunnen doen. Het team ontdekte dat een ander eiwit, USP13, fungeert als een bewaker voor PHB1. Wanneer het lichaam onder de stress van sepsis staat, dalen de niveaus van dit bewaker-eiwit. Zonder voldoende USP13 breekt PHB1 te snel af. Dit laat de CD14-sensoren zonder hun manager achter, waardoor ze zich op het celoppervlak ophopen. Het resultaat is een ongecontroleerd ontstekingssignaal dat de longen beschadigt en het risico op overlijden vergroot. De onderzoekers ontdekten dat het herstellen van de PHB1-niveaus, zelfs wanneer de bewaker ontbreekt, de storm kon kalmeren en de overlevingskansen in diermodellen verbeterde. Dit werk identificeert een specifieke keten van gebeurtenissen die controleert hoe het immuunsysteem zijn eigen alarm uitzet, wat een nieuw begrip biedt in waarom sepsis volledig uit de hand loopt.

De reis naar deze ontdekking begon met een blik op menselijke data. De onderzoekers analyseerden genetische informatie uit bloedmonsters van eenen vijftig-en-een patiënten met sepsis en tweeëntwintig gezonde mensen. Ze ontdekten dat het gen voor USP13 aanzienlijk stiller was bij de patiënten met sepsis vergeleken met de gezonde groep. Om er zeker van te zijn dat dit niet slechts een bijeffect was van te veel witte bloedcellen die tijdens een infectie circuleren, pasten ze hun analyse aan, en de daling van USP13 bleef duidelijk aanwezig. Ze keken ook naar een kleine groep oudere patiënten die werden opgenomen in een ziekenhuis in Shanghai, waarbij ze hen volgden vanaf het moment van hun sepsis-diagnose tot een week later. Bij deze patiënten waren de niveaus van USP13 laag aan het begin, maar vertoonden ze tekenen van herstel naarmate zij de vroege stadia van hun ziekte doorliepen. Dit patroon suggereerde dat het verlies van USP13 een echt kenmerk van de ziekte was, en niet slechts een willekeurige fluctuatie.

Om te begrijpen wat er gebeurt als dit eiwit ontbreekt, stapte het team over op laboratoriummodellen. Ze kweekten menselijke longcellen in schalen en verminderden de hoeveelheid USP13 die deze produceerden. Wanneer deze cellen werden blootgesteld aan een bacterieel toxine dat bekend staat om het triggeren van ontstekingen, leden de cellen die minder USP13 hadden veel meer schade. Ze produceerden meer schadelijke moleculen genaamd reactieve zuurstofcomponenten, die werken als roest binnen de cel, en ze vertoonden tekenen van veel sneller sterven dan normale cellen. De cellen kwamen ook hogere concentraties ontstekingschemische stoffen vrij, zoals TNF-alfa en IL-6, die de manier van het lichaam zijn om om hulp te roepen, maar die in overmaat destructief kunnen worden. Deze experimenten bevestigden dat cellen zonder USP13 de stress van een infectie niet zo goed konden aanpakken als ze zouden moeten kunnen.

De wetenschappers onderzochten vervolgens hoe USP13 de cel beschermt. Ze ontdekten dat USP13 fysiek bindt aan PHB1. In de taal van de celbiologie dragen eiwitten vaak kleine labels genaamd ubiquitine die hen markeren voor vernietiging. Het team toonde aan dat wanneer USP13 aanwezig is, het deze labels van PHB1 verwijdert, waardoor het effectief wordt gered van afbraak. Zonder USP13 wordt PHB1 veel sneller gemarkeerd en vernietigd. Deze relatie werd bewezen door aan te tonen dat een versie van USP13 die het vermogen had verloren om deze labels te knippen, niet langer in staat was om PHB1 te beschermen. Het resultaat was een duidelijke commandoketen: USP13 houdt PHB1 stabiel, en PHB1 is nodig om de CD14-sensoren te beheren.

Om te zien of deze keten standhield in een levend dier, gebruikten de onderzoekers muizen. Ze injecteerden een virus in de aderen van de muizen om de niveaus van ofwel USP13 of PHB1 te verlagen. Wanneer deze muizen later een dosis bacterieel toxine kregen om sepsis na te bootsen, stierven zij in veel hogere mate dan normale muizen. Hun bloed zat vol met hoge concentraties ontstekingschemische stoffen, en hun longen vertoonden tekenen van ernstige stress en celsterfte. Dit bewees dat het verlies van één van de twee delen van het paar de dieren veel kwetsbaarder maakte voor de infectie.

Het meest cruciale deel van de studie was het testen of de schade veroorzaakt door het verlies van USP13 kon worden hersteld door PHB1 te herstellen. De onderzoekers creëerden muizen die geen USP13 hadden, maar gaven hen vervolgens een dosis PHB1 via een virale vector. Deze muizen overleefden de sepsis-uitdaging in veel hogere mate dan de muizen die beide eiwitten misten. Hun niveaus van ontstekingschemische stoffen daalden en hun longen zagen er gezonder uit. Om de bevindingen nog relevanter te maken voor de praktijk, testten ze ook een versie van PHB1 die direct in het lichaam geïnjecteerd kon worden, in plaats van te vertrouwen op genetische manipulatie. Wanneer ze dit eiwit gaven aan muizen die al stilgelegd waren voor USP13, verminderde het nog steeds de ontsteking en verbeterde het de overlevingskans, zelfs wanneer het uren na het begin van de infectie werd toegediend. Dit suggereerde dat het probleem veroorzaakt door de ontbrekende bewaker kon worden opgelost door simpelweg de werker te vervangen die hij moest beschermen.

Het team onderzocht ook hoe dit mechanisme werkte in een complexer model van sepsis, namelijk een waarbij een mengsel van menselijke fecale bacteriën in de buikholte van de muizen werd geïnjecteerd. Dit bootst een echte infectie na waarbij meerdere soorten bacteriën betrokken zijn, in plaats van slechts één toxine. De resultaten waren hetzelfde: muizen die een tekort hadden aan USP13 of PHB1 leden meer, en het herstellen van PHB1 redde hen. Bovendien toonden ze aan dat de relatie tussen deze eiwitten strikt eenrichtingsverkeer was. Het herstellen van PHB1 loste de problemen op die werden veroorzaakt door een gebrek aan USP13, maar het toevoegen van extra USP13 kon de problemen veroorzaakt door een gebrek aan PHB1 niet oplossen. Dit bevestigde dat PHB1 direct onder USP13 in de hiërarchie van controle staat.

Ten slotte volgden de onderzoekers het effect helemaal terug naar de CD14-sensoren. Ze ontdekten dat wanneer PHB1 ontbrak, de CD14-sensoren niet werden gemarkeerd voor verwijdering. In plaats daarvan stapelden ze zich op het oppervlak van de cellen. Deze accumulatie betekende dat de cellen hypergevoelig waren voor bacteriële signalen, wat leidde tot de excessieve ontsteking die de dieren doodde. Door PHB1 te herstellen, keerde het markeringsproces terug naar normaal, werden de sensoren weggehaald en werd de ontstekingsreactie weer onder controle gebracht.

Deze studie biedt geen onmiddellijk geneesmiddel voor sepsis, noch beweert het dat het geven van PHB1 aan patiënten een kant-en-klare therapie is. De onderzoekers merken er voorzichtig bij dat ze nog niet hebben vastgesteld wat de beste dosis, de timing en de langetermijnveiligheid van een dergelijke behandeling bij mensen zijn. Het werk biedt echter een duidelijk overzicht van een defect pad. Het laat zien dat het lichaam bij sepsis een beschermend eiwit verliest dat een ander eiwit stabiel houdt, wat op zijn beurt ervoor zorgt dat de sensoren van het immuunsysteem ongecontroleerd te werk gaan. Door dit specifieke verband te identificeren, biedt de studie een nieuw doelwit voor toekomstig onderzoek, wat suggereert dat therapieën die gericht zijn op het stabiliseren van deze keten van eiwitten, de dag kunnen komen waarop het lichaam weer controle kan krijgen over zijn eigen verdediging.