Inflammasom Signaling und chronische Entzündungsreaktionen

Hintergrund

Die Schlüsselfunktion des angeborenen Immunsystems ist es, Krankheitserreger möglichst frühzeitig zu erkennen und unmittelbar eine effektive Immunantwort auszulösen. Dabei bedient sich das angeborene Immunsystem einer Vielzahl von Keimbahnkodierten Rezeptoren und Sensoren. Eine besondere Klasse bilden die zytosolisch lokalisierten Inflammasom-Rezeptoren, die bei einer Aktivierung eine starke Entzündungsreaktion auslösen. Im Gegensatz zu anderen Rezeptoren des angeborenen Immunsystems sind sie in der Lage, Pathogene nicht nur direkt über deren molekulare Strukturen (PAMPs), sondern auch indirekt über deren Aktivität zu erkennen. Die indirekte Erkennung umfasst die Detektion von zellulären Schäden (DAMPs), die Aktivität von bakteriellen Enzymen und Veränderungen von essentiellen zellulären Funktionen. Die Überwachung des zellulären Status stellt sicher, dass eine Immunantwort auch dann ausgelöst wird, wenn ein Pathogen sich einer direkten Erkennung entzieht, beispielsweise indem sich die Pathogene in gesonderten Kompartimenten replizieren.
Die Bandbreite an Aktivierungsmechanismen hat allerdings auch zur Folge, dass einige Rezeptoren auch in Abwesenheit eines Pathogens aktiviert werden können. Das geschieht beispielsweise durch DAMPs, die bei einer zellulären Stressantwort auf Umweltschadstoffe oder metabolischen Veränderungen gebildet werden. Darüber hinaus können ‚gain-of-function‘-Mutationen in den Komponenten der Inflammasome auch eine Autoaktivierung der Signaltransduktionskette hervorrufen. Inflammasom-Rezeptoren spielen deswegen nicht nur eine wesentliche Rolle in der Bekämpfung von diversen Infektionskrankheiten, sondern stehen auch im Zusammenhang mit einer Vielzahl von chronischen Entzündungen und Autoimmunerkrankungen [1, 2]. Gerade im Hinblick auf die Entwicklung und Verbesserung von Therapien für Patienten ist das Verständnis der Aktivierungs- und Regulationsmechanismen von Inflammasom-Rezeptoren essentiell.
Ein Alleinstellungsmerkmal von Inflammasom-Rezeptoren ist, dass die Aktivierung zur Bildung einer Signalplattform – dem sogennanten Inflammasom – führt. Mechanistisch besteht ein Inflammasom aus zwei bis drei verschiedenen Proteineinheiten: Ein aktivierter Inflammasom-Rezeptor (I) rekruitiert entweder indirekt über das Adaptorprotein apoptosis-associated speck-like protein containing a caspase recruitment domain (ASC) (II) oder direkt die Effektorprotease Caspase 1 (III), welche die weitere Signalkaskade auslöst [3, 4] (Abb. 1).

Sensor, Adaptor und Effektor-Caspase sind meistens konstitutiv exprimiert, wodurch die ausgelöste Immunantwort besonders schnell ist, da es keiner transkriptionellen Hochregulation bedarf. Dies macht das Inflammasom auch weniger anfällig für Inhibitionen durch Fremdeingriffe in die Transkriptionsmaschinerie.
Wie oben beschrieben, gibt es verschiedene Sensoren, die ein Inflammasom induzieren können. Dazu gehören NOD-like Rezeptoren (NLRs), AIM2-like Rezeptoren (ALRs) und Pyrin. NLRs bestehen aus C-terminalen Leucine-Rich Repeats (LRRs), gefolgt von einer Nucleotide-binding and oligomerization (NACHT)-Domäne und einer N-terminalen Domäne, die zur Death domain (DD)-Superfamilie gehört. Dabei wird zwischen zwei Untergruppen der DD unterschieden: Caspase recruitment domain (CARD) und pyrin domain (PYD). Abhängig von der Untergruppe der DD werden auch NLRs in zwei Untergruppen – NLRCs und NLRPs – eingeteilt [5]. ALRs bestehen aus einer N-terminalen PYD-Domäne und einer oder mehreren C-terminalen HIN-200-Domänen [6]. Pyrin, auch bekannt als TRIM20, besteht aus vier Domänen: der N-terminalen PYD, gefolgt von der B-Box und einer Coiled-coil-Domäne und einer C-terminalen B30.2-Domäne.
Wird ein PAMP oder DAMP erkannt, kommt es entweder zu Konformationsänderungen innerhalb oder zu proteolytischen Prozessierung des Sensors. Der aktivierte Sensor oligomerisiert in der Folge [7]. Das Adaptorprotein ASC besteht aus einer CARD- und einer PYD-Domäne. Je nachdem welche N-terminale Domäne der Sensor besitzt, wird ASC über PYD-/PYD- oder CARD-/CARD- Interaktionen rekrutiert [8, 9]. In beiden Fällen bilden sich dadurch ASC-Filamente, die letztlich zur Bildung eines einzelnen makromolekularen Aggregats – dem sogenannten ASC Speck – führen. Das Zymogen Pro-Caspase 1 verfügt ebenfalls über die CARD-Domäne und wird somit entweder über ASC oder direkt über den oligomerisierenden Sensor – sofern dieser über eine CARD-Domäne verfügt – re­krutiert [10, 11]. Pro-Caspase 1 wird auto­proteolytisch in die enzymatisch aktive Effektorcaspase Caspase 1 konvertiert [12]. Caspase 1 prozessiert sowohl die Vorstufen der pro-inflammatorischen Zytokine IL-1β und IL-18 in ihre aktive Form als auch Gasdermin-D, dessen N-terminales Fragment in der Lage ist, Poren in der Plasmamembran zu bilden. Letztlich löst das Inflammasom eine starke Entzündungsreaktion aus, indem es die Sekretion von pro-inflammatorischen Zytokinen und über Gasdermin-D-Pyroptose – eine spezielle Form des pro-inflammatorischen Zelltodes – induziert [13] (Abb. 2).

Im Folgenden beschreiben wir Aktivierungsmechanismen von verschiedenen Inflammasom-Rezeptoren. Dabei beschränken wir uns auf Rezeptoren, die am besten beschrieben und bei denen die Formung des Inflammasoms bewiesen werden konnten.

NLRP1

NLRP1 wurde als erster Inflammasom-Sensor entdeckt [14] und besteht aus denDomänen von PYD, NBD, LRR, FIIND (function to find domain) sowie einer C-terminalen CARD Domäne. Damit unterscheidet sich NLRP1 strukturell von den anderen Sensoren, da sich die CARD- Domäne am C-terminalen Ende befindet. Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal ist die FIIND-Domäne, die konstitutiv autoprozessiert, wodurch NLRP1 aus zwei nicht-kovalent assoziierten Polypeptiden besteht. Die Prozessierung von FIIND ist essentiell für die Funktion von NLRP1.
Der Durchbruch im Verständnis der NLRP1-Aktivierung wurde durch die Beobachtung erzielt, dass das Homolog der Maus, Nlrp1b, durch das Anthrax-Toxin des Erregers Bacillus anthracis aktiviert wird [15]. Letalfaktor, eine Untereinheit und Protease des Anthrax-Toxins, schneidet das N-terminale Ende von Nlrp1b und destabilisiert das Protein. Der destabilisierte Zustand wird erkannt und führt zum proteosomalen Abbau des N-terminalen Endes. Durch die oben erwähnte Autoprozessierung von Nlrp1 wird das C-terminale Ende von Nlrp1 während des Abbaus freigesetzt und somit aktiv. Über die CARD-Domäne im C-terminalen Fragment kann Caspase 1 direkt rekrutiert werden. Da die Autoprozessierung in der FIIND stattfindet, erklärt sich somit auch, warum die FIIND essentiell für die Funktion von NLRP1 ist. NLRP1 wird auch durch andere Bakterien aktiviert.
Die E3-Ubiquitin-Ligase IpaH7.8 von Shigella flexneri kann direkt das N-terminale Ende von NLRP1 ubiquitinieren. Wie bei dem Letalfaktor von B. anthracis wird dadurch der proteosomale Abbau des N-terminalen Fragments induziert, was zur Formierung des NLRP-Inflammasoms führt. Es konnte auch gezeigt werden, dass NLRP1 durch die enterovirale Protease 3C geschnitten und somit ähnlich wie durch das Letaltoxin aktiviert werden kann [16]. Damit ist NLRP1 in der Lage, die Aktivität von bakteriellen und viralen Proteinen zu detektieren.
Interessanterweise konnte auch gezeigt werden, dass der pharmakologische Inhibitor Talabostat ebenfalls in der Lage ist, NLRP1 zu aktivieren, indem es den Negativ-Regulator Dipeptidylpeptidase 9 (DPP9) inhibiert. Bisher sind sowohl der exakte Effekt von Talabostat auf DPP9 als auch der inhibitorische Mechanismus von DPP9 auf NLRP1 unklar. Schließlich wurde kürzlich gezeigt, dass NLRP1 auch doppelsträngige RNA im Zytoplasma erkennen kann und damit auch direkt mit einem PAMP interagieren kann [17].

Pyrin

Pyrin wurde zuerst im Zusammenhang mit der autoinflammatorischen Erkrankung Familiäres Mittelmeerfieber (FMF) beschrieben. FMF ist eine der häufigsten autoinflammatorischen Erkrankungen und zeichnet sich durch periodisch wiederkehrende Fieberschübe mit begleitender Serositis aus, die starke Bauch- und Gelenkschmerzen zur Folge haben können. Ähnlich wie bei einer klassischen akuten Entzündung sind bei FMF-Patienten typische Entzündungsmarker (C-reaktives-Protein (CPR), Leukozytenanzahl und Blutsenkungsgeschwindigkeit) erhöht. FMF wird meistens durch eine Mutation im Pyrin kodierenden Gen Mediterranean Fever-Gen (MEFV) ausgelöst, die eine verstärkte Aktivität von Pyrin zur Folge hat [18, 19]. Interessanterweise wurde die Mutation während der Pestpandemie positiv selektioniert. Es konnte gezeigt werden, dass der Erreger Y. pestis – Auslöser für die verheerende Pandemie – über einen Virulenzfaktor verfügt, der Pyrin inhibieren kann. Die Mutation verhindert diese negative Regulation und ist mit einer höheren Resistenz gegen die Infektionskrankheit verbunden [20]. Dieses Beispiel hebt die wichtige Rolle von Inflammasomen in der Immunabwehr gegen Pathogene hervor.
Pyrin gehört zu den Sensoren, die den zellulären Status überwachen, indem es die Veränderungen im Aktivitätszustand von Rho-Guanosintriphosphatasen (GTPasen) detektiert [21]. Das Aktinzytoskelett wird häufig von Pathogenen zweckentfremdet. Da die Organisation des Zytoskeletts maßgeblich durch Rho-GTPasen reguliert wird, sind diese ein beliebtes Angriffsziel. Dementsprechend ist es nicht verwunderlich, dass es eine Bandbreite an Toxinen und Virulenzfaktoren gibt, die die Aktivität von Rho-GTPasen modulieren, und Veränderungen im Aktinzytoskelett das Immunsystem aktivieren können [22]. Unter homöostatischen Bedingungen befindet sich Pyrin in einem phosphorylierten, inaktiven Zustand. Die regulierenden Kinasen PKN1/2 werden positiv durch Rho-GTPasen reguliert.  Kommt es also bei einer Infektion zu einer verminderten Aktivität von Rho-GTPasen, nimmt auch die Aktivität von PKN1/2 ab, wodurch letztlich Pyrin aktiviert wird [23]. Eine weitere erbliche autoinflammatorische Erkrankung ist die Pyrin-assoziierte Autoinflammation mit neutrophiler Dermatose (PAAND). PAAND ist auf dominante Mutationen an den Positionen Ser242 und Gluc244 des MEFV-Gens zurück zu führen. Die beschriebenen Mutationen liegen in Regionen, die essentiell für die inhibitorische Regulation durch die Kinasen PNK1/2 sind und unterstreichen die Notwendigkeit des oben beschriebenen Mechanismus [24].

NAIP/NLRC4

Der Inflammasom-Sensor NLRC4 ist kein direkter Sensor, sondern benötigt zusätzlich den Adaptor NAIP (Neuronal apoptosis inhibitory protein), um strukturelle Proteine virulenter Bakterien zu erkennen. NAIP besteht aus zwei Domänen, einer NBD (nucleotide binding domain) und einer LRR-Domäne, und liegt als inaktive Form im Zytoplasma vor. Als Erstes beschrieben wurde die Detektion von Flagellin, einer hochkonservierten Komponente des Flagellums, durch den NAIP5/NLRC4-Komplex. Damit sind NAIP und NLRC4 essentiell für die Bekämpfung invasiver Bakterien.
Obwohl Toll-like Rezeptor 5 auch in der Lage ist, Flagellin zu detektieren, gibt es wesentliche Unterschiede: Zum Einen erlaubt der zytosolische NAIP5/NLRC4-Komplex die Detektion einer erfolgreichen bakteriellen Infektion der Zelle. Zum Anderen erkennen beide Rezeptoren unterschiedliche Regionen von Flagellin.
Unter homöostatischen Bedingungen liegt NLRC4 inaktiv im Zytoplasma vor. Die geschlossene Konformation verhindert eine spontane Aktivierung. Sobald es jedoch zu einer Aktivierung von NLRC4 kommt, wird eine Konformationsänderung ausgelöst, die dazu führt, dass NLRC4 oligomerisiert [25–27] und damit die anderen Komponenten des Inflammasoms rekrutiert. Eine spontane Aktivierung von NLRC4 durch ‚gain-of-function‘-Mutationen im NLRC4-Gen führt zur unkontrollierten Aktivität von NLRC4-Inflammasomen und steht im Zusammenhang mit autoinflammatorischen Erkrankungen wie entzündlichen Darmerkrankungen [28–30].
Maus-Studien mit L. pneumophilia und S. typhimurium haben gezeigt, dass es auch eine NAIP5-unabhängige Aktivierung von NLRC4 von NLRC4 gibt, welche durch andere NAIPs erklärt werden kann. So werden über NAIP1/2 strukturelle Proteine virulenter Bakterien des Typ-III-Sekretionssystems (T3SS) erkannt, die den inneren Stab und die Nadel des T3SS bilden. Das T3SS ist besonders wichtig für die Injektion von bakteriellen Proteinen und die Infektion von Zellen. Im Menschen wurde bisher nur ein funktionales NAIP gefunden, das sowohl Flagellin als auch Komponenten des T3SS detektieren kann [31, 32]. Durch die CARD-Domäne ist NLRC4 in der Lage, auch ohne den Adaptor ASC Caspase 1 zu rekrutieren, allerdings fällt die Inflammasom-induzierte Immunantwort zusammen mit ASC stärker aus.

AIM2

AIM2 (Absent-in-Melanoma-2) gehört zur Pyrin/HIN-Domäne(PYHIN)-Proteinfamilie und erkennt doppelsträngige (ds) DNA [33, 34]. AIM2 wird damit eine wichtige Rolle in der Bekämpfung von DNA-Viren und Bakterien zugeschrieben. Der genaue Mechanismus, wie die Detektion von dsDNA durch die C-terminale HIN200-Domäne zur Oligomerisierung von AIM2 führt, bleibt umstritten. Im Wesentlichen steht zur Debatte, ob AIM2 unter homöostatischen Bedingungen in einem autoinhibitorischen Zustand vorliegt und aktiviert werden muss, oder ob AIM2 bereits in der aktiven Konformation vorliegt, allerdings dsDNA als Oligomerisierungsplattform benötigt [35, 36]. Da die Bindung und Erkennung von dsDNA unabhängig von der Sequenz ist, kann AIM2 nicht nur durch die DNA von Pathogenen, sondern auch durch die DNA des Wirts aktiviert werden. Deswegen steht AIM2 auch im Zusammenhang mit chronischen Autoimmunerkrankungen. Zum Beispiel wurde eine erhöhte Expression von AIM2 bei Patienten mit Schuppenflechte nachgewiesen [37].
Im Gegensatz zu den anderen Inflammasom-Sensoren kann die Expression von AIM2 durch Interferone induziert werden. Allerdingst kann sich das AIM2 Inflammasom auch unabhängig von Interferonen bilden [34]. Im Fall des Bakteriums Francisella tularensis ist die Aktivierung des AIM2-Inflammasoms jedoch vom Interferon-Signaling abhängig. Dies liegt daran, dass es andere Interferon-abhängige Faktoren gibt, die zur Lyse des Bakteriums und somit zur Freisetzung der genomischen DNA führen. Die DNA wiederum wird zur Aktivierung von AIM2 benötigt [38].
Bisher wurden verschiedene inhibitorische Regulationsmechanismen von AIM2 beschrieben.  Darunter unter anderem über IFI16, einem weiteren Mitglied der ALR-Familie. IFI16 ist in der Lage, mit AIM2 zu interagieren und dadurch die Formierung eines AIM2-Inflammasoms zu behindern. Darüber hinaus kann es auch dsDNA binden und macht diese dadurch unzugänglich für AIM2 [39].

NLRP3

Was NLRP3, auch bekannt als Cryopyrin, als Inflammasom-Sensor einzigartig macht, ist die Bandbreite an Stimuli, durch die der Sensor aktiviert werden kann. So wurde gezeigt, dass NLRP3 bei bakteriellen, viralen und mykotischen Infektionen aktiviert wird. Darüber hinaus kann NLRP3 durch endogene DAMPs und Umweltreizstoffe aktiviert werden, weswegen NLRP3 auch in der Abwesenheit von Pathogenen Entzündungsreaktionen, sogenannte sterile Entzündungen, auslösen kann. Dadurch gibt es diverse Erkrankungen, die mit NLRP3 assoziiert wurden, unter anderem Alzheimer, Diabetes Typ II, Atherosklerose und rheumatoide Arthritis.  Obwohl die Stimuli von unterschiedlicher Natur sind, haben sie gemein, dass sie eine zelluläre Stressantwort auslösen, die NLRP3 aktiviert. Dazu zählen das Ungleichgewicht des Ionenhaushalts oder die Störung und Fehlfunktionen von verschiedenen Organellen wie den Mitochondrien oder Lysosomen [40–48].
Für die kanonische Aktivierung von NLRP3 sind zwei Signale notwendig: Das erste Signal wird auch Priming genannt und beinhaltet eine transkriptionelle Hochregulierung der Expression von NLRP3 und anderen Komponenten des Inflammasoms, sowie Veränderungen von post-transkriptionellen Modifikationen (PTMs). PTMs sind eine weitere Ebene der Regulation von NLRP3, da sie sowohl inhibierend als auch aktivierend sein können [49]. Im zweiten Schritt kommt es zur Aktivierung und Formierung des NLRP3-Inflammasoms. Wichtig ist, dass NLRP3 zusätzlich NIMA-related kinase 7 (NEK7) zur Aktivierung und Formierung des Inflammasoms – zumindest in der Spezies Maus – benötigt [50].
Die nicht-kanonische Aktivierung des NLRP3-Inflammasoms beinhaltet Caspase-11, beziehungsweise die humanen Homologe Caspase-4 und Caspase-5. Caspase-11 wird direkt durch Lipopolysacharide (LPS) aktiviert, die in der äußeren Membran gram-negativer Bakterien enthalten sind  [51, 52].
Unter dem Cryopyrin-assoziierten periodischen Syndrom (CAPS) werden alle Erkrankungen zusammengefasst, die mit Mutationen im NLRP3-Gen assoziiert sind. Zur Zeit umfasst dies drei Untergruppen von autoinflammatorischen Erkrankungen, die sich in der Stärke der Krankheitsausprägung unterscheiden: familiäre Kälteurtikaria (familial cold autoinflammatory syndrome, FCAS), Muckle-Wells-Syndrom (MWS) und NOMID (neonatal onset multisystem inflammatory disease) [53]. Das pro-inflammatorische Zytokin IL-1β spielt eine Schlüsselrolle in der Pathogenese von CAPS, indem es chronisch und systemisch Entzündungen auslöst. Das NLRP3-Inflammasom und die Effektormoleküle wie IL-1β gelten somit aufgrund der wahrscheinlichen Beteiligung bei der Pathogenese vieler entzündlicher Erkrankungen als Zielmolekül für anti-inflammatorische Therapien.

Zusammenfassung

Dadurch dass Inflammsom-Sensoren nicht nur klassische PAMPs erkennen, sondern auch den zellulären Status überwachen, spielen Inflammasome eine Schlüsselrolle in der Bekämpfung von invasiven Pathogenen. Die Entzündungsreaktion, die durch die Sekretion von pro-inflammatorischen Zytokinen, anderen zytosolischen Komponenten und Pyroptose ausgelöst wird, sorgt für eine schnelle Entfernung von infizierten Zellen und stellt damit die Entfernung des Erregers sicher. Die kritische Rolle von Inflammasomen in der Bekämpfung von invasiven Pathogenen zeigt sich beispielsweise in der positiven Selektion einer auto-aktivierenden Mutation in dem Inflammasomsensor Pyrin, die eine erhöhte Resistenz gegen Y. pestis, dem Erreger der Pestpandemie, zur Folge hat. Da Inflammasom-Sensoren allerdings auch durch DAMPS, verschiedene inflam­matorische Signale, metabolische Veränderungen und Umweltreize ausgelöst werden können, besteht das Risiko von Entzündungsreaktionen, die chronisch werden können. Mutationen, die zu einer erhöhten Auto-Aktivierung der Inflammasom-Sensoren führen, sind ebenfalls mit chronischen inflammatorischen und autoinflammatorischen Erkrankungen assoziiert (Abb. 3 ).

Obwohl viele Mechanismen bereits untersucht wurden, bleiben diverse Fragestellungen offen. Diese beinhalten vor allem verschiedene regulatorische Mechanismen, unbekannte Co-Faktoren und Überschneidungen mit anderen Signalwegen. Diese Fragestellungen sind besonders im Zusammenhang mit präventiven Maßnahmen zur Vorbeugung von chronischen Entzündungen und autoinflammatorischen Erkrankungen sowie der Entwicklung neuartiger Therapieansätze, von großem Interesse.