Angeborene autoinflammatorische Störungen der cGAS-STING- und OASRNase-L-vermittelten Nukleinsäure-Immunität

Autoinflammatorische Störungen der Nukleinsäure-Immunität

Autoinflammatorische Störungen (AS) sind typischerweise monogene Erkrankungen der angeborenen Immunität und können in die Untergruppen Typ-I-Interferonopathien (IFNP-I), Inflammasomopathien und Nicht-Inflammasomopathien eingeteilt werden [1]. AS manifestieren sich mit chronisch rezidivierender systemischer und Organ-spezifischer steriler Inflammation insbesondere der Haut, der Schleimhaut, der serösen Höhlen, der Gelenke und des zentralen Nervensystems [2]. Zusätzlich prädispositionieren AS zu Epitop-spezifischer Lupus-artiger Autoimmunität [3, 4]. Auch wenn die Pathophysiologie der IFNP-I nicht in allen Teilaspekten abschließend geklärt ist, sind diese grundsätzlich durch einen gestörten Nukleinsäuremetabolismus und eine gestörte Selbst- und Fremd-Nukleinsäure-Erkennung charakterisiert. Daraus resultiert eine inadäquate Aktivierung der entsprechenden Nukleinsäure-Mustererkennungsrezeptoren [5] und eine unbalancierte sterile Inflammation mit Expression von Typ-I-Interferonen (IFN-I) und Interferon-stimulierten Genen (ISG). Diese chronische Aktivierung der antiviralen Immunität vermittelt neben zytopathischen Effekten, beispielweise durch Nekroptose, eine erhebliche systemische und Organ-spezifische Pathologie mit konsekutivem Verlust der Selbsttoleranz. Dies führt zur systemischen adaptiver Autoimmunität wie beim Aicardi-Goutières-Syndrom (AGS) [6].
Seit längerem bekannte genetische Entitäten sind biallelische loss-of-function(LOF)-Varianten der DNA-Exonuklease TREX1 (AGS1) [7, 8], der heterotrimeren RNA-Endonuklease H2 bestehend aus RNASEH2B (AGS2), RNASEH2C (AGS3), RNASEH2A (AGS4) [9], der Desoxynukleosid-Triphosphat-Triphosphohydrolase SAMHD1 (AGS5) [10] und des Doppelstrang-RNA (dsRNA) editierenden Enzyms ADAR1 (AGS6) [11] sowie monoallelischen gain-of-function(GOF)-Varianten des dsRNA-Sensors IFIH1 (AGS7) [12]. Eine klinisch distinkte und aktuell noch als IFNP-I klassifizierte Störung [1], die sogenannte STING-assoziierte Vaskulopathie mit infantilem Beginn (SAVI-Syndrom), wird durch monoallelische STING(Stimulator Interferon-induzierter Gene)-GOF-Varianten verursacht [13]. Klinisch zeigt diese AS neben einer systemischen Inflammation insbesondere eine Vaskulitis der Haut und eine inflammatorische Lungenerkrankung [13].
Gemeinsam ist all diesen Entitäten eine downstream Aktivierung des cGAS (zyklische-GMP-AMP-Synthetase)-STING-Signalweges bzw. im Falle von ADAR1 und IFIH1 des MAVS(mitochondriales antivirales Signalprotein)-Signalweges mit konsekutiver Expression von IFN-I [5]. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden IFNP-I zunehmend außerhalb der Zulassung mit Januskinase-Inhibitoren wie Ruxolitinib behandelt [14]. Klinische Studien zur Sicherheit, Effektivität und letztlich Zulassungserweiterung fehlen.

cGAS-STING- und OAS-RNase L-vermittelte Nukleinsäure-Immunität

Die IFN-induzierbare Oligoadenylat-Synthetase(OAS)-Proteinfamilie besteht aus OAS1, OAS2, OAS3 und OASL, die strukturelle und funktionelle Gemeinsamkeiten mit cGAS aufweisen [15]. OAS-Proteine und cGAS sind Mustererkennungsrezeptoren, die Nukleinsäuren überwiegend im Zytosol detektieren und daraufhin eine angeborene Immunantwort initiieren [16]. OAS-Proteine erkennen lange dsRNA, die vor allem bei der Replikation von Virusgenomen entsteht [17], wohingegen cGAS Doppelstrang-DNA (dsDNA) Sequenz-unabhängig detektiert [18]. OAS- und cGAS-Proteine sind Vorlagen-unabhängige Nukleotidtransferasen und produzieren die sekundären Signaltransduktionsmoleküle 2‘5‘-Oligoandenylat (2-5A) [19] bzw. 2‘3‘-zyklisches GMP-AMP (cGAMP) [20]. Das von OAS-Proteinen produzierte 2-5A aktiviert RNase L, einen wichtigen Effektor der antiviralen Immunität. RNase L degradiert virale RNA, aber auch zelluläre Einzelstrang-RNA, wodurch die Proteinexpression der Zelle unterbunden wird und Apoptose ausgelöst werden kann. In Summe unterbinden diese Effekte die Viruspropagation [21]. Das durch cGAS produzierte cGAMP aktiviert den Adapter STING, der über die Serin/Threoin-Proteinkinase TBK1 die Transkriptionsfaktoren IRF3 und NF-κB aktiviert. IRF3 aktiviert die Expression von IFN-I, welche wiederum eine Vielzahl von ISG induzieren, die antivirale Effekte vermitteln [22]. Im Folgenden werden kürzlich entdeckte Pathomechanismen und Krankheitsbilder beschrieben, die durch Fehlregulation der cGAS-STING- oder der OAS-RNase-L-vermittelten Nukleinsäure-Immunität AS verursachen.

Angeborene Störungen der Histon-prä-mRNA-Prozessierung verursachen Aicardi-Goutières-Syndrom

Uggenti et al. beschreiben in einer im Dezember 2020 in Nature Genetics veröffentlichten Arbeit 18 Patienten mit AGS, die in einem Fall biallelische LSM11 (LSM11, U7 small nuclear RNA associated)-LOF und in 17 Fällen biallelische RNU7-1(RNA, U7 small nuclear 1) -LOF-Varianten aufweisen [23]. LSM11 und RNU7-1 sind wichtige Proteinbestandteile des U7-snRNP-Komplexes, der die prä-mRNA-Prozessierung Replikations-abhängiger Histone (RDH) katalysiert [24]. Diese Histongene sind die einzigen eukaryotischen Gene, die keine Introns enthalten und deren mRNA keinen poly-A-Schwanz hat, aber stattdessen mit einem hochkonservierten stem-loop endet [25]. Zur mRNA-Prozessierung und der sich anschließenden Translation der RDH-Kern- (H2A, H2B, H3 und H4) und RDH-Verbindungshistone (H1) ist der U7-snRNP-Komplex essenziell. Seine Fehlfunktion führt zur Akkumulation von über eine kryptische poly-A-Seite polyadenylierter und fehlprozessierter mRNA, die nicht adäquat transkribiert wird [25]. Uggenti et al. zeigen, dass die AGS-assoziierten LSM11- und RNU7-1-Varianten eine gestörte Histon-mRNA-Prozessierung und Histon-Protein-Expression verursachen und mit einer spontanen IFN-I- und ISG-Expression in Modellzellinien und Patientenzellen einhergehen [23]. Uggenti et al. widerlegen ihre eigene Hypothese, dass die fehlprozessierte mRNA durch Aktivierung zytosolischer RNA-Sensoren und MAVS für die IFN-Expression verantwortlich ist. Stattdessen zeigen die Autoren, dass der cGAS-STING-Signalweg für die spontane IFN-Expression der LSM11- und RNU7-defizienten Zellen verantwortlich ist [23]. Dabei scheint cGAS durch nukleäre chromosomale DNA aktiviert zu werden, weil die nukleären Histone in gestörter Stoichiometrie vorliegen und die DNA zwischen benachbarten Nukleosomen, die in gesunden Zellen durch Komplexbildung mit Histon H1 geschützt ist, nun für cGAS zugänglich ist [23]. Die Arbeit beschreibt also zwei neue AGS Loci, LSM11 (AGS8) und RNU7-1 (AGS9), und zeigt im Einklang mit aktuellen Erkenntnissen zur strukturellen Inhibition von nukleärem cGAS durch das Nukleosom [26, 27] erstmals, dass eine pathogene cGAS-Aktivierung durch endogenes Chromatin nicht auf zytosolisch mislokalisierte Chromatinfragmente beschränkt ist, sondern auch im intakten Nukleus erfolgen kann, wenn die Chromatinstruktur gestört ist [23] (Abb. 1). 

Ob sich in Zukunft spezifische therapeutische Konsequenzen für die betroffenen Patienten ableiten lassen, bleibt abzuwarten.

Angeborene Störung der mitochondrialen DNA-Lokalisation verursachen eine Typ-I-Interferonopathie mit Systemischer Sklerose

Lepelley et al. publizierten im August 2021 im Journal of Experimental Medicine eine Kohorte von insgesamt sieben Patienten mit verschiedenen neurologischen Defiziten, die de novo monoallelische dominant-negative (DN) Varianten von ATAD3A (ATPase family AAA domain-containing protein 3A) aufweisen [28]. Sechs der sieben Patienten zeigen eine transkriptionelle ISG-Signatur in Blutleukozyten als Hinweis auf eine chronische und spontane IFN-I-Antwort. Interessanterweise zeigen zwei der Patienten zusätzlich eine Systemische Sklerose, also eine systemische Autoimmunerkrankung mit Fibrosierung verschiedener Organe, die mit einer chronischen IFN-Antwort assoziiert ist [29]. ATAD3A ist ein mitochondriales Membranprotein, das Oligomere bildet und an verschieden mitochondrialen Funktionen wie der Organisation der mitochondrialen DNA (mtDNA) und der Mitophagie beteiligt ist [30]. Knockdown von endogenem ATAD3A in THP-1-Zellen resultierte gleichfalls in einer spontanen IFN-I-Expression, die von einer funktionellen cGAS-STING-Achse abhängig war [28]. Auch die lentivirale Überexpression der bei den Patienten gefundenen ATAD3A-Varianten in THP-1-Zellen induzierte eine IFN-I-Antwort, was den DN Charakter der Varianten bestätigte [30]. Die Depletion von mtDNA in mutierten THP-1-Zellen und Patientenfibroblasten verhinderte die IFN-I-Signatur. Durch knockdown reduzierte ATAD3A-Expression in Wildtyp -Fibroblasten resultierte in zytosolischen mtDNA-Foci [28]. Diese mtDNA-Focusbildung wurde durch die pharmakologische Hemmung von VDAC1 (voltage dependent anion channel 1), das Poren in der mitochondrialen Membran bildet, über die mtDNA in das Zytosol gelangen kann [31], reduziert [30 ]. Zusammenfassend also zeigen Lepelley et al., dass DN ATAD3A-Varianten die Organisation der mtDNA beeinträchtigen, es daraufhin über mitochondriale VDAC1-Poren zum Übertritt von mtDNA ins Zytosol kommt und diese über den cGAS-STING-Signalweg eine IFN-I-Antwort auslöst. Auch wenn die Pathogenizität biallelischer ATAD3A-Varianten bereits als Ursache angeborener neurologischer Störungen gezeigt wurde [32], liegt die Bedeutung dieser Arbeit in der Erweiterung des ATAD3A-DN-Phänotyps um die Systemische Sklerose, des nun etablierten Pathomechanismus im Sinne einer IFNP-I und der Veröffentlichung erster Daten, die suggerieren, dass zumindest der in vitro Einsatz des mTOR-Inhibitors Rapamycin über eine Induktion der Mitophagie ein neues therapeutisches Prinzip für ATAD3A DN sein könnte (Abb. 1) [33].

Angeborene Störung der OAS1-RNase L-vermittelten RNA-Degradation verursachen eine Typ-I-Interferonopathie mit pulmonaler Alveolarproteinose und Hypogammaglobulinämie

Magg et al. beschreiben in einer im Juni 2021 in Science Immunology veröffentlichten Arbeit sechs Patienten mit einem komplexen autoinflammatorischen und immundefizienten Phänotyp bestehend aus systemischer Inflammation, Haut- und Schleimhautvaskulitis, pulmonaler Alveolarproteinose (PAP) und Hypogammaglobulinämie [34]. Mittels Exom-Sequenzierung finden sie bei den Patienten monoallelische de novo OAS1-Varianten und zeigen genetische und phylogenetischen Daten, die eine Pathogenität der insgesamt vier distinkten Varianten belegen [34]. Primäre Monozyten und B-Zellen der Patienten zeigen eine reduzierte OAS1-Proteinexpression und eine Aktivierung der Zell-intrinsischen Apoptose [34]. Auf funktioneller Ebene finden Magg et al. eine gestörte B-Zell-Proliferation und B-Zell-Differenzierung zu Antikörper-produzierenden Plasmablasten und Gedächtnis-B-Zellen sowie eine gestörte B-Zell-Kostimulation autologer T-Zellen [34]. Sie zeigen eine gestörte Differenzierung und Funktion primärer Monozyten und von Makrophagen, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen differenziert waren. Diese Zellen weisen eine reduzierte Expression von Phagozytose-Rezeptoren und eine reduzierte Phagozytoseaktivität auf [34]. Diese Funktionsstörungen treten in vitro erst nach IFN-induzierter OAS1-Expression auf und resultieren, wie durch RNA-Sequenzierung gezeigt, in einer transkriptionellen IFN-I-Signatur, einer reduzierten Proteintranslation und einer gesteigerten Apoptoserate von Monozyten und B-Zellen [34]. Die in E. coli exprimierten OAS1-Proteinvarianten zeigen eine konstitutive, von dsRNA-Detektion unabhängige Produktion des sekundären Signaltransduktionsmoleküles 2-5A und führen in 1205Lu-Melanom-Zellen RNase-L-abhängig zu RNA-Degradation, Translationsarrest und Apoptose. Auch Patientenzellen mit OAS1-Varianten zeigten eine entsprechende RNA-Degradation[34]. Der biochemisch so gezeigte dsRNA-unabhängige GOF-Mechanismus der OAS1-Varianten wird strukturell durch molecular dynamics-Simulationen aufgeklärt (Abb. 2) [34].

Die Bedeutung dieser Arbeit liegt in der Erstbeschreibung einer humanen monogenen Erkrankung des OAS-RNase L-Systems (OAS1-associated polymorphic autoinflammatory immunodeficiency disorder, OPAID), der Entdeckung einer Zelltyp- und Organ-spezifischen Manifestation einer IFNP-I und der damit verbundenen Auswirkung einer IFNP-I auf das adaptive humorale Immunsystem in Form einer inflammatorischen Hypogammaglobulinämie. Zusätzlich zeigen Magg et al., dass die klinisch führende PAP eine hämatopoietische Ursache hat und berichten über die kurative Therapie von Patienten mit OAS1-GOF durch allogene hämatopoietische Zelltransplantation [34].

Angeborene Störung der murinen Oas2-RNase L-vermittelten RNA-Degradation verursacht inflammatorische Agalaktie

Oakes et al. beschreiben in einer im November 2017 in PLOS Genetics veröffentlichten Arbeit eine in einem ENU-Mutagenese-Screen identifizierte Maus mit primärer Agalaktie, also einer fehlenden Milchsekretion während der Stillzeit, bei erhaltener Brustdrüsenentwicklung während der Pubertät und Schwangerschaft [35]. Sie identifizieren eine gestörte Milchproteinbiosynthese, eine gesteigerte Apoptose von Milchdrüsenepithelzellen und eine Involution der von ihnen gebildeten Milchdrüsen sowie eine IFN-I- und eine mitochondriale Apoptose-Signatur in Milchdrüsenepithelzellen [35]. Genetisch korreliert dieser Phänotyp mit einer dominanten murinen Oas2 missense-Variante, und die Transplantation von Epithelzellen in Wildtyp-Mäuse sowie die Überexpression der Oas2-Variante in humanen T47D-Brustkrebszelllinien verursachen die gleichen Veränderungen in Abhängigkeit von RNase L und IRF7 (Abb. 2) [35].
Auch wenn es sich hier um ein murines Modellsystem handelt und formal nicht gezeigt wird, dass es sich um eine Oas2-GOF-Variante handelt, liegt die Bedeutung dieser Arbeit in der Erkenntnis, dass das Oas2-RNase L-System im Falle einer Virusinfektion der laktierenden Milchdrüse, die Laktation und somit Infektion des Säuglings über die Muttermilch unterbinden kann. Wegweisend ist, dass neben den klassischen IFNP-I mit systemischer Inflammation auch beim Menschen mit reinen Organ-spezifischen Störungen der Nukleinsäure-Immunität zu rechnen ist.

Fazit für die translationelle und klinische Immunologie

Angeborene Störungen der Nukleinsäure-Immunität zeichnen sich durch eine zunehmende genetische Heterogenität mit teilweise inkompletter Penetranz und variabler Expressivität aus [5]. Während klassische IFNP-I wie das AGS mit einer systemischen Inflammation und einer Prädisposition zur Epitop-spezifischen Autoimmunität einhergehen [6], zeigen sich nun zunehmend variable Zelltyp- und Organ-spezifische Pathologien [34, 35]. Es entsteht ein neues pathophysiologisches Verständnis von seit Langem bekannten Krankheitsbildern. Therapeutisch kommen Januskinase-Inhibitoren [14] und in Sonderfällen eine allogene hämatopoietische Zelltransplantation [34] in Betracht. Weitere intensive Grundlagenforschung, aber auch translationelle und klinische Forschung sind erforderlich, um das gesamte medizinische Spektrum der IFNP-I zu verstehen und behandeln zu lernen.