Die Entdeckung Zytokin-induzierter STAT-Protein-Parakristalle: Regulation ihrer Löslichkeit durch SUMO und ihr Einfluss auf die IFNγ- Sensitivität von Zellen

Abstract

Die Regulation von STAT-Transkriptionsfaktoren ist für die Funktion von Zellen von zentraler Bedeutung, und die Fehlfunktion dieser Proteine ist oft mit schwerwiegenden Erkrankungen verbunden. Die STATs sind dimere Proteine, deren transkriptionelle Aktivität die Phosphorylierung eines konservierten Tyrosinrestes erfordert. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass vollständig Tyrosin-phosphorylierte STAT-Dimere über reziproke pTyr-SH2-Domänen- Interaktionen polymerisieren können. Diese Polymerisierung ist die Grundlage für die Bildung von Parakristallen, einer hochgeordneten Proteinstruktur in den Zellkernen Zytokin-stimulierter Zellen. Parakristalle sind dynamische Reservoire für aktiviertes STAT-Protein, welche dieses vor der Dephosphorylierung schützen. Der Transkriptionsfaktor STAT3 bildet Parakristalle während der Akute-Phase Reaktion in Maus-Leberzellen. Aber auch STAT2 und STAT5 bilden Zytokin-abhängig nukleäre Partikel, die vermutlich Parakristalle darstellen. Im Gegensatz dazu verteilt sich phosphoryliertes STAT1 homogen im Zellkern und bildet keine Parakristalle. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass dieses Verhalten durch die unter den STAT- Proteinen einzigartige SUMO-Modifikation von STAT1 hervorgerufen wird. Die Lys703-Sumolierung hat einen direkten Effekt: durch die Blockierung der proximalen Tyr701-Phosphorylierung wird in der Zelle die Anzahl an semi- phosphorylierten STAT1-Dimeren erhöht. Diese stehen in Konkurrenz zu vollständig phosphorylierten STAT1-Dimeren und verhindern dadurch die Polymerisierung und Parakristall-Bildung von STAT1. Darauf basierend wird ein allgemeines Kompetitions-Modell vorgeschlagen, welches die Regulation der Protein-Löslichkeit durch eine unverhältnismäßig kleine Fraktion an sumolierten Molekülen beschreibt. Dieses stellt gleichzeitig die erste Lösung für das sogenannte „SUMO-Enigma“ dar. Im Fall von STAT1 führt die Sumolierung zu einer erhöhten Löslichkeit des Tyr701-phosphorylierten STAT1 und dessen beschleunigter Dephosphorylierung, wodurch gleichfalls die Menge von aktiviertem STAT1 reduziert wird. In dieser Arbeit wird zudem die Herstellung eines Knock-in Mausstammes beschrieben, welcher SUMO-freies STAT1 exprimiert. Makrophagen aus diesen Tieren zeigen, dass die Sumolierung von STAT1 die IFNγ- Sensitivität von Zellen dauerhaft herabsetzt. Bislang war ein solcher Mechanismus nicht bekannt. Durch die Ergebnisse dieser Arbeit konnte die SUMO- Modifikation von STAT1 als ein zentraler Mechanismus der Interferon- Signaltransduktion identifiziert werden.

STAT proteins are an essential component of the immune response of cells and their misregulation is often associated with severe diseases. In order to elicit transcriptional activity, the dimeric STAT proteins require activation by phosphorylation of a single tyrosine residue. In this work, it is revealed that fully tyrosine-phosphorylated STAT dimers can polymerize via reciprocal pTyr-SH2 domain interactions. This polymerization leads to the assembly of paracrystals, a highly ordered protein structure in the nucleus of cytokine stimulated cells. Paracrystals are dynamic reservoirs which protect activated STATs from dephosphorylation. STAT3 readily forms such paracrystals in acute phase liver cells. But also STAT2 and STAT5 form cytokine-dependent nuclear particles which are most likely paracrystals. Activated STAT1, in contrast, distributes homogenously in the nucleus and normally does not form paracrystals. Here, it is shown that this is due to the unique ability of STAT1 among the STATs to conjugate to SUMO1. The Lys703 sumoylation has one direct effect: it obstructs proximal Tyr701 phosphorylation, which leads to an increase in the abundance of semi-phosphorylated STAT1 dimers. These in turn compete with their fully phosphorylated counterparts and interfere with their polymerization into paracrystals. Based on these results, a generally applicable competition model is proposed which describes the regulation of protein solubility by a disproportionate small fraction of SUMO-modified molecules. This also constitutes the first solution to the so called “SUMO- Enigma”. In case of STAT1, the sumoylation leads to increased solubility of the activated STAT1 and thereby to an accelerated dephosphorylation kinetics thus diminishing the pool of the transcriptionally available STAT1. Moreover, in this work the generation of a knock-in mice strain expressing SUMO-free STAT1 is described. Using macrophages from these animals, it was demonstrated that the sumoylation of STAT1 constitutively reduced the IFNγ-sensitivity of cells. Such a mechanism was not known so far. Therefore this work identifies the SUMO modification of STAT1 as a central instrument of interferon signalling.