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Forschungsschwerpunkte der Gruppe Groettrup

1) Die Biochemie und Funktion von FAT10 - ein MHC-codiertes und Zytokin-induzierbares Ubiquitin-ähnliches Protein

FAT10 (HLA-F-adjacent transkript 10) wurde beim Sequenzieren des humanen MHC Klasse I Locus identifiziert und gehört zur Familie der Ubiquitin-ähnlichen Modifikatoren. FAT10 ist ein 18 kDa grosses Protein, das aus zwei Ubiquitin-ähnlichen Domänen besteht, die durch einen kurzen Linker miteinander verbunden sind (Abb. 1).

Obwohl ursprünglich beschrieben war, dass FAT10 nur in dendritischen Zellen und reifen B Zellen exprimiert wird, kann die Expression auch synergistisch in anderen Zelltypen durch die pro-inflammatorischen Zytokine Interferon-γ und TNF-α induziert werden. Interessanterweise führt die FAT10 Expression innerhalb von 2 Tagen zum Zelltod durch Apoptose. Des Weiteren wird FAT10 verstärkt in manchen Krebstypen wie z.B. Darm- und Leberkrebs nachgewiesen, wo es vermutlich durch die verstärkte Interferon-γ und TNF-α Produktion des Tumor-umgebenden Gewebes induziert wird. Ausserdem spielt FAT10 z.B. eine Rolle bei der Regulation der Chromosomenstabilität bei der Zellteilung, wobei eine verstärkte FAT10 Expression hier zu inkorrekter Chromosomenverteilung in der Zellteilung führt und somit ebenfalls zur Krebsentstehung beiträgt. FAT10 wird wie Ubiquitin über sein C-terminales Diglycin Motiv an Substrate konjugiert, die in der Folge im Proteasom abgebaut werden. Unsere momentane Forschungsarbeit konzentriert sich auf die Identifizierung der an der FAT10-Konjugation beteiligten Enzyme sowie auf die Identifizierung von Substraten mit dem Ziel, mehr Information über die Rolle von FAT10 z.B. bei der Krebsentstehung, Apoptose und dem Proteinabbau zu erfahren.


fat10_modelAbb. 1: Modell der Struktur von FAT10; die beiden Ubiquitin-ähnlichen Domänen von FAT10 sind durch ein kurzes Verbindungspeptid aneinander gekoppelt [modifiziert aus Groettrup et al. (2008) Trends Biochem Sci 33:230-237].

Ausgewählte Publikationen zu diesem Projekt:

  • Bialas, J., Boehm, A. N., Catone, N., Aichem, A., and Groettrup, M. (2019) The ubiquitin-like modifier FAT10 stimulates the activity of deubiquitylating enzyme OTUB1. J. Biol. Chem., 294:4315-4330.
  • Aichem, A., Anders, S., Catone, N., Rößler, P., Stotz, S., Berg, A., SchwabR., Scheuermann, S., Bialas, J., Schütz-Stoffregen, M. C., Schmidtke, G., Peter, C., Groettrup, M.*, and Wiesner, S.* (2018) The structure of the ubiquitin-like modifier FAT10 reveals an alternative targeting mechanism for proteasomal degradation. Nat. Commun. 9: 3321. *shared last authorship and correspondence
  • Spinnenhirn, V., Bitzer, A., Aichem, A., and Groettrup, M. (2017) Newly translated proteins are substrates for ubiquitin, ISG15 and FAT10. FEBS Lett. 591: 186-195.
  • Aichem, A. and Groettrup, M. (2016) The ubiquitin-like modifier FAT10 in cancer development. Int. J. Biochem. Cell Biol. 79: 451-461.
  • Buerger, S., Herrmann, V.L., Mundt, S., Trautwein, N., Groettrup, M., and Basler, M. (2015) The ubiquitin-like modifier FAT10 is selectively expressed in medullary thymic epithelial cells and modifies T cell selection. J. Immunol. 195: 4106-4116.
  • Spinnenhirn, V., Farhan, H., Basler, M., Aichem, A., Canaan, A., Groettrup, M. (2014) - The ubiquitin-like modifier FAT10 decorates autophagy targeted Salmonella and contributes to resistance of mice. J Cell Sci. Nov 15;127(22):4883-93
  • Aichem A, Kalveram B, Spinnenhirn V, Kluge K, Catone N, Johansen T, Groettrup M. (2012) - The proteomic analysis of endogenous FAT10 substrates identifies p62/SQSTM1 as a substrate of FAT10ylation. J Cell Sci. 2012 Oct 1;125(Pt 19):4576-85. doi: 10.1242/jcs.107789. Epub 2012 Jul 13.
  • Aichem A, Pelzer C, Lukasiak S, Kalveram B, Sheppard PW, Rani N, Schmidtke G, Groettrup M. (2010) - USE1 is a bispecific conjugating enzyme for ubiquitin and FAT10, which FAT10ylates itself in cis. Nat Commun. 2010 May 4;1:13. doi: 10.1038/ncomms1012.
  • Rani N, Aichem A, Schmidtke G, Kreft SG, Groettrup M. (2012) - FAT10 and NUB1L bind to the VWA domain of Rpn10 and Rpn1 to enable proteasome-mediated proteolysis. Nat Commun. 2012 Mar 20;3:749. doi: 10.1038/ncomms1752.
  • Pelzer C, Groettrup M. (2010) - FAT10 : Activated by UBA6 and Functioning in Protein Degradation. Subcell Biochem. 2010;54:238-46. doi: 10.1007/978-1-4419-6676-6_19.


  • 2) Entwicklung einer Immuntherapie gegen das Prostatakarzinom

    Das Prostatakarzinom (CaP) ist ein sich stetig verschärfendes Gesundheitsproblem. Durch die Erhöhung der Lebenserwartung und intensivierte klinische Überwachung ist CaP inzwischen die am häufigsten diagnostizierte Krebsart und die zweithäufigste durch Krebs bedingte Todesursache bei Männern in den westlichen Industrieländern. Die Wahrscheinlichkeit der Erkrankung liegt bei 10% und das Risiko, durch CaP zu sterben, bei 3% d.h. circa 40'000 Männer sterben in Europa jedes Jahr an CaP.

    Wenn das Karzinom metastasiert hat, kann es in den meisten Fällen für mehrere Monate durch Hormonentzugstherapie in seinem Wachstum unterdrückt werden, aber fast immer entwickeln sich nach 1-2 Jahren Tumoren, deren Wachstum nicht mehr von den männlichen Geschlechtshormonen abhängt. Für diese hormonrefraktären und metastasierenden CaPs gibt es derzeit keine sehr wirkungsvolle Therapie, und selbst die neuesten Errungenschaften in der Chemoterapie haben nur geringe lebensverlängernde Wirkung. Aus diesem Grund arbeiten wir seit vielen Jahren an der Entwicklung einer Immuntherapie gegen CaP. Ziel der Immuntherapie ist es, die patienteneigene Immunabwehr gegen das Karzinom gezielt zu stärken, so dass sogenannte "T Killerzellen" die Tumorzellen besser erkennen und abtöten können. Vorteile der Immuntherapie ist ihre hohe Spezifität für die Tumorzellen, welche mit sehr geringen Nebenwirkungen einhergeht. Ein weiterer Vorteil ist, dass Immunzellen den ganzen Körper patroullieren, und so auch entlegene Metastasen auffinden und beseitigen können. Immuntherapien befinden sich derzeit in der Erprobungsphase, allerdings müssen die Verfahren noch verbessert werden, damit genügend starke Immunantworten in den Patienten hervorgerufen werden können. Bisher sind Erfolge in der Immuntherapie noch auf eine kleine Minderheit der Patienten beschränkt.


    In Zusammenarbeit mit den Kliniken für Onkologie und Urologie am Kantonsspital St. Gallen haben wir eine klinische Phase I Studie durchgeführt, die darauf beruhte, dass Dendritische Zellen (DC) aus dem Blut von Patienten gezüchtet wurden, die dann mit Tumorantigenen beladen wurden und den Patienten zurückgegeben wurden. Mit diesem Verfahren konnten wir bei einigen Patienten Immunantworten gegen Tumorantigene hervorrufen und das Fortschreiten der Krankheit aufhalten oder verlangsamen. Allerdings ist die Züchtung der DC sehr personalaufwendig und teuer, so dass ein Einsatz im grossen Massstab in der Klinik eher unwahrscheinlich ist. Hier am BITg verfolgen wir eine neue Strategie, wie Tumorantigene so verabreicht werden können, dass sie nach Injektion unter die Haut von DC aufgenommen werden. Eine aufwendige Kultivierung der DC erübrigt sich bei diesem Verfahren. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Pharmazeutische Wissenschaften der ETH Zürich (Prof. Dr. Bruno Gander) entwickeln wir Verfahren, wie Tumorantigene zusammen mit DC Reifungsstimuli in biologisch abbaubare Mikrosphären aus poly(D,L-lactide-co-glycolide) (PLGA) eingeschlossen werden können (Abb. 2). Das Material, aus welchem diese Mirkrosphären gemacht werden, ist für den klinischen Einsatz zugelassen und wird auch für die Herstellung von sich im Gewebe auflösenden chirurgischen Nähten verwendet.


    PLGA MikrosphärenAbb. 2: Elektonenmikroskopische Aufnahme von biologisch abbaubaren Mikrosphären aus poly(D,L-lactid-co-glycolid).

    Die DC wandern nach Aufnahme der Mikrosphären (Abb. 3) in die Lymphknoten (siehe Projekte der Gruppe Legler), wo sie die T Lymphozyten stimulieren für ihren Kampf gegen den Tumor. Wir konnten bereits nachweisen, dass die Aufnahme der Mikrosphären die biologischen Eigenschaften der DC nicht beeinträchtigt, und dass eingeschlossene Antigene über mehrere Tage sowohl auf MHC Klasse I als auch MHC Klasse II präsentiert werden.


    PLGA beladene DCAbb. 3: Unreife menschliche dendritische Zellen, die mit PLGA-Mikrosphären beladen wurden (Bild: Gruppe Groettrup). Die Zellen wurden für vier Stunden mit PLGA Mikrospären inkubiert und anschliessend mit einem Phasenkontrastmikroskop aufgenommen.

    Ausgewählte Publikationen zu diesem Projekt:

  • Koerner, J., Horvath, D., and Groettrup, M. (2019) Harnessing dendritic cells for poly(D,L-lactide-co-glycolide) microspheres (PLGA MS)-mediated anti-tumor therapy. Front. Immunol. 10:707.
  • Sommershof, A., Scheuermann, L., Koerner, J., and Groettrup, M. (2017) Chronic stress suppresses anti-tumor TCD8+ responses and tumor regression following cancer immunotherapy in a mouse model of melanoma. Brain Behav. Immun. 65:140-149.
  • Herrmann, V.L., Wieland, D.E., Legler, D.F., Wittmann, V., Groettrup, M. (2016)The STEAP1262-270 Peptide Encapsulated into PLGA Microspheres Elicits Strong Cytotoxic T Cell Immunity in HLA-A*0201 Transgenic Mice – a New Approach to Immunotherapy against Prostate Carcinoma. Prostate. 76(5):456-68.
  • Herrmann VL, Hartmayer C, Planz O , Groettrup M. (2015) Cytotoxic T cell vaccination with PLGA microspheres interferes with influenza A virus replication in the lung and suppresses the infectious disease. J Control Release Aug 12;216:121-131. doi: 10.1016/j.jconrel.2015.08.019
  • Mueller M, Reichardt W, Koerner J and Groettrup M. (2012). Coencapsulation of tumor lysate and CpG-ODN in PLGA-microspheres enables successful immunotherapy of prostate carcinoma in TRAMP mice. J Control Release, 162(1): 159-66.
  • Mueller M, Schlosser E, Gander B , Groettrup M. - (2010) 'Tumor eradication by immunotherapy with biodegradable PLGA microspheres - an alternative to incomplete Freund's adjuvant' Int. J. Cancer 129(2): 407-16.


  • 3) Die Inhibition des Immunproteasoms als therapeutischer Ansatz bei Autoimmunität und Krebs

    Das Immunproteasom ist ein grosser zylindrischer Komplex im Inneren von Immunzellen, in welchem Eiweisse zu Bruchstücken abgebaut werden (Abb. 4). Bisher war vor allem die Funktion des Immunproteasoms bei der Fragmentierung von Antigenen für die Stimulierung von T-Killerzellen bekannt.


    immunoproteasom_modelAbb. 4: Kristallstruktur des Immunproteasoms [aus Huber et al. (2012) Cell 148:727-738].

    Im Jahr 2009 haben wir eine neue Funktion des Immunproteasoms bei der Entstehung von entzündungsfördernden T Helferzelltypen (Th1, Th17) und Zytokinen (IL-6, IFN-gamma, IL-23, TNF) entdeckt (Muchamuel et al. (2009) Nature Medicine 15:781-787). Diese T Helferzelltypen und diese Zytokine sind massgeblich an der Entstehung von autoimmunen Erkrankungen beteiligt. Wir konnten zeigen, dass ein Inhibitor einer der Untereinheiten des Immunprotesoms vor der Entstehung und dem Fortschreiten einiger autoimmuner Erkrankungen (Multiple Sklerose, Morbus Crohn, Rheumatoider Arthritis) im präklinischen Modell schützt. Ausserdem konnte die Entstehung und die Ausbreitung von Darmkrebs im Tiermodell verhindert werden. Aufgrund unserer Grundlagenforschung haben einige Pharmafirmen Inhibitoren des Immunproteasoms entwickelt, die nun in der Klinik als Therpeutika gegen Autoimmunität getestet werden.


    Ausgewählte Publikationen zu diesem Projekt:

  • Li, J., Koerner, J., Basler, M., Brunner, T., Kirk, C. J., and Groettrup, M. (2019) Immunoproteasome inhibition induces plasma cell apoptosis and preserves kidney allografts by activating the unfolded protein response and suppressing plasma cell survival factors. Kidney Int., 95:611-623.
  • Schmidt, C., Berger, T., Groettrup, M., and Basler, M. (2018) Immunoproteasome inhibition impairs T and B cell activation by restraining ERK signaling and proteostasis. Front. Immunol. 9:2386.
  • Basler, M., Lindstrom, M. M., LaStant, J. J., Bradshaw, J. M., Owens, T. D., Schmidt, C., Maurits, E., Tsu, C., Overkleeft, H. S., Kirk, C. J., Funk, J. O., Langrish, C. L., and Groettrup, M. (2018) Co-inhibition of immunoproteasome subunits LMP2 and LMP7 is required to block autoimmunity. EMBO reports 19, doi: 10.15252/embr.201846512.
  • Basler, M., Mundt, S., and Groettrup, M. (2018) The immunoproteasome subunit LMP7 is required in the thymus for filling up a hole in the T cell repertoire. Eur. J. Immunol. 48: 419-429.
  • Koerner, J., Brunner, T., and Groettrup, M. (2017) Inhibition and deficiency of the immunoproteasome subunit LMP7 suppress the development and progression of colorectal carcinoma in mice. Oncotarget. doi: 10.18632/oncotarget.15141.
  • Basler M*, Mundt S*, Muchamuel T*, Moll C, Jiang J, Groettrup M, Kirk CJ. (2014) Inhibition of the immunoproteasome ameliorates experimental autoimmune encephalomyelitis. EMBO Mol Med 6(2):226-238.
  • Basler M, Kirk CJ, Groettrup M. (2013) The immunoproteasome in antigen processing and other immunological functions. Curr Opin Immunol, 2013;25(1):74-80.
  • Huber EM*, Basler M*, Schwab R, Kirk CJ, Heinemeyer W, Groettrup M, and Groll M. (2012). Immuno- and Constitutive Proteasome Crystal Structures Reveal Differences in Substrate and Inhibitor Specificity. Cell: 148(4), 727-738.
  • Kalim KW, Basler M, Kirk CJ, Groettrup M. (2012). - Immunoproteasome subunit LMP7 deficiency and inhibition suppresses Th1 and Th17 but enhances regulatory T cell differentiation J Immunol 189(8):4182-4193.