Ligand-independent gp130-type receptor activation by forced homo- and heterodimerization

Suthaus, Jan

The IL-6 family of cytokines consists of IL-6, vIL-6, IL-11, IL-27, CNTF, CT-1, LIF, CLC, NP, OSM, and IL-31. IL-6, vIL-6, IL-11 induce the formation of a gp130-homodimer, whereas signaling by CNTF, CT-1, LIF, CLC, and NP results in the formation of a gp130/LIFR heterodimer. OSM can induce the formation of a dimer of gp130 with LIFR or the related protein OSMR. IL-27 exclusively signals via a heterodimer comprising gp130 and WSX-1, whereas IL-31 induces the formation of an OSMR/GPL heterodimer. Interestingly, naturally occurring, ligand-independent, and constitutively active gp130 variants were described to play a role in the onset of inflammatory hepatocellular adenomas. In the past, constitutively active gp130 variants based on homodimerization of Jun leucine zippers were generated in this laboratory. However, using a Fos leucine zipper-gp130 (Fos-gp130) chimera and a Jun leucine zipper-WSX-1 chimera (Jun-WSX-1), Fos and Jun form the AP-1 transcription factor complex, revealed that also Fos-gp130 alone was able to induce ligand-independent STAT3 phosphorylation and ligand-independent growth of cytokine-dependent cells indicating that this approach was not suitable for the generation of ligand-independent, constitutive activation of heterodimeric receptors. Therefore a novel IL-15/IL-15Rα based system to generate ligand-independent, constitutively active heterodimeric complexes for all known gp130-receptor members was developed. In this system, IL-15 was genetically fused to one receptor component whereas IL-15Rα was fused to the second receptor component. Ligand-independent heterodimerization of gp130 with WSX-1, LIFR and OSMR and of OSMR with GPL led to constitutive, ligand-independent STAT1 and/or STAT3 and ERK1/2 phosphorylation. Moreover, these receptor combinations induced transcription of the STAT3 target genes c-myc and Pim-1 upon stable transfection and conferred to independent growth of cytokine-dependent cells. The IL-15/IL-15Rα system is established as a novel system to mimic constitutive and ligand-independent activation of homo- and heterodimeric receptor complexes, which could also be applicable to other heterodimeric cytokine receptor and growth factor receptor families. Additionally, in an improved approach a mutated IL-15 protein was used, which was still able to bind the IL-15R-sushi domain, but not to IL-2Rβ and IL-2Rγc receptor chains. In combination with the 2A peptide technology, this is the first step towards to translation of the in vitro data to analyse the tumorigenic potential of gp130-heterodimeric receptor complexes in vivo.

Die IL-6 Zytokinfamilie besteht aus IL-6, vIL-6, IL-11, IL-27, CNTF, CT-1, LIF, CLC, NP, OSM und IL-31. IL-6, vIL-6 und IL-11 induzieren die Bildung eines gp130 Homodimers, wohingegen die Signalwirkung von CNTF, CT-1, LIF, CLC und NP zur Bildung eines gp130/LIFR Heterodimers führen. OSM induziert die Bildung eines Dimers aus gp130 und LIFR oder dem verwandten Protein OSMR. IL-27 betreibt ausschließlich Signalwirkung durch ein Heterodimer bestehend aus gp130 und WSX-1, wohingegen IL-31 die Bildung eines OSMR/GPL Heterodimers induziert. Interessanterweise wurden natürlich vorkommende, Liganden-unabhängige und konstitutiv aktive gp130 Varianten beschrieben, welche eine Rolle bei der Entstehung von entzündlichen hepatozellulären Adenomen spielen. In der Vergangenheit wurde in dieser Arbeitsgruppe eine Liganden-unabhängige und konstitutiv aktive gp130 Variante, auf der Homodimerisierung von Jun „Leucinzippern“ basierend, hergestellt. Allerdings, unter Verwendung einer Fos „Leucinzipper“ gp130 Chimäre (Fos-gp130) und einer Jun „Leucinzipper“ WSX-1 Chimäre (Jun-WSX-1), Fos und Jun bilden den AP-1 Transkriptionsfaktorkomplex, stellte sich heraus, dass Fos-gp130 bereits alleine in der Lage ist eine Liganden-unabhängige STAT3-Phosphorylierung und unabhängiges Wachstum von Zytokin-abhängigen Zellen zu induzieren. Dieser Ansatz konnte daher nicht für die Herstellung von Liganden-unabhängigen, konstitutiv aktiven heterodimeren Rezeptorkomplexen verwendet werden. Daher wurde ein neues auf IL-15/IL-15Rα-sushi basierendes System zur Herstellung von Liganden-unabhängigen und konstitutiv aktiven Heterodimeren aller gp130 ähnlichen Rezeptoren entwickelt. In diesem System wurde eine Rezeptorkomponente mit IL-15, die andere mit der sushi Domäne des IL-15Rα, fusioniert. Liganden-unabhängige Heterodimerisierung von gp130 mit WSX-1, LIFR und OSMR bzw. OSMR mit GPL führte zur konstitutiven, liganden-unabhängigen STAT1- und/oder STAT3- und ERK1/2-Phosphorylierung. Darüber hinaus führten diese Rezeptorkombinationen zur Induktion der Transkription der STAT3 Zielgene c-myc und Pim-1 und zu unabhängigem Wachstum von Zytokin-abhängigen Zellen. Die Etablierung des neuartigen IL-15/IL-15Rα-sushi basierenden Systems, zur Nachahmung von konstitutiver, Liganden-unabhängiger Aktiverung homo- oder heterodimerer Rezeptorkomplexe, kann wohlmöglich auch auf andere heterodimere Zytokinrezeptor- oder Wachstumsfaktorrezeptor-Familien anwendbar sein. Zusätzlich wurde in einem verbesserten Ansatz ein mutiertes IL-15 Protein verwendet, welches zwar noch an die IL-15Rα-sushi Domäne, allerdings nicht mehr an die IL-2Rβ und IL-2Rγc Rezeptoren, binden kann. Kombiniert mit der 2A Peptid Technology, ist dies der erste Schritt die in vitro Daten anzuwenden, um das tumorigene Potential von gp130 heterodimeren Rezeptorkomplexen in vivo zu analysieren.

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Suthaus, Jan: Ligand-independent gp130-type receptor activation by forced homo- and heterodimerization. 2010.

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