Untersuchungen zur Ambivalenz des AHR-Signalweges in Haut-krankheiten

Das Melanom, die tödlichste Form von Hautkrebs, macht fast 2 % aller Krebsfälle weltweit aus, wobei die Inzidenz aufgrund der anhaltenden Zunahme der UV-Exposition im Freizeitbereich steigt. Der Arylhydrocarbon-Rezeptor (AHR), ein ligandbindender Transkriptionsfaktor der Per-ARNT-Sim-Familie der basischen Helix-Loop-Helix-Proteine, wurde ursprünglich als Rezeptor für das Dioxin TCDD beschrieben und vermittelt nachweislich die Entgiftung von Umweltgiften. In jüngerer Zeit wurde eine Vielzahl physiologischer und endogener Liganden entdeckt, und es gibt zunehmend Hinweise auf physiologische Funktionen des AHR bei der Zellproliferation, Differenzierung und bei Entzündungsreaktionen. Es wurde gezeigt, dass UV-Licht den hochaffinen AHR-Agonisten FICZ erzeugt, der die Bräunung der Haut als Schutzreaktion gegen UV-Strahlung fördert. In Krebszellen hingegen fördert die AHR-Aktivierung das Tumorwachstum. Das aktuelle Projekt basiert auf der Hypothese, dass die AHR-Signalübertragung unter physiologischen Bedingungen schützende Reaktionen der Melanozyten auf UV-Bestrahlung fördert, während sie unter pathologischen Bedingungen die maligne Transformation sowie das Fortschreiten von Metastasen verstärkt und die Wirksamkeit von T-Zell-gerichteten Immuntherapien beeinträchtigt. Im ersten Arbeitspaket des Projekts werden wir melanozytenspezifische, konditionale AHR-Knockout-Mäuse einsetzen, um den Einfluss der AHR-Signalübertragung auf die Reaktion von Melanozyten auf UV-Licht zu charakterisieren. Darüber hinaus werden wir die Rolle der AHR-Signalübertragung bei der UV-induzierten Tumorentstehung und -progression analysieren, indem wir das Hgf-Cdk4-Melanom-Modell in Kreuzung mit den melanozytenspezifischen AHR-Knockout-Mäusen verwenden. Im zweiten Arbeitspaket werden wir die Rolle der AHR-Signalübertragung bei der Immuntherapie untersuchen. Dazu werden wir unsere transplantierbare Melanomzelllinie HCmel12 mit und ohne CRISPR-vermittelten AHR-Knockout verwenden und einen adoptiven T-Zell-Transfer durchführen. Darüber hinaus werden wir adoptive Zelltransfertherapien mit einer pharmakologischen AHR-Hemmung bei Mäusen kombinieren, denen HCmel12-Melanomzellen transplantiert wurden, um die Zukunftsperspektiven einer therapeutischen AHR-Hemmung beim Menschen zu bewerten. Im dritten Arbeitspaket werden wir die Dynamik der AHR-Signalübertragung in Melanozyten und Melanomzellen in vitro charakterisieren. Anschließend versuchen wir, den Einfluss der AHR-Signalübertragung auf die durch Entzündungen induzierte Plastizität von Melanomzellen zu analysieren und den zugrunde liegenden molekularen Mechanismus aufzuklären. Im abschließenden Arbeitspaket werden wir den Einfluss der AHR-Signalübertragung auf die Dynamik der transkriptionellen Plastizität von Melanomzellen als Reaktion auf entzündliche und therapeutische Stimuli mittels Einzelzell-RNA-Sequenzierung analysieren. Darüber hinaus werden wir auch die AHR-Signalübertragung hinsichtlich der Differenzierungsverläufe von kutanen Melanozyten und Melanomzellen nach UVB-Bestrahlung charakterisieren. Wir erwarten, dass die aus diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse eine Grundlage für die zukünftige therapeutische Modulation der AHR-Signalübertragung bei der Behandlung von Melanomen liefern werden.

Studies on the Ambivalence of the AHR Signaling Pathway in Skin Diseases

Melanoma, the most lethal type of skin cancer, accounts for almost 2% of cancer cases worldwide, with an increasing incidence due to the unbroken trend of recreational UV exposure. The aryl hydrocarbon receptor (AHR), a ligand binding transcription factor of the basic helix-loop-helix Per-ARNT-Sim family, was initially described as the receptor for the dioxin TCDD and has been shown to mediate the detoxification of environmental pollutants. More recently, a multitude of physiological and endogenous ligands have been discovered, along with increasing evidence of physiological roles of AHR in cell proliferation, differentiation and inflammatory responses. UV light has been shown to generate the high affinity AHR agonist FICZ that promotes skin tanning as a protective response against UV. However, in cancer cells AHR activation promotes tumor progression. The current project is based on the hypothesis that AHR signaling promotes protective melanocyte responses to UV irradiation in physiological settings, whereas in pathologic settings, AHR signaling enhances malignant transformation as well as metastatic progression and impairs the efficacy of T cell directed immunotherapies. In the first work package of the project, we will use melanocyte-specific, conditional AHR knockout mice to characterize the impact of AHR signaling on the response of melanocytes to UV light. Additionally, we will also analyze the role of AHR signaling on UV-induced tumor development and progression by utilizing the Hgf-Cdk4 melanoma model crossed with the melanocyte-specific AHR knockout mice. In the second work package, we will assess the role of AHR signaling on immunotherapy. For this, we will use our transplantable melanoma cell line HCmel12 with and without a CRISPR mediated AHR knockout and perform adoptive T-cell transfer. Furthermore, we will also combine adoptive cell transfer therapies with pharmacological AHR inhibition in mice transplanted with HCmel12 melanoma cells to assess the future prospect of therapeutic AHR inhibition in man. In the third work package, we will characterize the AHR signaling dynamics in melanocytes and melanoma cells in vitro. Subsequently, we attempt to analyze the impact of AHR signaling on inflammation-induced melanoma cell plasticity and unravel the underlying molecular mechanism. In the final work package, we will analyze the impact of AHR signaling on the dynamics of melanoma cell transcriptional plasticity in response to inflammatory and therapeutic stimuli via single cell RNA sequencing. Additionally, we will also characterize AHR signaling on the differentiation trajectories of cutaneous melanocytes and melanoma cells following UVB irradiation. We expect that the insights gained from this project will provide a rationale for the future therapeutic modulation of AHR signaling in the treatment of melanoma.