ISGylation

ISGylation bezeichnet den Vorgang, bei dem das Ubiquitin-ähnliche Protein ISG15 kovalent an Zielproteine angehängt wird. Dieser Prozess ähnelt dem Ubiquitinierungssystem, folgt jedoch einem eigenen enzymatischen Kaskadenmechanismus.

Typ-I-Interferone (IFN) induzieren die Expression von >500 Genen, die zusammen als ISGs (IFN-stimulierte Gene) bezeichnet werden. Eines der ersten durch IFN induzierten ISGs ist ISG15 (Interferon-stimuliertes Gen 15). Das freie ISG15-Protein, das vom ISG15-Gen synthetisiert wird, wird posttranslational an zelluläre Proteine konjugiert und auch von Zellen in das extrazelluläre Milieu abgegeben. ISG15 umfasst zwei Ubiquitin-ähnliche Domänen (UBL1 und UBL2), die jeweils eine auffallende Ähnlichkeit mit Ubiquitin aufweisen, was zu seinem früheren Namen Ubiquitin-kreuzreaktives Protein (UCRP) führte.

Wie Ubiquitin weist auch ISG15 in beiden UBL-Domänen eine charakteristische β-Grasp-Faltung auf. Die UBL2-Domäne besitzt ein konserviertes C-terminales Gly-Gly-Motiv, über das zelluläre Proteine über eine enzymatische Kaskade, die der Ubiquitylierung ähnelt und als ISGylierung bezeichnet wird, angehängt werden.

Das ISG15-Protein wird unter physiologischen Bedingungen nur minimal exprimiert. Seine IFN-abhängige Expression ist jedoch bei verschiedenen menschlichen Krankheiten, einschließlich verschiedener Tumorentitäten, neurodegenerativer Erkrankungen (Ataxia telangiectatica und Amyotrophe Lateralsklerose), entzündlicher Erkrankungen (Mendelschen Anfälligkeit für Mykobakterien-Erkrankungen (MSMD), Bakteriopathie und Viropathie) abnormal erhöht oder beeinträchtigt. ISG15 und die ISGylierung haben sowohl hemmende als auch stimulierende Funktionen in der Ätiologie und Pathogenese menschlicher Krankheiten. Sowohl ISG15 als auch ISGylierung werden heute als diagnostische/prognostische Biomarker und therapeutische Ziele für diese Erkrankungen gesehen (Mirzalieva O et al. 2022).

Wichtige Merkmale:

• ISG15 als Modifikator: Das ISG15-Gen (ISG15  steht für „Interferon-stimuliertes Gen 15“) wird besonders in Zellen produziert, die durch Typ-I-Interferone (z. B. INF-α und INF-β) stimuliert werden. Es wirkt wie ein kleines Protein, das an verschiedene Zielmoleküle angehängt werden kann.

Enzymatischer Ablauf. Der ISGylationsprozess verläuft in mehreren Schritten:

1. Aktivierung: ISG15 wird durch ein E1-aktivierendes Enzym (beispielsweise UBE1L) aktiviert.
2. Konjugation: Das aktivierte ISG15 wird dann an ein E2-konjugierendes Enzym (z. B. UBCH8) übergeben.
3. Ligation: Ein E3-Ligase-Enzym (etwa HERC5) vermittelt die kovalente Bindung von ISG15 an die Zielproteine.

 Funktionelle Konsequenzen.Die ISGylation kann die Eigenschaften und Funktionen der modifizierten Proteine verändern. Dazu gehören:

• Veränderung der Stabilität und Lokalisation
• Modulation der Interaktionen mit anderen Proteinen
• Beteiligung an der antiviralen Abwehr, da viele ISG15-modifizierte Proteine in Signalkaskaden der Immunantwort oder bei der Hemmung der Virusvermehrung eine Rolle spielen

Biologische Bedeutung:

• Dieser Modifikationsprozess ist besonders in Zellen aktiv, die durch ein virales Geschehen oder durch die Einwirkung von Interferonen aktiviert wurden. Dadurch leistet ISGylation einen Beitrag zur antiviralen Immunität und zum Abbau von viralen Komponenten.

1. Kim YJ et al. (2016) Consecutive Inhibition of ISG15 Expression and ISGylation by Cytomegalovirus Regulators. PLoS Pathog 12:e1005850.
2. Liu G et al.(2021) ISG15-dependent activation of the sensor MDA5 is antagonized by the SARS-CoV-2 papain-like protease to evade host innate immunity. Nat Microbiol 6:467-478.
3. Mirzalieva O et al. (2022) ISG15 and ISGylation in Human Diseases. Cells 11(3):538.
4. Swaim CD et al.(2017) Extracellular ISG15 Signals Cytokine Secretion through the LFA-1 Integrin Receptor. Mol Cell 68:581-590.e5.
5. Zhang D et al. (2011) Interferon-stimulated gene 15 and the protein ISGylation system. J Interferon Cytokine Res 31:119-130.