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Characterisation of cellular and systemic functions of Tyk2 in lipopolysaccharide-induced endotoxin shock
Rita Stiefvater
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Mathias Müller
DOI
10.25365/thesis.13386
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29337.13617.878060-5
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Sind Pathogene erst einmal in einen Organismus eingedrungen, ist es die Aufgabe des Immunsystems diese zu erkennen und umgehend auf die Mikroorganismen und ihre immunogenen Produkte zu reagieren. Nach dem Erkennen durch Muster-Erkennungs-Rezeptoren, der Produktion und auto-/paracrinen Wirkung von Signalmolekülen (wie z.B. Zytokinen) wird die Jak-Stat (Janus Kinase - Signal Transducer and Activator of Transcription) Signaltransduktionskaskade aktiviert. Als Antwort auf äußere Signale kann diese Kaskade die Genexpression im Kern innerhalb von Minuten modifizieren und dadurch zelluläre Prozesse wie Entwicklung, Zellwachstum und Homeostase an äußere Gegebenheiten anpassen. Dementsprechend kann die Deregulierung der Jak-Stat Signal¬transduktionskaskade mit erheblichen Konsequenzen für einen Organismus verbunden sein. Tyrosin Kinase 2 (Tyk2) ist eine der vier Säugetier-Jaks, von denen alle an der Jak-Stat Signaltransduktionskaskade beteiligt sein können. Es konnte gezeigt werden, dass Tyk2 an der Reaktion auf eine Vielzahl von Zytokinen und einigen Wachstumsfaktoren mitwirkt. Folglich sind Tyk2-defiziente Mäuse anfälliger gegenüber den meisten mikrobiellen Infektionen, was hauptsächlich auf die Defekte in der Typ I Interferon (IFNα/β) und Interleukin (IL)-12 Signaltransduktion zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu sind Tyk2-defiziente Mäuse resistent gegen Schock induziert durch Lipopoly¬saccharid (LPS) und intestinale Ischämie/Reperfusion. Zusätzlich wurde Tyk2 mit der Entstehung von Autoimmun- und entzündlichen Krankheiten in Zusammenhang gebracht.
Um herauszufinden, wie Tyk2 global die Antwort auf LPS beeinflusst, führten wir Transkriptom- und Proteom-Studien durch. Ziel dieser Arbeit war, die Kinetik und die Mechanismen der Induktion ausgewählter, Tyk2-regulierter Gene/Proteine zu bestätigen und im Detail zu charakterisieren. Außerdem untersuchten wir Geninduktion, Organ- und Zelltypspezifität der interessantesten Gene/Proteine in vivo, um unsere Ergebnisse zu bekräftigen.
Zwei Gene, die wir genauer analysierten sind IL-17 und IL-17F, bedeutende, entzündungsfördernde Zytokine, welche in die Pathogenese verschiedener Autoimmun- und entzündlicher Krankheiten involviert, jedoch essentiell für die Abwehr von Mikroben sind. Wir konnten zeigen, dass Tyk2 die Expression von IL-17 und IL17F auf transkriptioneller Ebene in Makrophagen positiv reguliert, und dass diese Tyk2-Funktion nicht von der IFNα/β Signaltransduktion abhängt. Unsere Studie ergab weiters, dass Tyk2 auch die IL-17 Produktion in der Milz, nach intraperitonealer Administration von LPS, beeinflusst. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass IL-17 in der Milz fast ausschließlich von zwei Zelltypen, nämlich γδ T Zellen und plasmazytoiden dendritischen Zellen (pDCs), produziert wird. Interessanterweise war bis jetzt noch nicht bekannt, dass pDCs IL-17 produzieren können.
Das dritte Gen, auf welches wir uns fokussierten, war IL-1β. Es ist bekannt, dass IL-1β substantiell an einer Vielzahl von Autoimmun- und entzündlichen Krankheiten beteiligt ist, allerdings wurde Tyk2 bis jetzt noch nicht mit der Kontrolle der IL-1β Expression in Zusammenhang gebracht. Die Regulation von IL-1β auf transkriptioneller Ebene und durch proteolytische Prozessierung von pro-IL-1β zur reifen Form wurde bereits beschrieben. Unsere Studie in Makrophagen zeigte, dass Tyk2 die Expression von IL-1β auf translationeller Ebene hemmt, womit wir eine neuartige Form der IL-1β Regulation aufdeckten. Dadurch, dass wir in Abwesenheit von IFNα/β Rezeptor 1 (Ifnar1) und Stat1 erhöhte IL-1β Produktion zeigten, lieferten wir den Beweis für die Mitwirkung von kanonischer IFNα/β Signaltransduktion. Wir konnten eine gleichartige Tyk2-abhängige Reduktion von IL-1β nach Listeria monocytogenes Infektion in Makrophagen demonstrieren. Übereinstimmend mit unseren in vitro Daten, war die IL-1β Konzentration in peritonealen Spülungen Tyk2-defizienter Mäuse nach LPS erhöht, was die Wichtigkeit Tyk2-vermittelter translationeller Regulation von IL-1β weiter hervorhebt. Im Gegensatz zu lokaler IL-1β Expression war die Konzentration an systemischem IL-1β in der Abwesenheit von Tyk2 reduziert – ein weiterer Hinweis auf die komplexe Regulation von IL-1β.
Zusammenfassend bietet diese Studie neuartige Einblicke in die vielschichtigen und spezifischen regulatorischen Funktionen von Tyk2 in vitro und in vivo. Tyk2 kann Prozesse so unterschiedlich wie Transkription und Translation modulieren. Insbesondere identifizierten wir IL-17 als LPS-induziertes Tyk2-abhängiges Gen in entzündlichen Makrophagen-Populationen in vitro und in γδ T Zellen und pDCs in der Milz. Zusätzlich beschrieben wir einen Tyk2-abhängigen inhibitorischen Wirkungskreis, der übermäßige IL-1β Produktion nach LPS Behandlung oder Listeria monocytogenes Infektion limitiert. Wir zeigen, dass dieser hemmende Effekt auf translationeller Ebene stattfindet und stellen eine neuartige Form der IL-1β Regulation vor.
Abstract
(Englisch)
Once pathogens have entered an organism, the host immune system has to recognise and respond immediately to the microorganisms and their immunogenic products. Following recognition by pattern recognition receptors, the production and auto-/paracrine action of signalling molecules (e.g. cytokines) the Janus kinase and signal transducer and activator of transcription (Jak-Stat) signalling pathway becomes activated. In response to outside signals this pathway can alter nuclear gene expression programs within minutes, thereby modulating cellular processes like development, cell growth and homeostasis. As a result, deregulation of the Jak-Stat signalling pathway can lead to severe consequences for an organism. Tyrosine kinase 2 (Tyk2) is one of four mammalian Jaks that participate in the Jak-Stat signalling pathway and engagement of Tyk2 in response to a variety of cytokines and some growth factors has been demonstrated. Accordingly, Tyk2-deficient mice are more susceptible to most microbial infections, which is mainly attributed to their defects in type I interferon (IFNα/β) and interleukin (IL)-12 signalling. In contrast, Tyk2-deficient mice are resistant to lipopolysaccharide (LPS)- and intestinal ischemia/ reperfusion-induced shock. Additionally, Tyk2 has also been linked to the development of autoimmune and inflammatory diseases.
In order to study how Tyk2 globally influences the response to LPS we have recently conducted transcriptome and proteome studies in macrophages. Aim of this study was to confirm and further characterise the kinetics and mechanism(s) of induction of selected Tyk2-regulated genes/proteins. Furthermore, to substantiate our findings in vivo, we examined gene induction, organ and cell type specificity of the most interesting gene(s)/protein(s).
Two genes that we analysed in more detail are IL-17 and IL-17F. Both are important proinflammatory cytokines involved in the pathogenesis of several autoimmune and inflammatory diseases and are nonetheless essential for the host defence against many microbes. We could show that Tyk2 positively regulates expression of IL-17 and IL-17F in macrophages at the transcriptional level and demonstrate that this function of Tyk2 does not depend on IFNα/β signalling. Our study revealed that Tyk2 is also involved in IL-17 production in spleens following intraperitoneal administration of LPS. Additionally, we can show that IL-17 in spleens is almost exclusively produced by two cell types, i.e. γδ T cells and plasmacytoid dendritic cells (pDCs). Interestingly, it has not been reported until yet that pDCs are capable of IL-17 production.
A third gene that we focussed on was IL-1β. The substantial contribution of IL-1β to a variety of autoimmune and inflammatory diseases is well known, but Tyk2 has not yet been linked to the control of IL-1β expression. Regulation of IL-1β at the transcriptional level and by proteolytic processing from pro-IL1β to the mature form has already been described. Our study in macrophages revealed that Tyk2 suppresses IL-1β expression in response to LPS at the translational level, thereby uncovering a novel mechanism of IL-1β regulation. By showing increased IL-1β production in the absence of IFNα/β receptor 1 (Ifnar1) and Stat1, we provide evidence for the involvement of canonical IFNα/β signalling. We could demonstrate a similar Tyk2-dependent downregulation of IL-1β following Listeria monocytogenes infection in macrophages. In support of our in vitro data, IL-1β levels were increased in the peritoneal lavages of Tyk2-deficient mice after LPS challenge, highlighting the importance of Tyk2-mediated translational regulation of IL-1β. In contrast to local IL-1β expression, systemic IL-1β levels were decreased in the absence of Tyk2, further illustrating the complexity of IL-1β regulation.
In summary, this study provides novel insights in the diverse and non-redundant regulatory functions of Tyk2 in vitro and in vivo. Tyk2 can modulate processes as diverse as transcription and translation. In particular, we identified IL-17 as LPS-induced and Tyk2-dependent gene in inflammatory macrophage populations in vitro and in γδ T cells and pDCs in spleens. In addition, we identified a Tyk2-dependent inhibitory loop that limits excessive IL-1β production in response to LPS treatment and Listeria monocytogenes infection. We show that this suppressive effect occurs at the translational level, thereby identifying a novel mode of IL-1β regulation.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
immunology Tyk2 LPS
Schlagwörter
(Deutsch)
Immunologie Tyk2 LPS
Autor*innen
Rita Stiefvater
Haupttitel (Englisch)
Characterisation of cellular and systemic functions of Tyk2 in lipopolysaccharide-induced endotoxin shock
Paralleltitel (Deutsch)
Charakterisierung zellulärer und systemischer Funktionen von Tyk2 in Lipopolysaccharid-induziertem Endotoxin-Schock
Paralleltitel (Englisch)
Characterisation of cellular and systemic functions of Tyk2 in lipopolysaccharide-induced endotoxin shock
Publikationsjahr
2010
Umfangsangabe
86 S.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Stipan Jonjic ,
Thomas Decker
Klassifikation
42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie
AC Nummer
AC08767372
Utheses ID
12033
Studienkennzahl
UA | 091 | 441 | |