The transcription factor Nrf2 - modulation of Foxp3$^{+}$ regulatory T cells and implications in Juvenile Idiopathic Arthritis

Klemm, Patricia; Pradel, Gabriele (Thesis advisor); Tenbrock, Klaus (Thesis advisor); Fabry, Marlies (Thesis advisor); Zimmer-Bensch, Geraldine Marion (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Oxidativer Stress, definiert als Missverhältnis in der Produktion oxidativer und antioxidativer Moleküle zugunsten ersterer, ist maßgeblich beteiligt an einer Reihe von Krankheiten wie Autoimmunität, chronisch entzündlichen Erkrankungen und Krebs. Antioxidative Systeme, die im Rahmen von oxidativem Stress akkumulierte, reaktive Moleküle entgiften, sind streng reguliert. Nrf2 ist der Schlüsseltranskriptionsfaktor, der die Expression der Gene der antioxidativen Stressantwort induziert. Nrf2 wird kontinuierlich ubiquitinyliert and im Proteasom abgebaut, ein Prozess, der direkt durch die redox-sensitive E3-Ubiquitin-Ligase Keap1 kontrolliert wird. Im Rahmen von oxidativem Stress gibt Keap1 Nrf2 frei, welches anschließend in den Zellkern transloziert und die Transkription seiner Zielgene induziert. T-Zellen sind an verschiedenen chronisch entzündlichen und Autoimmunerkrankungen beteiligt und dabei mit oxidativem Stress konfrontiert. Dies gilt vermutlich auch für die Juvenile Idiopathische Arthritis, die häufigste rheumatische Erkrankung im Kindesalter. Sowohl erhöhte Mengen oxidierter Moleküle als auch verminderte antioxidative Mechanismen wurden in Patienten mit JIA beschrieben. Zusätzlich ist bekannt, dass reaktive Sauerstoffspezies bei der adulten rheumatoiden Arthritis kritisch am Abbau des Knorpelgewebes beteiligt sind. Foxp3-positive regulatorische T-Zellen, die von essenzieller Bedeutung für die Suppression überschießender Immunreaktionen gegen Auto- oder harmlose Antigene und daher kritisch an der Immunhomöostase beteiligt sind, scheinen nicht in der Lage zu sein die überaktivierten T-Zellen in den betroffenen Gelenken von JIA Patienten zu kontrollieren. Derzeit ist nicht klar, wie oxidativer Stress und insbesondere der Nrf2 Signalweg Foxp3+ T-Zellen unter homöostatischen Bedingungen und während autoimmuner Entzündung modulieren. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung von Nrf2 in Foxp3-exprimierenden Zellen eine frühe postnatale Letalität induziert und eine entzündliche Autoimmunreaktion in Foxp3creKeapfl Mäusen hervorruft, die mit lymphozytären Infiltraten in der Lunge, erhöhten Prozenten IFNγ produzierender CD4+ T-Zellen, Effektor- und zentraler Gedächtnis-T-Zellen sowie aktivierter B-Zellen einhergeht. Des Weiteren zeigten Tregs aus Foxp3creKeapfl Mäusen eine Zelllinien-Instabilität mit verminderter Foxp3 Expression, veränderter Proliferation und Differenzierung und metabolische Veränderungen inklusive einer Aktivierung des mTOR Signalweges und einer erhöhten Glukoseaufnahme. Diese Effekte ließen sich größtenteils in Knochenmarkchimären reproduzieren und weisen damit auf Treg-Zell intrinsische Mechanismen hin. Außerdem wurde gezeigt, dass Gelenkflüssigkeit von JIA Patienten oxidativen Stress in humanen CD4+ T-Zellen erhöht und Nrf2 zu dämpfen scheint. Zusätzlich erhöhte Gelenkflüssigkeit den Anteil regulatorischer T-Zellen, die CD4+ T-Zell Proliferation and veränderte den Metabolismus von CD4+ T-Zellen. Die hier präsentierten Daten decken eine bisher wenig beachtete negative Funktion von Nrf2 für die Stabilität und Homöostase von regulatorischen T-Zellen auf. Des Weiteren deuten die Experimente mit mononukleären Gelenkzellen und Gelenkflüssigkeit von JIA Patienten auf eine dysregulierte Nrf2 Aktivierung hin, die zur Krankheitsentstehung und -entwicklung in JIA Patienten beitragen könnte. Da reaktive Spezies nicht nur zu oxidativem Stress beitragen, sondern auch wichtige Signalfunktionen in T-Zellen z.B. während der T-Zell Aktivierung übernehmen, scheint die strenge Regulation von Nrf2 essenziell für die Generierung einer angemessenen Immunantwort zu sein.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehr- und Forschungsgebiet Zelluläre und Angewandte Infektionsbiologie [164020]