Dietary n-3 polyunsaturated fatty acids (PUFA) have been shown to potently attenuate T cell-mediated inflammation, in part, by suppressing T cell activation and proliferation. Apoptosis is an important mechanism for preventing chronic inflammation by maintaining T cell homeostasis through the contraction of populations of activated T cells. We hypothesized that dietary n-3 PUFA would promote T cell apoptosis, thus, providing an additional mechanism to explain the anti-inflammatory effects. We specifically examined activation-induced cell death (AICD) since it is the form of apoptosis associated with peripheral T cell deletion involved in immunological tolerance and T cell homeostasis. Female C57BL/6 mice were fed diets containing either n-6 PUFA (control) or n-3 PUFA for 14 d. Splenic T cells were stimulated with CD3/CD28, CD3/PMA, or PMA/Ionomycin for 48 h followed by reactivation with the same stimuli for 5 h. Apoptosis was measured using Annexin V/propidium iodide and flow cytometry. Cytokine analyses revealed that n-3 PUFA enhanced AICD only in T cells expressing a Th1-like cytokine profile (high IFN, low IL-4) compared to mice fed the n-6 PUFA control diet. Dietary n-3 PUFA significantly altered the fatty acid composition of phosphatidylcholine and phosphatidylethanolamine in T cell membranes. To examine the apparently selective effect of dietary n-3 PUFA on AICD in Th1 cells, CD4+ T cells were polarized in vitro to a Th1 phenotype by culture with IL-4, IL-2, and IL-12 for 2 d, followed by culture with IL-2 and IL-12 for 3 d in the presence of diet-matched homologous mouse serum (MS) to prevent loss of cell membrane fatty acids. Following polarization and reactivation, we observed that n-3 PUFA enhanced Th1 polarization and AICD only in cells cultured in the presence of MS, but not in fetal bovine serum. The n-3 PUFA enhancement of Th1 polarization and AICD was associated with the maintenance of diet-induced changes in EPA (20:5n-3) and DHA (22:6n-3) in plasma T cell membrane lipid rafts. Overall, these results suggest that dietary n-3 PUFA enhance both the polarization and deletion of pro-inflammatory Th1 cells, possibly as a result of alterations in lipid raft fatty acid composition.

L'apoptose lymphocytaire joue un rôle essentiel dans le contrôle de la réponse immunitaire et de la prolifération cellulaire. De nombreuses voies interviennent dans sa régulation, dont certaines dépendantes de l’oncogène RAS. Un défaut d'apoptose lymphocytaire induit l'apparition de maladies auto-immunes et lympho-prolifératives comme l'Autoimmune LymphoProliferative Syndrome (ALPS). L'ALPS fait suite à des anomalies du principal récepteur membranaire de mort FAS, pivot de l'apoptose lymphocytaire. Le RAS-Associated Lymphoproliferative Disease (RALD) est une entité décrite récemment, se rapprochant de l'ALPS par la symptomatologie et la physiopathologie sous-jacente. Cependant, dans le RALD, le défaut d'apoptose lymphocytaire n’est pas lié à des mutations de FAS mais à une hyperactivation de la voie RAS, mettant ainsi en lumière le rôle essentiel de cette voie dans la régulation du processus en question. Dans les Leucémies Myélo-Monocytaires Juvéniles Chroniques (JMML), les mêmes mutations que celles observées dans les RALD sont trouvées, sur les mêmes populations cellulaires. Il existe une hétérogénéité clinique et biologique au sein des JMML, certaines étant indolentes (LS-JMML) et d'autres sévères (S-JMML). A cette hétérogénéité au sein même des JMML s'ajoute celle observée entre JMML et RALD. L'objectif de ce travail a été de comprendre les tenants des différences phénotypiques observées, au travers du scope de l'apoptose des lymphocytes T activés, en comparant les trois entités résultant de mutations activatrices de RAS dans des cellules pluripotentes hématopoïétiques : RALD, LS-JMML et S-JMML. Nous rapportons des conséquences distinctes pour des mutations identiques ou équivalentes, avec différentes voies de l'apoptose touchées, différenciant les phénotypes induits. Ce travail a permis de démontrer que l’hyperactivation de la voie RAS seule n’entraîne pas nécessairement une dérégulation de la réponse immunitaire T. Des événements additionnels aux mutations présentes sont nécessaires au développement des symptômes. Ces événements ont bien des conséquences sur l'apoptose lymphocytaire, au niveau post-traductionnel, qu’ils concernent la voie RAS ou non. Les différences observées entre les trois phénotypes sur le plan expérimental pourraient être une aide au pronostic. De plus, ce travail ouvre la voie à l'identification en détails des facteurs additionnels et voies défaillantes et permettrait ainsi d'obtenir des thérapeutiques spécifiques actuellement inexistantes. / Lymphocytes apoptosis is essential in maintaining homeostasis and avoiding abnormal proliferation. When defective, autoimmune diseases as the Autoimmune LymphoProliferative Syndrome (ALPS), due to mutations of the death receptor FAS, can occur. Several pathways are important actors influencing the apoptosis cascade, including the RAS proto-oncogene signaling. The RAS Associated Lymphoproliferative Disease (RALD) is a newly described entity, similar to ALPS but with RAS mutations instead of FAS mutations, enlightening the primary role of RAS in apoptosis regulation. Interestingly, the same RAS mutations as observed in RALD are also the cause of a malignant proliferation, the Juvenile Myelo Monocytic Leukemia (JMML). In the case of JMML, RAS mutations can lead either to a mild (LS-JMML) or a severe (S-JMML) phenotype. Thus, three different phenotypes can be caused by the same oncogenic RAS mutations. In order to better understand and characterize the influence of oncogenic RAS mutations in lymphocytes’ apoptosis we studied it in patients presenting with RALD, LS-JMML and JMML. We showed that isolated RAS hyperactivity is not sufficient to induce an immune deregulation. Additional factors are required to do so. These factors influence both mitochondrial and extrinsic apoptosis pathways at a post-transcriptional level. They are due to probable genetic events, and their identification can lead to new therapeutic strategies. Furthermore, activated lymphocytes’ in vitro apoptosis assessment can help differentiating the three phenotypes and thus facilitate prognosis prediction.

Abstract The function of the transmembrane protein FasL is to complex with the Fas receptor in a target cell and induce target cell apoptosis. Fas/FasL-mediated apoptosis plays important role in immunoregulation. FasL expression is mostly seen in activated lymphocytes. We have characterized endothelial FasL expression in different functional compartments of lymph nodes and gut-associated lymphoid tissue. Furthermore, we have explored the functional role of endothelial FasL expression by analyzing correlation with apoptosis of lymphocyte subpopulations in lymph nodes and by assessing endothelial expression under different conditions by activation of immune functions in gastrointestinal mucosa. Immunohistochemical stainings (Fas, FasL, CD3, CD20, CD19, CD23, CD56, FVIII) were performed on 20 reactive lymph node tissues (I and II), 60 pediatric endoscopy biopsy samples (III) or 60 samples from gut resections (IV). A double-staining method combining apoptosis detection with the TUNEL-method and lymphocyte classification with FasL, Fas and cell lineage markers was optimized. Patient groups included non-pathological lymph nodes, pediatric cow’s milk-sensitive enteropathy, pediatric celiac disease, appendicitis, ulcerative colitis and Crohn’s disease. Control groups included normal biopsy samples from pediatric patients and non-pathological resecate samples from the appendix, colon or ileum to correspond to patient groups. Quantitative analysis (positive vessels or cells per mm2) was performed thoroughly for each anatomical region. In a subset of patients, soluble FasL in the serum was quantified with standard enzyme-linked immunosorbent assay. In reactive lymph nodes FasL expression was predominantly present in high endothelial venules located in the paracortical area, where apoptotic T and B lymphocytes, some expressing Fas, were subsequently found. In the gut wall vascular FasL expression was seen in high endothelial vessels near lymphoid follicles. Serum FasL was elevated in children with an abundance of mucosal lymphoid follicles. In IBD, vascular FasL was upregulated in ulcers and in the submucosa of colons affected by Crohn’s disease. The results indicate that endothelial FasL is characteristically present in high endothelial venules of lymphoid tissues. Detection of apoptotic Fas expressing lymphocytes adjacent to such vessels supports the idea that endothelial FasL functions as a selective gatekeeper by inducing apoptosis of Fas+ lymphocytes entering from the blood stream. / Tiivistelmä Solukalvon läpäisevän proteiinin, FasL:n, tehtävä on sitoutua kohdesolun Fas-reseptoriin ja indusoida kohdesolun apoptoosi. Fas/FasL-välitteinen apoptoosi on merkittävä tekijä immunologisessa säätelyssä. FasL ilmentyy pääsääntöisesti aktivoituneissa lymfosyyteissä. Olemme kuvanneet tutkimuksessamme FasL:n endoteelistä ilmentymistä imukudoksen eri toiminnallisissa alueissa ja suoliston lymfaattisessa kudoksessa. Lisäksi kartoitimme endoteelin FasL:n toiminnallista merkitystä analysoimalla sen yhteyttä lymfosyyttien alaryhmien apoptoosiin imusolmukkeissa ja arvioimalla FasL:n endoteelistä ilmentymistä suoliston limakalvon immunologisesti erilaisissa sairauksissa. Teimme immunohistokemiallisia värjäyksiä (Fas, FasL, CD3, CD20, CD19, CD23, CD56 ja FVIII) 20 reaktiiviselle imusolmukkeelle (I ja II), 60 lapsen endoskooppiselle biopsianäytteelle (III) sekä 60 suoliresekaattinäytteelle (IV). Optimoimme kaksoisvärjäysmenetelmän, missä yhdistettiin apoptoosin havainnointimenetelmä TUNEL ja FasL-, Fas- tai solulinjamarkkeri. Potilasryhmiin kuului potilaita, joilla oli normaalit imusolmukkeet, sekä potilaita, jotka sairastivat lasten viivästynyttä lehmänmaitoallergiaa, lasten keliakiaa, umpilisäketulehdusta, haavaista paksusuolitulehdusta tai Crohnin tautia. Verrokkiryhmiin kuului normaaleja biopsianäytteitä lapsipotilailta sekä terveitä resekaattinäytteitä umpilisäkkeestä sekä paksu- tai sykkyräsuolesta potilasryhmien mukaisesti. Jokaiselle anatomiselle alueelle suoritimme perusteellisen määrällisen analyysin (positiivista suonta tai solua per mm2). Osalle ryhmistä suoritimme seerumin liukoisen FasL:n määrityksen entsyymivälitteisellä immunosorbenttimäärityksellä. Reaktiivisissa imusolmukkeissa FasL:n ilmentyminen näkyi pääsääntöisesti parakortikaalialueen korkeaendoteelisissä venuleissa, missä myös apoptoottiset T- ja B-lymfosyytit (joista osa ilmensi Fasia) sittemmin näkyivät. Suoliston seinämässä havaitsimme verisuoniperäistä FasL:n ilmentymistä korkeaendoteelisissä suonissa lymfaattisten itukeskusten lähettyvillä. Niillä lapsipotilailla, joilla havaitsimme limakalvon lymfaattisten itukeskuksien lisääntymistä, oli myös seerumin FasL-pitoisuus koholla. Tulehduksellisissa suolistosairauksissa verisuoniperäinen FasL oli lisääntynyt limakalvon haavaumissa sekä Crohnin tautia sairastavien potilaiden submukoosassa. Tulokset osoittavat verisuoniperäisen FasL:n tyypillisesti ilmentyvän imukudoksen korkeaendoteelisissa suonissa. Apoptoosin havaitseminen Fasia ilmentävissä lymfosyyteissä näiden suonien läheisyydessä tukee ajatusta siitä, kuinka verisuoniperäinen FasL toimii valikoivana portinvartijana ja aiheuttaa Fas-positiivisten lymfosyyttien apoptoosin estämällä niiden pääsyn verenkierrosta.

Multiple Sklerose (MS) ist eine heterogene Krankheit des Zentralnervensystems, deren pathologische Mechanismen noch nicht vollständig aufgeklärt sind. Die gegenwärtige Hypothese ist, daß pro-inflammatorische T-Zellen entscheidend an der Pathogenese der MS beteiligt sind. Man geht davon aus, daß eine Fehlregulation der T-Zell-Kontrolle, möglicherweise bedingt durch ein Ungleichgewicht an Apoptose-regulierenden Molekülen, dabei eine Rolle spielt. Tatsächlich zielen therapeutische Strategien darauf ab, T-Zell-Aktivierung, Proliferation und Produktion von Zytokinen zu verringern, oder T-Zell-Eliminierung zu fördern. Diese Arbeit sollte zum einen die Bedeutung regulatorischer Faktoren klären, die für das überleben der T-Zellen von MS-Patienten verantwortlich sind. Zum anderen sollten die antiproliferative oder Apoptose-fördende Wirkung potentiell therapeutisch wirksamer Moleküle untersucht werden. Eine eingeschränkte Regulation der autoreaktiven T-Zellen durch Apoptose in der Peripherie und im ZNS trägt möglicherweise zur Pathophysiologie der MS bei. Als Schlüsselfaktoren der Regulation von Apoptose wurden Mitglieder der Bcl-2-Familie in MS-Patienten und Probanden untersucht. Diese Faktoren wurden in Relation zu der Suszeptibilität der T-Zellen gegenüber aktivierungsinduziertem Zelltod (sog. Activation-induced cell death oder AICD) überprüft. Um die in-vivo-Elimination der Antigen-reaktiven T-Zellen nachzuahmen, wurde ein in-vitro-Modell des AICD mit repetitiver T-Zell-Stimulation verwendet. Tatsächlich zeigten polyklonale T-Zellen von MS-Patienten eine verringerte Suszeptibilität für AICD, nachgewiesen sowohl durch verminderte Caspaseaktivtät (p=0.013) als auch durch DNA-Fragmentierung (p=0.0071). Weiter wurden höhere Spiegel des Proteins Bcl-XL in den Immunzellen von MS-Patienten mit Immunoblotting gemessen (p=0.014). Eine inverse Korrelation zwischen der Expression an Bcl-XL und der Empfindlichkeit der T-Zellen gegenüber AICD steht in Übereinstimmung mit vorhergehenden Daten bezüglich der Bedeutung dieses Proteins für die Apoptose-Resistenz von T-Zellen. Es wurde bereits gezeigt, daß dieses Molekül die Ausprägung der experimentell-autoimmun Enzephalomyelitis, des Tiermodells der MS, verstärkt. Zusammen mit den erhöhten Bcl-XL-Werten bei MS-Patienten, ergeben sich nun Perspektiven für einen therapeutischen Ansatz. Abgesehen von dem Konzept die apoptotische Eliminierung von T-Zellen zu unterstützen, streben gegenwärtige therapeutische Strategien an, die Aktivierung und weitere Proliferation der schädlichen T-Zellen zu hemmen. Basierend auf klinischer Erfahrung mit eher unselektiven Therapien, ist es ein therapeutisches Ziel, neue immunomodulatorische Substanzen mit besserer Selektivität zu finden, um das Nutzen/Risiko-Verhältnis zu maximieren. Aus diesem Grund wurden zwei unterschiedliche Substanzen untersucht die beide den Zellzyklus beeinflussen. Als erster Kandidat wurde der kürzlich entdeckte Todesligand TRAIL (engl.: TNF-related apoptosis inducing ligand) aus der TNF/NGF-Familie untersucht, da diesem bereits T-Zell-regulatorische Funktionen zugeschrieben worden waren, humane Antigen-spezifische T-Zellen jedoch resistent gegenüber TRAIL-induzierter Apoptose sind. Der zweite Kandidat mit potenziell therapeutischer Wirkung bei MS ist Atorvastatin, ein HMG-CoA-Reduktase-Hemmer, der bereits als Lipidsenker bei Patienten eingesetzt wird. Um die Hypothese zu überprüfen, daß diese Substanzen T-Zell-Rezeptor-Signale beeinflussen können, wurden humane Antigen-spezifische T-Zell-Linien von MS-Patienten und gesunden Probanden eingesetzt. Diese wurden hinsichtlich T-Helfer-Phänotyp und Peptid-Spezifität charakterisiert. Eine Behandlung mit TRAIL führte zur Hemmung der Proliferation in unterschiedlichem Ausmaß (6.2% - 63.8%). Atorvastatin hemmte in Abhängigkeit von der Dosis ebenso die Proliferation Antigen-spezifischer T-Zellen. Beide Substanzen wirkten antiproliferativ unabhängig von der Antigenpräsentation, aufgrund ihrer Fähigkeit, die Proliferation in Abwesenheit von professionellen Antigen-präsentierenden Zellen zu vermindern. Diese Eigenschaft weißt auf einen direkten Einfluß auf die T-Zell-Funktion hin. Die TRAIL-induzierte Hypoproliferation war assoziiert mit einer Herunterregulation der Zyklin-abhängigen Kinase CDK4 (engl.: cyclin dependent kinase 4), einem Schlüsselenzym für die nach T-Zell-Rezeptor-Stimulation einsetzende Transition von der G1- zur S-Phase des Zellzyklus. Inkubation mit Atorvastatin induzierte ebenso eine Verminderung von CDK4, begleitet von einer Erhöhung von p27Kip1. Die Atorvastatin-vermittelte Proliferations- und Zellzyklus-Blockade konnte durch Mevalonat rückgängig gemacht werden. Mevalonat ist ein Zwischenprodukt des HMG-CoA-Reduktaseweges. Atorvastatin scheint demnach einen direkten Einfluß auf diese Enzymkaskade zu haben, der wichtig für die Isoprenylierung von GTPase-Proteinen der Rho-Familie ist. T-Zell-Rezeptor-Stimulation führt zur Freisetzung von Kalzium aus intrazellulären Speichern und nachfolgend zur Öffnung transmembranöser Kalzium-Kanäle (sog. calcium release-activated calcium oder CRAC-Kanäle), die eine für die T-Zellaktivierung notwendige und anhaltende Erhöhung der intrazellulären Kalzium-Konzentration hervorruft. Nach Behandlung mit TRAIL wurde eine konzentrationsabhängige Inhibition des Einstroms extrazellulärer Kalzium-Ionen durch die CRAC-Kanäle beobachtet. Dies wurde mit löslichem TRAIL-Rezeptor-Fusionsprotein, einem TRAIL-Antagonisten, rückgängig gemacht. Die Blockade von Kalzium-abhängigen Aktivierungssignalen stellt damit möglicherweise einen primären immunregulatorischen Mechanismus für diese Todesliganden dar. Jedoch wurde keine Auswirkung von Atorvastatin auf die T-Zellaktivierung beobachtet, da der Einstrom von extrazellulärem Kalzium nicht beeinflußt wurde. Während Studien zum TRAIL-vermittelten Einfluß auf die T-Zell-Aktivierung und dem Zellzyklus erst in der präklinischen Phase sind, werden Statine, die ebenfalls den Zellzyklus beeinflussen, bereits in der Therapie anderer Erkrankungen angewand. Darüber hinaus werden derzeit bereits klinische Studien mit Statinen zur MS-Therapie durchgeführt. Weitere Untersuchungen zu den detaillierten Mechanismen antiproliferativer Substanzen mit potenziellem therapeutischen Effekt in der MS ermöglichen die Entwicklung von selektiveren immunomodulatorischen Therapien mit höherem therapeutischen Nutzen für MS-Patienten. / Multiple sclerosis (MS) is a heterogeneous disease of the central nervous system whose pathological mechanisms are far from completely understood. The current hypothesis is that pro-inflammatory T cells are orchestrating the pathogenesis of this condition. It is considered that a dysregulation in T cell control to be involved, with an imbalance in apoptosis-regulating molecules possibly playing a role. In fact, therapeutic strategies aim to reduce T cell activation, proliferation and cytokine production or to promote T cell elimination. The focus of this thesis was to identify the role of regulatory molecules for T cell survival in the immune pathogenesis of MS, and to investigate antiproliferative or apoptosis-promoting effects on T cells by potential therapeutic molecules. A limitation in the apoptotic regulation of autoreactive T cells in the periphery and in the CNS may contribute to the pathophysiology of MS. As key regulators of apoptosis, members of the Bcl-2 family were investigated in both MS patients and controls. These factors were examined in relation to the susceptibility of T cells, from both groups, towards activation-induced cell death (AICD). To mimic the in vivo elimination of antigen-reactive T cells, an in vitro model of AICD involving repetitive T cell receptor mediated stimulation was utilized. In fact, polyclonal T cells from MS patients showed a decreased susceptibility to undergo AICD as shown by both caspase activity (p=0.013) and DNA fragmentation (p=0.0071) assays. Furthermore, Bcl-XL protein levels, as measured by immunoblotting, were increased in the peripheral immune cells of MS patients (p=0.014). An inverse correlation observed between Bcl-XL levels and susceptibility of T cells to undergo AICD is in line with previous data on the significance of this anti-apoptotic protein in T cell resistance. Since this molecule has already been shown to aggravate the outcome of experimental autoimmune encephalitis, the animal model for MS, the observation of elevated Bcl-XL levels in patients offers perspectives towards therapeutic manipulation in MS. Apart from promoting apoptotic elimination, current therapeutic strategies aim at inhibiting activation and further proliferation of potentially harmful T cells. Based on clinical experience with rather non-selective therapies that promote T cell elimination, a therapeutic goal is to identify newer immunomodulatory substances with better selectivity in order to maximize the therapy's benefit to risk ratio. Thus, two different substances, both interfering with cell cycle regulation, were investigated. The first candidate was the recently discovered member of the TNF/NGF family of death ligands, TNF-related apoptosis inducing ligand (TRAIL) since it has been reported to have immunoregulatory functions and since human antigen-specific T cells were shown to be resistant towards apoptosis induction by this ligand. The second candidate drug with potential in MS therapy is atorvastatin, a 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme (HMG-CoA) reductase inhibitor and lipid-lowering drug, already indicated for anomalies in lipid metabolism. In order to prove the hypothesis that these substances interfere with T cell receptor signaling, human antigen-specific T cell lines from both MS patients and controls, characterized with regards to T helper differentiation and peptide specificity, were employed. Exogenous treatment of TRAIL resulted in an inhibition in proliferation, albeit to varying degrees (6.2% - 63.8% inhibition). Atorvastatin also inhibited proliferation of antigen-specific T cell lines in a dose-dependent manner. Both compounds induced hypoproliferation independently of antigen presentation, as shown by their ability to block T cell proliferation in response to direct T cell receptor engagement, thus indicating a direct influence on T cell function. The growth inhibition by TRAIL was associated with a downregulation of the cell cycle regulator CDK4, indicative of an inhibition of cell cycle progression at the G1/S transition. Incubating T cells with atorvastatin also induced a downregulation of CDK4 expression, which was accompanied by an upregulation of p27Kip1 expression. The atorvastatin-mediated inhibition in proliferation and cell cycle progression could be reversed by mevalonate, an intermediate product of the HMG-CoA reductase pathway, suggesting a direct involvement of atorvastatin in this pathway, necessary for the isoprenylation of small GTPase proteins of the Rho family. Utilizing a thapsigargin model of calcium influx to activate the same calcium-release activated calcium (CRAC) channels as T cell receptor-stimulation by antigen, an inhibition in calcium influx could be observed on pre-incubating T cells with TRAIL. Co-incubating with human recombinant TRAIL receptor 2 fusion protein, a competitive antagonist for TRAIL, reversed this inhibition. A direct influence on calcium influx is indicative of an influence of TRAIL on the activation status of human T cells. Therefore, TRAIL directly inhibits activation of these cells via blockade of calcium influx. However, no impact of atorvastatin on early T cell activation was observed, since calcium influx was unaffected. While TRAIL-mediated interference with T cell activation and further cell cycle progression is still in the pre-clinical phase, statins, which have also been shown here to interfere with the T cell cycle, are already employed in the clinic for other ailments. In fact, clinical trials are currently being undertaken with this group of drugs for MS. Further studies on detailed mechanisms of antiproliferative substances effective in MS will allow the development of highly selective immunomodulatory agents with increased beneficial profile as MS therapy.