In this study, murine ES cells and DT40 B cells were used in parallel to disrupt the Nfatc1 gene and to study the function of individual 6 Nfatc1 isoforms, especially the function of highly inducible NFATc1/aA.We found that the short isoform NFATc1/aA protects DT40 B cells against apoptosis while the long isoform NFATc1/aC appears to enforce apoptosis. DNA microarray studies have shown that in NFATc1" DT40 B cells expressing ectopically human NFATc1/aA, the pkc-theta gene is several fold stronger expressed as in wild type cells. Our results of EMSA (Electrophoretic Mobility Shift Assays) and ChIP (chromatin immuno-precipitation) experiments demonstrated the binding of NFATc1/aA to the pkc-theta promoter in vitro and in vivo. NF-kappa B was also found to bind to the NFATc1 P1-promoter in vitro and in vivo. These data suggest and further prove that NF-kappa B contributes to the induction of the NFATc1 P1 promoter upon activation of T cells. So, NFATc1/aA and NF-kappa B were found to cross-talk in the transcriptional upregulation of their target genes, such as the IL-2 gene and the Nfatc1 gene itself, at multiple steps upon induction of apoptosis. While the pro-apoptotic mechanism of NFATc1s long isoform(s) remains unclear, its corresponding “death partners” are worth further studies. The elucidation of functional roles of NFATc1s short or long isoforms in the control of apoptosis of lymphocytes helps to understand apoptosis regulation, and thereby, the fate of lymphocytes. / In der vorliegenden Studie wurden ES Zellen von der Maus und DT40 B Zellen vom Huhn verwendet, um paralell das Nfatc1 auszuknocken und die Rolle der einzelnen 6 Nfatc1 Isoformen zu studieren, insbesorndere die Funktion des stark induzierbaren NFATc1/aA.Wir konnten feststellen, daß die kurze Isoform NFATc1/aA" DT40 B Zellen gegen Apoptose schützt, während die lange Isoform NFATc1/aC scheinbar die Apoptose verstärkt. DNA Microarray Studien haben gezeigt, daß NFATc1-/-/aA DT40 B Zellen, die humanes NFATc1/aA ektopisch exprimieren, das pkc-theta Gen deutlich stärker exprimieren als in Wildtyp Zellen. Unsere Ergebnisse von EMSA und ChIP Experimenten demonstrieren die Bindung von NFATc1/aA an den pkc-theta Promoter in vitro und in vivo. Für NF-kappa B wurde eine Bindung am Nfatc1 P1 Promoter in vitro und in vivo gezeigt. Dies lässt vermuten, daß NF-kappa B eine Rolle bei der Induktion am Nfatc1 P1 Promoter nach der Aktivierung der T Zelle spielt.Es wurde herausgefunden, daß nach Induktion der Apoptose, NFATc1/aA und NF-kappa B „cross-talk“ an unterschiedlichen Stellen in der transkriptionellen Hochregulierung ihrer Zielgene, wie z.b. dem IL-2 Gen und dem Nfatc1 Gen selbst. Weil die pro-apoptotischen Mechanismen der lange(n) Isoform(en) von NFATc1 unklar bleiben, sollten die korrespondierenden „death partners“ in weiteren Studien untersucht werden. Eine Klärung der funktionellen Rollen der NFATc1 Isoformen in der Kontrolle der Apotose in Lymphozyten wird helfen,die Regulation der Apotose, und damit auch das Schicksal der Lymphozyten, zu verstehen.

Die Transkriptionsfaktoren der NFAT-Proteinfamilie (Nuclear Factor of Activated T cells, NFATc1-4) sind an entscheidender Stelle in die Regulation des Zellzyklus, des programmierten Zelltodes und der Kanzerogenese involviert. NFATc1 nimmt innerhalb dieser Familie eine Sonderrolle ein, da dessen Aktivität auch durch eine stark induzierbare Expression gesteigert werden kann. Dies ist insbesondere für die Differenzierung und Funktion von T- und B-Lymphozyten von Bedeutung. Weiterhin ist NFATc1 für die Muskel- oder Herzentwicklung notwendig. Eine Reihe von Arbeiten belegen darüber hinaus eine Beteiligung dieses Transkriptionsfaktors an der Entstehung von Leukämien und Lymphomen. Während klassische Hodgkin-Lymphome allerdings durch eine abgeschaltete NFATc1-Expression gekennzeichnet sind, wird für T-ALL (Akute Lymphatische Leukämie der T-Zelle) eine Überexpression beschrieben. Die Kernlokalisation dieses Transkriptionsfaktors erfolgt nach Dephosphorylierung des zytoplasmatischen Proteins durch die Phosphatase Calcineurin. Deren Phosphataseaktivität wird durch einen Anstieg des intrazellulären Ca++-Spiegels aktiviert. Inwiefern die Calcineurin-abhängige Kerntranslokalisation den einzigen Aktivierungsmechanismus für NFAT-Faktoren darstellt, ist noch nicht eindeutig geklärt. Nach optimaler Aktivierung von T- bzw. B-Zellen ist die kurze, induzierbare Isoform NFATc1/A das Hauptprodukt des NFATc1-Gens. In dieser Arbeit wurden für die gezielte Deletion des NFATc1-Gens in der Maus zwei verschiedene konditionelle Systeme verwandt. Hierzu wurden Tiere, die ein mit „flox“-Sequenzen versehenes drittes Exon des NFATc1-Gens in der Keimbahn tragen, mit verschiedenen Cre-Rekombinase expremierenden Linien verkreuzt. Der Verlust funktionellen NFATc1-Proteins erfolgt dann früh in der B-Zell-Differenzierung im Knochenmark (Cd79a/mb-1-cre x Nfatc1flx/fl) bzw. in reifen B-Zellen (Cd23-cre x Nfatc1flx/flx). Während in keiner dieser Linien signifikante Defekte in der Differenzierung “konventioneller B2” B-Lymphozyten beobachtet wurden, hatte die frühe Inaktivierung des NFATc1-Gens im Knochenmark den Verlust der B1a-Zell-Population im Peritoneum zur Folge. In vitro zeigten NFATc1-/--B-Zellen aus der Milz nach Aktivierung über den B-Zell-Rezeptor deutliche Defekte in der Zellteilung bei einer gleichzeitigen Zunahme des aktivierungsinduzierten Zelltodes (AICD, activation induced cell death). Die vergleichende Transkriptomanalyse identifizierte wichtige Gene des Ca++/Calcineurin-Signalweges als NFATc1-Zielgene und mitverantwortlich für die Proliferationsdefekte. In NFATc1-defizienten B-Zellen konnte Re-Expression von NFATc1 in geringer Konzentration den aktivierten Zelltod inhibieren, wohingegen hohe Konzentrationen diesen noch weiter förderten. Zusammengenommen lässt sich daher schließen, dass NFATc1 entscheidend an der Kontrolle von Proliferation und Zelltod peripherer B-Lymphozyten beteiligt ist. Eine weitere wichtige Funktion kommt NFATc1 beim Klassenwechsel im Immunglobulin-Lokus zu. In den untersuchten Mäusen war die IgG3-Produktion nach Immunisierung mit NP-Ficoll (einem T-Zell-unabhängigen Antigen des Typs II) deutlich reduziert, wenn das NFATc1-Gen in den B-Lymphozyten funktionslos war. Auch die Bildung von IgG3+-Plasmablasten war gehemmt. Zu ähnlichen Ergebnissen führten Untersuchungen an isolierten B-Lymphozyten in einem in vitro Klassenwechsel-Modell. Demgegenüber zeigten Immunisierungen der Tiere mit NP-KLH (einem T-Zell-abhängigen Antigen) keine signifikanten Abweichungen im Klassenwechsel. Zusammengefasst zeigen diese Daten die große Bedeutung des Transkriptionsfaktors NFATc1 für das Überleben und die Funktion peripherer B-Lymphozyten. / The Nuclear Factors of Activated T cells (NFATs) are critical transcription factors playing major roles in the control of the cell cycle, apoptosis and, probably, also cancerogenesis. Of all the four genuine NFATc family members, NFATc1 has the unique induction property which appears to be essential for T and B cell development, along with its considerable role in cytokine gene expression and function in non-lymphoid tissues and during organ development (such as in the development of muscle and heart cells). A number of studies have proved the potential role of NFATc1 protein in development of lymphomas and leukemias and provided evidence of differential expression of the same gene in different tumours (Suppression in classical Hodgkin lymphomas but overexpression in T-ALLs). Although the most commonly accepted pathway is the dephosphorylation of NFAT by calcineurin upon a rise in intracellular Ca++ leading to nuclear translocation followed by transcription of Il2 gene and related cytokines, it is quite possible that signaling mechanisms other than (or in addition to) calcineurin activation lead to NFATc1 induction as well. One of the major isoforms of NFATc1, NFATc1/αA, is the short inducible factor, produced upon full T and B cell activation. Here we used two different conditional knock-out mice as our study model. Inactivation of the murine Nfatc1 gene in bone marrow (of Cd79a/mb-1-cre x Nfatc1flx/flx mice) and spleen (of Cd23-cre x Nfatc1flx/flx mice) resulted in complete ablation of NFATc1 expression in splenic B cells. Although no severe developmental defects were found for the generation of ‘conventional’ B2 cells, NFATc1 inactivation in bone marrow B-cells led to a strong decrease in the peritoneal B1a cell population. In-vitro studies showed a clear-cut decrease in proliferation and an increase in Activation Induced Cell Death (AICD) of NFATc1-/- splenic B cells upon BCR stimulation. While NFATc1 appears to control directly the AICD of peripheral B cells, further studies revealed an effect of NFATc1 on proliferation by a sustained differentiation program controlling Ca++ flux and calcineurin activity which are needed to maintain transcription and proliferation of primary B cells. Re-expression of NFATc1 at a low dose could protect cells against AICD, whereas at a higher dose it initiated AICD. These data suggest an important dual role of NFATc1 in controlling proliferation and apoptosis of peripheral B lymphocytes. NFATc1 ablation also impaired the Ig class switch to IgG3 by T cell-independent (TI) type II antigens and impaired IgG3+ plasmablast formation when studied in-vivo by NP-Ficoll immunization or in-vitro using an in-vitro class-switch model. Contrary to the immunizations with TI-type II antigen, no significant differences were documented in Ig class switch upon immunization with NP-KLH, a T-cell dependent (TD) antigen. Taken together, the data indicate NFATc1/αA as a crucial player in the activation and function of splenic B cells upon BCR stimulation. Missing or incomplete NFATc1/αA induction appears to be one reason for the generation of B cell unresponsiveness, whereas uncontrolled NFATc1/αA expression could lead to unbalanced immune reactions and autoimmune diseases.

In Lymphozyten wird nach Antigenaktivierung die Expression des Nfatc1-Gens durch Aktivierung des P1-Promoters stark induziert. Dagegen ist die, durch den Promoter P2 vermittelte Expression ebenso wie die der anderen NFAT Faktoren c2 und c3 konstitutiv. Die Akkumulation der dabei gebildeten Isoform NFATc1/αA ist sowohl für Effektorfunktionen wie die Zytokinproduktion sowie die Proliferation und das Überleben der aktivierten Zellen wichtig (Chuvpilo et al., 2002). Um die Expression des Nfatc1-Gens auf Einzelzellebene messen zu können, wurden BAC (bacterial artificial chromosom) transgene Mauslinien generiert, die einen 210kb großen Bereich des Nfatc1-Gens der Maus enthalten. In diesen Lokus wurde ein eGFP-Reportergen innerhalb des allen Isoformen gemeinsamen, dritten Exons integriert. In dieser Arbeit wird durch semiquantitative RT-PCR-Experimente von Gesamt-Milzzellen und TLymphozyten gezeigt, dass in den B6/NFATc1-eGFP-BAC-Reportermäusen die Expression der eGFP-cDNA analog zum endogenen Nfatc1-Lokus der Kontrolle der beiden Promotoren P1 und P2 unterliegt. In Western Blot Experimenten wird in diesen Zellen mittels eines NFATc1α-spezifischen Antikörpers eine induzierbare und CsA-sensitive α-GFP-Isoform - vergleichbar mit der endogenen NFATc1α-Isoform - nachgewiesen. Gleichzeitig zeigen NFATc1-Antikörper das konstitutiv exprimierte GFPβ-Protein. Die Korrelation der Expression von NFATc1 und GFP auf mRNA- und Proteinebene machen in B6/NFATc1-eGFP-BAC-Reportermäusen das GFP-Protein somit zu einem sensitiven und spezifischen Marker der NFATc1-Aktivität. In FACS-Analysen gibt der Anstieg der GFP-Fluoreszenzintensität bei Stimulation von Gesamt- Milzzellen bzw. T-Lymphozyten um bis auf das Dreifache die Induktion von NFATc1 wider. Unter dem Einfluss von CsA verbleibt die GFPFluoreszenzintensität auf dem Niveau unstimulierter Zellen. Die GFPFluoreszenz korreliert darüber hinaus bei Primärstimulation mit der Expression des IL-2-Gens, dessen Promotor mit 5 NFAT-Bindestellen den Prototyp eines NFATc1-Targets darstellt (Serfling et al., 1989). Die Analyse der Koexpression von NFATc1 und GFP mittels Fluoreszenzmikroskopie zeigt in allen stimulierten, GFP-positiven CD4+-Lymphozyten die nukleäre Lokalisation von 75 NFATc1, vor allem von NFATc1α. Die Analyse des GFP-Phänotyps in alloreaktiven T-Zellen zeigt bei Abstoßungsreaktionen in vitro („Mixed Lymphocyte Reactions“) eine selektive Zunahme der Fluoreszenz dieser Zellen um bis auf das Vierfache, was die Rolle von NFATc1 für die Effektorfunktion aktivierter T-Lymphozyten verdeutlicht. GFP und das endogene NFATc1 werden bei Stimulation konventioneller T-Zellen (Tcons, CD4+CD25-FoxP3-) stark exprimiert, während natürliche regulatorische T-Zellen (nTregs, CD4+CD25+FoxP3+) konstant geringe NFATc1- und GFP-Konzentrationen zeigen. In induzierten regulatorischen T-Lymphozyten (iTregs) supprimiert TGF- β konzentrationsabhängig die GFP-Fluoreszenz bis auf das Niveau unstimulierter Lymphozyten. Während in nTregs die Suppression des Nfatc1- Gens im wesentlichen durch FoxP3 erfolgt (Torgerson et al., 2009), scheint dies in iTregs vor allem über den TGF-β Signalweg vermittelt zu werden. Die Analyse der GFP-Expression in den verschiedenen Stadien der TZellentwicklung zeigt weiterhin deutliche Unterschiede in der Aktivität des Nfatc1-Gens. Dies wird durch die starke Aktivität des BAC-Genlokus in CD4- CD8- DN Thymozyten, welche eine sechsfach höhere GFP-Expression aufweisen als CD4+CD8+ DP Zellen, deutlich. / Activation of lymphocytes causes a high level of Nfatc1 due to P1-promoter induction, whereas the P2-promoter leads to an constitutive expression of NFATc2/c3. NFATc1/αA is essential for effector-function, proliferation and survival of activated cells (Chuvpilo et al., 2002). Here we show that the eGFP-cDNA integrated in a NFATc1-eGFP-BAC-construct is under control of both promoters (P1, P2) and correlates with the NFATc1-Expression on mRNA and protein-levels. In FACS-analysis there is an increase in eGFP-fluorescence intensity, which is highly CsA-sensitive. In natural and induced Tregs we observed a low level of eGFP-expression correlating with concentration of TGF-β. CD4-CD8- DN cells show the highest eGFP-Expression in thymocytes.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Many factors are present in the development of skeletal tissue. Some factors lead to an increase in bone mass while some lead to a decrease. One factor that is known to have an influence on skeletal development is Signal Transducer and Activator of Transcription 3 (Stat3). This knowledge arose because of a mutation in the Stat3 gene in humans causing a disease called Hyper-IgE Syndrome. This mutation leads to a variety of issues, including decreased bone mass. Because of this, our lab has sought to study Stat3 in its relation to bone. Many studies have already been conducted that discern how Stat3 influences skeletal biology by observing its role in osteoclasts, osteoblasts, and other bone cells. Its role is still unclear, and many studies have provided seemingly contradictory results in how it works on bone tissue. Our lab set up several different studies in order to further elucidate what role Stat3 plays in skeletal development by looking at its effects on osteoblasts and osteoclasts, the bone-forming and bone-destroying cells of the body, respectively. We conditionally knocked out Stat3 in the osteoblasts of mice and compared several different bone parameters to their wild type counterparts at 8 weeks of age. Differences were noted in bone phenotype, including decreased femur length, weight, bone mineral density, and bone mineral content in the cKO compared to their WT counterparts. While no significant difference in trabecular integrity was noted, several differences were observed in cortical bone. These differences indicate that Stat3 has a positive role in osteoblast differentiation, leading to an overall positive effect on bone mass. To observe the role of Stat3 in osteoclasts, in vitro experiments were set up in which pre-osteoclast RAW 264.7 cells were manipulated with Stat3 siRNA or a Stat3 overexpression construct and RANKL to induce differentiation. Using qPCR and western blot assays, it was determined that when Stat3 is knocked down, several important genes in osteoclastogenesis and osteoclast function are more highly expressed than in the control groups. When Stat3 is overexpressed, a similar pattern is observed where these same genes are downregulated in the presence of higher Stat3 levels. These results indicate that Stat3 has an overall inhibitory effect on osteoclastogenesis and osteoclast function, indicating it has a positive effect on bone mass. Future studies could be performed to further elucidate the effects of Stat3 on skeletal development. Isolating the osteoblasts from cKO and WT mice and performing qPCR and western blot assays could be useful in finding out how Stat3 is influencing these cells. Further studies could also be done on the RAW 264.7 cells to find where Stat3 is interacting with the RANKL pathway. A resorption assay could be done with these cells to better understand how function might be influenced by Stat3.

Venous valves (VVs) are critical for unidirectional blood flow from superficial and deep veins towards the heart. Congenital valve aplasia or agenesis may, in some cases, be a direct cause of vascular disease, motivating an understanding of the molecular mechanisms underlying the development and maintenance of VVs. Three gap junction proteins (Connexins), Cx37, Cx43, and Cx47, are specifically expressed at VVs in a highly polarized fashion. VVs are absent from adult mice lacking Cx37; however it is not known if Cx37 is required for the initial formation of valves. In addition, the requirement of Cx43 and Cx47 for VV development has not been studied. Here, we provide a detailed description of Cx37, Cx43, and Cx47 expression during mouse vein development and show by gene knockout that each Cx is necessary for normal valve development. The valve phenotypes in the knockout lines exhibit Cx-specific differences, however, including whether peripheral or central VVs are affected by gene inactivation. In addition, we show that a Cx47 null mutation impairs peripheral VV development but does not affect lymphatic valve formation, a finding of significance for understanding how some CX47 mutations cause inherited lymphedema in humans. Finally, we demonstrate a striking segregation of Foxc2 and NFATc1 transcription factor expression between the downstream and upstream faces, respectively, of developing VV leaflets and show that this segregation is closely associated with the highly polarized expression of Cx37, Cx43, and Cx47. The partition of Foxc2 and NFATc1 expression at VV leaflets makes it unlikely that these factors directly cooperate during the leaflet elongation stage of VV development. (C) 2016 Elsevier Inc. All rights reserved.

Les ostéoclastes (OCs) sont responsables de la résorption de l’os normal. La différenciation, la maturation et la survie de ces cellules sont principalement stimulées par RANKL. Ces phénomènes se produisent dans les suites de l’interaction de RANKL avec son récepteur RANK situé à la surface de l’OC, via la transduction de signaux intracellulaires conduisant à l’activation de différentes cascades de signalisation. Les principaux facteurs de transcription induits par cette signalisation sont NF-?B et NFATc1, qui modulent l’expression de gènes d’importance majeure pour le bon fonctionnement des OCs. Dans la maladie de Paget, caractérisée par une augmentation multifocale du remodelage osseux avec hyperrésorption osseuse, les OCs ont une morphologie anormale, ils sont résistants à l’apoptose et leur activité est augmentée. Des mutations du gène codant pour la protéine p62 (séquestosome 1 ) ont été décrites dans cette maladie, identifiant p62 comme un facteur important de la signalisation de l’OC. Des travaux de notre laboratoire ont montré une augmentation de l’activation de NF-?B induite par RANKL dans les OCs pagétiques, avec même une activité constitutive de NF-?B en présence de la mutation p62 p.P392L. Notre étude a évalué l’expression et l’activation de NFATc1, et le rôle de PKC[C zêta] dans la signalisation NFATc1, cette kinase appartenant au complexe de signalisation TRAF6/p62 induit par RANKL. En culture primaire, des monocytes de sang périphérique de patients pagétiques et de contrôles (tous génotypés pour la mutation p62) ont été différenciés en OCs matures en présence de RANKL et M-CSF. Nous avons évalué l’effet de RANKL sur l’activation de NFATc1 (translocation nucléaire évaluée par immunofluorescence), en présence ou non d'un inhibiteur de PKC[C zêta], ainsi que l’expression protéique (immunobuvardage) et ARNm (RTPCR quantitative). Nous avons observé que RANKL stimulait l’activation de NFATcl dans les OCs pagétiques, porteurs ou non de la mutation p62 p.P392L, et que PKC[C zêta] intervenait dans cette signalisation. Dans un modèle de différenciation OC à partir de monocytes foetaux, nous avons par ailleurs mis au point l’étude de l’activation de NFATc1 par essai luciférase, et les conditions optimales pour évaluer son expression protéique et génique. Nos résultats démontrent pour la première fois dans des OCs humains que RANKL stimule l’activation et l’expression de NFATc1, et que l’activation de NFATc1 est augmentée dans les OCs pagétiques. De manière tout à fait originale, nous montrons également que la PKC[C zêta] contribue à l’activation de NFATc1. [symboles non conformes]

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第21622号 / 医博第4428号 / 新制||医||1033(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 妻木 範行, 教授 松田 秀一, 教授 渡邊 直樹 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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