Die vorliegenden Ergebnisse belegen eine essentielle Rolle der Beseitigung von intrazellulären DNA-Metaboliten aus der DNA-Reparatur für die Aufrechterhaltung von Immuntoleranz. So führt eine unangemessene Akkumulation körpereigener DNA im Zytosol, über die Erkennung durch Nukleinsäuresensoren, zu einer Aktivierung des angeborenen Immunsystems. Dies weist auf einen bisher unbekannten Zusammenhang zwischen DNA-Schäden, der DNA-Schadensantwort und einer Typ 1-IFN-vermittelten Aktivierung des angeborenen Immunsystems bei der Pathogenese von Autoimmunität hin.

Die vorliegenden Ergebnisse belegen eine essentielle Rolle der Beseitigung von intrazellulären DNA-Metaboliten aus der DNA-Reparatur für die Aufrechterhaltung von Immuntoleranz. So führt eine unangemessene Akkumulation körpereigener DNA im Zytosol, über die Erkennung durch Nukleinsäuresensoren, zu einer Aktivierung des angeborenen Immunsystems. Dies weist auf einen bisher unbekannten Zusammenhang zwischen DNA-Schäden, der DNA-Schadensantwort und einer Typ 1-IFN-vermittelten Aktivierung des angeborenen Immunsystems bei der Pathogenese von Autoimmunität hin.

Conventional Dendritic cells (cDCs), a specialized group of immunological sentinels with tree-like or dendritic shapes, are critical for recognition of danger signals, presentation of antigens and control of a spectrum of innate and adaptive immune responses. Type I interferons (IFNs), as important danger signals, activate cDCs through the canonical type I IFN receptor signaling. Type I IFNs are the first line of host defense against viral infection by up-regulating IFN-stimulated genes (ISGs). However, there are circumstances in which the silencing of excessive type I IFNs could be beneficial to the host, such as IFN-dependent autoimmune diseases, gene therapy that uses viral vectors and transplantation. The role of type I IFNs in DC development, activation and antigen presentation function remains to be completely investigated. In this dissertation, we studied the regulation of Type I IFNs in murine DCs, both cDCs and plasmacytoid DCs (pDCs), and specifically we investigated the role of two molecules, Signal Transducer and Activator of Transcription 2 (STAT2) and Three prime Repair EXonuclease 1 (Trex1), in DC biology. Our research furthers our understanding of DC development, activation and function, and provides important data for the therapeutic application of modified DCs to induce immunological tolerance in gene therapy, IFN-dependent autoimmune diseases and transplantation. STAT2 is a nuclear transcription factor downstream of type I IFN receptor-mediated signaling, the role of which has been mostly explored in antiviral responses mediated by type I IFNs. However, the involvement of STAT2 in cDC activation and function such as cross-presentation remains hitherto unclear. We report that STAT2 is essential for murine cDC activation upon TLR3, -4, -7 and -9 stimulation. In the absence of STAT2, cDCs displayed impaired up-regulation of type I IFN response (costimulatory molecules and type I IFN-stimulated genes), and reduced inflammatory cytokine production when stimulated with TLR ligands. STAT2 was required in all of the DC responses to exogenous IFNα, suggesting that the canonical STAT1-STAT2 heterodimers are the major signaling transducers downstream of type I IFNs in DCs. Of interest, LPS-induced TNFα and IL6 production were reduced in STAT2-/- DCs but not in IFNAR1-/- DCs, suggesting a novel STAT2-dependent pathway mediated by LPS, bypassing type I IFN-receptor signaling. STAT2-deficient cDCs showed impaired cross-presentation leading to decreased CD8+ T cell response both in vitro and CTL killing in vivo, indicating that STAT2 is essential for TLR-induced cross-presentation. These results demonstrate that STAT2 is critical in the regulation of TLR-induced DC activation and cross-presentation, suggesting an essential role for STAT2 in anti-viral and anti-tumor immune responses. We also propose a novel regulatory function of STAT2 in the LPS response independent of type I IFN receptor signaling. Trex1 mutations are associated with a spectrum of type I IFN-dependent autoimmune diseases such as Aicardi-Goutières syndrome and systemic lupus erythematosus. Trex1 plays an essential role in preventing accumulation of excessive cytoplasmic DNA, avoiding cell-intrinsic innate DNA sensor activation and suppressing activation of both type I IFN-stimulated and IFN-independent antiviral genes. Trex1 also helps HIV escape cytoplasmic detection by DNA sensors. However, regulation of Trex1 in DC biology is lacking. We report that murine cDCs have high constitutive expression of Trex1 in vitro and in vivo in the spleen. In resting bone marrow-derived cDCs, type I IFNs up-regulate Trex1 expression via the canonical IFN receptor signaling pathway (STAT1-, STAT2-dependent). DC activation induced by TLR3, -4, -7 and -9 ligands also augments Trex1 expression through autocrine IFNß production and triggering of the IFN signaling pathway, while TLR4 ligand LPS also stimulates an early expression of Trex1 through an IFN-independent NFΚB-dependent signaling pathway. Furthermore, retroviral infection also induces Trex1 up-regulation in cDCs, as we found that a gene therapy HIV-1-based lentiviral vector induces significant Trex1 expression, suggesting that Trex1 may affect local and systemic administration of gene therapy vehicles. Our data indicate that Trex1 is induced in cDCs during activation upon IFN- and TLR- stimulation through the canonical IFN signaling pathway, and suggest that Trex1 may play a role in cDC activation during infection and autoimmunity. Finally, these results suggest that HIV-like viruses may up-regulate Trex1 to increase their ability to escape immunosurveillance. In order to dissect the role of Trex1 in DC functions, we compared DCs from Trex1-/- and wild-type mice. We report that Trex1 deficiency reduces absolute number of pDCs in BM but not in spleen of male over female mice. Furthermore, Trex1 deficiency preferentially represses Flt3L-induced DC development both in vitro and in vivo but not GM-CSF-dependent DC development, suggesting that Trex1 plays an indispensable role in Flt3L-induced DC development and GM-CSF may compensate the effect of Trex1 deficiency. This defect is only limited to male Trex1-/- DCs, and mimics the effect of mTOR inhibition. Furthermore, although Flt3L-induced Trex1-/- DCs expressed a type I IFN signature, they also exhibited decreased pDC development markers, indicating Trex1 regulates pDC development at the transcriptional level. Thus, we propose a novel and essential role of Trex1 in Flt3L-induced DC development, and the effect of Trex1 regulation is gender-dependent. Together, these findings enhance our understanding of regulatory roles of Type I IFNs in DC development, activation and function, supporting the beneficial role of STAT2/type I IFN axis in TLR-induced DC activation and cross-presentation. Our study in Trex1 reveals Trex1 induction by viral infection, type I IFNs and TLRs in DCs, and a new role of Trex1 in early development of Flt3L-induced DCs in a gender-dependent manner, whereby a balance between type I IFNs and Trex1 is important for DC activation and hemostasis. / Microbiology and Immunology

Chilblain lupus erythematosus is a rare form of cutaneous lupus erythematosus characterized by bluish red infiltrates in acral locations of the body mostly affecting middle-aged women. We recently described a familial form of chilblain lupus manifesting in early childhood caused by a heterozygous mutation in the TREX1 gene, which encodes a 3′-5′ DNA exonuclease. Thus, familial chilblain lupus represents the first monogenic form of cutaneous lupus erythematosus. Here we describe the unusual clinical course of this newly defined genodermatosis in an 18-year-old female member of the family in which familial chilblain lupus was originally described. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Chilblain lupus erythematosus is a rare form of cutaneous lupus erythematosus characterized by bluish red infiltrates in acral locations of the body mostly affecting middle-aged women. We recently described a familial form of chilblain lupus manifesting in early childhood caused by a heterozygous mutation in the TREX1 gene, which encodes a 3′-5′ DNA exonuclease. Thus, familial chilblain lupus represents the first monogenic form of cutaneous lupus erythematosus. Here we describe the unusual clinical course of this newly defined genodermatosis in an 18-year-old female member of the family in which familial chilblain lupus was originally described. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Mutations in TREX1, encoding three prime repair exonuclease 1, cause Aicardi-Goutières syndrome (AGS) 1, an autoinflammatory disease characterized by neurodegeneration and constitutive activation of the antiviral cytokine type I interferon. Here, we report the generation and characterization of induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived from fibroblasts from two AGS patients with biallelic TREX1 mutations. These cell lines offer a unique resource to investigate disease processes in a cell-type specific manner.

3′ repair exonuclease 1 (TREX1) is a known DNA exonuclease involved in autoimmune disorders and the antiviral response. In this work, we show that TREX1 is also a RNA exonuclease. Purified TREX1 displays robust exoribonuclease activity that degrades single-stranded, but not double-stranded, RNA. TREX1-D200N, an Aicardi-Goutieres syndrome disease-causing mutant, is defective in degrading RNA. TREX1 activity is strongly inhibited by a stretch of pyrimidine residues as is a bacterial homolog, RNase T. Kinetic measurements indicate that the apparent Km of TREX1 for RNA is higher than that for DNA. Like RNase T, human TREX1 is active in degrading native tRNA substrates. Previously reported TREX1 crystal structures have revealed that the substrate binding sites are open enough to accommodate the extra hydroxyl group in RNA, further supporting our conclusion that TREX1 acts on RNA. These findings indicate that its RNase activity needs to be taken into account when evaluating the physiological role of TREX1.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第18135号 / 医博第3855号 / 新制||医||1001(附属図書館) / 30993 / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 山田 亮, 教授 三森 経世, 教授 中畑 龍俊 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DGAM

Hintergrund Das Aicardi-Goutières Syndrom (AGS) ist eine genetisch bedingte Enzephalopathie, die durch Mutationen in neun verschiedenen Genen verursacht wird und zu einer Neurodegenration mit globaler Entwicklungsverzögerung führt. Die Mutationen führen zu einer Fehlregulation des Metabolismus und der immunologischen Erkennung intrazellulärer Nukleinsäuren sowie einer konstitutiven Aktivierung von Typ 1-Interferon (IFN). Bei AGS-Patienten sind Kalzifizierungen der Basalganglia sowie Demyelinisierungen der weißen Substanz charakteristisch. Fragestellung: Biallele Mutationen in den Genen, TREX1 und SAMHD1, sind Ursache des AGS Typ 1 und AGS Typ 5. Die DNA-Exonuklease TREX1 degradiert intrazelluläre Nukleinsäure-Metabolite, die während zellulärer Prozesse gebildet werden. Die Triphosphohydrolase SAMHD1 spielt vorrangig in der Regulation des intrazellulären dNTP-Pools und des RNA-Metabolismus eine wichtige Rolle. Die Möglichkeit induzierte pluripotente Stammzellen (iPSC) zu generieren und damit aus somatischen Zellen embryonale Stammzellen nachzubilden, um diese in unterschiedliche Zelltypen zu differenzieren, ermöglicht es, Zelltypen von schwer zugänglichen Geweben wie das Gehirn zu erforschen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Auswirkungen einer TREX1- und SAMHD1-Defizienz in neuronalen Zellen. Dazu wurden reprogrammierte neuronale Modelle für das AGS Typ 1 und AGS Typ 5 etabliert. Ziel war hierbei die Aufdeckung bisher unbekannter molekularer Mechanismen, die zur Entstehung einer Typ 1-IFN-induzierten Inflammation und Neurodegeneration bei Patienten mit AGS führt. Material und Methoden: Als Ausgangspunkt dieser Arbeit dienten primäre Fibroblasten und PBMCs, die aus Hautbiopsien bzw. Blutproben von AGS-Patienten mit Mutationen in den Genen, TREX1 und SAMHD1, gewonnen wurden. Durch eine Reprogrammierung dieser patientenspezifischen Zellen wurden pluripotente Stammzellen induziert und anschließend über die Bildung von Embryonalkörperchen und neuronale Vorläuferzellen in neuronale Zellen differenziert. Um die etablierten neuronalen Zelllinien funktionell zu charakterisieren, wurden isogene Zelllinien etabliert. Hierbei wurde mittels Genomeditierung der patientenspezifischen iPS-Zellen die krankheitsassoziierte Mutation behoben und auf diese Weise isogene Zelllinien mit identischem genetischen Hintergrund generiert, die sich lediglich durch die Anwesenheit oder das Fehlen der krankheitsrelevanten Mutation unterscheiden. Unter Nutzung verschiedener molekularbiologischer Methoden wurden die patientenspezifischen neuronalen Zellen näher untersucht. Um die in Patienten-Fibroblasten nachgewiesene erhöhten Typ 1-IFN-Aktivität auch im neuronalen Zellmodell zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit AGS-patientenspezifische neuronale Zellen und deren Vorläufer auf eine Erhöhung der IFN-Signatur überprüft. Um die etablierten neuronalen Zellmodelle eines AGS auf zellulären Stress in Form von ROS zu untersuchen, wurden patientenspezifische NPCs im Vergleich zu WT-Linien mittels DHR-Assay analysiert. Weiterhin wurde aus neuronalen Zellen mit AGS-spezifischen Mutationen mittels einer speziellen Kultivierungsmethode zur in vitro Separation von Axonen und Dendriten in proximale und distale Bereiche und einem nachfolgenden Tracking von Lysosomen und Mitochondrien per Live cell imaging die subzelluläre Verteilung dieser Organellen untersucht. Mittels immunhistochemischer Färbungen wurden zudem aus iPSC bzw. NPCs gewonnene neuronale Zellen mit AGS-spezifischen Mutationen die zelluläre Expression von Proteinen, die eine Rolle bei neurodegenerativen Krankheiten spielen, untersucht. Ergebnisse Die Nutzung der iPSC-Technologie eröffnet besonders für neurodegenerative Krankheiten die Möglichkeit, geeignete zelluläre Krankheitsmodelle zu schaffen. So existieren bereits eine Reihe iPSC-basierter Studien für Alzheimer, Parkinson, Chorea Huntington oder amyotropher Lateralsklerose. Mit der vorliegenden Arbeit wurden iPSC-basierte Modelle für das AGS entwickelt. Als Grundstein dieser Arbeit konnten aus somatischen Zellen von AGS-Patienten pluripotente Stammzellen erzeugt und als iPSCLinien etabliert werden. Die funktionelle Charakterisierung der patientenspezifischen Zellen erfolgte durch die Etablierung isogener Kontrollen mit identischem genetischen Hintergrund, um phänotypische Unterschiede direkt auf die krankheitsspezifischen Mutationen zurückzuführen. Die vorhandenen SAMHD1- und TREX1-Mutationen in den iPS-Zellen der Patienten wurden zunächst mittels Genomeditierung korrigiert. Anschließend wurden iPSC-Linien etabliert. Die patientenspezifischen iPS-Zellen sowie die isogenen Kontrollen wurden über neuronale Vorläuferzellen zu Neuronen differenziert, validiert und funktionell untersucht. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die etablierten Zellmodelle teilweise den Phänotyp eines AGS rekapitulieren. So entsprach die im AGS-Modell neuronaler Vorläuferzellen untersuchte Expression von IFN-stimulierten Genen (ISGs) weitgehend dem typischen Bild einer Interferonopathie und konnte durch den Vergleich mit isogenen Zelllinien auf die TREX1-Mutation der neuronalen Vorläuferzellen zurückgeführt werden. Eine Variabilität der ISG-Expression in ausdifferenzierten neuronalen Zellen könnte verschiedene Ursachen haben. Die Untersuchungen auf zellulären Stress in Form von ROS konnten zeigen, dass sowohl in TREX1- als auch SAMHD1-defizienten neuronalen Vorläuferzellen ein erhöhtes zelluläres Level an ROS vorliegt. Möglicherweise ist dies mit dem festgestellten langsamen Zellwachstum der patientenspezifischen Vorläuferzellen assoziiert. Weiterhin konnte mittels Live cell imaging ein verringertes Mobilitätsverhalten von Lysosomen und Mitochondrien in patienten- spezifischen neuronalen Zellen festgestellt werden, was die Vermutung nahelegt, dass die untersuchten AGS-verursachenden Mutationen in TREX1 und SAMHD1 ursächlich an der Neurodegeneration bei AGS-Patienten beteiligt sind. Ausblick: Die in dieser Arbeit erfolgreich etablierten reprogrammierten neuronalen AGS-Modelle können zukünftig dazu dienen, pathogenetische Prozesse im Gehirn zu untersuchen. Es konnten Grundlagen zur Aufklärung bisher unbekannter molekularer Mechanismen der Neurodegeneration bei AGS-Patienten geschaffen werden. Weiterführend kann das etablierte Modell zur Untersuchung weiterer Aspekte wie der Messung von transkriptomweiten Expressionsprofilen verwendet werden und somit neue Einblicke in die zellintrinsische Aktivierung der Typ 1-IFN-Achse von AGS-Patienten liefen. Um die Rolle von neuronal vorkommenden Proteinen oder Vesikeln bei neuronalen Erkrankungen, insbesondere bei AGS,zu untersuchen, stellt das patientenspezifische AGS-Modell eine wichtige Grundlage dar. Die hier aufgeführten immunhistochemischen Untersuchungen neuronaler Proteine können vertieft und in einem größeren Umfang ausgewertet werden. Die vorteilhaften Eigenschaften der iPSC-basierten neurodegenerativen Modelle ermöglichen neben grundlagenwissenschaftlichen Untersuchungen zur Krankheitsursache auch die Bearbeitung von Fragestellungen zur Behandlung von AGS-Patienten.