Die Polarisierung von Makrophagen resultiert in einer Vielzahl von Subtypen, z.B. M1 oder M2. In dieser Studie lege ich die Makrophagen-Polarisierung im allergischen Asthma mit Fokus auf microRNA (miRNA) dar. Nach Etablierung von Subtyp–charakteristischen mRNA und miRNA Expressionsprofilen in vitro polarisierter, humaner blutstämmiger Makrophagen wurden diese Profile genutzt, um den Polarisierungsstatus isolierter Lungenmakrophagen in einem Mausmodell des Asthmas zu ermitteln. Es wurden humane blutstämmige Makrophagen in vitro durch IFNg/LPS (M1) bzw. IL4/IL13 (M2) polarisiert. M1-assoziierte Gene waren TNFa, IL6 und IL1b, während in M2 Makrophagen eine Induktion von CD209 und PPARg beobachtet wurde. Herauf-regulierte miRNAs waren z.B. hsa-miR-187-3p, hsa-miR-155-5p und hsa-miR-146a-5p (M1) bzw. hsa-miR-193b-3p und hsa-miR-511-5p (M2). Eine in silico Vorhersage von mRNA/miRNA Interaktionspartnern wurde in einem Luciferase Reportermodell überprüft, das u.a. hsa-miR-187-3p als Regulator von SH2B2 und hsa-miR-187-3p sowie hsa-miR-155-5p als kooperative Regulatoren von LAMP2 bestätigte. Unter physiologischen Bedingungen regulierte hsa-miR-187-3p die SH2B2 mRNA herunter, aber es lag kein Einfluß von hsa-miR-187-3p oder hsa-miR-155-5p auf LAMP2 mRNA oder Protein vor. Weiterhin wurden die miRNA Profile von murinen Makrophagen erhoben, die aus der bronchoalveolären Lavage und aus Lungengewebe gewonnen wurden. Diese Profile wurden in einer vergleichenden Analyse von gesunden Mäusen und Mäusen mit akuter Ovalbumin-induzierter eosinophiler Atemwegsentzündung eingesetzt. In Reaktion auf Ovalbumin regulierte miRNAs waren z.B. mmu-miR-21a-5p und mmu-miR-155-5p (heraufreguliert), sowie mmu-miR-126-3p und mmu-miR-146a-5p (herunterreguliert). Sowohl M1 als auch M2 assoziierte Muster zeigten sich vor allem in der reziproken Regulation von mmu-miR-155-5p (heraufreguliert) und mmu-miR-146a-5p (herunterreguliert). / Macrophage polarization gives rise to a plethora of macrophage subtypes, e.g. M1 or M2. In this thesis, I aim to point out some features of macrophage polarization in allergic asthma with a focus on microRNA (miRNA). The chosen approach started with the establishment of subtype-characteristic mRNA and miRNA profiles of in vitro polarized human macrophages. In a second step, the miRNA patterns were used to interpret the polarization status of isolated lung macrophages from a murine model of asthma. In vitro polarization of human blood-derived macrophages was performed by IFNgLPS (M1) and IL4/IL13 (M2), and global mRNA and miRNA profiling ensued. M1-induced genes included TNFa, IL6 and IL1b, whereas in M2 macrophages, CD209 and PPARg were induced. M1-associated miRNAs were hsa-miR-187-3p, hsa-miR-155-5p and hsa-miR-146a-5p, while hsa-miR-193b-3p and hsa-miR-511-5p were induced in M2 macrophages. In silico prediction of mRNA/miRNA interaction partners was experimentally validated in a luciferase-based reporter assay that confirmed hsa-miR-187-3p as a regulator of SH2B2 and the pair of hsa-miR-187-3p and hsa-miR-155-5p as cooperative regulators of LAMP2. Under physiologic conditions, hsa-miR-187-3p was able to down-regulate SH2B2 transcript, but there was no impact of either hsa-miR-187-3p or hsa-miR-155-5p on LAMP2 mRNA or protein. Furthermore, the miRNA profiles of murine macrophages from the bronchoalveolar lavage fluid and from lung tissue were established and compared between healthy mice and mice with acute Ovalbumin-induced eosinophilic airway inflammation. Individual miRNAs responding to Ovalbumin were e.g. mmu-miR-21a-5p and mmu-miR-155-5p (up-regulated), and mmu-miR-126-3p and mmu-miR-146a-5p (down-regulated). Characteristics of both M1- and M2-associated miRNA patterns were most evident in the concomitant reciprocal expression of mmu-miR-155-5p (up-regulated) and mmu-miR-146a-5p (down-regulated).

PIWI Proteine sind die zentralen Darsteller eines RNA-basierten Mechanismus, der die Mobilisierung transponierbarer Elemente im Genom unterdrückt, um genetische Stabilität zu gewährleisten. Demzufolge sind PIWI-Proteine für die langfristige Erhaltung verschiedener Stamzellpopulationen notwendig. Beispiele dafür sind verschiedene adulte somatische Stammzellen in Drosophila und die Stammzellen der Keimbahn aller bisher untersuchten Tierarten. Bei Säugetieren sind die beschriebenen Funktionen von PIWI Proteinen strikt auf die männliche Keimbahn beschränkt. Trotz Andeutungen auf eine Rolle von PIWI-Proteinen in somatischen Zellen von Säugetieren, wurde eine Funktion bisher nicht beschrieben. Ähnlich wie Stammzellen, können sich Makrophagen in verschiedenen Geweben selbst-erneuern, um ihre Populationen zu erhalten. Diese Selbsterneuerung beruht auf der geringen Expression der Transkriptionsfaktoren MafB und cMaf, was die Aktivierung eines stammzell-ähnliches Gen-Netzwerk, das die Proliferation vorantreibt. Makrophagen mit einer genetischen Deletion von MafB und cMaf (MafDKO-Makrophagen) oder Makrophagen mit natürlich niedriger Expression von MafB oder cMaf, wie z.B. alveoläre Makrophagen, weisen dementsprechend eine erweiterte Kapazität zur Selbsterneuerung auf. Wie haben festgestellt, dass eine kurze Isoform des Maus- Gens Piwil2, die wir ‚Piwito’ genannt haben, in MafDKO und alveolären Makrophagen exprimiert wird. Die Expression von Piwito ist für die normale Selbsterneuerung der untersuchten Makrophagen notwendig, wie die in vitro und in vivo Untersuchungen darlegen. Eine Abwesenheit von Piwito in alveolären Makrophagen führt zu einer Verkürzung derer Lebenspanne in Kultur. Außerdem beweisen wir, dass Piwito von MafB in nicht-proliferierenden Makrophagen gebunden und unterdrückt wird. Diese Studie ist somit der erste Bericht über eine somatische Funktion von PIWI-Proteinen in nicht transformierten Zellen von Säugetieren. / PIWI proteins are the main players of an RNA-based gene regulatory machinery that represses transposable elements in the genome to prevent their mobilization and ensure genetic stability. PIWI proteins have thus highly conserved stem-cell functions. They are indispensable for the long-term maintenance of the somatic stem cells that drive regeneration in invertebrates, of various adult somatic stem cells in Drosophila and, most prominently, of the germline of all species studied so far. In mammals, their described functions are strictly restricted to the male germline. Despite suggestive observations for a role of PIWI proteins in the mammalian soma, robust evidence remains absent. Similar to stem cells, tissue macrophages can locally self-renew to maintain their populations. Mechanistically, their self-renewal relies on low expression of the macrophage transcription factors MafB and cMaf, since it allows the induction of a stem cell-like network of genes that drives proliferation. Macrophages with a genetic deletion of MafB and cMaf (MafDKO macrophages) acquire therefore the capacity to self-renew, defined by an indefinite growth in culture that does not comprise their identity and does not involve cancerogenic transformation. Similarly, macrophages with naturally low levels of MafB or cMaf, such as alveolar macrophages, display an extended self-renewal capacity in vivo and in vitro. We have found that a short isoform of the murine Piwil2 gene, that we named ‘Piwito’, is expressed in MafDKO and alveolar macrophages. Piwito expression is necessary for the unaltered self-renewal of macrophages, as shown by in vitro and in vivo assays. To highlight is the fact that Piwito deficiency limits the extended lifespan of alveolar macrophages in culture. Additionally, we show that Piwito is bound and repressed by MafB in quiescent macrophages. This study thus represents the first report of a somatic function for mammalian PIWI proteins in non-transformed cells.

Dendritische Zellen (DCs) und Makrophagen sind spezialisierte antigenpräsentierende Zellen, die eigene und fremde Antigene prozessieren und mittels Haupthistokompatibilitätsmoleküle, humane Leukozytenantige (HLA) im Menschen, T-Zellen präsentieren, um Toleranzen zu induzieren oder T-Zell-vermittelte Immunantworten zu initiieren. Abhängig von ihrer Differenzierung haben sie spezifische Phänotypen und Funktionen undunterschiedliche Interaktionen mit Pathogenen, in dieser Arbeit durch Leishmania donovani (LD) repräsentiert, welche in Phagolysosomen der Makrophagen propagieren. Der Einfluss der Differenzierungszustände und von intrazelluläre Infektionen auf die Antigenprozessierung und -präsentation waren weitgehend undefiniert. Um hier Einblick zu gewinnen, haben wir die HLA-I-präsentierten Selbstpeptidome von menschlichen unreifen und reifen DCs, die aus der MUTZ3-Zelllinie generiert wurden, und LD-infizierte bzw. nicht-infizierte aus der THP1-Zelllinie generierte Makrophagen mittels Flüssigchromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS), sowie die Proteasom-Zusammensetzung per RT-PCR und die HLA-Expression und Aktivierungszustände der Zellen per Durchflusszytometrie analysiert und verglichen. Wir fanden, dass die HLA-I-Selbstpeptidome der Zellen heterogen und individualisiert waren, von Nonapeptiden dominiert wurden und ähnliche HLA-Bindungsaffinitäten und Ankerreste aufwiesen. Sie stammten aus Quellenproteinen aus fast allen subzellulären Lokalisationen und mit unterschiedlichen zellulären Funktionen in ähnlichen Anteilen und schlossen Tumor-assoziierter Antigene (TAAs) ein. Die Persistenz der LD hatte keinen Einfluß auf den Aktivierungszustand der Makrophagen, verursachte aber eine weitgehende Veränderungen des Peptidoms, der HLA-Bindungsaffinitäten und Ankerreste, der Quellproteine einschließlich TAAs und der HLA- und Proteasom-Expression. / Dendritic cells (DCs) and macrophages are specialized antigen presenting cells that process self and foreign antigens and present them to T cells via major histocompatibility complex molecules, human leukocyte antigens (HLA) in humans, for induction of tolerance or initiation of T cell-mediated immune responses. Related to differentiation state, they have specific phenotypes and functions, and varied interactions with pathogens herein exemplified by Leishmania donovani (LD) that parasitize macrophages and propagate within their phagolysosomes. The impact of the differentiation state and intracellular infection on antigen processing and presentation by HLA class I remained undefined. To gain insight, we analyzed and compared the HLA-I self peptidomes of MUTZ3 cell line-derived human immature and mature DCs, and THP1 cell line-derived LD-infected and none-infected macrophages by liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), as well as proteasome compositions by quantitative RT-PCR, and HLA expression and cell activation states by flow cytometry. We found that the HLA I-presented self-peptidomes of the cells in the different states were heterogeneous and individualized, dominated by nonapeptides with similar HLA binding affinities and anchor residues. They were sampled from source proteins of almost all subcellular locations and from proteins involved in various cellular functions in similar proportion including tumour-associated antigens (TAAs). The persistence of LD within the macrophage, did not affect macrophage activation. However, its impact was observed in self-peptidome heterogeneity, HLA binding affinities, anchor residue preferences, source protein peptide sampling (including TAAs) and HLA and proteasome expression.