Der Systemische Lupus Erythematodes (SLE) ist eine meist schwer verlaufende Autoimmunerkrankung, die jedes Organ betreffen kann. Trotz zahlreicher und intensiver Anstrengungen die Pathophysiologie des SLE aufzuklären, wird sie aktuell nur in ihren Grundzügen verstanden. Eine Vielzahl zellulärer und molekularer Auffälligkeiten wurden in verschiedenen Immunzellen von Patienten mit SLE beschrieben, wobei die gesteigerte Aktivierung von T und B Zellen ist ein Schlüsselmerkmal ist. Verschiedene Auffälligkeiten der T Zell Funktion wurden in den vergangenen Jahren berichtet, unter anderem die gesteigerte Expression und Aktivierung verschiedener Transkriptionsfaktoren, darunter cAMP Responsive Element Modulator (CREM)α und Signal Transducer and Activator of Transcription (Stat)3.
Eine Rolle von CREMα bei der Entstehung von Effektor T Zell Phänotypen bei Patienten mit SLE wurde in Studien belegt. Die gesteigerte Expression von CREMα ist (zumindest teilweise) für die gesteigerte Expression von IL-17A und die reduzierte Expression von IL-2 verantwortlich, welche für die Pathogenese und die Entstehung von Gewebeschäden mitverantwortlich sind. Neben gut charakterisierten CD4+ Effektor T Zellen, spielen TCR+CD3+CD4-CD8-, sogenannte „doppelt negative“ (DN) T Zellen, eine Rolle in der Pathophysiologie des SLE. Die Zahl DN T Zellen ist im peripheren Blut von SLE Patienten gesteigert. DN T Zellen infiltrieren entzündete Gewebe, insbesondere die Nieren, wo sie IL-17A exprimieren und zu Gewebeschäden beitragen können. Da DN T Zellen durch den Verlust der Oberflächenexpression des CD8 Co-Rezeptors aus CD8+ T Lymphozyten hervorgehen können, stellte wir die Frage, ob CREMα an diesem Prozess beteiligt ist. In den vorliegenden Studien konnten wir zeigen, dass CREMα an hochkonservierte nichtkodierende Sequenzen des CD8 Gen Clusters bindet und den CD8B Promoter trans-reprimiert. CREMα stellt damit den ersten berichteten Transkriptionsfaktor dar, der zu trans-Repression von CD8 führt. Zudem co-rekrutiert CREMα die DNA Methyltransferase DNMT3a und die Histon Methyltransferase G9a an hochkonservierte nichtkodierende Elemente des CD8 Gen Clusters in CD8+ T Zellen. Hierdurch trägt CREMα zur Chromatinkondensation, folglich reduzierter CD8 Expression und letztendlich der Generierung von DN T Zellen bei. Da die Expression von CREMα sowohl in T Zellen von SLE Patienten als auch in T Zellen von MRL.lrp Mäusen gesteigert ist, könnten die beschriebenen Effekte auf die CD8 Expression eine Rolle für eine Reihe von Autoimmunerkrankungen spielen, die mit einer erhöhten Zahl von DN T Zellen einhergehen (z.B. Patienten mit Autoimmune Lymphoproliferative Syndrome; ALPS).
Proteine der Stat Transkriptionsfaktor Familie spielen eine Rolle während der Differenzierung und Aktivierung von Effektor T Zellen. Speziell die Transkriptionsfaktoren Stat3 und Stat5 scheinen für das Gleichgewicht zwischen Th17 Effektor Phänotypen (Stat3) und regulatorischen T Zellen (Stat5) von Bedeutung zu sein. Stat3 spielt eine wichtige Rolle bei der Differenzierung von IL-17A produzierenden CD4+ Th17 Helferzellen, welche eine pathophysiologische Rolle beim SLE spielen. Durch die Aktivierung der Expression weiterer Zytokine (z.B. IL-6, IL-10, und IL-21) in verschiedenen T Lymphozytenpopulationen, sind die Effekte von Stat3 nicht auf die genannten T Helferzellpopulationen beschränkt.
Interleukin-10 ist ein immunregulatorisches Zytokin, welches neben seinen anti-inflammatorischen Effekten auch zur Aktivierung von B Lymphozyten und Antikörperproduktion beiträgt. Eine mögliche Pathophysiologische Rolle von IL-10 beim SLE ergibt sich aus gesteigerten IL-10 Serumspiegeln in SLE Patienten und nicht zuletzt aus einer kleinen Kohorte von SLE Patienten, die klinische Besserung nach therapeutischer Blockade von IL-10 erfahren hatte. Wie IL17A, wird auch IL10 durch Transkriptionsfaktoren der Stat Familie kontrolliert. Da die Expression und Aktivierung von Stat3 in T Zellen von SLE Patienten gesteigert ist, untersuchten wir am Beispiel des IL10 Gens Effekte von fehlregulierter Stat Aktivierung. Wir konnten zeigen, dass Stat3 und Stat5 das IL10 Gen durch trans-Aktivierung und die Induktion von epigenetischen Remodeling durch die Co-Rekrutierung von p300 regulieren. Der transkriptionelle Co-Aktivator p300 besitzt Histon Azetyltransferase Aktivität und induziert die „Öffnung“ des IL10 Gens. In T Zellen von SLE Patienten ist die Rekrutierung von Stat3 durch reduzierte DNA Methylierung am proximalen Promoter und einem intronischen Enhancer (I-SRE) erleichtert. Zudem verdrängt Stat3 den Transkriptionsfaktor Stat5 von einem Bindungselement im 4. Intron (I-SRE) des IL10 Gens. Zusammen führen diese Ereignisse zu gesteigerter Expression von IL-10 in T Zellen von SLE Patienten. Da die Aktivierung von Stat3 zu gesteigerter Expression einer Reihe von Zytokinen beträgt und die Stat3 Aktivierung sowohl beim SLE als auch bei anderen Autoimmunerkrankungen gesteigert ist, könnten die beschriebenen Effekte nicht nur auf die Expression von IL-10 in T Zellen von SLE Patienten beschränkt sein.
Unsere Beobachtungen unterstreichen das Potenzial fehregulierte Transkriptionsfaktoren, speziell CREMα und Stat3, als Biomarker und/oder therapeutische Ziele beim SLE zu nutzen. Es bleibt jedoch an dieser Stelle noch zu klären, ob CREMα und/oder Stat3 auch Chromatin Remodeling während der physiologischen Generierung von DN oder CD4+ T Helfer Zellen kontrollieren oder ob sie ausschließlich oder zumindest in gesteigertem Maße an der pathologischen Generierung von Effektor T Zellen bei Autoimmunerkrankungen beteiligt sein. Die translationale Bedeutung unserer Beobachtungen wird durch den neuerdings begonnenen Einsatz von JAK/Stat Inhibitoren in der Therapie verschiedener Autoimmunerkrankungen unterstrichen. / Systemic lupus erythematosus (SLE) is a severe autoimmune disease that can affect any organ of the human body. Despite intense efforts towards a better understanding, the pathophysiology of SLE remains largely unknown. A number of cellular and molecular anomalies have been reported in immune cells from patients with SLE, and increased activation of B and T lymphocytes are considered hallmarks of the disease. Several alterations to T cell function and phenotypes have been reported, including the increased expression of the transcription factors cAMP response element modulatorα (CREM α) and signal transducer and activator of transcription 3 (Stat3).
A role of CREMα in the generation of effector T cells has been demonstrated. Enhanced expression of CREMα is (at least partially) responsible for increased expression of IL-17A and reduced expression of IL-2 from effector T cells in SLE patients; and altered cytokine expression contributes to the pathophysiology and tissue damage. In addition to well-characterized effector CD4+ T cells, TCR+CD3+CD4-CD8-, so-called “double negative” (DN) T cells, also play a role in the pathophysiology of SLE. Increased numbers of DN T cells in the peripheral blood of SLE patients invade inflamed tissues, including the kidneys, where they produce IL-17A and contribute to tissue damage. Double negative T cells can derive from CD8+ T cells through the down-regulation of CD8 co-receptor expression. Thus, we asked whether CREMα may be involved in this process. In the studies presented here, we demonstrate that CREMα recruits to highly conserved non-coding sequences of the CD8 gene cluster and trans-represses the CD8B promoter. Thus, CREMα is the first reported transcription factor that negatively regulates CD8 expression. Furthermore, CREMα co-recruits DNA methyltransferase (DNMT)3a and histone methyltransferase G9a to highly conserved regions within the CD8 cluster in CD8+ T cells. Through these interactions, CREMα induces chromatin condensation, reduced CD8 expression, and the generation of DN T cells. Since CREMα expression is greater in T cells from SLE patients and lupus-prone MRL.lpr mice, the reported effects may play a role in several autoimmune disorders that are characterized by increased numbers of DN T cells (such as autoimmune lymphoproliferative syndrome; ALPS).
Stat family transcription factors play a role during the differentiation and activation of T cells. Particularly Stat3 and Stat5 appear to be of central importance to the balance between effector Th17 phenotypes (Stat3) and regulatory T cells (Stat5). Stat3 is involved in the generation of IL-17A producing CD4+ Th17 cells, which contribute to tissue damage. Through the induction of cytokines other than IL-17A (e.g. IL-6, IL-10, IL-21), effects of Stat3 are not limited to individual T helper cell populations.
Interleukin-10 is an immune-regulatory cytokine. In addition to anti-inflammatory effects, IL-10 is involved in the activation of B lymphocytes and induces immunoglobulin production. Increased IL-10 serum levels in SLE patients and a cohort of SLE patients that clinically responded to therapeutic blockade of IL-10 suggest a pathophysiological role for IL-10 in the disease. As with IL17A, the IL10 gene is regulated by Stat transcription factors. Since expression and activation of Stat3 are increased in T cells from patients with SLE, we investigated effects of dysbalanced Stat activation on the IL10 gene. In the presented study, we demonstrate that Stat3 and Stat5 trans-activate IL10 and induce epigenetic remodeling through co-recruitment of p300. The transcriptional co-activator p300 functions as histone acetyltransferase and induced epigenetic “opening” of the IL10 gene. In T cells from SLE patients, recruitment of Stat3 is enhanced by reduced levels of DNA methylation of the proximal promoter and an intronic enhancer, harboring a Stat responsive element (I-SRE). Stat3 replaces the transcription factor Stat5 at I-SRE in a potentially competitive manner. Altogether, these effects result in increased expression of IL-10 in T cells from patients with SLE. Activation of Stat3 induces the expression of a number of cytokines. Since Stat3 activation is enhanced in several autoimmune/inflammatory disorders, including SLE, we concluded that Stat3-mediated effects on gene expression are most likely not limited to just IL-10 expression in SLE.
The herewith reported observations suggest high potential for the application of dysregulated transcription factor networks, particularly CREMα and Stat3, as biomarkers and/or molecular targets for future therapeutic interventions in SLE. However, it remains to be investigated whether and to what extent CREMα and/or Stat3 are involved in chromatin remodeling during the physiological generation of DN and CD4+ T helper cell subsets, or whether they contribute exclusively to the generation of effector T cell phenotypes in SLE and other autoimmune/inflammatory disorders. The translational importance of our observations is underscored by the recently initiated application of JAK/Stat inhibitors in the treatment of autoimmune/inflammatory conditions.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:31059 |
| Date | 12 March 2019 |
| Creators | Hedrich, Christian Michael |
| Contributors | Rösen-Wolff, Angela, Horneff, Gerd, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.1074/jbc.M113.508655, 10.1074/jbc.M113.523605, 10.1073/pnas.1408023111 |
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