Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-2887
Authors: Hoppmann, Nicola
Title: Detrimental effects of exuberant and restrained immune responses against the central nervous system in the context of multiple sclerosis and glioblastoma multiforme
Online publication date: 2-Oct-2014
Year of first publication: 2014
Language: english
Abstract: Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common and most aggressive astrocytic tumor of the central nervous system (CNS) in adults. The standard treatment consisting of surgery, followed by a combinatorial radio- and chemotherapy, is only palliative and prolongs patient median survival to 12 to 15 months. The tumor subpopulation of stem cell-like glioma-initiating cells (GICs) shows resistance against radiation as well as chemotherapy, and has been suggested to be responsible for relapses of more aggressive tumors after therapy. The efficacy of immunotherapies, which exploit the immune system to specifically recognize and eliminate malignant cells, is limited due to strong immunosuppressive activities of the GICs and the generation of a specialized protective microenvironment. The molecular mechanisms underlying the therapy resistance of GICs are largely unknown. \r\nThe first aim of this study was to identify immune evasion mechanisms in GICs triggered by radiation. A model was used in which patient-derived GICs were treated in vitro with fractionated ionizing radiation (2.5 Gy in 7 consecutive passages) to select for a more radio-resistant phenotype. In the model cell line 1080, this selection process resulted in increased proliferative but diminished migratory capacities in comparison to untreated control GICs. Furthermore, radio-selected GICs downregulated various proteins involved in antigen processing and presentation, resulting in decreased expression of MHC class I molecules on the cellular surface and diminished recognition potential by cytotoxic CD8+ T cells. Thus, sub-lethal fractionated radiation can promote immune evasion and hamper the success of adjuvant immunotherapy. Among several immune-associated proteins, interferon-induced transmembrane protein 3 (IFITM3) was found to be upregulated in radio-selected GICs. While high expression of IFITM3 was associated with a worse overall survival of GBM patients (TCGA database) and increased proliferation and migration of differentiated glioma cell lines, a strong contribution of IFITM3 to proliferation in vitro as well as tumor growth and invasiveness in a xenograft model could not be observed. \r\nMultiple sclerosis (MS) is the most common autoimmune disease of the CNS in young adults of the Western World, which leads to progressive disability in genetically susceptible individuals, possibly triggered by environmental factors. It is assumed that self-reactive, myelin-specific T helper cell 1 (Th1) and Th17 cells, which have escaped the control mechanisms of the immune system, are critical in the pathogenesis of the human disease and its animal model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). It was observed that in vitro differentiated interleukin 17 (IL-17) producing Th17 cells co-expressed the Th1-phenotypic cytokine Interferon-gamma (IFN-γ) in combination with the two respective lineage-associated transcription factors RORγt and T-bet after re-isolation from the CNS of diseased mice. Pathogenic molecular mechanisms that render a CD4+ T cell encephalitogenic have scarcely been investigated up to date. \r\nIn the second part of the thesis, whole transcriptional changes occurring in in vitro differentiated Th17 cells in the course of EAE were analyzed. Evaluation of signaling networks revealed an overrepresentation of genes involved in communication between the innate and adaptive immune system and metabolic alterations including cholesterol biosynthesis. The transcription factors Cebpa, Fos, Klf4, Nfatc1 and Spi1, associated with thymocyte development and naïve T cells were upregulated in encephalitogenic CNS-isolated CD4+ T cells, proposing a contribution to T cell plasticity. Correlation of the murine T-cell gene expression dataset to putative MS risk genes, which were selected based on their proximity (± 500 kb; ensembl database, release 75) to the MS risk single nucleotide polymorphisms (SNPs) proposed by the most recent multiple sclerosis GWAS in 2011, revealed that 67.3% of the MS risk genes were differentially expressed in EAE. Expression patterns of Bach2, Il2ra, Irf8, Mertk, Odf3b, Plek, Rgs1, Slc30a7, and Thada were confirmed in independent experiments, suggesting a contribution to T cell pathogenicity. Functional analysis of Nfatc1 revealed that Nfatc1-deficient CD4+ T cells were restrained in their ability to induce clinical signs of EAE. Nfatc1-deficiency allowed proper T cell activation, but diminished their potential to fully differentiate into Th17 cells and to express high amounts of lineage cytokines. As the inducible Nfatc1/αA transcript is distinct from the other family members, it could represent an interesting target for therapeutic intervention in MS.\r\n
Glioblastoma multiforme (GBM) ist der häufigste und aggressivste astrozytäre Tumor des Zentralnervensystems bei Erwachsenen. Die Standardtherapie (operativer Entfernung des Tumors mit anschließender Radio- und Chemotherapie) wirkt nur palliativ und verlängert das Patientenleben im Mittel um 12-15 Monate. Die Tumor-Subpopulation der stammzellähnlichen Gliom-initiierenden Zellen (englisch: GIC) ist resistent gegenüber den Therapien, und wird für das Entstehen von aggressiveren Sekundärtumoren verantwortlich gemacht. Die Wirksamkeit von Immuntherapien, die das Immunsystem ausnutzen, spezifisch maligante Zellen zu erkennen und zu eliminieren, ist begrenzt aufgrund starker immunsuppressiver Aktivitäten der GICs. rnDas erste Ziel dieser Studie war die Identifizierung von Mechanismen der Immunevasion bei GICs, die durch Bestrahlung ausgelöst werden. Ein Model wurde genutzt, bei dem GICs aus Biopsien in vitro mit fraktionierter ionisierender Strahlung behandelt wurden (2.5 Gy in 7 aufeinanderfolgenden Zellpassagen) um einen strahlungsresistenteren Phänotypen zu selektieren. In der Modell-GIC-Zelllinie 1080 führte dies zu einer erhöhten Zellteilungsrate aber geringerer Migration im Vergleich zu unbehandelten Kontroll-GICs. Des Weiteren haben die strahlungsselektierten GICs diverse Proteine, die in der Antigenprozessierung und â präsentation involviert sind, herunter reguliert, was eine Verringerung von MHC Klasse I Moleküle auf der Zelloberfläche zur Folge hat. Das zeigt, dass eine subletale fraktionierte Bestrahlung eine Immunevasion fördern und somit den Erfolg von kombinierter Immuntherapie hintern kann. Unter den verschiedenen immunassoziierten Proteinen wurde eine erhöhte Expression des Interferon-induzierten Transmembranproteins 3 (IFITM3) in strahlungsselektierten GICs festgestellt. Während eine Assoziation von erhöhter IFITM3 Expression und einem schlechteren Gesamtüberleben festgestellt (TCGA Datenbank), und auch eine erhöhte Proliferations- und Migrationsrate bei differenzierten Gliom-Zelllinien gezeigt wurde, konnte ein signifikanter Beitrag von IFITM3 in der Proliferation von GICs als auch im Tumorwachstum und der Invasivität von GICs in einem Xenograft-Model nicht beobachtet werden. rnMultiple Sklerose (MS) ist die häufigste Autoimmunerkrankung des ZNS in jungen Erwachsenen der westlichen Welt, die zur progressiven Behinderung in genetisch empfänglichen Individuen führt, die vermutlich durch Umweltfaktoren ausgelöst wird. Selbst-reaktive, Myelin-spezifische T Helfer 1 (Th1) Zellen und Th17 Zellen, die den Kontrollmechanismen des Immunsystems entkommen sind, sind entscheidend für die Pathogenese der human Erkrankung als auch des Tiermodells der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE) sind. Es wurde gezeigt, dass in vitro differenzierte Interleukin 17 (IL-17) -produzierende Th17 Zellen, nach Isolierung aus dem ZNS erkrankter Mäuse, zusätzlich das Th1-typische Zytokin Interferon-gamma (IFN-γ) in Kombination mit den entsprechenden Sublinien-assoziierten Transkriptionsfaktoren RORγt und T-bet exprimieren. Pathogene molekulare Mechanismen die der Enzephalitogenität von CD4+ T Zellen unterliegen, sind bis heute nur unzureichend untersucht. rnIm zweiten Teil der Arbeit wurden Veränderungen des gesamten Transkriptoms von in vitro differenzierten Th17 Zellen im Verlauf einer EAE analysiert. Die Evaluation von Signalnetzwerken ergab eine Überrepräsentation von Genen die in der Kommunikation zwischen dem angeborenen und adaptiven Immunsystem und in metabolischen Veränderungen, u.a. der Cholesterin-Biosynthese mitwirken. Die Transkriptionsfaktoren Cebpa, Fos, Klf4, Nfatc1 und Spi1, die mit der T Zell Entwicklung und naiven T Zellen assoziiert werden, waren in encephalitogenen ZNS-isolierten CD4+ T Zellen erhöht exprimiert, was ihren Beitrag zur T Zell Plastizität suggeriert. Eine Korrelation der murinen T Zell-basierten Transkriptomanalyse mit MS-Suszeptibilitätsgenen, die aufgrund ihrer nahen Lokalisation (± 500 kb, ensembl Datenbank, release 75) zu den MS-Risiko Nucleotid-Polymorphismen (SNPs), die in der Gesamtgenom-Assoziationsstudie (genome-wide association studies, GWAS) 2011 identifiziert wurden, selektiert wurden, ergab, dass 67.3% der MS Risikogene in der EAE differentiell exprimiert wurden. Die Expressionsmuster von Bach2, Il2ra, Irf8, Mertk, Odf3b, Plek, Rgs1, Slc30a7, und Thada wurden in unabhängigen Experimenten bestätigt, was eine Beteiligung an T Zell Pathogenität suggeriert. Eine erste funktionale Analyse von Nfatc1 ergab, dass Nfatc1-defiziente CD4+ T Zellen keine klinischen Symptome der EAE auslösen können. Nfatc1-defiziente T Zellen können zwar aktiviert werden, ihre Differenzierung in Th17 Zellen mit entsprechender Zytokinexpression ist verringert. Das induzierbare Nfatc1/αA Transcript unterscheidet sich von den anderen NFAT-Familienmitgliedern und könnte ein interessantes Target für eine therapeutische Intervention bei MS darstellen.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 04 Medizin
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2887
URN: urn:nbn:de:hebis:77-38575
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 141 S.
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