Inflammatory processes and TLR4 signaling influenced by nitrated proteins and related substances
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Akute und chronische Entzündungen sind Bestandteil und Prozess vieler Krankheiten. Hierbei spielt der Toll-like-Rezeptor 4 (TLR4) eine zentrale Rolle, da er schadens- und pathogen-assoziierte Muster wie bakterielle Lipopolysaccharide und verschiedene Proteine erkennt. Beispielsweise kann der TLR4 durch Amylase-Trypsin-Inhibitoren (ATI) stimuliert werden, welche als Bestandteil von glutenhaltigem Getreide (zum Beispiel Weizen) über die Nahrung aufgenommen werden. Die durch ATI vermittelte TLR4-Stimulierung kann myeloide Immunzellen wie Makrophagen und dendritische Zellen im Darm aktivieren und intra- und extraintestinale Entzündungen auslösen.
Im Zuge der Entzündungsreaktionen werden entzündliche Zytokine ausgeschüttet und reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies gebildet. Zu diesen reaktiven Spezies zählt Peroxynitrit, welches antimikrobiell wirkt und zudem Proteine nitrieren kann. Proteine können auch durch umweltbedingte reaktive Spezies wie Stickstoffoxide und Ozon nitriert werden. In beiden Fällen hat die Nitrierung Auswirkungen auf die chemische Struktur des Proteins, wodurch seine immunologische und allergene Reaktivität beeinflusst werden kann.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit habe ich die immunstimulierende Wirkung von nativen und nitrierten ATI sowie von weiteren Proteinen, welche den TLR4 stimulieren können, untersucht. Zwecks simultaner Detektion von TLR4-Stimulierung und von toxischen Effekten wurde eine stabile, monoklonale Zelllinie entwickelt und etabliert. Zusätzlich wurde eine Methode zur Kultivierung von primären humanen Makrophagen optimiert, welche maßgeschneidert für die Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie ist. Mit Hilfe dieser Methode konnte eine spenderabhängige TLR4-Cluster-Bildung im Nanobereich sichtbar gemacht werden, was mittels konventioneller Methoden nicht möglich gewesen wäre.
Die Hauptergebnisse dieser Arbeit können wie folgt zusammengefasst werden: Es wurde deutlich, dass nitrierte ATI eine erhöhte Immunreaktion bei primären humanen myeloiden Immunzellen hervorrufen. Dies zeigte sich in einer erhöhten Translokation von NF-κB in die Zellkerne, einer verstärkten sekundären T-Zell-Proliferation sowie einer gesteigerten Produktion von entzündlichen Zytokinen. Zusätzlich konnte für weitere TLR4-stimulierende Proteine (ATI, α-Synuclein, Hitzeschockprotein 60, High-Mobility-Group-Protein B1, Pollenallergen Phl p 5) nach der Behandlung mit Peroxyntirit eine erhöhte Entzündungsreaktion festgestellt werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Protein-Nitrierung und die damit verbundenen Mechanismen, wie zum Beispiel die Oligomerisierung, nicht nur ein Resultat entzündlicher Reaktionen sind. Vielmehr werden diese entzündlichen Reaktionen in einem selbstverstärkenden Prozess über Toll-like-Rezeptoren ausgelöst oder aufrechterhalten.
Über meine oben genannten Forschungen und die damit verbundenen Resultate hinausgehend wurden ethanolische Pflanzenextrakte sowie Cyanobakterien hinsichtlich ihrer entzündungshemmenden und -auslösenden Wirkung untersucht. Dabei konnte bei zwei Pflanzenextrakten eine durch die Toll-like-Rezeptoren 2 und 4 vermittelte antientzündliche Wirkung identifiziert werden. Weiterhin wurden zwei Cyanobakterien-Spezies gefunden, die eine TLR4-vermittelte entzündliche Wirkung aufweisen.
Zusammenfassend bietet diese Dissertation neue Erkenntnisse über die molekularen Mechanismen entzündlicher Prozesse sowie über deren Potenzierung durch intrinsische und umweltbedingte Faktoren, insbesondere durch die Protein-Nitrierung. Sie zeigt außerdem mögliche Perspektiven der entzündungshemmenden medizinischen Behandlung auf.