Authors:	Menzel, Lutz
Title:	Role of the cell adhesion molecule L1 during neuroinflammation in the central nervous system
Online publication date:	17-May-2017
Year of first publication:	2017
Language:	english
Abstract:	Even though the central nervous system (CNS) is generally regarded as an immune privileged organ, attacks of infiltrated immune cells during autoimmune diseases as Multiple Sclerosis (MS) and experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) lead to CNS injury. The invasion of encephalitogenic T cells into the CNS is considered to be the initiatory event of the autoimmune pathology that causes a direct interaction of cells from the immune system and the CNS. This study demonstrates a novel role of the cell adhesion molecule L1 (L1) in the crosstalk between immune cells and neurons. For the first time, the adaptive regulation of neuronal L1 expression and the role of L1 expressed by mononuclear cells in a model of neuroinflammation have been described. L1 expression was found in axons in MS lesions and in human T cells, as well as on axons and adjacent CD4 T cells in acute spinal cord EAE plaques. The mRNA expression levels of L1 correlated with the disease stages during the relapsing-remitting EAE model and were confirmed by a significant L1 reduction at the peak disease stage in chronic EAE. The reduction of L1 expression coincided with the up-regulation of its transcriptional repressor REST (RE1-Silencing Transcription Factor). Stimulated CD4 T cells induced L1 down- and REST up-regulation in neurons and caused a severe axonal injury in a contact-dependent manner in co-cultures. CD4 T cell adhesion to neurons and the subsequent axonal injury were prevented by L1-blocking antibodies. In line, antibody- mediated blocking of L1 in wild type C57BL/6J mice as well as a genetic depletion of L1 in neurons (synapsinCre x L1fl/fl) attenuated the severity of EAE and reduced the axonal pathology, while the immune cell infiltration remained unchanged. Moreover, antigen- presenting cells (APC) in chronic active lesions of MS patients and in EAE plaques expressed L1. The cell type-specific L1 depletion in microglia/macrophages (lysozyme-MCre x L1fl/fl) and dendritic cells (CD11cCre x L1fl/fl) attenuated the severity of EAE. The findings of this thesis suggest that neuronal reduction of L1 is beneficial during neuroinflammation and thereby represents an adaptive process of neuronal self-defense that limits immune cell-mediated axonal injury. L1 expression in APCs appeared to be crucial for an efficient disease induction and progression. Altogether our data identified L1 as a relevant factor in neuroinflammation and implicate cell-type specific functions of L1 in neurons, T cells, and APCs during inflammatory disease progression in the CNS. Obwohl das zentrale Nervensystem (ZNS) im Allgemeinen als immunpriviligiertes Organ gilt, verursachen attackierende Immunzellen schwerwiegende Schäden des ZNS bei Autoimmunkrankheiten wie der Multiplen Sklerose (MS) beim Mensch und der experimentellen autoimmune Encephalomyelitis (EAE) in der Maus. Die Invasion von encephalitogenen T Zellen in das ZNS ist das initiale Ereignis der autoimmunen Pathologie, was eine direkte Interaktion von Zellen aus dem Immunsystem und dem ZNS zur Folge hat. Wir zeigen hier eine bisher unbekannte Rolle des neuronalen Zelladhäsionsmoleküls L1 für die Interaktion zwischen Immunzellen und Neuronen. In dieser Arbeit konnte zum ersten Mal eine adaptive Regulation der L1 Expression in Neuronen und auf mononuklearen Zellen in der EAE gezeigt werden. L1 ist auf humanen T Zellen und auf Axonen von MS Patienten exprimiert und konnte auf CD4 T Zellen und angrenzenden Axonen im Rückenmark von EAE Mäusen nachgewiesen werden. Die Expressionspegel von L1 korrelierten mit den schubförmig-remittierenden Krankheitsstadien im PLP139-151 immunisierten EAE Model. Die L1 Regulation wurde zusätzlich durch die signifikante Reduktion von L1 im Rückenmark auf dem Krankheitshöhepunkt einer MOG35-55 induzierten EAE bestätigt und war einhergehend mit einer verstärkten Expression des transkriptionellen L1 Repressors REST (RE1- Silencing Transcription Factor). Stimulierte CD4 T Zellen induzierten eine neuronale Herunterregulation von L1 und Hochregulation von REST und eine Schädigung von neuronalen Axonen in in vitro Co-Kulturen. Die Adhäsion von CD4 T Zellen an Neurone und der damit assoziierte axonale Schaden konnte durch L1-blockierende Antikörper signifikant vermindert werden. Übereinstimmend mit diesen Ergebnissen bewirkte die antikörpervermittelte Blockierung von L1 in wildtyp C57BL/6J Mäusen, sowie Experimente mit Mäusen in denen neuronenspezifisch L1 depletiert wurde (SynapsinCre x L1fl/fl) eine Verminderung des Krankheitsverlaufs und der axonalen Pathologie im EAE Model, wobei die Infiltration von Immunzellen unverändert blieb. Unabhängig von neuronalem L1 konnte in mononuklearen Zellen in chronisch aktiven Läsionen von MS Patienten und in aktiven EAE Plaques eine L1 Expression nachgewiesen werden. Die zelltypspezifische Depletion von L1 auf Mikroglia/Makrophagen (Lysozym-MCre x L1fl/fl) und auf dendritischen Zellen (CD11cCre x L1fl/fl) bewirkte einen signifikant verminderten Krankheitsverlauf der EAE, und eine reduzierten Infiltration von CD4 T Zellen in das Rückenmark. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen darauf schließen, dass die reduzierte Expression von L1 während einer Neuroinflammation vorteilhaft ist und damit einen adaptiven Prozess der neuronalen Selbstverteidigung als Reaktion auf T Zell-Infiltration darstellt und immunzell-vermittelte axonale Schädigung verhindert. Die L1 Expression von mononuklearen Zellen scheint hingegen entscheidend für eine effiziente Krankheitsinduktion dieser Effektorzellen zu sein. Zusammengefasst beschreiben diese Daten die L1 Expression von Neuronen, T Zellen und mononuklearen Zellen als kritischen Faktor mit zelltypspezifischer Bedeutung für Neuroinflammation im ZNS.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie FB 04 Medizin
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-834
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000013069
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	III, 125 Blätter
Appears in collections:	JGU-Publikationen