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The role of immunoproteasome subunit LMP7 in modulating T-helper cell differentiation and progression of autoimmune diseases

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Zusammenfassung

The Proteasome is the central proteolytic machinery in cells, which plays an important role in antigen processing. The processing of the antigens is done by the catalytic active sites present in the inner -ring of the 20S core subunit of the proteasome. These active sites are responsible for the generation of ligands that can be loaded on MHC class I molecule and presented to T-cells for mounting an immune response. The inner -ring harbours six catalytic active sites-two copies each of 1, 2, and 5, which are responsible for caspase-like, trypsin-like, and chymotrypsin-like activity.

In the cells of the haematopoietic origin like lymphocytes and monocytes, these constitutive proteasome subunits are replaced by the immunoproteasome subunits designated as 1i (LMP2), 2i (MECL) and 5i (LMP7) which causes a marked change in their cleavage preferance and efficient processing of MHC-I ligands. This thesis identified a novel role of the immunoproteasome subunit LMP7 in the progression of autoimmune diseases like rheumatoid arthritis and colitis. We also looked into the molecular details of this novel finding focussing on transcription factors and regulatory proteins especially with respect to different T-helper cell differentiation pathways like Th1, Th17, and Tregs, which are involved in the progression of autoimmune diseases. We also studied the role of the non-cytokine immunomodulator prostaglandin E2 in the production of key cytokines involved in different T-helper cell differentiation pathways.

In chapter I, we characterized PR-957 which is a selective inhibitor of the immunoproteasome subunit LMP7, the subunit responsible for the chymotrypsin-like activity of the immunoproteasome. We could show that treatment with PR-957 resulted in an attenuation of disease progression in mouse models of rheumatoid arthritis with reduction in cytokine production and inflammation.

In chapter II, we looked into the molecular mechanism as how LMP7 is involved in the progression of autoimmune diseases. We could show both in-vitro and in-vivo that LMP7 specific inhibition or deficiency results in reduced Th1 and Th17 differentiation but enhances regulatory T-cell differentiation. This blocking of Th1 and Th17 differentiation by LMP7-specific inhibition was due to reduced phosphorylation of STAT1 and STAT3, respectively. The enhancement of regulatory T-cells was attributed to increased phosphorylation of SMAD proteins. These findings were confirmed in mouse models of colitis in-vivo.

In chapter III, we looked at the effect of the non-cytokine immunomodulator prostaglandin E2 on IL-23 production from human monocytes. We could show that PGE2 blocks the production of both IL-12 and IL-23 from human monocytes in a cAMP-dependent manner by inhibiting the transcription of the common p40 subunit.

Taken together, the data in this thesis supports a novel role of the immunoproteasome subunit LMP7 in modulating different T-helper cell differentiation pathways and provide a therapeutic rationale for targeting LMP7 in autoimmune disorders.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Das Proteasom ist die zentrale proteolytische Maschinerie in der Zelle, die eine wichtige Rolle in der Antigenprozessierung spielt. Die Prozessierung der Antigene wird durch die katalytisch aktiven Zentren der inneren ß-Ringe des 20S Proteasoms durchgeführt. Diese aktiven Zentren sind verantwortlich für die Erzeugung von MHC-I Liganden, die den zytotoxischen T-Zellen präsentiert werden. Die beiden ß-Ringe besitzen sechs katalytisch aktive Zentren. Die beiden identischen ß-Ringe beherbergen die katalytischen Untereinheiten ß1, ß2 und ß5, die für die Caspaseähnliche, die Trypsin-ähnliche und die Chymotrypsin-ähnliche Aktivität zuständig sind. In Zellen mit hämatopoetischen Ursprung, wie Lymphozyten und Monozyten, werden diese konstitutiven Proteasomuntereinheiten durch die Immunoproteasomuntereinheiten 1i (LMP2), 2i (MECL) und 5i (LMP7) ersetzt, die eine deutliche Veränderung der Spaltungspreferenz von MHC-I Liganden verursacht. Kürzlich wurde der Immunoproteasomuntereinheit LMP7 eine neue Rolle im Verlauf von Autoimmunerkrankungen, wie rheumatoide Arthritis und Colitis, zugeschrieben. Um die Rolle von LMP7 in diesem Zusammenhang genauer zu untersuchen, wurden die molekularen Details der T-Helfer Zelldifferenzierungswege (Th1, Th17 und Tregs), die an der Progression von Autoimmunkrankheiten beteiligt sind, analysiert. Dabei wurde auf Transkriptionsfaktoren und regulatorische Proteine der T-Helfer Zelldifferenzierung fokussiert. Des Weiteren wurde die Rolle des Immunmodulators Prostaglandin E2 (PGE2) in der Produktion von „Schlüssel“ Zytokinen, die and der T-Helfer Zell differenzierung beteiligt sind, untersucht.


In Kapitel I wurde der LMP7 spezifische Inhibitor PR-957 untersucht. Dabei führte die Behandlung von Mäusen mit PR-957 zur Abschwächung von rheumathoider Arthritis im Mausmodell. Des Weiteren konnten wir zeigen, dass PR-957 die Zytokinproduktion inhibiert. In Kapitel II wurden der molekulare Mechanismus, wie LMP7 an Autoimmunerkrankungen beteiligt ist, untersucht. Wir konnten in vitro und in vivo zeigen, dass eine LMP7-spezifische Hemmung oder Defizienz einerseits zu einer verringerten Th1 und Th17 Differenzierung führt, andernseits aber die Differenzierung zu regulatorischen T-Zellen erhöht. Diese Blockierung der Th1 und Th17 Differenzierung durch die LMP7-spezifische Hemmung konnte auf eine reduzierte Phosphorylierung von STAT1 und STAT3 zurückgeschlossen werden. Die erhöhte Differenzierung zu regulatorischen T-Zellen wurde auf eine stärkere Phosphorylierung von SMAD Proteinen zurückgeführt. Diese Differenzierungsexperimente wurden in Mausmodellen für Colitis bestätigt. In Kapitel III haben wir uns mit der Wirkung von Prostaglandin E2 auf die IL-23 Produktion von menschlichen Monozyten beschäftigt. Es konnte gezeigt werden, dass PGE2 die Produktion von IL-12 und IL-23 aus humanen Monozyten in einer cAMP-abhängigen Weise hemmt. Dabei wird die Transkription der den beiden Zytokinen gemeinsamen p40 Untereinheit inhibiert. Zusammenfasssend zeigen die Daten in dieser Arbeit eine neuartige Rolle der Immunoproteasomuntereinheit LMP7 in der Modulation der T-Helfer Zelldifferenzierung und bilden die Grundlage für einen Therapieansatz gegen Autoimmunerkrankungen in der Humanmedizin.

Fachgebiet (DDC)
580 Pflanzen (Botanik)

Schlagwörter

Immunoproteasome, LMP7, IL-23, Cytokine, Inflammation, T-helper cell differentiation, STAT1, STAT3, SMAD, IL-17, Colitis, Transcription factors, Prostaglandin E2, Monocytes, IL-12, p40, p35, cAMP

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ISO 690KALIM, Khalid W., 2013. The role of immunoproteasome subunit LMP7 in modulating T-helper cell differentiation and progression of autoimmune diseases [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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November 26, 2012
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