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Role of Hypoxia-Inducible Factor (HIF) 1α in Dendritic Cells in Immune Regulation of Atherosclerosis

Rolle von Hypoxie induziertem Faktor (HIF) 1α in dendritischen Zellen in der Immunregulation der Atherosklerose

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-91853
  • Atherosclerosis is the underlying cause of cardiovascular diseases and a major threat to human health worldwide. It involves not only accumulation of lipids in the vessel wall but a chronic inflammatory response mediated by highly specific cellular and molecular responses. Macrophages and dendritic cells (DCs) play an essential role in taking up modified lipids and presenting them to T and B lymphocytes, which promote the immune response. Enhanced activation, migration and accumulation of inflammatory cells at the local site leads to formationAtherosclerosis is the underlying cause of cardiovascular diseases and a major threat to human health worldwide. It involves not only accumulation of lipids in the vessel wall but a chronic inflammatory response mediated by highly specific cellular and molecular responses. Macrophages and dendritic cells (DCs) play an essential role in taking up modified lipids and presenting them to T and B lymphocytes, which promote the immune response. Enhanced activation, migration and accumulation of inflammatory cells at the local site leads to formation of atherosclerotic plaques. Atherosclerotic plaques become hypoxic due to reduced oxygen diffusion and high metabolic demand of accumulated cells. The various immune cells experience hypoxic conditions locally and inflammatory stimuli systemically, thus up-regulating Hypoxia-inducible factor 1α. Though the role of HIF1α in macrophages and lymphocytes has been elucidated, its role in DCs still remains controversial, especially with respect to atherosclerosis. In this project work, the role of HIF1α in DCs was investigated by using a cell specific knockout mouse model where HIF1α was deleted in CD11c+ cells. Aortic root sections from atherosclerotic mice showed presence of hypoxia and up-regulation of HIF1α which co-localized with CD11c+ cells. Atherosclerotic splenic DCs also displayed enhanced expression of HIF1α, proving non-hypoxic stimulation of HIF1α due to systemic inflammation. Conditional knockout (CKO) mice lacking HIF1α in CD11c+ cells, under baseline conditions did not show changes in immune responses suggesting effects of HIF1α only under inflammatory conditions. When these mice were crossed to the Ldlr-/- line and placed on 8 weeks of high fat diet, they developed enhanced plaques with higher T-cell infiltration as compared to the wild-type (WT) controls. The plaques were of a complex phenotype, defined by increased percent of smooth muscle cells (SMCs) and necrotic core area and reduced percent of macrophages and DCs. The mice also displayed enhanced T-cell activation and a Th1 bias in the periphery. The CKO DCs themselves exhibited increased expression of IL 12 and a higher capacity to proliferate and polarize naive T cells to the Th1 phenotype in vitro. The DCs also showed decreased expression of STAT3, in line with the inhibitory effects of STAT3 on DC activation seen in previous studies. When STAT3 was overexpressed in DCs in vitro, IL 12 was down-regulated, but its expression increased significantly on STAT3 inhibition using a mutant vector. In addition, when STAT3 was overexpressed in DCs in vivo using a Cre regulated lentiviral system, the mice showed decreased plaque formation compared to controls. Interestingly, the effects of STAT3 modulation were similar in WT and CKO mice, intending that STAT3 lies downstream of HIF1α. Finally, using a chromatin immunoprecipitation assay (ChIP), it was confirmed that HIF1α binds to hypoxia responsive elements (HREs) in the Stat3 gene promoter thus regulating its expression. When DCs lack HIF1α, STAT3 expression is not stimulated and hence IL 12 production by DCs is uninhibited. This excessive IL 12 can activate naive T cells and polarize them to the Th1 phenotype, thereby enhancing atherosclerotic plaque progression. This project thus concludes that HIF1α restrains DC activation via STAT3 generation and prevents excessive production of IL 12 that helps to keep inflammation and atherosclerosis under check.show moreshow less
  • Atherosklerose ist die zugrundeliegende Ursache kardiovaskulärer Erkrankungen und stellt weltweit eine bedeutende Gesundheitsgefahr dar. An der Erkrankung ist nicht nur eine Anreicherung von Lipiden in der Gefäßwand beteiligt, sondern auch eine chronische Entzündungsantwort, welche durch hochspezifische zelluläre sowie molekulare Reaktionen vermittelt wird. Makrophagen und dendritische Zellen (DCs) sind essentiell an der Aufnahme von modifizierten Lipiden sowie deren Präsentation gegenüber T und B Lymphozyten beteiligt, die ihrerseitsAtherosklerose ist die zugrundeliegende Ursache kardiovaskulärer Erkrankungen und stellt weltweit eine bedeutende Gesundheitsgefahr dar. An der Erkrankung ist nicht nur eine Anreicherung von Lipiden in der Gefäßwand beteiligt, sondern auch eine chronische Entzündungsantwort, welche durch hochspezifische zelluläre sowie molekulare Reaktionen vermittelt wird. Makrophagen und dendritische Zellen (DCs) sind essentiell an der Aufnahme von modifizierten Lipiden sowie deren Präsentation gegenüber T und B Lymphozyten beteiligt, die ihrerseits wiederum Immunantworten fördern. Eine lokal gesteigerte Aktivierung, Migration und Akkumulation inflammatorischer Zellen trägt letztlich zur Bildung atherosklerotischer Plaques bei. Atherosklerotische Plaques werden aufgrund reduzierter Sauerstoff Diffusion und hoher metabolischer Aktivität der akkumulierten Zellen hypoxisch. Die verschiedenen Immunzellen sind lokal hypoxischen Bedingungen sowie systemisch inflammatorischen Stimuli ausgesetzt, wodurch sie Hypoxie-induzierten Faktor 1a (HIF1α) hochregulieren. Obwohl die Bedeutung von HIF1α in Makrophagen und Lymphozyten weitgehend aufgeklärt ist, ist dessen Rolle in DCs immer noch umstritten, insbesondere in Bezug auf Atherosklerose. In diesem Projekt wurde die Rolle von HIF1α in DCs mittels eines zellspezifischen Knockout Mausmodells untersucht, in welchem HIF1α in CD11c+ DCs deletiert wurde. Schnitte der Aortenwurzel aus atherosklerotischen Mäusen zeigten das Bestehen von Hypoxie und die Hochregulation von HIF1α, welches mit CD11c+ Zellen kolokalisierte. DCs aus der Milz atherosklerotischer Tiere wiesen ebenfalls eine erhöhte Expression von HIF1α auf, was eine nicht hypoxische Stimulation von HIF1α aufgrund systemischer Inflammation beweist. Konditionelle Knockout (CKO) Mäuse zeigten im Ausgangszustand keine Veränderung der Immunantwort was einen Einfluss von HIF1α unter ausschließlich inflammatorischen Bedingungen nahelegt. Eine achtwöchige atherogene Diät dieser Mäuse im Ldlr-/- Hintergrund resultierte in der Entwicklung größerer Plaques mit gesteigerter T Zell Infiltration im Vergleich zu wildtypischen (WT) Kontrollen. Die Plaques wiesen einen komplexen Phänotyp auf, der sich durch einen erhöhten prozentualen Anteil glatter Muskelzellen, nekrotischer Fläche sowie einen verminderten prozentualen Anteil an Makrophagen auszeichnete. Die Mäuse zeigten ferner eine erhöhte T Zell Aktivierung und eine Tendenz zur Th1 Antwort in der Peripherie. In vitro zeigten die konditionellen knockout DCs eine gesteigerte IL-12 Expression und eine gesteigerte Fähigkeit die Proliferation naiver T Zellen zu induzieren beziehungsweise in Richtung Th1 zu polarisieren. Die DCs wiesen ferner eine verminderte STAT3 Expression auf. Dies stimmt mit den in früheren Studien beobachteten inhibitorischen Effekten von STAT3 auf die Aktivierung von DCs überein. Eine Überexpression von STAT3 in DCs in vitro führte zu einer Herunterregulation von IL-12. Bei Inhibition von STAT3 mittels eines mutierten Vektors steigerte sich die Expression jedoch signifikant. Ferner führte eine STAT3 Überexpression in DCs mittels eines Cre-regulierten lentiviralen Systems in vivo zu einer verminderten Plaqueformation in den Mäusen im Vergleich zu Kontrollen. Interessanterweise waren die Auswirkungen der STAT3 Modulation in WT und CKO Mäusen ähnlich, was vermuten lässt, dass STAT3 HIF1α nachgeschaltet ist. Mittels eines Chromatin Immunpräzipitiations-Assays wurde letztlich bestätigt, dass HIF1α an Hypoxie-responsive Elemente im Stat3 Genpromotor bindet und dadurch seine Expression reguliert. Wenn DCs HIF1α fehlt wird keine STAT3 Expression gefördert, was eine ungebremste IL-12 Produktion durch DCs zur Folge hat. Dieses überschüssige IL-12 Sekretion kann naive T Zellen aktivieren und in Richtung eines Th1 Phänotyps polarisieren, wodurch das Voranschreiten atherosklerotischer Plaques gefördert wird. Dieses Projekt kommt folglich zu dem Schluss, dass HIF1α die Aktivierung von DCs über STAT3-Bildung beschränkt und eine übermäßige Produktion von IL-12 verhindert, wodurch Inflammation und Atherosklerose im kontrolliert werden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Sweena M. Chaudhari
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-91853
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Graduate Schools
Faculties:Graduate Schools / Graduate School of Life Sciences
Fakultät für Biologie / Rudolf-Virchow-Zentrum
Referee:Prof. Dr. Alma Zernecke
Date of final exam:2014/02/04
Language:English
Year of Completion:2013
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Dendritische Zelle; Hypoxie; Arteriosklerose; Entzündung
Tag:Atherosclerosis; Dendritic cells; HIF1alpha; Hypoxia
Release Date:2017/02/07
Licence (German):License LogoCC BY-NC-SA: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Nicht kommerziell, Weitergabe unter gleichen Bedingungen