Institut für Experimentelle Biomedizin
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The receptor EMMPRIN is involved in the development and progression of cardiovascular diseases and in the pathogenesis of myocardial infarction. There are several binding partners of EMMPRIN mediating the effects of EMMPRIN in cardiovascular diseases. EMMPRIN interaction with most binding partners leads to disease progression by mediating cytokine or chemokine release, the activation of platelets and monocytes, as well as the formation of monocyte-platelet aggregates (MPAs). EMMPRIN is also involved in atherosclerosis by mediating the infiltration of pro-inflammatory cells. There is also evidence that EMMPRIN controls energy metabolism of cells and that EMMPRIN binding partners modulate intracellular glycosylation and trafficking of EMMPRIN towards the cell membrane. In this review, we systematically discuss these multifaceted roles of EMMPRIN and its interaction partners, such as Cyclophilins, in cardiovascular disease.
Norrin is a secreted signaling molecule activating the Wnt/β-catenin pathway. Since Norrin protects retinal neurons from experimental acute injury, we were interested to learn if Norrin attenuates chronic damage of retinal ganglion cells (RGC) and their axons in a mouse model of glaucoma. Transgenic mice overexpressing Norrin in the retina (Pax6-Norrin) were generated and crossed with DBA/2J mice with hereditary glaucoma and optic nerve axonal degeneration. One-year old DBA/2J/Pax6-Norrin animals had significantly more surviving optic nerve axons than their DBA/2J littermates. The protective effect correlated with an increase in insulin-like growth factor (IGF)-1 mRNA and an enhanced Akt phosphorylation in DBA/2J/Pax6-Norrin mice. Both mouse strains developed an increase in intraocular pressure during the second half of the first year and marked degenerative changes in chamber angle, ciliary body and iris structure. The degenerations were slightly attenuated in the chamber angle of DBA/2J/Pax6-Norrin mice, which showed a β-catenin increase in the trabecular meshwork. We conclude that high levels of Norrin and the subsequent constitutive activation of Wnt/β-catenin signaling in RGC protect from glaucomatous axonal damage via IGF-1 causing increased activity of PI3K-Akt signaling. Our results identify components of a protective signaling network preventing degeneration of optic nerve axons in glaucoma.
The CXCL12-CXCR4 axis plays a vital role in many steps of breast cancer metastasis, but the molecular mechanisms have not been fully elucidated. We previously reported that activation of CXCR4 by CXCL12 promotes the nuclear localization of LASP1 (LIM and SH3 protein 1). The nuclear LASP1 then interacts with Snail1 in triple-negative breast cancer (TNBC) cell lines. In this study, we report that the nuclear accumulation and retention of Snail1 was dependent on an increase in nuclear LASP1 levels driven by active CXCR4. The CXCR4-LASP1 axis may directly regulate the stabilization of nuclear Snail1, by upregulating nuclear levels of pS473-Akt, pS9-GSK-3β, A20, and LSD1. Furthermore, the activation of CXCR4 induced association of LASP1 with Snail1, A20, GSK-3β, and LSD1 endogenously. Thus, nuclear LASP1 may also regulate protein-protein interactions that facilitate the stability of Snail1. Genetic ablation of LASP1 resulted in the mislocalization of nuclear Snail1, loss of the ability of TNBC cells to invade Matrigel and a dysregulated expression of both epithelial and mesenchymal markers, including an increased expression of ALDH1A1, a marker for epithelial breast cancer stem-like cells. Our findings reveal a novel role for the CXCR4-LASP1 axis in facilitating the stability of nuclear localized Snail1.
Current therapeutic strategies efficiently improve survival in patients after myocardial infarction (MI). Nevertheless, long-term consequences such as heart failure development, are still one of the leading causes of death worldwide. Inflammation is critically involved in the cardiac healing process after MI and has a dual role, contributing to both tissue healing and tissue damage. In the last decade, a lot of attention was given to targeting inflammation as a potential therapeutic approach in MI, but the poor understanding of inflammatory cell heterogeneity and function is a limit to the development of immune modulatory strategies. The recent development of tools to profile immune cells with high resolution has provided a unique opportunity to better understand immune cell heterogeneity and dynamics in the ischemic heart.
In this thesis, we employed single-cell RNA-sequencing combined with detection of epitopes by sequencing (CITE-seq) to refine our understanding of neutrophils and monocytes/macrophages heterogeneity and dynamic after experimental myocardial infarction.
Neutrophils rapidly invade the infarcted heart shortly after ischemic damage and have previously been proposed to display time-dependent functional heterogeneity. At the single-cell level, we observed dynamic transcriptional heterogeneity in neutrophil populations during the acute post-MI phase and defined previously unknown cardiac neutrophil states. In particular, we identified a locally acquired SiglecFhi neutrophil state that displayed higher ROS production and phagocytic ability compared to newly recruited neutrophils, suggesting the acquisition of specific function in the infarcted heart. These findings highlight the importance of the tissue microenvironment in shaping neutrophil response.
From the macrophage perspective, we characterized MI-associated monocyte-derived macrophage subsets, two with a pro-inflammatory gene signature (MHCIIhiIl1βhi) and three Trem2hi macrophage populations with a lipid associated macrophage (LAM) signature, also expressing pro-fibrotic and tissue repair genes. Combined analysis of blood monocytes and cardiac monocyte/macrophages indicated that the Trem2hi LAM signature is acquired in the infarcted heart.
We furthermore characterized the role of TREM2, a surface protein expressed mainly in macrophages and involved in macrophage survival and function, in the post-MI macrophage response and cardiac repair. Using TREM2 deficient mice, we demonstrate that acquisition of the LAM signature in cardiac macrophages after MI is partially dependent on TREM2. While their cardiac function was not affected, TREM2 deficient mice showed reduced collagen deposition in the heart after MI. Thus, our data in Trem2-deficient mice highlight the role of TREM2 in promoting a macrophage pro-fibrotic phenotype, in line with the pro-fibrotic/tissue repair gene signature of the Trem2hi LAM-signature genes.
Overall, our data provide a high-resolution characterization of neutrophils and macrophage heterogeneity and dynamics in the ischemic heart and can be used as a valuable resource to investigate how these cells modulate the healing processes after MI. Furthermore, our work identified TREM2 as a regulator of macrophage phenotype in the infarcted heart
Die akute Graft-versus-Host Disease (GvHD) und speziell ihre intestinale Manifestation ist eine schwere Komplikation der allogenen Stammzelltransplantation mit erheblichem Einfluss auf Mortalität und Morbidität der Patienten. Pathophysiologisch stellt sie eine Immunreaktion von Spender-T-Zellen auf Empfängergewebestrukturen dar. In Versuchsmäusen ist die experimentelle Depletion CD11c+ Antigen-präsentierender Empfängerzellen in der frühen GvHD-Effektorphase assoziiert mit einem schlechteren klinischen Outcome, einer höheren Dichte alloreaktiver T-Zellen und einer verstärkten Entzündungsreaktion in der intestinalen Mukosa. Ziel der Studie war eine umfassende Charakterisierung und systematische Einordnung der folglich GvHD-protektiven intestinalen CD11c+ Empfängerzellen. Bezüglich ihrer Oberflächenproteinsignatur analysierten wir die myeloiden Zellen der intestinalen Mukosa am Tag 6 nach allogener Stammzelltransplantation. Mittels durchflusszytometrischer Analyse und Vergleich zwischen gesunden, allein bestrahlten und GvHD-Mäusen ordneten wir die CD11c+ Empfängerzellen als Makrophagen ein und schlossen eine Identität als dendritische Zellen aus. In der Immunfluoreszenzmikroskopie wiesen wir ihre Kolokalisation mit allogenen T-Zellen nach und bestätigten darin eine PD-L1 Expression als möglichen T-Zell-Suppressionsmechanismus. Bezüglich ihres Transkriptoms führten wir eine Einzelzell-RNA-Sequenzierung intestinaler hämatopoetischer Empfängerzellen aus CD11c+ Zell-depletierten und nicht depletierten Mäusen durch. Auf rein bioinformatischer Grundlage wurden die Einzelzellen kombiniert und anhand ihrer Transkriptomprofile in Cluster eingeteilt. Der Vergleich beider Versuchsgruppen offenbarte zwei unterschiedliche präsente bzw. depletierte und damit GvHD-protektive Zellcluster: Cluster 4 enthielt Zellen mit deutlicher Makrophagensignatur und gewebeprotektivem, antipathogenem Effektorprofil, welches in Kombination mit weiteren Genen ein Kontinuum der in Homöostase vorhandenen Makrophagen nahelegte. Cluster 10 dagegen enthielt Zellen mit immun- und spezifisch T-Zell-suppressivem Effektorprofil, weniger deutlicher Makrophagensignatur und Ähnlichkeit zu myeloiden Suppressorzellen. Somit lieferte die Studie wichtige Hinweise auf einen Mechanismus der GvHD- bzw. T-Zell-Suppression und Gewebeprotektion in Form von physiologisch vorhandenen bzw. im Laufe der GvHD auftretenden Empfängermakrophagen.
Candida auris is a globally emerging fungal pathogen responsible for causing nosocomial outbreaks in healthcare associated settings. It is known to cause infection in all age groups and exhibits multi-drug resistance with high potential for horizontal transmission. Because of this reason combined with limited therapeutic choices available, C. auris infection has been acknowledged as a potential risk for causing a future pandemic, and thus seeking a promising strategy for its treatment is imperative. Here, we combined evolutionary information with reverse vaccinology approach to identify novel epitopes for vaccine design that could elicit CD4+ T-cell responses against C. auris. To this end, we extensively scanned the family of proteins encoded by C. auris genome. In addition, a pathogen may acquire substitutions in epitopes over a period of time which could cause its escape from the immune response thus rendering the vaccine ineffective. To lower this possibility in our design, we eliminated all rapidly evolving genes of C. auris with positive selection. We further employed highly conserved regions of multiple C. auris strains and identified two immunogenic and antigenic T-cell epitopes that could generate the most effective immune response against C. auris. The antigenicity scores of our predicted vaccine candidates were calculated as 0.85 and 1.88 where 0.5 is the threshold for prediction of fungal antigenic sequences. Based on our results, we conclude that our vaccine candidates have the potential to be successfully employed for the treatment of C. auris infection. However, in vivo experiments are imperative to further demonstrate the efficacy of our design.
Targeting of a conserved epitope in mouse and human GPVI differently affects receptor function
(2022)
Glycoprotein (GP) VI is the major platelet collagen receptor and a promising anti-thrombotic target. This was first demonstrated in mice using the rat monoclonal antibody JAQ1, which completely blocks the Collagen-Related Peptide (CRP)-binding site on mouse GPVI and efficiently inhibits mouse platelet adhesion, activation and aggregation on collagen. Here, we show for the first time that JAQ1 cross-reacts with human GPVI (huGPVI), but not with GPVI in other tested species, including rat, rabbit, guinea pig, swine, and dog. We further demonstrate that JAQ1 differently modulates mouse and human GPVI function. Similar to its effects on mouse GPVI (mGPVI), JAQ1 inhibits CRP-induced activation in human platelets, whereas, in stark contrast to mouse GPVI, it does not inhibit the adhesion, activation or aggregate formation of human platelets on collagen, but causes instead an increased response. This effect was also seen with platelets from newly generated human GPVI knockin mice (hGP6\(^{tg/tg\)). These results indicate that the binding of JAQ1 to a structurally conserved epitope in GPVI differently affects its function in human and mouse platelets.
Sepsis ist eine dysregulierte Reaktion des Organismus auf eine Infektion. Bei Sepsis werden oft Blutungs- und Thromboseereignisse beobachtet, welche in einer Disseminierten Intravasalen Gerinnung (DIG) gipfeln können. Thrombozyten sind die Schlüsselzellen von Thrombose und Hämostase. Bei Sepsis und DIG kommt es häufig zu einem Abfall der Thrombozytenzahl, doch Blutungs- und Thromboseereignisse können unabhängig von der Thrombozytenzahl auftreten, was zusätzlich eine Veränderung der Thrombozytenfunktion nahelegt.
In dieser Arbeit wurde deshalb die Thrombozytenfunktion bei 15 Patienten mit Sepsis zu drei Zeitpunkten im Krankheitsverlauf untersucht. Es konnte bei unauffälliger Rezeptorexpression keine Voraktivierung der Thrombozyten mittels Durchflusszytometrie festgestellt werden. Jedoch war die Aktivierung nach Stimulation mit multiplen Agonisten signifikant reduziert. Besonders ausgeprägt war die Hyporeaktivität bei Stimulation des Kollagen-Rezeptors GPVI mit dem Agonisten CRP-XL. Es wurde gezeigt, dass nach GPVI-Stimulation eine reduzierte Phosphorylierung der nachgeschalteten Proteine Syk und LAT im Vergleich zum Gesundspender induziert wird. In Kreuzinkubationsexperimenten hatte die (Co )Inkubation von Thrombozyten in Plasma von Sepsispatienten oder mit Bakterienisolaten aus Sepsis-Blutkulturen keinen Effekt auf die Thrombozytenreaktivität. Allerdings konnte durch Sepsis-Vollblut eine signifikante GPVI-Hyporeaktivität in Thrombozyten von gesunden Probanden induziert werden, was einen zellulären Mediator als Ursache des Defekts nahelegt. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass insbesondere die GPVI-Signalkaskade bei Sepsis massiv beeinträchtigt ist. Der Immunorezeptor GPVI ist ein vielversprechendes Zielmolekül, um die Pathogenese der Sepsis, des Capillary Leak und die immunregulatorische Rolle von Thrombozyten besser zu verstehen. Die GPVI-Hyporeaktivität könnte als zukünftiger Biomarker für die Sepsis-Frühdiagnose genutzt werden.
Cyclophilin a is not acetylated at lysine-82 and lysine-125 in resting and stimulated platelets
(2022)
Cyclophilin A (CyPA) is widely expressed by all prokaryotic and eukaryotic cells. Upon activation, CyPA can be released into the extracellular space to engage in a variety of functions, such as interaction with the CD147 receptor, that contribute to the pathogenesis of cardiovascular diseases. CyPA was recently found to undergo acetylation at K82 and K125, two lysine residues conserved in most species, and these modifications are required for secretion of CyPA in response to cell activation in vascular smooth muscle cells. Herein we addressed whether acetylation at these sites is also required for the release of CyPA from platelets based on the potential for local delivery of CyPA that may exacerbate cardiovascular disease events. Western blot analyses confirmed the presence of CyPA in human and mouse platelets. Thrombin stimulation resulted in CyPA release from platelets; however, no acetylation was observed—neither in cell lysates nor in supernatants of both untreated and activated platelets, nor after immunoprecipitation of CyPA from platelets. Shotgun proteomics detected two CyPA peptide precursors in the recombinant protein, acetylated at K28, but again, no acetylation was found in CyPA derived from resting or stimulated platelets. Our findings suggest that acetylation of CyPA is not a major protein modification in platelets and that CyPA acetylation is not required for its secretion from platelets.
Arteriosklerose ist eine chronisch inflammatorische Erkrankung der Gefäßwand. Nach aktuellem Wissensstand sind Dendritische Zellen (DCs) maßgeblich an der Entstehung und dem Fortschreiten von Arteriosklerose beteiligt. In der Vergangenheit konnten für DCs unterschiedliche Subsets beschreiben werden, die sowohl proinflammatorische als auch immunregulatorische Funktionen übernehmen können. Die systematische Charakterisierung von DCs in der gesunden Aorta, sowie während der Entstehung von Arteriosklerose ist jedoch noch ausstehend.
In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst die systematische Einteilung von DCs in vitro mit Hilfe von DCs aus Flt3L-Knochenmarkskulturen durchgeführt. Aufbauend darauf erfolgte die systematische Analyse aortaler DCs durch tierexperimentelle Untersuchungen an gesunden C57BL/6J Mäusen, sowie Apolipoprotein E-defizienten (ApoE-/-) Mäusen und low-density-lipoprotein-receptor-defizienten (Ldlr-/-) Mäusen während der Atherogenese. Mittels immunhistochemischer Untersuchungen von CD11cYFPreporter Mäusen konnten zudem korrelierend DCs in der Gefäßwand der murinen Aorta lokalisiert werden.
Zusammenfassend gibt die vorliegende Arbeit erstmalig einen systematischen Überblick über die einzelnen DC-Subsets in der gesunden Aorta und während der Atherogenese. Dies trägt zu einem besseren Verständnis der Rolle der einzelnen DC Subsets während der Entstehung der Arteriosklerose bei und bietet eine mögliche Grundlage für zukünftige Behandlungsstrategien.
Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden im Februar 2014 als Originalarbeit in geteilter Erstautorenschaft von Martin Busch, Thilo Westhofen und Miriam Koch unter dem Titel Dendritic Cell Subset Distributions in the Aorta in Healthy and Atherosclerotic Mice im Plos One publiziert (1). Die Originalpublikation findet sich im Folgenden unter Absatz 11. Die Ergebnisse dieser Publikation wurden modifiziert unter 6.1-6.5 dargelegt und unter 7.1-7.5 im Kontext der aktuellen Literatur diskutiert. Sofern nicht anders angegeben, wurden alle Experimente von Thilo Westhofen geplant, durchgeführt und ausgewertet.