Relevance of the IL-6 receptor gp130 endocytosis during dendritic cell maturation and activation as well as characterization of the molecular mechanism of OSM-mediated antiviral gene induction

Interleukin-6 (IL-6)-Typ Zytokine, allen voran IL-6 und Oncostatin M (OSM), besitzen pleiotrope Eigenschaften und spielen eine wichtige Rolle bei einer Vielzahl biologischer Prozesse. Als Akutphaseinduktoren sind IL-6 und OSM an der Initialisierung entzündlicher und immunologischer Prozesse beteiligt, können aber ebenso die Differenzierung und das Zellwachstum beeinflussen. Ihre biologische Wirkung vermitteln sie über die Bindung an einen multimeren Rezeptorkomplex. Dieser weist im Fall von IL-6 eine hexamere Struktur auf und besteht aus je zwei Molekülen des Glykoproteins 130 (gp130), des IL-6 α Rezeptors (IL-6R) und IL-6. Der Rezeptor von OSM hingegen ist ein Heterodimer und besteht aus gp130 und dem OSM Rezeptor (OSMR) oder aber aus gp130 und dem leukemia inhibitory factor (LIF) Rezeptor (LIFR). Die Zytokine der IL-6-Familie vermitteln die Induktion des Jak/STAT (Januskinase/signal transducer and activator of transcription), PI3K/Akt (Phosphoinositid-3-Kinasen/AKR thymoma oncogene homolog) und MAPK (mitogenaktivierte Proteinkinase) Signalwegs. Da eine unkontrollierte Aktivierung dieser Signalkaskaden jedoch zu chronisch entzündlichen Erkrankungen oder abnormen Zellwachstum führen kann, ist eine Regulation durch verschiedene Rückkopplungsmechanismen essentiell. Neben der Rekrutierung inhibitorisch wirkender Proteine, wie den Mitgliedern der SOCS (suppressors of cytokine signaling) Familie und Tyrosinphosphatasen, gilt die Rezeptorinternalisierung als regulierender Mechanismus. Der erste Teil der vorliegenden Dissertation geht der Fragestellung nach, wie die Expression des IL-6-Rezeptors während der Differenzierung und Maturierung dendritischer Zellen (DZ) reguliert ist und welche Relevanz die gp130-Internalisierung bei diesen Entwicklungsprozessen spielt. DZ gehören zu den professionellen antigenpräsentieren Zellen (APZ) und gelten als Bindeglied zwischen der angeborenen und adaptiven Immunantwort. Sie spielen insbesondere bei der Polarisation der T-Helferzellen (Th1, Th2, Th17, Treg) eine wichtige Rolle. DZ repräsentieren eine heterogene Zellpopulation, die auf Basis ihrer Entstehung, ihres Vorkommens und/oder ihrer Funktionen in verschiedene Subtypen unterteilt werden und sich u.a. durch die Expression bestimmter Oberflächenmarker unterscheiden lassen. Es ist bekannt, dass DZ sowohl gp130 als auch den IL-6R auf ihrer Oberfläche exprimieren, weshalb ihre Differenzierung und Maturierung durch IL-6 beeinflusst werden kann. Obwohl Studien der letzten Jahre bereits eindrucksvoll die Relevanz des IL-6-Signals für die DZ Entwicklung belegt haben, bleibt dessen Funktion für diese Prozesse bisher kontrovers diskutiert. Inwiefern eine veränderte Rezeptorexpression auf diesen Zellen Einfluss auf die biologische Wirkung von IL-6 nimmt, wurde bisher nicht untersucht und war daher Ziel der hier durchgeführten Experimente. Mit Hilfe GM-CSF-gereifter DZ aus murinem Knochenmark (KM-DZ) sowie steady state DZ aus peripheren lymphatischen Organen konnte gezeigt werden, dass die Expression von gp130 und IL-6R bereits während der DZ Differenzierung unterschiedlich reguliert ist. Konventionelle DZ (kDZ) aus Milz und Lymphknoten wiesen ein höheres Expressionsniveau für den IL-6-Rezeptor auf als plasmazytoide DZ (pDZ). Es wurde nachgewiesen, dass die gp130 Expression im Verlauf der DZ Differenzierung stetig zunimmt, während nahezu keine Veränderung für die Expression des IL-6R festzustellen war. In weiteren Experimenten konnte darüber hinaus belegt werden, dass die Reifung der DZ, induziert durch Lipopolysaccharid (LPS), Tumornekrosefaktor-α (TNFα) oder Choleratoxin (Ctx), zu einer Cross-Regulation von gp130 führt. Diese konnte im Fall von TNFα und Ctx auf eine vorübergehende Internalisierung des Rezeptors in Folge der Aktivierung der Serin-/Threonin-Kinase MK2 (MAPK-aktivierte Proteinkinase 2) zurückgeführt werden. Untersuchungen von KM-DZ aus der gp130 knockin Mauslinie gp130LLAA, die sich durch eine Punktmutation des beschriebenen Endozytose-Motivs des Rezeptors auszeichnet, führten zu dem Schluss, dass LPS gp130 über einen bisher noch nicht beschriebenen Mechanismus reguliert. Dieser vermittelt eine frühe Clathrin-abhängige Internalisierung von gp130 und führt schließlich zu einer langfristigen Inhibierung der gp130 Expression. Die Regulation der IL-6 Rezeptorexpression ist insofern von Bedeutung als dass vermutet werden kann, dass das IL-6/STAT3-Signal für die Aufrechterhaltung eines unreifen DZ Phänotyps wichtig ist. Ferner kann vermutet werden, dass die Limitierung der Responsivität gegenüber LIF (und vermutlich auch OSM) für die Differenzierung von DZ wichtig ist, da die Expression des LIFR über die Dauer der KM-DZ Differenzierung stark herunterreguliert wurde. Eine Expression des OSMR auf DZ wurde hingegen nicht nachgewiesen und steht demzufolge im Gegensatz zu bisher veröffentlichten Untersuchungen. Im Rahmen dieses ersten Projekts wurde ebenfalls untersucht, wie sich die veränderte gp130 Endozytose auf die Homöostase myeloider und lymphoider Zellen auswirkt. Bei den hierfür analysierten gp130LLAA Mäusen wurde eine geringfügige Verminderung der Frequenz und absoluten Zellzahl von kDZ in der Milz sowie eine Zunahme der Frequenz und absoluten Zellzahl von pDZ und Makrophagen in den inguinalen Lymphknoten nachgewiesen. Darüber hinaus wurde ein Anstieg in der Frequenz und absoluten Zellzahl von T-Zellen, jedoch eine Abnahme der B-Zellen in der Milz beobachtet. Im zweiten Teil der Dissertation sollte die OSM-vermittelte Induktion antiviraler Gene in primären humanen dermalen Fibroblasten (HDF) untersucht werden. Typ I Interferone (IFN) gelten als zentrale Zytokine der antiviralen Immunantwort. Studien der letzten Jahre haben gezeigt, dass eine Reihe proinflammatorischer Zytokine ebenso die antivirale Immunantwort beeinflussen können, indem sie u.a. die Expression der pattern recognition receptors (PRR) regulieren. PRR sind Teil des angeborenen Immunsystems und für die Erkennung von Pathogenen durch die Bindung an konservierte Pathogen-assoziierte molekulare Strukturen (PAMPs, Pathogen-associated molecular patterns) wichtig. Im zweiten Teilprojekt der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass OSM dazu in der Lage ist, die Induktion der im Zytoplasma lokalisierten PRR Retinoic acid inducible gene-I (RIG-I) und Melanoma differentiation-associated protein 5 (MDA5) zu vermitteln. Mit Hilfe von RNA Interferenzstudien konnte nachgewiesen werden, dass die Expression dieser beiden RNA-Helikasen von der OSM-vermittelten STAT1 Aktivierung abhängig ist und über einen STAT3/SOCS3-abhängigen Mechanismus reguliert wird. Während die Blockade der STAT1 Expression zu einer Inhibierung der OSM-induzierten Expression der Helikasen führte, wurde durch den Verlust von STAT3 oder SOCS3 die Expression von RIG-I und MDA5, aufgrund einer stärkeren und länger anhaltenden STAT1-Phosphorylierung, signifikant erhöht. Zusätzlich konnte ein additiver Effekt zwischen der OSM- und IFNγ-vermittelten Helikasenexpression belegt werden. Dieses Resultat steht im Einklang mit vorhergehenden Veröffentlichungen, die einen Crosstalk zwischen OSM und Typ I IFN bei der antiviralen Abwehr gegen das Hepatitis C Virus beschreiben.Interleukin-6 (IL-6)-type cytokines, most notably IL-6 and Oncostatin M (OSM), have pleiotropic functions and play a major role in multiple biological processes. As inducers of the acute phase response, IL-6 and OSM are involved in the initiation of proinflammatory and immunological processes as well as in cell growth and differentiation. They mediate their biological function through binding to a multimeric receptor complex. The IL-6 receptor complex has a hexameric structure consisting of two molecules each of gp130, IL-6R and IL-6. In contrast, the OSM receptor complex has a heterodimeric structure consisting either of gp130 and the OSM receptor (OSMR) or gp130 and the leukemia inhibitory factor receptor (LIFR). IL-6-type cytokines induce the activation of the Jak/STAT (Janus kinase/Signal Transducer and Activator of Transcription), PI3K/Akt (Phosphoinositid-3-kinase/AKR thymoma oncogene homolog) and MAPK (mitogen-activated kinase) pathway. Since uncontrolled activation of these pathways causes chronic inflammatory diseases or abnormal cell growth, regulation by distinct feedback mechanisms is very important. Besides recruitment of inhibitory proteins like members of the SOCS (suppressors of cytokine signaling) family and protein tyrosine phosphatases, receptor internalization is a common regulatory mechanism. One aim of the first part of this thesis was to investigate the regulation of the IL-6 receptor expression during dendritic cell (DC) differentiation/maturation and furthermore, to determine the relevance of gp130 internalization for these developmental processes. DCs are professional antigen presenting cells (APC) and known to act as a link between innate and adaptive immune response. Especially during the initiation of T cell polarization (Th1, Th2, Th17, Treg) they play an important role. DCs are a heterogeneous cell population, which can be classified by their origin and/or function and are distinguished (among other things) by their cell surface markers. DCs express both gp130 and IL-6R, therefore it has been assumed that DC differentiation and maturation is influenced by IL-6. Although several publications suggest that IL 6 signaling is of importance for DC development, its precise function for this process still remains unclear. How differential receptor expression may influence the biological function of IL-6 has not been studied so far and was the goal of the present study. By using GM-CSF-driven DCs from murine bone marrow (BMDC) as well as steady state DCs from peripheral organs, it was demonstrated that the expression of gp130 and IL-6R is differentially regulated during DC differentiation. Conventional DCs (cDCs) from spleen and lymph nodes showed a higher IL-6 receptor expression level than plasmacytoid DCs (pDCs) from these organs. While gp130 expression slowly increased over time in culture, no changes in IL-6R expression were observed in GM-CSF-driven BMDC differentiation. Furthermore, BMDC maturation induced by lipopolysaccharide (LPS), tumor necrosis factor-α (TNFα) or cholera toxin (Ctx) caused a cross-regulation of gp130 cell surface expression. In case of TNFα and Ctx this cross-regulation could be traced back to a transient receptor internalization induced by the serine/threonine-kinase MK2 (MAPK-activated protein kinase 2). Studies with the gp130 knockin mouse strain gp130LLAA, which is characterized by a point mutation of the internalization motif, revealed that the LPS-regulated gp130 expression depends on a so far unidentified mechanism. This mechanism induces an early clathrin-dependent gp130 internalization and furthermore leads to a long-term expression inhibition. This regulation of the IL-6 receptor expression is of importance, because it is assumed that the IL 6/STAT3-signal plays an important role to keep DCs in an immature state in absence of infection. Further data presented in this thesis indicate that limitation of the LIF response (and also OSM response) is necessary for DC differentiation, since expression of the LIFR was strongly downregulated in the course of GM-CSF-driven BMDC differentiation. In contrast to former studies, OSMR expression could not be confirmed. An additional aim of the first part of the thesis was to investigate how missing gp130 endocytosis influences the homeostasis of myeloid and lymphoid cells in mice. For this purpose, gp130LLAA mice were investigated and showed a slight decrease in frequency and absolute cell numbers of cDCs from spleen as well as an increase in frequency and absolute cells numbers of pDCs and macrophages from inguinal lymph nodes. Additionally, an increase in frequency and absolute cell number of T cells, but a decrease of B cells could be detected in spleen. The aim of the second part of this thesis was to investigate the OSM-mediated induction of antiviral gene expression in primary human dermal fibroblasts (HDF). Type I interferons (IFN) are key players in the antiviral response. Many studies over the last years revealed that several proinflammatory cytokines were able to influence the antiviral response by induction of the pattern recognition receptor (PRR) expression. PRRs belong to the innate immunity and play a pivotal role in detection of pathogens through binding to pathogen-associated molecular patterns (PAMPs). In the second part it was shown that OSM induces the expression of the PRR retinoic acid inducible gene-I (RIG-I) and melanoma differentiation-associated protein 5 (MDA5). By using RNA interference studies it was demonstrated that the expression of the RNA-helicases depends on the OSM-induced STAT1 activation and is mainly regulated by a STAT3/SOCS3-dependent mechanism. While knockdown of STAT1 inhibited OSM-induced helicase expression, loss of STAT3 or SOCS3 significantly enhanced the RIG-I and MDA5 expression through an increased and prolonged STAT1 phosphorylation. Moreover, it was shown that OSM and IFNγ had an additive effect on helicase expression. This result correlates well with former studies showing a crosstalk of OSM and IFNγ signaling in the antiviral response against Hepatitis C Virus