Gene Regulation in The Human Immune System. Gene Expression Signatures of Th2 Cell Differentiation, Type 1 Diabetes, and Intrauterine Immune Adaptation

The human immune system is constantly interacting with the surrounding stimuli and microorganisms. However, when directed against self or harmless antigens, these vital defense mechanisms can cause great damage. In addition, the understanding the underlying mechanism of several human diseases caused by aberrant immune cell functions, for instance type 1 diabetes and allergies, remains far from being complete. In this Ph.D. study these questions were addressed using genome-wide transcriptomic analyses. Asthma and allergies are characterized by a hyperactive response of the T helper 2 (Th2) immune cells. In this study, the target genes of the STAT6 transcription factor in naïve human T cells were identified with RNAi for the first time. STAT6 was shown to act as a central activator of the genes expression upon IL-4 signaling, with both direct and indirect effects on Th2 cell transcriptome. The core transcription factor network induced by IL-4 was identified from a kinetic analysis of the transcriptome. Type 1 diabetes is an autoimmune disease influenced by both the genetic susceptibility of an individual and the disease-triggering environmental factors. To improve understanding of the autoimmune processes driving pathogenesis in the prediabetic phase in humans, a unique series of prospective whole-blood RNA samples collected from HLA-susceptible children in the Finnish Type 1 Diabetes Prediction and Prevention (DIPP) study was studied. Changes in different timewindows of the pathogenesis process were identified, and especially the type 1 interferon response was activated early and throughout the preclinical T1D. The hygiene hypothesis states that allergic diseases, and lately also autoimmune diseases, could be prevented by infections and other microbial contacts acquired in early childhood, or even prenatally. To study the effects of the standard of hygiene on the development of neonatal immune system, cord blood samples from children born in Finland (high standard of living), Estonia (rapid economic growth) and Russian Karelia (low standard of living) were compared. Children born in Russian Karelia deviated from Finnish and Estonian children in many aspects of the neonatal immune system, which was developmentally more mature in Karelia, resembling that of older infants. The results of this thesis offer significant new information on the regulatory networks associated with immune-mediated diseases in human. The results will facilitate understanding and further research on the role of the identified target genes and mechanisms driving the allergic inflammation and type 1 diabetes, hopefully leading to a new era of drug development.Ihmisen immuunivälitteisten sairauksien syntymekanismit – Th2 solujen erilaistumiseen, tyypin 1 diabetekseen sekä raskausaikaisen immuunijärjestelmän sopeutumiseen liittyvät geeniekspressiomuutokset Immuunijärjestelmämme on jatkuvassa vuorovaikutuksessa sekä kehon sisäisten että sitä ympäröivien ärsykkeiden ja mikro-organismien kanssa. Elintärkeät puolustusmekanismit voivat kuitenkin aiheuttaa myös suurta tuhoa reagoidessaan harmittomia antigeeneja tai omaa kehoa vastaan. Silti monien immuunivälitteisten sairauksien, kuten astman ja tyypin 1 diabeteksen, tarkempi molekylaarinen syntymekanismi on vielä epäselvä. Näiden prosessien ymmärtämiseksi tässä väitöskirjatutkimuksessa selvitettiin genominlaajuisesti ihmisen immuunijärjestelmän geeniekspressio-ja viestintäreittejä. Aktivoituneet tyypin 2 auttaja T-lymfosyytit (Th2-solut) ovat keskeisessä asemassa allergioita ja astmaa aiheuttavissa reaktioissa. Väitöskirjan ensimmäisessä osatyössä kuvattiin ensi kertaa STAT6 transkriptiotekijän kohdegeenit ihmisellä. Tutkimuksessa osoitettiin STAT6-molekyylin suorat ja epäsuorat kohdegeenit, sekä sen keskeinen tehtävän interleukiini 4:n (IL-4) signalointireitin säätelemien geenien aktivoinnissa. IL-4:n indusoima transkriptiotekijöiden ydinverkko tunnistettiin yksityiskohtaisen aikasarja-analyysin avulla. Tyypin 1 diabetes on autoimmuunisairaus, jonka puhkeamiseen vaikuttavat sekä yksilön geneettiset alttiustekijät sekä autoimmuunireaktion laukaisevat ympäristötekijät. Väitöskirjatutkimuksen toisessa osatyössä tunnistettiin ihmisen tyypin 1 diabeteksen etenemisestä kertovia geenejä DIPP (Tyypin 1 diabeteksen ennustaminen ja ehkäisy) -tutkimukseen osallistuvilta lapsilta kerätyistä kokoveren RNA-näytteistä. Työssä tunnistettiin eri prekliinisen taudin vaiheille ominaiset muutokset ja eristyisesti interferonivasteen havaittiin aktivoituvan jo varhain ja läpi tutkittujen aikaikkunoiden. Nk. hygieniahypoteesin mukaan varhaislapsuudessa ja jopa raskauden aikana kohdatut mikrobit ja infektiot ehkäisevät immuunivälitteisten tautien kehittymistä. Kolmannessa osatyössä tutkittiin elintason vaikutusta vastasyntyneiden lasten immuunijärjestelmään vertaamalla Suomessa (korkea hygienia ja elintaso), Virossa (nopeasti kehittyvä yhteiskunta) sekä Venäjän Karjalassa (alhainen elintaso ja hygienia) syntyneiden lasten napaverinäytteitä. Venäjän Karjalassa syntyneiden lasten immuunijärjestelmän havaittiin olevan kehityksellisesti kypsempi kuin Suomessa ja Virossa syntyneistä lapsilla. Tämän väitöskirjatutkimuksen tulokset tarjoavat merkittävää uutta tietoa ihmisen immuunivälitteisten sairauksien säätelymekanismeista, merkiten uutta aikakautta niin tutkimuksessa kuin lääkekehityksessä; tunnistettuja kohdegeenejä ja mekanismeja muokkaamalla on mahdollista muuttaa mm. allergisen tulehduksen ja tyypin 1 diabeteksen syntyyn vaikuttavia viestintäreittejä.Siirretty Doriast