Expression und Regulation des antimikrobiellen Cathelicidin-Peptids LL-37 in humanen Kolonepithelzellen, Monozyten und PBMC

• Main Author: Iffland, Konrad
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: 2004
• Subjects: ddc:610
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/998; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-11683; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-11683; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/998/DA_LL-37_Bib_fertig.pdf

Butyrat ist die wichtigste kurzkettige Fettsäure im Kolon und dient der normalen Schleimhaut als trophischer Faktor. Butyrat hat paradoxe Effekte auf Epithelzellen des Kolons: Hauptenergieträger und Wachstumsstimulator normaler Mukosa einerseits, Proliferationshemmer und Apoptoseinduktor kolorektaler Karzinomzellen in vitro andererseits. Butyrat kann zudem die Immunfunktionen der Schleimhaut modulieren. Die einzellige Schicht des Dickdarmepithels ist eine aktive Barriere gegen die intestinalen Bakterien im Kolonlumen. Zusätzlich zur Bildung einer physischen Barriere ist das Epithel mit verschiedenen Effektormolekülen ausgestattet, zu welchen auch antimikrobielle Peptide zählen. Antimikrobielle Peptide spielen eine wichtige Rolle als endogene Antibiotika in der angeborenen Immunabwehr. Es sind kleine kationische Peptide von weniger als 100 Aminosäuren Länge. Sie kommen konserviert bei Insekten, Tieren, Pflanzen und dem Menschen vor. Diese Peptide werden in Zellen des Immunsystems, aber auch in Epithelzellen exprimiert und sezerniert. Sie wirken gegen gram-positive und –negative Bakterien, Viren und Pilze. Zusätzlich zu Ihrem antimikrobiellen Effekt üben diese Peptide einen chemotaktischen Reiz auf unterschiedlichste Immunzellen aus, darunter neutrophile Granulozyten, dendritische Zellen und T-Zellen, stimulieren die Chemokinfreisetzung durch Monozyten, induzieren die Mastzelldegranulation und können das Komplementsystem aktivieren. Beim Menschen sind bisher zehn Defensine und das humane Cathelicidinpeptid LL-37 beschrieben worden. Letzteres war auch Gegenstand unserer Forschungen. LL-37 wird in den Granula von neutrophilen Granulozyten gespeichert und in Knochenmark und Hoden, sowie in Hautkeratinozyten, Lungenepithel, und Plattenepithel der Zunge, des Ösophagus, der Zervix und Vagina exprimiert. In dieser Arbeit wurde die Expression und Modulation des einzigen humanen antimikrobiellen Cathelicidins LL-37 durch Entzündungsmediatoren oder Ernährungsfaktoren untersucht. Die untersuchten Zytokine, darunter TNFa und verschiedene proinflammatorische Interleukine zeigen keinen Einfluss auf die LL-37 Expression in Kolonepithelzellen. Die Expression des antimikrobiellen Peptids scheint dagegen stark mit Zelldifferenzierung verbunden zu sein. Nur differenzierte Epithelzellen im menschlichen Kolon und Ileum exprimieren LL-37 in vivo. Faktoren im Kolonlumen können dagegen einen Einfluss auf die Expression von LL-37 Expression in Kolonepithelzellen ausüben. Insbesondere kurzkettige Fettsäuren, die bei der bakteriellen Fermentation unverdauter Kohlenhydrate im Kolonlumen entstehen und die eine Zelldifferenzierung herbeiführen, induzieren in vitro die Expression des antimikrobiellen LL-37 in verschiedenen Kolonepithelzellen. Gleichzeitig steigert Butyrat die Differenzierung in den untersuchten Zellen. In Primärkulturen kolorektaler Karzinome und normaler Kolonschleimhautepithelzellen induzierte Butyrat die LL-37 Expression nur in undifferenzierten Tumorzellen. Als nächstes wurden Signalwege gesucht, die an der Regulation von LL-37 und der Differenzierung eine Rolle spielen. In Kolonepithelzellen verhindert eine MEK-ERK Blockade eine LL-37 Induktion – ohne die Differenzierung zu beeinträchtigen. Bei einer Blockade des p38/MAP-Kinase Weges stellte es sich genau andersherum dar: Die Differenzierung wurde gehemmt, aber die LL-37 Expression wurde nicht beeinflusst. Somit wird die LL-37 mRNA Transkription in Kolonepithelzellen über den MEK/ERK Signalweg und die Differenzierung in denselben Zellen über den p38/MAP-Kinase Signalweg reguliert. In undifferenzierten Monozyten kann wie schon in Kolonepithelzellen eine Induktion der LL-37 Expression nach Inkubation mit SCFAs beobachtet werden. Bei reifen PBMC jedoch inhibiert Butyrat eine LL-37 Transkription. In nicht differenzierten Monozyten blockt ein MEK/ERK-Hemmer die LL-37 Expression wie in Kolonepithelzellen, dagegen hat diese Blockade in reifen PBMC keine Auswirkung auf die LL-37 Konzentration. Deshalb können noch weitere unbekannte Mechanismen an der LL-37 Regulation in Darmepithelzellen und den LL-37 exprimierenden Immunzellen beteiligt sein. Diese Arbeit bietet neue Einblicke in die Regulation des antimikrobiellen Cathelicidins LL-37 in der menschlichen Darmschleimhaut und kann vielleicht die Basis für eine therapeutische Manipulation der LL-37 Expression liefern. Es muss jedoch noch geklärt werden, ob Butyrat oder andere Ernährungsfaktoren die Schleimhautbarriere dadurch stärken können, indem das Peptid LL-37 und oder andere Effektormoleküle der angeborenen Immunabwehr in vivo hochreguliert werden. === The single cell layer of the colonic epithelium is an active barrier against the external environment and the enormous load of intestinal bacteria. In addition to forming a physical barrier, the epithelium is armed with an array of effector molecules including antimicrobial peptides. These peptides can be considered as endogenous antibiotics and are widespread in nature as immediate defense effectors. They have been found in invertebrates, vertebrates, plants as well as bacteria and several human antimicrobial peptides have been characterized. They are mainly stored in vacuoles of granulocytes ready for activation upon stimuli or secreted directly onto mucosal surfaces by epithelial cells. The cathelicidins constitute a family of precursor proteins with a well conserved cathelin pro-region, followed by a highly variable C-terminal antimicrobial domain. The only human cathelicidin gives rise to LL-37, a 37-residue mature antimicrobial peptide, after cleavage from the cathelin propart. LL-37 is present in neutrophils and lymphocytes. In addition, LL-37 is synthesized by bone marrow, keratinocytes of inflamed skin, lung epithelium, and squamous epithelia of human mouth, tongue, esophagus, cervix and vagina. Both purified and chemically synthesized LL-37 peptides exhibit potent and comparable antimicrobial activities in vitro. Alterations of the colonic epithelial barrier may occur in response to dietary changes, medical treatment or disease. A lack of dietary fibre can facilitate bacterial translocation from the gut. Short-chain fatty acids (SCFA), namely acetate, propionate and butyrate, are derived from bacterial fermentation of undigested dietary fibres in the colon. Butyrate and other SCFA exert profound effects on colonic physiology as they affect fluid absorption, colonocyte metabolism, proliferation and differentiation, gut motility and mucosal inflammation. In this study we analyzed the expression and modulation of the single human antimicrobial cathelicidin peptid LL-37 modulated by inflammatoric mediators or dietary fibres. Zytocines or different proinflammatoric interleukins indeed have no effect on expression of LL-37 in colon epithelial cells. Cell differentiation probably is the key determinant of LL-37 expression in colon epithelial cells. Only differentiated epithelial cells express LL-37 in vivo in human colon and ileum. We discovered that distinct pathways are for the induction of genes involved in differentiation on one hand and the expression of the gene encoding LL-37 on the other hand. The expression pattern of LL-37 in the colon crypt implies that these pathways are activated simultaneously in vivo. In summary, this study provides new insights into the regulation of the antimicrobial cathelicidin LL-37 in human colon mucosa and might provide the basis for a therapeutic manipulation of LL-37 expression. However, it remains to be elucidated if butyrate and other dietary substrates can strengthen the epithelial defense barrier by upregulating LL-37 and other effectors of innate immunity in vivo.