The role of nucleosome-induced neutrophil activation in systemic lupus erythematosus

Abstract

Nucleosome, the basic structure of chromatin and normal product of cell apoptosis, plays a pivotal role in both the induction and pathogenesis of systemic lupus erythematosus (SLE). Nucleosomes are found to circulate at high levels in patients with SLE and are thought to be one of the major autoantigens in SLE. In the present work, it is shown for the first time that physiological concentrations of purified nucleosomes trigger the activation and recruitment of neutrophils in vitro and in vivo in a Toll-like receptor (TLR) 2- and TLR4-independent manner. Nucleosomes directly induce the activation of human polymorphonuclear neutrophils (PMN) upon internalization, as determined by up-regulation of the cell surface molecules, CD11b and CD66b, IL-8 secretion, increased phagocytic activity and delayed apoptosis. The chemokine IL-8 is one of the most potent neutrophil chemoattractants. Serum IL-8 levels strongly correlate with the disease activity in SLE patients. Since SLE is an inflammatory disease and neutrophils are the first cells recruited to infection and inflammation sites, nucleosome-induced IL-8 secretion may thus result in enhanced inflammation via an amplification loop. Nucleosomes induce PMN activation without the requirement of immune complex formation and independently of CpG motifs in free nucleosomal DNA, endotoxin or high-mobility group box-1 (HMGB-1). PMN from both normal healthy donors and patients with SLE show responsiveness to nucleosome-induced activation. Moreover, nucleosomes probably trigger the activation of human PMN without engagement of endosomal nucleic acid-sensing TLRs. However, we identified a previously unknown subpopulation of human PMN, which do express TLR9 at the cell surface. Although nucleosomes slightly induce the up-regulation of Ly-6G and CD11b on the cell surface of bone marrow-derived neutrophils from TLR9-deficient mice, the role of TLR9 in nucleosome-induced innate immune cell activation needs further detailed investigation. Indeed, nucleosomes trigger a previously unknown pathway of innate immunity, which provides an essential piece of the puzzle in understanding how self-tolerance is overcome in patients with SLE.

Nucleosomen sind die Grundbausteine der Chromatinstruktur und entstehen als Abbauprodukt beim programmierten Zelltod (Apoptose). Darüber hinaus spielen Nucleosomen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung und dem Krankheitsverlauf des systemischen Lupus erythematodes (SLE). Hohe Konzentrationen zirkulierender Nucleosomen werden bei SLE-Patienten während eines Schubs festgestellt und deshalb als wichtiges Autoantigen angesehen. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals gezeigt, dass physiologische Konzentrationen aufgereinigter Nucleosomen die Aktivierung und Rekrutierung von Neutrophilen in vitro und in vivo induzieren; und das unabhängig von Toll-like Rezeptor (TLR)2- und TLR4. Nucleosomen induzieren die Aktivierung dieser humanen polymorphkernigen Leukocyten durch Internalisierung, wie mittels Hochregulierung von Zelloberflächenmolekülen (CD11b und CD66b), Sekretion von Interleukin (IL)-8, erhöhter Phagocytoseaktivität und verzögerter Apoptose festgestellt werden konnte. Das Chemokin IL-8 lockt vor allem Neutrophile aus dem Blut zum Infektionsherd. Der IL-8-Gehalt im Serum von SLE-Patienten korreliert stark mit dem Krankheitsverlauf. Da der SLE eine entzündliche Erkrankung ist und Neutrophile die ersten Zellen an Infektions- und Entzündungsherden sind, bewirkt die Nucleosomen-induzierte Freisetzung von IL-8 das Aufrechterhalten der Entzündung über eine Verstärkerschleife. Die Nucleosomen induzieren hier die Aktivierung von Neutrophilen ohne Bildung von Immunkomplexen mit Autoantikörpern, außerdem unabhängig von CpG-Motiven (in der nucleosomalen DNA) sowie Endotoxinen oder HMGB-1. Neutrophile von gesunden Kontrollpersonen und SLE-Patienten reagierten sensitiv auf die Nucleosomen-induzierte Aktivierung. Es spricht vieles dafür, dass die Nucleosomen die Neutrophilaktivierung ohne Mitwirkung intrazellulärer TLR triggern. Zudem haben wir eine bis dato unbekannte Subpopulation humaner Neutrophiler entdeckt, die TLR9 auf der Zelloberfläche exprimieren. Obwohl die Nucleosomen eine schwache Hochregulierung der Zelloberflächenmoleküle Ly-6G und CD11b bei (Vorläufer-) Neutrophilen aus dem Knochenmark TLR9-defizienter Mäuse induziert haben, müssen weitere Experimente durchgeführt werden, um zu einem schlüssigen Ergebnis zu gelangen. In der vorliegenden Arbeit wird aufgezeigt wie Nucleosomen einen bisher unbekannten Signalweg der angeborenen Immunantwort triggern. Diese neuen Erkenntnisse liefern somit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis wie die Toleranz gegenüber Selbstantigenen bei SLE-Patienten verloren geht.