Inflammatory Bowel Disease and Dendritic Cells: A Proteome Analysis of Dendritic Cell Effector States

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, einen Einblick in die Rolle symbiotischer oder pathobiotischer kommensaler Bakterien bei der Pathogenese chronisch entzündlicher Darmerkrankungen zu bekommen. Mithilfe von Proteomics wurde das Proteinexpressionsprofil dendritischer Zellen untersucht, die entweder mit dem symbiotischen Stamm B. vulgatus mpk oder pathobiotischen Stamm E. coli mpk2 stimuliert wurden. Die Stimulation mit symbiotischen Bakterien führte zu

(i) einer verringerten Aktivierung und Maturation dendritischer Zellen, (ii) einer reduzierten Inflammation und Migration dendritischer Zellen (iii) einer verringerten Akkumulation reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) (iv) einer Aktivierung von Gegenregulationsmechanismen gegen oxidativen Stress.

Die Fähigkeit von B. vulgatus mpk, dendritische Zellen in semimature dendritische Zellen zu differenzieren und somit die komplette Maturation zu verhindern, lässt sich an z. B. der Hemmung der proinflammatorischen Zytokinsekretion (TNFα, IL-6, IL-12p40 und IL-1β), sowie unterschiedlichen Expressionsmustern von aktivierungs- und maturationsassoziierten Oberflächenmarkern wie z.B. MHC Klasse II und CD40 erkennen. B. vulgatus mpk stimulierte dendritische Zellen zeigten zudem eine Herunterregulation proinflammatorischer Signalwege und Prozesse, indem z. B. Proteine, die zum TLR4 Signalweg, zur Inflammasom-Bildung, sowie zur Migration bei Entzündungsprozessen gehören, in geringerem Maß, als bei maturen dendritischen Zellen, exprimiert wurden. Ergänzend konnten wir zeigen, dass antiinflammatorische Proteine, wie z.B. TGFβ, in Folge einer B. vulgatus mpk Stimulation hochreguliert wurden, was auf eine Beteiligung semimaturer dendritischer Zellen bei der Entstehung von peripherer Toleranz hindeuten könnte. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass dendritische Zellen mit einer geringeren Menge ROS auf eine Stimulation mit B. vulgatus mpk reagierten als auf eine Stimulation mit E. coli mpk2. Zusätzlich konnten wir eine Steigerung des antioxidativen Potentials semimaturer dendritischer Zellen nachweisen, das durch die Hochregulation wichtiger antioxidativer Enzyme wie SOD1, GSTO1, TXN, GCLM1, sowie regulatorischer Proteine wie beispielsweise Prohibitin gekennzeichnet war. Diese Proteine gehören zum Nrf2-Keap1 Signalweg, der eine große Bedeutung bei antioxidativen und zytoprotektiven Prozessen hat und damit entscheidend für die Aufrechterhaltung der Redoxhomöostase ist. Wir denken, dass eine veränderte Redoxhomöostase, die durch eine kontinuierliche Exposition gegenüber Pathobionten hervorgerufen wird, ein entscheidender Kofaktor für die Entstehung chronisch entzündlicher Darmerkrankungen und anderer Autoimmunerkrankungen ist. Wir postulieren, dass symbiotische Bakterien in der Lage sind zytoprotektiv und antioxidativ zu wirken, indem sie Signalwege wie Nrf2-Keap1 aktivieren und somit einen Schutz vor chronisch entzündlichen Darmerkrankungen vermitteln können. Die oben genannten Proteine sind ein Teil der graphisch dargestellten, in dieser Studie identifizierten, differentiell regulierten Proteine. Diese “Proteomics map” kann anderen Wissenschaftlern, beispielsweise im Rahmen von Arzneimittelentwicklung (z.B. Prohibtin, SOD1), als Grundlage dienen. Die immunregulatorischen Eigenschaften von B. vulgatus mpk, die in früheren Studien gezeigt wurden und die wir mittels Proteomics bestätigen konnten, lassen die Schlussfolgerung zu, dass B. vulgatus mpk als Probiotikum bei der Behandlung von chronisch entzündlichen Darmerkrankungen in Zukunft Anwendung finden könnte. Unsere Ergebnisse tragen zum Verständnis der Maturation und Semimaturation DZ und deren Rolle bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen bei.

In this study we aimed at gaining more insight into inflammatory bowel disease by investigating the immunological factors mediating it. We used a proteomics approach targeting dendritic cells, stimulated with the symbiotic B. vulgatus mpk or pathobiotic E. coli mpk2. Stimulation with symbiotic bacteria resulted in:

(i) reduced activation and maturation of dendritic cells (ii) reduced inflammation and migration of dendritic cells (iii) decreased accumulation of ROS (iv) activation of countermeasures to oxidative stress

The reduced ability of B. vulgatus mpk to activate and maturate DCs is indicated by inhibition of proinflammatory cytokine secretion i.e. TNFα, IL-6, IL-12p40 and IL-1β and the difference in surface expression markers such as MHC class II and CD40. B. vulgatus mpk stimulated samples show downregulation in proinflammatory pathways and processes, exemplified by a downregulation of proteins which are part of the TLR4-signalling pathway, formation of the inflammasome and chemokine guided migration. In addition to decreased proinflammatory gene expression, increased expression of the anti-inflammatory protein TGFβ was detected as well, suggesting an involvement of semi-mature DCs in induction of peripheral tolerance. We were also able to show that DCs stimulated with the symbiotic B. vulgatus mpk harbor basal ROS amounts, whereas the pathobiotic E. coli mpk2 induces high levels of reactive oxygen species in DCs. Additionally, we detected an increase of the antioxidant capacity in semi-mature DCs, characterized by upregulation of important antioxidant enzymes i.e. SOD1, GSTO1, TXN, GCLM1 and regulatory proteins such as Prohibitin. These proteins all belong to the pivotal, cytoprotective Nrf2-Keap1 pathway, which is a major pathway in maintaining redox homeostasis. We believe that altered redox homeostasis, induced by continuous interaction with pathobionts, can be a crucial cofactor for developing intestinal inflammation and other autoimmune disorders. We postulate that symbiotic bacteria are able to trigger the activation of cytoprotective, antioxidant pathways such as Nrf2-Keap1 pathway, which may contribute to their protective effect in IBD. All aforementioned proteins are summarily visualized in this study and can serve as a proteomics map to guide researchers for a better understanding of DC maturation and inflammatory conditions. Our proteomics catalogue also includes potential drug targets (e.g. Prohibtin, SOD1), which may be used for developing successful therapeutic strategies for IBD. Considering the immune regulatory properties of B. vulgatus mpk, shown by previous studies and this proteome study, the use of B. vulgatus mpk in probiotic combinations for treating intestinal inflammation may prove beneficial. We hope that our results will open new venues in the knowledge of dendritic cell maturation and associated mechanisms of intestinal inflammation.