Prevention of inflammatory cellular responses by ethanol and hemin interplay between inflammasomes and processes inhibiting inflammation

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1667-3
Title: Prevention of inflammatory cellular responses by ethanol and hemin interplay between inflammasomes and processes inhibiting inflammation
Author: Nurmi, Katariina
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, Division of Genetics
Wihurin Tutkimuslaitos
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
Abstract: The innate immune system responds to infection or injury by initiating nonspecific inflammation, which functions to limit the spread of harmful microbes or the damage caused by tissue injury. The cells of the innate immune system are the first to encounter danger signals, and they mediate the rapid local immune response. Inflammatory reactions are normally beneficial for the host, and inflammation is usually resolved when the threat has been removed. However, in chronic inflammatory diseases, the danger signals either are not cleared or continue to be formed. Pathogen-derived molecules and danger signals induce the activation of pattern recognition receptors (PRRs) in the innate immune cells. Several families of PRRs exist, and their interplay is needed for the induction of efficient immune defense reactions. Nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat-containing receptors (NLRs) are intracellular receptors that respond to a plethora of danger- and pathogen-associated molecular patterns. Their activation induces the assembly and activation of cytosolic multiprotein complexes called inflammasomes. Inflammasomes act as a primary checkpoint for the activation and secretion of the strong proinflammatory cytokines interleukin (IL)-1β and IL-18. Similar to other cellular functions, innate immune responses are operated via a complicated interplay between signalosomes. To become activated inflammasomes require the coordinated activation of Toll-like receptors (TLRs) and NLRs, which induce the activation and assembly of inflammasome complexes. The consequent secretion of inflammasome-derived cytokines is, in turn, modulated by autophagy. Inflammasome activation and autophagy also interact with cellular death pathways. Cellular death acts to limit the spread of intracellular pathogens by denying a protective niche to these pathogens, thereby inhibiting their replication and predisposing them for detection by the immune system. The aim of this study was to investigate the roles of ethanol and hemin in the modulation of innate immune cell functions, as well as the mechanisms underlying the reported protective effects of ethanol and hemin against chronic inflammatory diseases. Alcohol is the most commonly and widely used drug in the world. The consequences of alcohol consumption depend on both the pattern of consumption and the amounts consumed. Alcohol abuse predisposes to more frequent and severe infections, whereas the light to moderate consumption of alcoholic beverages has been associated with a reduced incidence of chronic inflammatory conditions, such as cardiovascular diseases and rheumatoid arthritis. These seemingly different responses may both derive from attenuated reactions of innate immunity. In the present thesis study, ethanol was shown to reduce the viability and proliferation of mast cells. This reduced viability resulted from the immunologically silent apoptotic death of mast cells. In macrophages, ethanol reduced the pyroptotic cell death induced by inflammasome activation and instead directed cell death toward apoptosis. Excessive inflammasome activation is a prominent feature of several chronic inflammatory diseases. The mechanisms that restrain inflammasome activation were studied in greater detail in cultured macrophages. Ethanol dose-dependently inhibited inflammasome activation and the secretion of IL-1β in human macrophages. It was further shown that the inhibitory effect of ethanol was mediated by a reduction in lysosomal disruption and the release of active cathepsin B, which thus contributed to diminished inflammasome assembly. The majority of mammalian cells are constantly renewed. Enormous numbers of senescent red blood cells are phagocytosed daily by macrophages. In certain pathologies, such as malarial infection, massive hemolysis occurs that exceeds the capacity of the scavenging and degradation systems of hemoglobin. As a consequence, free heme and hemin are released into the circulation. Free heme and hemin are cytotoxic and proinflammatory compounds. However, heme and hemin are also potent inducers of the heme oxygenase-1 (HO-1) enzyme, which possesses anti-inflammatory and cytoprotective effects. In the present thesis study, hemin and its synthetic derivative cobalt protoporphyrin (CoPP) blocked inflammasome activation and assembly. Decreased secretion of IL-1β was also observed in vivo in a nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat-containing family, pyrin domain-containing 3 (NLRP3)-dependent peritonitis model in mice. The inhibitory effects of hemin and CoPP were partially dependent on the induction of HO-1 transcription by NF-E2-related factor-2 (Nrf2) and the enzymatic activity of HO-1. The inhibitory effects of hemin and CoPP were mediated by increased degradation of inflammasome components, which was due to elevated autophagy. Overall, the results of this study demonstrate that ethanol and hemin markedly prevent inflammatory cellular responses in macrophages and mast cells. This inhibition may contribute to the cardioprotective effect of ethanol and the anti-inflammatory effects of hemin. An enhanced molecular understanding of the mechanisms by which ethanol and hemin inhibit inflammation may help reveal new therapeutic options in the treatment of chronic inflammatory diseases.Synnynnäinen immuunipuolustusjärjestelmä käynnistää immuunivasteen kohdatessaan infektion aiheuttajan tai kudosvaurion. Immuunipuolustusreaktion tarkoituksena on rajoittaa vahingollisten mikrobien tai vaurion leviäminen. Synnynnäisen immuunipuolustuksen solut kohtaavat ensimmäisinä tulehdusta aiheuttavat tekijät tai niiden aiheuttamat vaarasignaalit. Vaarasignaalit käynnistävät synnynnäisen immuunipuolustuksen soluissa nopean paikallisen immuunivasteen. Tulehdusreaktio on yleensä hyödyllinen elimistölle. Tavallisesti tulehdusreaktio sammuu, kun sen aiheuttaja on poistunut ja uhka on eliminoitu. Aina tulehdusreaktio ei kuitenkaan palvele tarkoitustaan ja nykyään tiedetään, että epätarkoituksenmukainen tulehdus on merkittävä tekijä monen kroonisen sairauden taudinkehityksessä. Patogeenien rakenneyksiköt, ns. toistokuviot ja vaarasignaalit aktivoivat synnynnäisen immuunipuolustuksen solujen hahmontunnistusreseptoreita. Synnynnäisen immuunipuolustuksen soluilla on useita erilaisia eri reseptoriperheisiin lukeutuvia hahmontunnistusreseptoreita, joiden yhteistyötä tarvitaan tehokkaan immuunipuolustusreaktion käynnistämiseen. NOD-kaltaiset reseptorit (NLR) ovat solunsisäisiä liukoisia hahmontunnistusreseptoreita, jotka tunnistavat suuren määrän erilaisia vaarasta ja patogeeneista varoittavia rakenteita. NLR:n aktivaatio laukaisee inflammasomeiksi kutsuttujen solunsisäisten proteiinikompleksien muodostumisen ja aktivaation. Inflammasomi-kompleksi toimii voimakkaiden tulehdusta aiheuttavien sytokiinien interleukiini (IL)-1β ja IL-18 erityksen pääasiallisena säätelijänä. Synnynnäistä immuunivastetta säätelevät useiden eri signaalinvälitysreittien väliset vuorovaikutukset. Inflammasomi-kompleksin aktivaatio vaatii useimmiten Toll-kaltaisten reseptorien ja NLR:n koordinoidun aktivaation, joka johtaa inflammasomi-kompleksin muodostumiseen ja aktivaatioon. Kompleksin aktivaatiota seuraavaa inflammasomi-välitteisten sytokiinien eritystä puolestaan säädellään autofagian aktivaation kautta. Inflammasomin ja autofagian aktivoituminen taas vaikuttaa solukuolemaa ohjaaviin signalointireitteihin. Solukuolema toimiikin yhtenä keinona rajoittaa solunsisäisten patogeenien leviämistä, sillä solukuolema poistaa solunsisäisen ympäristön, jossa nämä patogeenit voisivat lisääntyä suojassa immuunijärjestelmän solujen pinnalla sijaitsevilta ja/tai veren liukoisilta reseptoreilta. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli tutkia alkoholin ja hemiinin vaikutusta immuunipuolustuksen solujen toimintaan, sekä mekanismeja jotka välittävät alkoholin ja hemiinin immuunipuolustuksen reaktioita hiljentäviä vaikutuksia. Alkoholi on maailmanlaajuisesti yleisimmin käytetty päihde. Alkoholin käytön seuraukset riippuvat kulutuksen tavasta sekä kulutetuista määristä. Alkoholismi altistaa vakaville infektiosairauksille, kun taas alkoholin kohtuullinen käyttö on yhdistetty kroonisten tulehduksellisten sairauksien vähenemiseen, kuten pienentyneeseen riskiin sairastua sydän- ja verisuonisairauksiin sekä reumaan. Kumpikin edellä mainituista näennäisesti vastakkaisista seurauksista voi johtua heikentyneestä synnynnäisen immuunipuolustuksen vasteesta. Tässä tutkimuksessa alkoholin osoitettiin vähentävän syöttösolujen elinkelpoisuutta ja jakautumista. Vähentynyt elinkelpoisuus johtui syöttösolujen immunologisesti hiljaisesta apoptoottisesta solukuolemasta. Niin ikään alkoholi vähensi inflammasomin aktivaation laukaisemaa pyroptoottista solukuolemaa makrofageissa ja sen sijaan ohjasi makrofageja apoptoottiseen solukuolemaan. Inflammasomin liiallinen aktivaatio on yhdistetty useisiin kroonisiin tulehduksellisiin sairauksiin. Tässä tutkimuksessa inflammasomin aktivaatiota hillitseviä mekanismeja tutkittiin viljellyissä ihmisen makrofageissa. Tulosten perusteella voidaan todeta, että alkoholi hillitsee inflammasomin aktivaatiota ja IL-1β:n eritystä annosriippuvaisesti. Edelleen osoitettiin, että alkoholin inflammasomin aktivaatiota hillitsevä vaikutus johtui osittain vähentyneestä lysosomien vaurioitumisesta, joka taas vähensi katepsiini B:n vapautumista lysosomeista. Edellä mainitut tekijät vaikuttivat alkoholin inflammasomi-kompleksien muodostumista hillitsevään vaikutukseen. Makrofagit syövät päivittäin valtavia määriä vanhoja ja vaurioituneita punasoluja. Joissakin tautitiloissa, kuten malaria-infektion yhteydessä, punasolujen massiivinen hajoaminen ylittää elimistön hemoglobiinin sitomis- ja hajotusmekanismien kapasiteetin ja hemiä sekä hemiiniä vapautuu systeemiseen verenkiertoon. Hemoglobiiniin sitoutumaton vapaa hemi ja hemiini ovat soluille myrkyllisiä ja tulehdusta aiheuttavia molekyylejä. Toisaalta hemi ja hemiini ovat voimakkaita hemioksigenaasi-1 (HO-1) entsyymin indusoijia ja HO-1 entsyymillä puolestaan on soluja suojaavia ja tulehdusta hillitseviä vaikutuksia. Tässä osatutkimuksessa hemiinin ja sen synteettisen johdannaisen kobolttiprotoporfyriinin (CoPP) osoitettiin estävän inflammasomi-kompleksin muodostumista ja aktivaatiota. Niin ikään CoPP hillitsi IL-1β:n eritystä hiiren inflammasomi-välitteisessä vatsakalvontulehduksessa. Hemiinin ja CoPP:n inflammasomia hillitsevä vaikutus oli osittain riippuvainen transkriptiofaktori NF-E2-related factor-2:n välittämästä HO-1:n ilmentymisestä, sekä HO-1:n entsymaattisesta aktiivisuudesta. Signalointimekanismien tarkastelu osoitti hemiinin ja CoPP:n lisäävän autofagiaa, mikä johti inflammasomin komponenttien hajotukseen. Väitöskirjatutkimuksen tulosten perusteella voidaan todeta, että alkoholi ja hemiini hillitsevät voimakkaasti syöttösolujen ja makrofagien tulehdusvastetta. Tämä saattaa selittää alkoholin ja hemiinin todettuja tulehdusta hillitseviä vaikutuksia elimistössä. Alkoholin ja hemiinin tulehdusta estävien vaikutusten taustalla olevien molekulaaristen mekanismien parempi tuntemus saattaa tarjota uuden lähtökohdan tulehdusta hillitsevien hoitojen kehittämiselle kroonisiin tulehduksellisiin sairauksiin.
URI: URN:ISBN:978-951-51-1667-3
http://hdl.handle.net/10138/158022
Date: 2015-12-11
Subject: biotieteet, perinnöllisyystiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
preventi.pdf 6.332Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record