Signaling pathways and transcriptional regulation of antioxidant genes Peroxiredoxin I and heme oxygenase 1 gene activation in RAW264.7 monocytes

Abstract

Mononuclear phagocytes (monocytes, macrophages) play a pivotal role for theregulation of inflammation. An uncontrolled immunological response of activatedmononuclear cells may cause irreversible tissue damage and chronic inflammatorydisorders. Therefore, antioxidant and anti-inflammatory mechanisms of mononuclearcells are essential for the resolution of inflammation and restoration of immunehomeostasis. Up-regulation of peroxiredoxin I (Prx I) and heme oxygenase-1 (HO-1)has been shown to have potent antioxidant and immunomodulatory properties. This thesis integrates three original articles that demonstrate the signalingpathways involved in the regulation of the antioxidant genes Prx I and HO-1 by theprototypical monocyte activators phorbol myristate acetate (PMA) andlipopolysaccharide (LPS), in monocytic cells. Prx I gene expression was up-regulated by PMA and was inhibited bysimultaneous treatment with LPS in RAW264.7 monocytic cells. The repressive effectof LPS on Prx I gene activation by PMA was mediated via a newly identified kappaB siteof the Prx I gene promoter. A "non-classical" kappaB pathway, that includesphosphorylation of the NF-kappaB subunit p65 at serine 276 and a non-receptor tyrosinekinase Bruton s tyrosine kinase, was involved in the regulation of LPS-dependentinhibition of Prx I gene activation by PMA (Paper I). HO-1 gene expression was transcriptionally induced by PMA with a regulatorypattern different from that by LPS in RAW264.7 monocytic cells. PMA-dependentHO-1 gene activation was mediated via a newly defined kappaB element of the rat HO-1promoter that serves as a nuclear target of p65. An IkappaB kinase-2-independent atypicalNF-kappaB pathway, which was mediated via activation of p38 MAPK and CK2, wasinvolved in HO-1 gene regulation by PMA (Paper II). An unexpected up-regulation of HO-1 gene expression was observed bypharmacological inhibition of p38 in monocytes and by genetic deficiency of p38alpha inmouse embryonic fibroblasts (MEFs). The inhibitory effect of p38 on HO-1 geneexpression was mediated via a stress response element (StRE) of the mouse HO-1gene promoter that is a nuclear target of the transcription factor NF-E2-relatedfactor 2 (Nrf2). Activation of the ERK pathway and generation of reactive oxygenspecies (ROS) were involved in HO-1 gene activation by p38 inhibition (paper III). Taken together, the thesis demonstrates the complex regulatory pathways thatcontrol the induction of Prx I and HO-1 gene expression in activated monocytic cells.Thus, further studies on the regulation of these two genes may help to develop noveltherapeutic strategies for the treatment of inflammatory diseases. Mononukleäre Phagozyten (Monozyten, Makrophagen) spielen eine bedeutendeRolle bei der Regulation von Entzündungsreaktionen. Eine unkontrollierteImmunantwort von aktivierten mononukleären Zellen kann irreversibleGewebeschäden und chronische Entzündungen hervorrufen. Antioxidative und antiinflammatorischeMechanismen von mononukleären Zellen spielen daher einewesentliche Rolle bei der Rückbildung von Entzündungsreaktionen und dieWiederherstellung des immunologischen Gleichgewichtes. Es ist bekannt, dass dieHeraufregulation von Peroxiredoxin (Prx) I und Häm Oxygenase (HO)-1 starkantoxidativ und immunmodulatorisch wirkt. Die vorliegende Arbeit fasst den Inhalt von drei Originalpublikationenzusammen, die Signalwege beschreiben, die an der Regulation der antioxidativwirksamen Gene HO-1 und Prx I durch die prototypischen MonozytenaktivatorenPhorbol-Myrisat Acetat (PMA) und Lipopolysaccharid (LPS) beteiligt sind. Die Prx I Genexpression wurde durch PMA heraufreguliert und wurde durch diegleichzeitige Behandlung mit LPS in RAW264.7 Monozyten gehemmt. Derhemmende Effekt von LPS auf die PMA-abhängige Prx I Genaktivierung wurde überein neu identifiziertes kappaB Element im Prx I Genpromotor vermittelt. Ein nichtklassischerNF-kappaB Weg, der über Phosphorylierung der NF-kappaB Untereinheit p65 amSerinrest 276 und die Rezeptor-unabhängige Tyrosinkinase Bruton s Tyrosinkinase,vermittelt wurde, war für die LPS-abhängige Hemmung der Prx I Induktion durchPMA verantwortlich (Arbeit I). Die HO-1 wurde in RAW264.7 Monozyten transkriptional durch PMA mit einemGenexpressionsmuster induziert, das sich von dem durch LPS hervorgerufenenExpressionsmuster unterschied. Die PMA-abhängige HO-1 Induktion wurde durchein neu identifiziertes kappaB Element des Ratten HO-1 Genpromotors vermittelt, das alsnukleäres Ziel für p65 diente. Ein IkappaB Kinase 2-unabhängiger atypischer NF-kappaBWeg, der über die Aktivierung von p38 MAPK und CK2 vermittelt wurde, war andieser HO-1 Regulation durch PMA beteiligt (Arbeit II). Eine unerwartete Heraufregulation der HO-1 Genexpression konnte durchpharmakologische Hemmung von p38 in Monozyten und bei genetischer Defizienzvon p38alpha in embryonalen Fibroblasten der Maus (MEFs) beobachtet werden. Derhemmende Effekt von p38 auf die HO-1 Genexpression wurde über ein StressabhängigesElement (StRE) innerhalb des Maus HO-1 Promotors vermittelt, das alsnukleäres Ziel für den Transkriptionsfaktor NF E2-related factor 2 (Nrf2) diente. DieAktivierung des ERK Signalweges und die Entstehung von reaktivenSauerstoffspezies (ROS) spielten dabei eine regulatorische Rolle (Arbeit III). Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit die komplexen regulatorischenSignalwege, die die Induktion der Prx I und HO-1 Genexpression in Monozytenvermitteln. Ein besseres Verständnis der Regulation dieser beiden Gene könnte bei der Entwicklung neuer therapeutischer Strategien zur Behandlung entzündlicherKrankheiten helfen.