Peroxisomal functions in the lung and their role in the pathogenesis of lung diseases

Abstract

The well-studied pulmonary cell types of the lung are club cells, AECII, fibroblasts, and alveolar macrophages. Therefore, in this study, peroxisomal functions were mainly investigated in these cell types, and their possible functional roles in chronic lung diseases were summarized.The morphological and functional postnatal differentiation of club cells in the mouse postnatal developmental stages (newborn, P15, and adult lung) by quantitative stereological analyses showed that 64% of the volume of bronchiolar epithelial cells from adult mice of C57BL/6J strain lining the distal airways were club cells (Karnati et al., 2016a). Furthermore, morphometric analysis demonstrated a significant increase in the number of club cells and volume of secretory granules within 15 days after birth, suggesting that the club cell is not a matured, rather fully differentiated cell, at birth, and maturation occurs postnatally (Karnati et al., 2016a). This investigation suggests that mice are excellent animal models to study the factors controlling club cell differentiation and the role of peroxisomes in the pathogenesis of pulmonary diseases (Karnati et al., 2016a).The distribution and enzymatic composition of peroxisomal proteins in epithelial cells of the distinct lung developmental stages suggested that peroxisomal antioxidative enzymes might protect the pulmonary epithelium since higher abundance of peroxisomal proteins was detected in bronchiolar (ciliated cells, club cells), alveolar (AECII), and macrophages of the lung (Karnati and Baumgart-Vogt., 2008, 2009). Since peroxisomes harbor several antioxidative enzymes, therefore SOD2 was also considered to be a peroxisomal protein in addition to mitochondria (Singh et al., 1999). However, we showed that SOD2 was never present in peroxisomes and SOD2 is a pure mitochondrial protein (Karnati et al., 2013).Indeed, club and AECII cells are very difficult to maintain in primary culture. Therefore, C22-club and T7-AECII cell cultures were established and we characterized the peroxisomal compartment and its associated metabolic signaling pathways therein (Karnati et al., 2016b). Peroxisomes in club cells and AECII play an important role in the regulation of ROS levels and nuclear receptors, suggesting that the C22- and T7-cell lines of the immortomouse lung are useful models to study the regulation and metabolic function of the peroxisomal compartment and its alterations by paracrine factors in club cells and AECII (Karnati et al., 2016b).IPF is a chronic, devastating disease, and its pathogenic mechanisms remain incompletely understood. By using human IPF and control fibroblast cultures as well as the bleomycininduced mouse lung fibrosis model, we showed that the peroxisomal compartment is severely affected and compromised in IPF, mediated by TGFbeta1 and AP1 signaling and the action of pro-inflammatory cytokines (TNFalpha and IL-6) (Oruqaj et al., 2015). Further, treatment of fibroblasts with ciprofibrate or WY14643, PPAR-alpha activators, induced peroxisome proliferation and reduced the TGFbeta-induced myofibroblast differentiation in IPF (Oruqaj et al., 2015). Furthermore, new experimental strategies were discussed to the role of PPARgamma ligands as novel therapeutic agents for the treatment of fibrotic lung diseases (Boateng et al., 2016).We identified a new role of PPAR-independent signaling on peroxisomes in regulating the macrophage inflammatory response activated by the TLR-4 ligand LPS (Vijayan et al., 2017). 4-PBA, a PPAR-independent peroxisome proliferator, induced peroxisome proliferation in murine alveolar macrophages and suppressed pro-inflammatory cytokine release after stimulation by LPS, suggesting that peroxisomes in alveolar macrophages play an important role in the inhibition of LPS-induced pro-inflammatory response. Therefore, 4-PBA-mediated peroxisome proliferation might be a beneficial therapeutic intervention in chronic inflammatory disorders (Vijayan et al., 2017). In summary, this habilitation thesis suggests an important role of peroxisomes 1) in the differentiation process of the lung (Karnati and Baumgart-Vogt., 2009), (2) in the protective role against high oxygen concentration and oxidative stress by metabolizing ROS, and (3) in the pulmonary lipid metabolism with induction of the peroxisomal beta-oxidation of eicosanoids and thus inhibition of the inflammatory cascade (Vijayan et al., 2017). Finally, the modulation of the peroxisome compartment might be a good future treatment option for patients with IPF or chronic inflammatory diseases. Die am besten untersuchten Zelltypen der Lunge sind Klubzellen, Pneumozyten Typ II, Fibroblasten und Alveolarmakrophagen. Daher untersuchte die vorliegende Studie hauptsächlich peroxisomale Funktionen in diesen Zelltypen und fasste ihre möglichen funktionellen Rollen bei chronischen Lungenerkrankungen zusammen. Die morphologische und funktionelle postnatale Differenzierung von Klubzellen in den postnatalen Entwicklungsstadien der Maus (Neugeborene, P15 und adulte Lunge) mittels quantitativer stereologischer Analyse ergab, dass 64% des Volumens der bronchiolären Epithelzellen, die die distalen Atemwege auskleideten, Klubzellen waren (Karnati et al., 2016a). Darüber hinaus zeigte die morphometrische Analyse innerhalb von 15 Tagen nach der Geburt einen signifikanten Anstieg der Anzahl der Zellen und des Volumens der sekretorischen Granula, was darauf hinweist, dass die Zellen bei der Geburt bereits ausdifferenziert sind und dass deren weitere Ausreifung jedoch postnatal stattfindet (Karnati et al., 2016a). Das Mausmodell erwies sich als hervorragend geeignet, um verschiedene Faktoren zu untersuchen, die die Differenzierung von Klubzellen und die Rolle von Peroxisomen bei der Pathogenese von verschiedenen Lungenerkrankungen betreffen (Karnati et al., 2016a).Die Verteilung und enzymatische Zusammensetzung von peroxisomalen Proteinen in den Epithelzellen der verschiedenen Lungenentwicklungsstadien legt nahe, dass peroxisomale antioxidative Enzyme des Lungenepithels sowohl in Bronchiolarzellen (Zilien tragende Zellen, Klubzellen), Pneumozyten Typ II (AECII) und Makrophagen der Lunge vorkommen (Karnati und Baumgart-Vogt., 2008, 2009). Da Peroxisomen mehrere antioxidative Enzyme enthalten, wurde traditionell SOD2 neben dem typischen Vorkommen in Mitochondrien (Singh et al., 2002) auch als peroxisomales Protein postuliert. Wir haben jedoch gezeigt, dass SOD2 niemals in Peroxisomen vorhanden ist und somit ein reines mitochondriales Protein ist (Karnati et al., 2013). Allerdings sind Klub- und Pneumozyten Typ II in der Primärkultur sehr schwierig dauerhaft zu kultivieren. Daher wurden C22-Klub und T7-AECII-Zellkulturen etabliert und nachfolgend das peroxisomale Kompartiment und seine assoziierten metabolischen Signalwege charakterisiert (Karnati et al., 2016b). Peroxisomen in Klub- und Pneumozyten Typ II-Zellen spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung von ROS-Spiegeln und nukleären Rezeptoren der PPAR-Familie, was nahe legt, dass die C22- und T7-Zelllinien der Immortomouse-Lunge nützliche Modelle sind, um Regulation und metabolische Funktion des peroxisomalen Kompartiments und seine Veränderungen durch parakrine Faktoren in Klubzellen und Pneumozyten Typ II zu untersuchen (Karnati et al., 2016b).Die idiopathische pulmonale Fibrose (IPF) ist eine chronische, stark destruierende Lungenerkrankung. Dennoch sind die pathogenen Mechanismen weitgehend unverstanden. Unter Verwendung von menschlichen IPF- und Kontroll-Fibroblastenkulturen sowie dem Bleomycin-induzierten Maus-Lungenfibrose-Modell zeigten wir, dass das peroxisomale Kompartiment bei IPF stark beeinflusst und beeinträchtigt ist. Dies wird im Wesentlichen durch TGFbeta1- und AP1-Signalwege und nachfolgende proinflammatorische Zytokinkaskaden (TNFalpha; IL-6) vermittelt (Oruqaj et al., 2015). Weiterhin induzierte die Behandlung von Fibroblasten mit Ciprofibrat oder WY14643 die Peroxisomenproliferation und reduzierte die TGFbeta-induzierte Myofibroblasten-Differenzierung in IPF (Oruqaj et al., 2015). Darüber hinaus wurden neue experimentelle Strategien zur Rolle von PPARgamma-Liganden als innovative Therapeutika zur Behandlung von fibrotischen Lungenerkrankungen evaluiert (Boateng et al., 2016).Weiterhin identifizierten wir eine neue Rolle der PPAR-unabhängigen Signaltransduktion auf Peroxisomen bei der Regulierung der Entzündungsreaktion in Makrophagen-, die durch den TLR-4-Liganden LPS aktiviert wird (Vijayan et al., 2017). 4-PBA, ein PPAR-unabhängiger Peroxisomproliferator, induzierte die Peroxisomenproliferation in murinen Alveolarmakrophagen und unterdrückte die proinflammatorische Zytokinfreisetzung nach Stimulation durch LPS, was darauf hindeutet, dass Peroxisomen in alveolären Makrophagen eine wichtige Rolle bei der Hemmung der LPS-induzierten proinflammatorischen Antwort spielen. Die 4-PBA-vermittelte Peroxisomenproliferation könnte eine sinnvolle therapeutische Intervention bei chronisch entzündlichen Lungenerkrankungen sein (Vijayan et al., 2017), Zusammenfassend legt diese Habilitationsschrift eine wichtige Rolle von Peroxisomen 1) im Differenzierungsprozess der Lunge (Karnati und Baumgart-Vogt, 2009), (2) in der protektiven Rolle gegenüber oxidativem Stress durch Metabolisierung reaktiver radikaler Sauerstoffspezies, und (3) im pulmonalen Lipidstoffwechsel mit Induktion der peroxisomalen beta-Oxidation von Eicosanoiden und somit Inhibition der Inflammationskaskade (Vijayan et al., 2017), dar. Schließlich ergibt sich durch die Modulierung des Peroxisomenkompartiments eine vielversprechende zukünftige Behandlungsoption für Patienten mit IPF oder chronisch entzündlichen Erkrankungen.