Epigenetic regulation of innate immune responses

Wir leben in einer Welt voller Viren, Bakterien und Parasiten. Ungefaehr 500 bis 1000 verschiedene Bakterien sind in unserem Verdauungstrakt oder auf unserer Haut angesiedelt. Viele dieser Mikroorganismen gehen eine Symb
Wir leben in einer Welt voller Viren, Bakterien und Parasiten. Ungefaehr 500 bis 1000 verschiedene Bakterien sind in unserem Verdauungstrakt oder auf unserer Haut angesiedelt. Viele dieser Mikroorganismen gehen eine Symbiose mit unserem Koerper ein. Sie tragen so bei zur Produktion von Vitaminen und anderen nuetzlichen Stoffwechselprodukten. Zusaetzlich zu diesen eher nutzbringenden Mikroorganismen, die unseren Organismus bereits von Geburt an besiedeln, sind wir zu jeder Zeit einer Vielzahl an krankheitserregenden Mikroorganismen ausgesetzt. Sie besitzen die Faehigkeit, in unseren Organismus einzudringen und uns zu schaden. Trotz des ueberwaeltigenden Aufkommens dieser Krankheitserreger in unserer Umwelt sind die meisten von uns durch unser Immunsystem vollstaendig vor Infektionen mit diesen Keimen geschuetzt. Zusaetzlich zu spezialisierten Zellen des Immunsystems – zum Beispiel Lymphocyten und Macrophagen – besitzt jede Zelle unseres Koerpers die Faehigkeit, auf Pathogene zu reagieren. Der Kontakt zwischen Epithelzellen der Lunge, des Vedauungstrakts oder der Haut mit diesen Eindringlingen fuehrt zur Produktion von biologisch aktiven Komponenten, die Krankheitserreger unschaedlich machen koennen. Solche zellulaeren Reaktionen gegenueber infektioesen Keimen muessen streng reguliert sein, da eine ungenuegende oder zu starke Immunantwort die Ursache fuer eine lebensbedrohliche Immunodefizienz oder Autoimmunitaet sein kann.
In meiner Doktorarbeit habe ich mich darauf fokussiert, die Mechanismen zu verstehen, die die Genexpression waehrend einer angeborenen Immunantwort auf bestimmte Krankheitserreger kontrollieren. Die Effizienz einer solchen Immunantwort haengt stark von der Geschwindigkeit und dem Umfang der Transkription von Genen ab, welche Proteine kodieren, die zur Abwehr von Pathogenen beitragen. Dabei haengen Staerke und Kinetik der Genexpression deutlich von der Zugaenglichkeit dieser Gene fuer Transkriptionsfaktoren ab, die waehrend der Immunantwort aktiviert werden. Um Gentranskription zu starten, muessen die Transkriptionsfaktoren Zugang zu den Promotoren erlangen, die inunstimulierten Zellen “geschlossen” sind, waehrend einer Infektion jedoch eine “offene” Konformation annehmen und somit fuer Transkriptionsfaktoren zugaenglich sind. Es ist wohl bekannt, dass die Zugaenglichkeit der Promotoren fuer Transkriptionsfaktoren durch Chromatin reguliert wird. Die Mechanismen, die fuer das “Oeffnen” oder “Schliessen” der Chromatinkonformation waehrend einer Infektion veantwortlich sind, sind jedoch bisher kaum verstanden. In meiner Arbeit befasse ich mich mit Mechanismen, die beschreiben, wie Chromatin die Expression von proinflammatorischen Zytokinen regulieren kann. Dabei ist es gelungen, den epigenetischen Mechanismus zu identifizieren, der zur Unterdrueckung der Transkription von Typ-I IFN Genen und einer Vielzahl von Interferon-stimulierten Genen in nicht-infizierten Zellen beitraegt. Die Histon-Methyltransferase G9a, die fuer die Platzierung der inhibitorischen Histonmodifizierung H3K9me2 in Euchromatin verantwortlich ist, spielt eine Schluesselrolle fuer die Regulation dieser Gene. Dieses Ergebnis deutet auf die Moeglichkeit hin, die Transkription von Typ-I IFN Genen durch den Einsatz von synthetischen Inhibitoren von G9a zu erhoehen und so gegen chronische Virusinfektionen wie Hepatitis C vorzugehen.
Zusaetzlich wurde der Einfluss von niedermolekularen pharmakologischen Inhibitoren untersucht, die die Chromatin-abhaengige Elongation der mRNA spezifischer pro-inflammatorischer Gene verhindern. Diese synthetischen Molekuele binden spezifisch an die Acetyl-Lysin-Bindetasche von wenigen verwandten Histon-Bindeproteienen und blockieren so deren Bindung an acetylierte Histone. Dies verhindert wiederum die Expression bestimmter proinflammatorischer Gene. Die Resultate dieser Arbeit praesentieren ein neues Konzept fuer die Regulierung der Expression pro-inflammatorischer Gene.
Zusammengefasst zeigen die Experimente meiner Arbeit, wie das Verstaendnis der Grundmechanismen zur Regulation der Genexpression durch Chromatin zu neuen therapeutischen Ansaetzen fuehren kann.
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We found that the HMTase G9a, that catalyzes H3K9me2 in euchromatin, plays a key modulatory role in type I IFN expression. This finding raises the possibility of targeted intervention with type I IFN expression by using 
We found that the HMTase G9a, that catalyzes H3K9me2 in euchromatin, plays a key modulatory role in type I IFN expression. This finding raises the possibility of targeted intervention with type I IFN expression by using small synthetic inhibitors of G9a. Given the overall minimal negative effect of G9a-deficiency on differentiated cells, the short-term suppression of G9a could be used to potentiate type I IFN expression during chronic viral diseases such as hepatitis C. Accordingly, pharmacological enhancement of methylation, for example by inhibition of the H3K9me2 specific demethylases, could be potentially used to attenuate type I IFN expression and help to control chronic inflammatory and autoimmune conditions. The mechanism responsible for canvassing the epigenetic profile of type I IFN expressing cells are not known. It is plausible, that similar to neurons, where G9a is targeted to specific loci with the help of noncoding RNAs, IFN expressing cells possess similar mechanisms to target H3K9me2 demethylating enzymes to type I IFN loci, thus keeping these loci accessible for IFN-inducing transcription factors. Identification of non-coding RNAs that may contribute to the establishment of the epigenetic state of IFN producing cells will provide a further opportunity for targeted manipulation of IFN expression.
In my thesis, I describe the collaborative experiments that show the ability of synthetic compounds that interfere with the histone readers to suppress inflammation. Our results present a novel concept for the regulation of inflammatory gene expression. The diversity of histone readers and the combinatorial nature of regulation of gene transcription may provide an opportunity for highly selective interference with disease associated transcriptional programs by interfering with specific readers. In the future we plan to address the therapeutic potential of BET antagonists in autoimmune and chronic inflammatory conditions.In summary, the experiments described in my thesis provide an example of how the understanding of the basic mechanisms of chromatin control of gene expression can facilitate novel therapeutic approaches that target chromatin.
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Metadaten
Author:Uwe Schaefer
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-276578
Referee:Voker Müller, Alexander Tarakhovsky
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/11/23
Year of first Publication:2011
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2011/08/15
Release Date:2012/11/23
Pagenumber:XV, 125
Note:
Diese Dissertation steht außerhalb der Universitätsbibliothek leider (aus urheberrechtlichen Gründen) nicht im Volltext zur Verfügung, die CD-ROM kann (auch über Fernleihe) bei der UB Frankfurt am Main ausgeliehen werden.
HeBIS PPN:313970254
Institutes:Biowissenschaften
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Universitätspublikationen
Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität; nur lokal zugänglich)
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$Rev: 11761 $