Auswirkung von Hypoxie und Einfluss des Hypoxie-induzierbaren Transkriptionsfaktors HIF-1alpha auf die antibakterielle Kapazität von dendritischen Zellen und Makrophagen

Impact of hypoxia and the influence of the hypoxia-inducible factor HIF-1alpha on the antibacterial capacity of dendritic cells and macrophages

  • Eine Infektion führt in dem betroffenen Gewebe zu einer Verminderung der Sauerstoffspannung. Dies könnte Auswirkungen auf den Verlauf von Infektionskrankheiten haben, da dieser Arbeit vorangegangene Studien zeigten, dass die Funktionen einer Reihe von Immunzellen durch eine verminderte Sauerstoffspannung moduliert werden. Dabei erwiesen sich einige der untersuchten Prozesse als von dem Hypoxie-induzierbaren Transkriptionsfaktor 1alpha (HIF-1alpha) abhängig (Nizet et al., 2009). Darüber hinaus stabilisierten inflammatorische Stimuli und Toll-ähnliche Rezeptor (TLR)-Liganden HIF-1alpha sogar in Anwesenheit von Sauerstoff. Dies verdeutlicht das enge wechselseitige Zusammenspiel von inflammatoriEine Infektion führt in dem betroffenen Gewebe zu einer Verminderung der Sauerstoffspannung. Dies könnte Auswirkungen auf den Verlauf von Infektionskrankheiten haben, da dieser Arbeit vorangegangene Studien zeigten, dass die Funktionen einer Reihe von Immunzellen durch eine verminderte Sauerstoffspannung moduliert werden. Dabei erwiesen sich einige der untersuchten Prozesse als von dem Hypoxie-induzierbaren Transkriptionsfaktor 1alpha (HIF-1alpha) abhängig (Nizet et al., 2009). Darüber hinaus stabilisierten inflammatorische Stimuli und Toll-ähnliche Rezeptor (TLR)-Liganden HIF-1alpha sogar in Anwesenheit von Sauerstoff. Dies verdeutlicht das enge wechselseitige Zusammenspiel von inflammatorischen und hypoxischen Regulationskaskaden (Jantsch et al., 2008a; Peyssonnaux et al., 2007; Frede et al., 2006). Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Auswirkung von Hypoxie und den Einfluss von HIF-1alpha auf die Eliminierung von Bakterien in myeloischen mononukleären Zellen aufzuklären. Nach Infektion von murinen dendritischen Zellen und Makrophagen mit E.coli und S.aureus war eine Erhöhung des HIF-1alpha Proteingehaltes bzw. eine verstärkte HIF-1alpha-Aktivität unter normoxischen (und hypoxischen) Bedingungen zu beobachten. Jedoch führte eine siRNA-vermittelte Reduktion der Hif-1alpha-Genexpression zu keiner Änderung der antibakteriellen Aktivität gegenüber E.coli und S.aureus. Deshalb scheint HIF-1alpha nicht bei der Eliminierung dieser Bakterien involviert zu sein. Im Gegensatz dazu führte die Exposition der Zellen unter hypoxischen Bedingungen zu einer signifikanten Einschränkung der antibakteriellen Kapazität myeloischer mononukleärer Zellen. Dies korrelierte mit einer Beeinträchtigung der NOS2 (induzierbare NO-Synthase)-vermittelten Produktion reaktiver Stickstoffspezies und mit einer verminderten Freisetzung reaktiver Sauerstoffspezies, die teilweise auf der Aktivität der PHOX (phagozytäre NAD(P)H-Oxidase) beruht. Untersuchungen der antibakteriellen Kapazität von Zellen aus Nos2-/- bzw. Cybb-/-/Nos2-/- Mäusen, die nicht NOS2 bzw. PHOX und NOS2 bilden können, zeigten, dass die sauerstoffabhängige Beseitigung von E.coli und S.aureus nicht vollständig PHOX- und NOS2-abhängig ist. In E.coli-infizierten dendritischen Zellen und Makrophagen konnte die Inhibition des Komplex I der mitochondrialen Atmungskette unter normoxischen Bedingungen die Situation eines Sauerstoffentzuges vollständig nachahmen. Die sauerstoffabhängige antibakterielle Kapazität gegenüber S.aureus konnte ebenfalls größtenteils auf die mitochondriale Aktivität und lediglich zu einem geringeren Teil auf die antimikrobielle Wirkung der PHOX zurückgeführt werden. Zusammenfassend zeigen diese Daten, dass Hypoxie nicht nur die Enzymaktivität der PHOX und NOS2 unterdrückt, sondern dass Sauerstoffmangel ebenso die antibakterielle Effektorfunktion der Mitochondrien beeinträchtigt. Diese Befunde weisen den Mitochondrien innerhalb von myeloischen mononukleären Zellen eine neue Funktion zu und lassen den Schluss zu, dass diese Zellen Mitochondrien zur antimikrobiellen Abwehr nutzen.show moreshow less
  • In infected tissues oxygen tensions are low. This may have an important impact on the outcome of infections, because previous studies showed that different functions of immune cells are modulated by hypoxia. Some of those processes turned out to be dependent on the activity of the hypoxia-inducible factor 1alpha (HIF-1alpha) (Nizet et al., 2009). Moreover, inflammatory stimuli and Toll-like-receptor(TLR)-ligands were able to stabilize HIF-1alpha even in the presence of ample oxgen, indicating that hypoxic and inflammatory responses are intimately coregulated (Jantsch et al., 2008a; Peyssonnaux et al., 2007; Frede et al., 2007). The aim of the present study was to investigate the impact of hyIn infected tissues oxygen tensions are low. This may have an important impact on the outcome of infections, because previous studies showed that different functions of immune cells are modulated by hypoxia. Some of those processes turned out to be dependent on the activity of the hypoxia-inducible factor 1alpha (HIF-1alpha) (Nizet et al., 2009). Moreover, inflammatory stimuli and Toll-like-receptor(TLR)-ligands were able to stabilize HIF-1alpha even in the presence of ample oxgen, indicating that hypoxic and inflammatory responses are intimately coregulated (Jantsch et al., 2008a; Peyssonnaux et al., 2007; Frede et al., 2007). The aim of the present study was to investigate the impact of hypoxia and the influence of HIF-1alpha on the elimination of bacteria in myeloid mononuclear cells. Infection of murine dendritic cells und macrophages with E.coli and S.aureus increased HIF-1alpha-protein level and augmented HIF-1alpha-activity under normoxic conditions. However, siRNA-mediated silencing of Hif-1alpha gene expression did not alter the bactericidal activity directed against E.coli and S.aureus. Therefore HIF-1alpha does not seem to be involved in the killing of those bacteria. Hypoxia itself significantly impaired the antibacterial capacity of myeloid mononuclear cells. This correlated with a decreased NOS2 (inducible NO-synthase)-mediated production of reactive nitrogen species and a reduced release of reactive oxygen intermediates, which is partially based on the activity of the PHOX (phagocyte oxidase). The analysis of the antibacterial capacity of Nos2-/- and Cybb-/-/Nos2-/- cells, which do not express NOS2 or PHOX and NOS2, respectively, revealed that the oxygen-dependent elimination of E.coli and S.aureus could not be fully explained by PHOX- or NOS2-activity. In contrast to this, the inhibition of the complex I of the mitochondrial respiratory chain under normoxic conditions completely mimicked the effect of hypoxia on the killing of E.coli. The oxygen-dependent elimination of S.aureus was mainly due to the activity of the mitochondrial respiratory chain and to a smaller extent to the activity of the PHOX. In summary, hypoxia shuts down not only the enzyme activity of PHOX and NOS2 but also the antibacterial effector function of mitochondria. These findings shed new light on the function of mitochondria in myeloid cells. These data strongly suggest that myeloid cells use mitochondria for antimicrobial defense.show moreshow less

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Metadaten
Author:Melanie Wiese
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-35202
Advisor:Michael Hensel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/10/02
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2012/09/03
Release Date:2012/10/02
Tag:HIF-1alpha; NOS2; PHOX; antibakterielle Kapazität
HIF-1alpha; NOS2; PHOX; antibacterial capacity
SWD-Keyword:Dendritische Zelle; Hypoxie; Makrophage; Mitochondrium
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie

$Rev: 13581 $