Impact of the Transcription Factor Hoxa9 on Toll-Like Receptor-Mediated Innate Immune Responses and Development of Dendritic Cells and Macrophages
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From the Institut for Immunology Center for Infection, Inflammation, and Immunity Executive Director: Prof. Dr. Stefan Bauer of the Faculty of Medicine of the Philipps-Universität Marburg Impact of the Transcription Factor HoxA9 on Toll-like Receptor-Mediated Innate Immune Responses and Development of Dendritic Cells and Macrophages Inaugural-Dissertation For the Degree Doctor of Medicine Submitted to the Faculty of Medicine of the Philipps-Universität Marburg by Tobias Mischa Bleyl from Erlabrunn Marburg, 2018 Aus dem Institut für Immunologie Zentrum für Infektion, Entzündung und Immunität Geschäftsführender Direktor: Prof. Dr. Stefan Bauer des Fachbereichs Medizin der Philipps-Universität Marburg Einfluss des Transkriptionsfaktors HoxA9 auf Toll-like Rezeptor-vermittelte Reaktionen des angeborenen Immunsystems und die Entwicklung von dendritischen Zellen und Makrophagen Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Humanmedizin dem Fachbereich Medizin der Philipps-Universität Marburg vorgelegt von Tobias Mischa Bleyl aus Erlabrunn Marburg, 2018 Angenommen vom Fachbereich Medizin der Philipps-Universität Marburg am: 10.07.2018 Gedruckt mit Genehmigung des Fachbereichs Dekan: Prof. Dr. Helmut Schäfer Referent: Prof. Dr. Stefan Bauer 1. Korreferentin: Prof. Dr. Adriana del Rey Dedicated to my beloved parents Karla & Fritz Bleyl and my wonderful wife Jessica Bleyl ABSTRACT Purpose of this work: Toll-like receptors (TLRs) are sensors of the innate immune system that perceive evolutionary conserved microbial structures and act as first line defense mechanisms against bacteria, viruses, fungi, and parasites. As a subset of the TLR family, intracellular TLRs reside in endosomal compartments to encounter their ligands comprising different types of nucleic acids. Important members are TLR3, 7, 8, and 9 recognizing double-stranded RNA (dsRNA), single-stranded RNA (ssRNA), again ssRNA, and unmethylated CpG-motif containing DNA, respectively. Innate immune cells including dendritic cells (DCs) and macrophages (MΦs) show different expression profiles and varying functions of intracellular TLRs. In mice, conventional dendritic cells (cDCs) and MΦs express TLR3, 7, and 9, which predominantly induce secretion of proinflammatory cytokines such as IL-6 after activation, whereas type I interferons (IFNs) are only upregulated upon ligation of TLR3 in these cell types. A rare subset of DCs referred to as plasmacytoid dendritic cells (pDCs) uniquely possesses the ability to massively induce Interferon-α and -β (IFN-α/-β; type I IFNs) upon stimulation of TLR7 and 9. Furthermore, murine pDCs have been shown to sense DNA via TLR9 in a CpG- motif independent way. However, the molecular mechanisms of cell type-dependent functional variations of intracellular TLRs are not fully understood and mostly remain elusive. Besides involvement in embryonic tissue patterning, the homeodomain- containing transcription factor HoxA9 is known to play essential roles in normal and malignant hematopoietic processes such as maintaining the stem cell status, leukemogenesis, and the generation of B cell progenitors. The latter circumstance has been partly linked to transcriptional regulation of the cytokine receptor fms-like tyrosine kinase 3 (Flt3) in hematopoietic progenitors. However, Flt3 and its ligand Flt3L are also crucial signals for the development and homeostasis of DCs. Moreover, prominent mRNA expression levels of hoxa9 upon stimulation of TLR9 in murine pDCs (unpublished data) suggest participation of this transcription factor in TLR9 biology particularly in pDCs. The impact of HoxA9 on the function of intracellular TLRs as well as development of DCs and MΦs was therefore investigated in this study using HoxA9 knockout (KO) mice. Hypothesis: Upregulation of HoxA9 upon activation of TLR9 in pDCs and involvement in B cell differentiation via Flt3 suggests a prominent role of this gene in TLR-mediated i immune responses as well as development of DCs and MΦs. Results: HoxA9-/- mice displayed an insignificant hypocellularity of total nucleated bone marrow (BM) cells, which was reported before by several other groups. FACS analyses of total BM cells ex vivo revealed significantly reduced B cell counts but normal quantities of mature DC subsets in HoxA9-deficient mice, again confirming previous studies. TLR stimulation experiments of HoxA9-/- total BM cells as well as FACS-sorted pDC fractions ex vivo exhibited statistically significant impaired IFN-α responses upon TLR7 and 9 activation, whereas FACS-sorted cDCs did not show significant alterations in TLR function. Moreover, in vitro generated HoxA9-deficient Flt3L-induced DC cultures, which contain pDCs and cDCs, displayed almost completely abolished IFN-α levels and clearly reduced IL-6 levels upon TLR7/9 stimulation compared to wild type (WT). Importantly, Flt3L-induced DC cultures generated from BM cells of HoxA9- deficient animals presented notably reduced amounts of differentiated cells after the maturation period, a higher rate of dead cells, and a shifted pDC/cDC ratio in comparison to WT littermates. Conversely, in vitro generated GM-CSF-induced cDCs and M-CSF- induced MΦs demonstrated no significant differences in surface marker expression and TLR-mediated cytokine responses in the KO cultures. Primary splenocytes of HoxA9- deficient and WT animals showed equal quantities of both DC subsets regarding surface markers measured by FACS. Nonetheless, TLR7/9-mediated IFN-α levels of HoxA9-/- splenic pDCs displayed reductions similarly to those found in the BM. Finally, genome- wide microarray expression profiling of FACS-sorted BM-derived pDCs revealed differential expression of several genes between KO and WT including the HoxA9 co- factor Meis1. Conclusions: Collectively, these results implicate a pivotal role for HoxA9 in TLR7/9- mediated pDC-specific immunity especially impacting on IFN-α responses. TLR biology of cDCs and MΦs is apparently not affected by the HoxA9 knockout. DC development among HoxA9-/- BM cells is partly impaired in vitro. However, this effect is compensated in vivo. The emerging evidence that pDCs play central roles in the pathogenesis of numerous human disorders such as viral infections, autoimmune diseases, and the tumorigenesis of various types of cancer underlines the importance of these cells and emphasizes the fact that HoxA9 could serve as a potential therapeutic target. ii ZUSAMMENFASSUNG Ziel dieser Arbeit: Toll-like Rezeptoren (TLRs) sind Sensoren des angeborenen Immunsystems, welche durch die Evolution konservierte mikrobielle Strukturen erkennen und als Mechanismen der ersten Verteidigungslinie gegen Bakterien, Viren, Pilze und Parasiten zu betrachten sind. Eine Subfamilie stellen die intrazellulären TLRs dar, welche sich in unterschiedlichen endosomalen Kompartimenten befinden, um dort ihre Liganden, bestehend aus verschiedenen Typen von Nukleinsäuren, zu erkennen. Zu den intrazellulären TLRs gehören TLR3, 7, 8 und 9. TLR3 erkennt doppelsträngige RNA (dsRNA), TLR7 und 8 erkennen einzelsträngige RNA (ssRNA) und TLR9 wird durch DNA aktiviert, welche unmethylierte CpG-Sequenzen enthält. Zellen des angeborenen Immunsystems, wie dendritische Zellen (DCs) und Makrophagen, zeigen unterschiedliche Expressionsprofile intrazellulärer TLRs. Zudem kann die Funktion der einzelnen TLRs je nach Zelltyp variieren. Konventionelle dendritische Zellen (cDCs) und Makrophagen in Mäusen exprimieren TLR3, 7 und 9. Nach Aktivierung der TLRs mit dem jeweiligen Ligand kommt es zur Bildung und Sekretion von proinflammatorischen Zytokinen wie IL-6. Zusätzlich wird bei der Aktivierung von TLR3 die Freisetzung von Typ I Interferonen, wie Interferon-α und -β (IFN-α/-β), induziert. Eine selten vorkommende Subpopulation von dendritischen Zellen, genannt plasmazytoide dendritische Zellen (pDCs), hat die außergewöhnliche Fähigkeit, eine enorme Menge an IFN-α und -β nach Aktivierung von TLR7 und 9 freizusetzen. Zudem konnte an murinen pDCs gezeigt werden, dass TLR9 in diesem Zelltyp auch DNA ohne unmethylierte CpG- Sequenzen erkennen kann. Die molekularen Mechanismen zelltypabhängiger funktioneller Unterschiede von intrazellulären TLRs werden bisher noch nicht gut verstanden. Der Transkriptionsfaktor HoxA9, welcher eine Homöodomäne besitzt, spielt verschiedene wichtige Rollen in der Embryogenese und bei diversen Prozessen im Rahmen der Hämatopoese, wie beispielsweise die Erhaltung des Stammzellenstatus, Bildung von Progenitor-Zellen der B-Zell Reihe und bei der Entstehung von Leukämien. Der Einfluss auf die Entwicklung von B-Zellen wurde teilweise auf die transkriptionelle Regulierung des Zytokinrezeptors fms-like tyrosinkinase 3 (Flt3) in hämatopoetischen Progenitor-Zellen zurückgeführt. Flt3 und der passende Ligand Flt3L spielen jedoch auch eine entscheidende Rolle im Rahmen der Entwicklung und Homöostase von DCs. Unveröffentlichte Daten zeigten eine deutliche Überexpression der hoxa9 mRNA in murinen pDCs nach Aktivierung von TLR9. Basierend auf diesen Daten wird in dieser iii Studie der Einfluss des Transkriptionsfaktors HoxA9 auf die Funktion intrazellulärer TLRs sowie die Entwicklung von DCs und Makrophagen untersucht. Hierfür wurden HoxA9 Knockout (KO) Mäuse verwendet. Hypothese: Die Hochregulierung von HoxA9 in pDCs unter Aktivierung von TLR9 lässt einen Einfluss dieses Gens auf die TLR-vermittelte Funktion von DCs und Makrophagen vermuten. Die bekannte transkriptionelle Regulierung des Zytokinrezeptors Flt3 in Progenitor-Zellen der B-Zell Reihe durch HoxA9 könnte ebenfalls im Rahmen