Anti-inflammatory Mechanisms Triggered by Apoptotic Cells during Their Clearance

In the human body, billions of cells die by apoptosis every day. The subsequent clearance of apoptotic cells by phagocytosis is normally efficient enough to prevent secondary necrosis and the consequent release of cell contents that would induce inflammation and trigger autoimmunity. In addition, apoptotic cells generally induce an anti-inflammatory response, thus removal of apoptotic cells is usually immunologically silent. Since the first discovery that uptake of apoptotic cells leads to transforming growth factor (TGF)-β and interleukin (IL)-10 release by engulfing macrophages, numerous anti-inflammatory mechanisms triggered by apoptotic cells have been discovered, including release of anti-inflammatory molecules from the apoptotic cells, triggering immediate anti-inflammatory signaling pathways by apoptotic cell surface molecules via phagocyte receptors, activating phagocyte nuclear receptors following uptake and inducing the production of anti-inflammatory soluble mediators by phagocytes that may act via paracrine or autocrine mechanisms to amplify and preserve the anti-inflammatory state. Here, we summarize our present knowledge about how these anti-inflammatory mechanisms operate during the clearance of apoptotic cells

Az apoptózis és a fagocitózis összefonódása = Link between apoptosis and phagocytosis

Szervezetünkben naponta több 10 millió sejt hal el apoptózissal. Kísérleteinkben azt vizsgáltuk, hogyan hangolódhat össze in vivo az apoptózis és az apoptótikus sejteket eltakarító fagocitózis mértéke. Vizsgáltuk ebben a vonatkozásban egy az in vivo apopto-fagocitózis során mind az elhaló sejtben, mind a makrofágban kifejeződő multifunkcionális fehérje, a transzglutamináz 2 (TG2), a lebomló sejtekből és a fagocitáló makrofágokból is felszabaduló adenozin, és a makrofágok differenciációjában és az apoptózis szabályozásában is szerepet játszó retinoidok szerepét. Megállapítottuk, hogy a TG2 sejtektől függően, különféle biológiai funkcióban segítheti vagy gátolhatja az apoptózist. Elhaló sejtekben és az eltakarító makrofágokban együttesen megjelenve, viszont biztosítja, hogy az apoptózis és az eltakarítás hatékonyan folyjék, és se gyulladás, se szövetkárosodás ne kísérje a folyamatot. A tímusz mint modell szervet tanulmányozva, ahol a képződő timociták 95%-a elhal, bizonyítottuk, hogy mind az adenozin, mind a retinoidok jelen van, és gyorsítja mind a timociták apoptózisát, mind a fagocitózis hatékonyságát. Az adenozin emellett hozzájárul az apoptótikus sejtek gyulladásellenes hatásának csökkentéséhez is. Adataink arra utalnak, hogy vannak közös molekulák az apoptózis és a fagocitózis program szabályozásában, amelyek lehetővé teszik ezek összehangolt működését, és így gyógyszer targetmolekulák lehetnek. | In a human body every day several 10 million cells die by apoptosis. In our experiments it was investigated how is the in vivo rate of apoptosis is balanced by the capacity of the clearance mediated by professional macrophages. In this context the involvement of a multifunctional protein, transglutaminase 2 (TG2) previously shown by us to be coupled to the in vivo apopto-phagocytosis program, that of adenosine released by dying cells and engulfing macrophages, and that of retinoids, known to regulate both apoptosis and macrophage differentiation were investigated. We have shown that TG2 depending on the cell type and using its different biological activities can both promote and inhibit apoptosis. When the protein appears in both apoptotic and phagocytic cells, the protein ensures that both apoptosis and phagocytosis proceeds efficiently, and no tissue injury develops. Using thymus as a model organ, in which 95% of the thymocytes produced die, we have shown that both retinoids and adenosine are present, and accelerate both the apoptosis of nonselected thymocytes and the efficacy of phagocytosis. In addition, adenosine is a soluble mediator that mediates the anti-inflammatory effect of apoptotic cells. Our data demonstrate that there are common regulator molecules in the apoptosis and phagocytosis program that harmonize the two processes, and thus might be potential pharmacological target molecules

Apoptózis, fagocitózis és a gyulladás kialakulásának megakadályozása = Apoptosis, phagocytosis and prevention of inflammation

Az elhalt sejteket a környező makrofágok ismerik fel és takarítják el. Az apoptózis kutatása eddig a két folyamatot egymást követő, de egymástól független biológiai eseménynek tekintette. Csoportunk utóbbi években folytatott kutatómunkája azonban rámutatott arra, hogy az elhaló sejt és az őt eltakarító makrofágok között folyamatos párbeszéd zajlik, ami összehangolja az apoptózis és a fagocitózis folyamatát, és meggátolja gyulladás kialakulását. Kísérleteinkben a tímuszt mint modell szervet vizsgáljuk, mert itt folyamatosan nagymértékű sejtelhalás zajlik. Kimutattuk, hogy az elhaló sejteket felvevő makrofágok adenozint és egy új retinoidot termelnek a fagocitózis mértékének függvényében. Az adenozin meggátolja a makrofágok gyulladás indító képességét, míg a retinoid fokozza fagocitáló képességüket. Mind a retinoid termelődést, mind az adenozinra válaszoló receptor mennyiségének fokozódását a felvett apoptótikus sejteket lipid tartalmuk alapján érzékelő lipid érzékeny receptorok indítják el. Mind az adenozin, mind a retinoid elősegíti a hibás timociták elhalását. Munkánk azonosított néhány molekuláris target pontot, ahol a fagocitózis folyamata befolyásolható lehet olyan gyulladásos betegségekben, ahol ennek zavara hozzájárul a betegség pathomechanizmusának kialakításához. Ugyanakkor felveti, hogy az új retinoidoknak a gyulladási program szabályozásában is szerepük lehet, hiszen abban is folyamatosan zajlik a gyulladásban elhalt sejtek fagocitózisa. | Apoptotic cells are recognized and removed by neighbouring macrophages. So far he apoptosis research field looked at these biological processes as two subsequent but independent events. Research carried out by our laboratory during the past years has, however, revealed a continuous crosstalk between macrophages and apoptotic cells, which harmonises the rate of apoptosis and phagocytosis and prevents inflammation. We study thymus as a model organ, since it is characterized by a constantly high rate of apoptosis and phagocytosis. We found that macrophages engulfing apoptotic cells produce adenosine and a novel retinoid and their amount is related to the phagocytic rate. Adenosine prevents proinflammatory cytokine formation, while the retinoid enhances phagocytic capacity of macrophages. Both the retinoid production and the expression of the adenosine receptor are under the control of lipid sensing receptors that sense the number of apoptotic cells digested by their lipid content. Both the retinoid and adenosine promotes the death of those thymocytes whose T cell receptor is improper. Our work identified several target points at which phagocytosis can be affected in those autoimmune diseases in which the improper phagocytosis play a role in the pathomechanism of the disease. In addition we propose that retinoids might have a role in the regulation of inflammation as well, since cells died during inflammation are also taken up by phagocytosis

Differential expression of tissue transglutaminase during in vivo apoptosis of thymocytes induced via distinct signalling pathways

AbstractA significant increase in the expression and activity of tissue transglutaminase (tTG), one of the effector elements of apoptosis, was observed during involution of thymus elicited by treatment with either anti-CD3 antibody or dexamethasone or by irradiation. The blood plasma concentration of ϵ(γ-glutamyl)lysine isodipeptide, the end-product of the digestion of transglutaminase cross-linked proteins, was also elevated in each of these cases. tTG was localized in cells of the cortical layer of the thymus and immunofluorescence double staining revealed that the enzyme appeared in the apoptotic cells. None of these observations could be made when apoptosis was induced by fas-receptor stimulation. The lack of tTG activity in fas-stimulated cells was accompanied with a less organized apoptotic morphology. Our data suggest that distinct signalling pathways, which induce apoptosis within the same cell type, can differentially regulate the expression of tTG, and this enzyme may be involved in structural stabilization of the apoptotic cells.© 1997 Federation of European Biochemical Societies

Transglutaminase 2 null macrophages respond to lipopolysaccharide stimulation by elevated proinflammatory cytokine production due to an enhanced αvβ3 integrin-induced Src tyrosine kinase signaling

Transglutaminase 2 (TG2) is a protein crosslinking enzyme with several additional biochemical functions. Loss of TG2 in vivo results in impaired phagocytosis of apoptotic cells and altered proinflammatory cytokine production by macrophages engulfing apoptotic cells leading to autoimmunity. It has been proposed that TG2 acts as an integrin ß(3) coreceptor in the engulfment process, while altered proinflammatory cytokine production is related to the lack of latent TGFß activation by TG2 null macrophages. Here we report that TG2 null macrophages respond to lipopolysaccharide treatment by elevated IL-6 and TNFa production. Though TGFß has been proposed to act as a feed back regulator of proinflammatory cytokine production in LPS-stimulated macrophages, this phenomenon is not related to the lack of active TGFß production. Instead, in the absence of TG2 integrin ß(3) maintains an elevated basal Src family kinase activity in macrophages, which leads to enhanced phosphorylation and degradation of the I?Ba. Low basal levels of I?Ba explain the enhanced sensitivity of TG2 null macrophages to signals that regulate NF-?B. Our data suggest that TG2 null macrophages bear a proinflammatory phenotype, which might contribute to the enhanced susceptibility of these mice to develop autoimmunity and atherosclerosis

Apoptótikus sejtek fagocitózisát szabályozó folyamatok molekuláris mechanizmusa = Molecular mechanism in the regulation of the phagocytosis in apoptotic cells

A szervezetben naponta elhaló sok milliárd sejt hatékony eltávolítása a feltétele annak, hogy ne alakuljanak ki kóros gyulladásos és autoimmun kórképek. Kísérleteink segítségével számos eddig ismeretlen elemét tártuk fel az eltakarító rendszernek. Megállapítottuk, hogy a folyamat szabályozásában lényeges szerepet játszik a fehérjéket keresztkötő transzglutamináz enzim, annak hiányában autoimmun reakció jelenik meg. A transzglutamináz, amelynek új szubsztrátjait ismertük meg és aktivitásának mérésére igen érzékeny módszert dolgoztunk ki, szükséges a sejtek elhalását megelőző sejtéréshez is. Az idegrendszerben az eltakarító mechanizmusok zavara eredményeink szerint transzglutamináz által keresztkötött fehérje zárványok felszaporodáshoz vezet; meghatároztuk hogy milyen fehérjék mely oldalláncai vannak ilyenkor keresztkötve. Az általunk kifejlesztett apopto-fagocita Tachman Low Density Array segítségével párhuzamosan mérni lehet hogy az eltakarító folyamatban szerepet játszó gének kifejeződése hogyan van szabályozva; eredményeink azt mutatják, hogy az elhalt sejteket bekebelező fagociták különbséget tesznek a különböző módon elhalt sejtek között. | The effective removal of the many billions of cells dying in our body every day is necessary to prevent the development of inflammatory and autoimmune diseases. In our experiments several so far unknown elements of this clearance mechanism have been revealed. It has been determined that the protein crosslinking transglutaminase plays an important role in the regulation of this process and the lack of this enzyme leads to autoimmune reactions. The transglutaminase, of which we have found several novel substrates and developed a new activity assay, also plays an important role in the differentiation of cells preceeding their death. The dysregulation of the clearance mechanisms in the central nervous system leads to the accummulation of transglutaminase cross-linked protein aggregates; we have determined which proteins at which residue are crosslinked in these structures. A novel Tachman Low Density Array has been developed for the parallel measurement and study of the regulation of the expression level of those genes which play an important role in the clearance of apoptotic cells; our results show that the engulfing cells can differentiate among dying cells according to the way how their death occured

Transglutaminase 2 Contributes to Apoptosis Induction in Jurkat T Cells by Modulating Ca(2+) Homeostasis via Cross-Linking RAP1GDS1

BACKGROUND: Transglutaminase 2 (TG2) is a protein cross-linking enzyme known to be associated with the in vivo apoptosis program of T cells. However, its role in the T cell apoptosis program was not investigated yet. RESULTS: Here we report that timed overexpression of both the wild type (wt) and the cross-linking mutant of TG2 induced apoptosis in Jurkat T cells, the wt being more effective. Part of TG2 colocalised with mitochondria. WtTG2-induced apoptosis was characterized by enhanced mitochondrial Ca(2+) uptake. Ca(2+)-activated wtTG2 cross-linked RAP1, GTP-GDP dissociation stimulator 1, an unusual guanine exchange factor acting on various small GTPases, to induce a yet uncharacterized signaling pathway that was able to promote the Ca(2+) release from the endoplasmic reticulum via both Ins3P and ryanodine sensitive receptors leading to a consequently enhanced mitochondrial Ca(2+)uptake. CONCLUSIONS: Our data indicate that TG2 might act as a Ca(2+) sensor to amplify endoplasmic reticulum-derived Ca(2+) signals to enhance mitochondria Ca(2+) uptake. Since enhanced mitochondrial Ca(2+) levels were previously shown to sensitize mitochondria for various apoptotic signals, our data demonstrate a novel mechanism through which TG2 can contribute to the induction of apoptosis in certain cell types. Since, as compared to knock out cells, physiological levels of TG2 affected Ca(2+) signals in mouse embryonic fibroblasts similar to Jurkat cells, our data might indicate a more general role of TG2 in the regulation of mitochondrial Ca(2+) homeostasis

A harmadik szinapszis. Molekuláris kölcsönhatások az elhaló sejtek és az azokat eltávolító makrofágok, dendritikus sejtek között. = The third synapsis. Molecular interactions between dying cells and macrophages or dendritic cells.

A tudományos iskola keretében új interdiszciplináris kutatási terület megteremtésére került sor az apoptótikus sejtek és az azokat eltávolító sejtek közötti harmadi szinapszis tanulmányozására. Megállapítottuk, hogy a transzglutamináz 2 (TG2) enzim szerepet játszik az apoptotikus sejtek eltávolításában, az enzim hiányában autoimmun kórkép alakúl ki. A TG2 bejuthat a sejmagba, sejtbiokémiai hatása összefügg génkifejeződés befolyásolásával. Alzheimer kórban a TG2 résztvesz kovalensen összekötött fehérje aggregátumok létrehozásában. A TG2 védőhatást fejt ki a sejtelhalással szemben májsejtekben és szívizomsejtekben G fehérje, ill. protein diszulfid izomeráz aktivitásával. A PPAR? szerepet játszik az apoptótikus sejteket eltávolító fagocitáló képesség kialakításában fokozva fagocitózis gének kifejeződését. A PPAR?, a retinoid receptor és az LXR receptor szignál utak összekapcsolódnak a makrofágok koleszterol szintjének szabályozásában. A PPAR? aktiváció hatására a dendritikus sejekből fokozott fagocitózisra, hatékony lipid prezentációra és iNKT aktivitásra képes alpopuláció alakul. Apopto-fagocita Taqman Low Density Array-t fejleszttünkl 94 gén mennyiségi kifejeződése vizsgálatára. Az autofágiával elhaló sejtek eltávolítása szintén fagocitózissal történik, specifikus gének indukálódnak. A dendritikus sejtek kölcsönhatása apoptótikus vagy nekrotikus sejtekkel alkalmas az immunválasz finom szabályozására. | In the supported Research School a new interdisciplinary research area has been developed to study the third synapse formed between apoptotic cells and those which engolfe them. It has been established that the transglutaminase 2 (TG2) enzyme plays an important role in the clearance of apoptotic cells, the lack of this enzyme leads to autoimmune disease. TG2 can enter the nucleus and its cell biochemical effects are related to modulation of gene expression and modification of the cytoskeleton. In Alzheimer's disease TG2 participates in the formation of covalently cross-linked protein aggregates. TG2 can protect hepatocytes and cardiomyocytes against apoptosis through its G protein and protein disulphide isomerase activities. PPARγ contributes to the development of phagocytic capacity of macrophages by inducing specific phagocytic genes. The PPARγ, rretinoid and LXR receptor signal pathways are interlinked in regulating cholesterol content of cells. Activation of PPARγ in dendritic cells leads to the development of a subpopulation with increased phagocytic capacity, effective lipid presentation and iNKT activity. An apopto-phagocytic Taqman Low Density array has been developed for quantitative measuring of 94 genes in parallel. Cells dying by autophagy are removed by the same mechanism as apoptotic cells while specific phagocytic genes are induced. Dendritic cells interacting with apoptotic cells can fine tune the immune system