Evaluating the role of pro-survival BCL-2 family member A1 in T cell immunity

Abstract

Apoptose ist ein evolutionär konservierter Zelltodprozess, der vor allem in multizellulären Organismen eine bedeutende Rolle spielt. Er kann entweder direkt durch eine Liganden- Rezeptor Interaktionen initiiert werden oder über einen zweiten Signalweg, der innerhalb der Zellen eingeleitet wird (intrinsisch) und von Stimuli wie DNA-Schäden oder Entzug von Wachstumsfaktoren aktiviert wird. Beide Signalwege führen zur Aktivierung von speziellen Proteasen, sogenannten Caspasen, die für eine regulierte Zerlegung der Zelle sorgen. Ordnungsgemäß ablaufende Apoptose ist vor allem für die Entwicklung und Funktion des Immunsystems essentiell, da eine abweichende Funktion des Zelltodes zur Entstehung von Lymphomen, Leukämien und Autoimmunerkrankungen führen kann. Meine Dissertation fokussiert sich auf die Rolle des intrinsischen Signalweges der Apoptose in der Entwicklung und Funktion des Immunsystems. Dieser Signalweg wird von der BCL-2 Familie reguliert, welche sich aus drei Gruppen zusammensetzt: BAX, BAK1 und BOK sind Effektorproteine, die den Zelltod auslösen; die sogenannten BH3-Proteine, bestehend aus BIM, BAD, BID, BMF, HRK, PUMA, und NOXA, sind die pro-apoptotischen Initiatoren und die dritte Gruppe besteht aus den zelltodhemmenden Proteinen BCL-2, BCL-xL, BCL-W, MCL1 und A1. Ich interessiere mich vor allem für die Funktion des Proteins A1 im Immunsystem und insbesondere in T Zellen. A1 ist vorwiegend im hämatopoetischen System exprimiert und kann durch Mitogene stark induziert werden. Aufgrund einer Vervierfachung des A1-Gen Lokus in der Maus konnte die Funktion des Proteins allerdings lange Zeit nicht eindeutig identifiziert werden. Unterschiedliche Studien nutzten RNA-Interferenz zur Proteinreduktion, um die Rolle von A1 im Immunsystem zu untersuchen. Diese ließen eine Funktion von A1 für das Überleben von neutrophilen Granulozyten und Mastzellen sowie bei der Entwicklung von T und B Zellen vermuten. In einer in dieser Arbeit beschriebenen Publikationen zeige ich, dass A1 auch für das Überleben von reifen B Zellen wichtig ist. In einer Kollaboration mit Dr. Marco Herold und Dr. Andreas Strasser vom Walter and Eliza Hall Institut für Medizinische Forschung in Melbourne, Australien, bekam ich letztendlich die Möglichkeit Mäuse zu untersuchen, die komplett A1 defizient sind. Überraschenderweise zeigten die A1 defizienten Mäuse keine offensichtlichen Veränderungen in ihrer Entwicklung und auch der Aufbau sowie die Funktion des Immunsystems erschienen normal. Des Weiteren waren auch aktivierte T Zellen, die äußert hohe A1 Expression in den Kontrollen aufweisen, durch A1 Deletion in Zahl und Funktion nicht beeinträchtigt. Schlussfolgernd kann ich sagen, dass A1 mit zumindest einem anderen zelltodhemmenden Familienmitglied redundant ist. Aufgrund der häufigen Überexpression von A1 in verschiedenen Tumoren sind meine Ergebnisse äußerst interessant, da sie für die Entwicklung von A1 hemmenden Medikamenten und deren sichere Anwendung von Bedeutung sind.Apoptosis is an evolutionary conserved cellular suicide-process that is of importance for all multi-cellular organisms. It can be induced either by ligand binding to specific death receptors referred to as extrinsic apoptosis pathway or initiated by intracellularly sensed types of stress like DNA-damage or deprivation of growth factors referred to as intrinsic apoptosis pathway. Both pathways merge at the level of specialized executioner proteases (caspases) that are responsible for an organized destruction of the cell. Apoptosis is especially needed for a proper development and function of the immune system. Aberrant apoptosis can result in severe malignancies like lymphomas, leukaemias and autoimmune-diseases. The focus of my thesis lies on the intrinsic pathway that is regulated by the BCL-2 protein family, which consists of three main branches: the pro-apoptotic effectors BAX, BAK1 and BOK, the initiators BIM, BAD, BID, BIK, BMF, HRK, PUMA, and NOXA (also known as BH3-only proteins) and the guardians of cellular survival the pro-survival proteins BCL-2, BCLxL, BCL-W, MCL-1 and A1. I was interested in the function of A1 in the immune system and especially in T cells. A1 is expressed mainly in the hematopoietic system and can be rapidly induced by mitogen-mediated activation. However, the physiological role of A1 in the immune system was elusive for a long time due to a quadruplication of the A1 gene in the mouse genome leading to three fully functional A1 paralogues and making genetic targeting very difficult. Different studies using in vivo silencing of A1 with RNA-interference pointed towards a role of the protein in the survival of neutrophils and mast cells but also in the development of T and B cells. I also contributed to a study showing that ablated A1 protein led to impaired survival of mature B cells, which is also described in this thesis. However, as the achieved efficiency of a knockdown could never resemble a full deletion of the gene I was eager to analyze the effects of a fully A1 deficient mouse model which was done in collaboration with Dr. Marco Herold and Dr. Andreas Strasser at the Walter and Eliza Hall Institute of Medical Research. In contrast to the other pro-survival BCL-2 family members, A1 deficient mice did not exhibit any obvious developmental phenotype. Furthermore, we could not detect any defects in the differentiation of the immune cell types analyzed. Unexpectedly, also T cell function upon viral infections remained unaffected although A1 expression is highly upregulated in activated T cells, compared to resting, naïve T cells. Therefore, I conclude that A1 is highly redundant with one or more of the other BCL2 family members. As A1 is often found to be overexpressed in human cancers, my findings are, although unexpected, of special interest for the generation of A1 targeting drugs and their potential use in clinics.by Selma Tuzlak, MScKumulative Dissertation aus drei ArtikelnZusammenfassung in deutscher SpracheMedical University of Innsbruck, Dissertation, 2017OeBB(VLID)197165