Complement in Autoimmunity - the importance of clearing waste

Abstract

Systemic lupus erythematosus (SLE) is an autoimmune disease where improperly cleared apoptotic cells and neutrophil extracellular traps (NETs) induce an autoimmune response. Complement is crucial to prevent SLE by tailoring immune responses and opsonizing dead cells but may also induce inflammation and tissue damage once the disease is initiated.

Complement C1q binds to apoptotic cells and ensures rapid and tolerogenic clearance by phagocytes. C1q can also activate complement. To avoid excessive activation, binding of the complement inhibitor factor H to the apoptotic cells is crucial. In this thesis we have discovered that factor H as well as C1q bind to the phospholipid binding proteins annexin A2 and that C1q also binds A5. These proteins are expressed on apoptotic cells. Further, we have observed that both C1q and factor H bind to the chromatin constituents, DNA and histones. Binding of C1q to these ligands led to complement activation indicating the need for factor H on the apoptotic cells.

NETs constitute one mechanism of how neutrophils can protect the body from pathogens. By releasing chromatin covered with antimicrobial enzymes the neutrophil can catch and kill pathogens. In this thesis we confirm that NETs are not degraded properly in 30% of patients with SLE. Further, C1q binds to NETs, prevents degradation and also activates complement. Consequently, the patients with decreased ability to degrade NETs more often suffer from complement consumption and glomerulonephritis, manifestations of severe SLE. This initial study was followed-up by a longitudinal study where temporal associations such as glomerulonephritis, pleuritis and elevated levels of histone antibodies could then be linked to a decreased ability to degrade NETs.

NET degradation was also affected in some patients with antiphospholipid syndrome and systemic sclerosis. However the effect was not as pronounced as in SLE and was more evident the more SLE-like the APS was.

In conclusion, complement may both prevent and contribute to the pathogenesis in SLE. In this thesis, ligands for complement C1q and factor H have been revealed on the apoptotic cells and further, the interactions of complement with NETs have been elucidated. Additionally, the ability to degrade NETs has been analyzed in SLE and SLE like diseases, which may be used to better diagnose or treat these patients in the future.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Varje dag dör miljoner celler i kroppen. Döda celler som finns kvar i kroppen innehåller ämnen som kan reta immunförsvaret och skapa inflammationer. Därför är det viktigt att döda celler tas om hand av kroppen på ett sådant sätt att inte immunförsvaret aktiveras. Aktiveras immunförsvaret kan det leda till att personen får inflammationer.

Kroppen har utvecklat komplexa system för att ta hand om döda celler. När systemen inte fungerar kan man drabbas av den autoimmuna sjukdomen SLE (systemisk lupus erythematosus). Vid SLE attackerar immunförsvaret molekyler som finns på döda celler och eftersom det hela tiden dör celler i kroppen får personer med SLE en utbredd (systemisk) inflammation som skadar kroppen. Hos SLE-patienter innebär immunförsvarets attacker att det bildas så kallade immunkomplex med svårlösliga partiklar i blodet. De kan fastna i vävnader med tunna blodkärl, t.ex. njurarna, vilket kan leda till njursvikt. Det är ett av de vanligare och allvarliga problemen med SLE. Den utbredda inflammationen hos SLE-patienter bidrar också till en kronisk trötthet, hudutslag samt problem med leder och kärl.

Kroppen skall inte bara göra sig av med döda celler. Den skall också göra sig av med en typ av nätliknande strukturer, vilka nyligen har upptäckts. Dessa nät utgör en del av immunförsvaret och hjälper kroppen att skydda sig mot infektioner.

Nätstrukturerna består till stor del av DNA och ett slags protein som kallas histoner. DNA är en lång molekyltråd som finns i cellernas kärna där den ligger virad runt histonerna. DNA är den molekyl som kodar för alla gener. När en cell dör klipps DNA-tråden upp och hamnar tillsammans med histonerna på cellens yta. Näten består av många av de ämnen som också finns på döda celler och kan därför också ge inflammationer hos SLE-patienter.

Komplementsystemet består av ca 35 proteiner. De finns främst i blodet och liksom nätstrukturerna hjälper de kroppen att skydda sig mot infektioner. De är också en viktig del i många andra processer, t.ex. hjälper de kroppen att märka in och ta hand om döda celler samt finjusterar immunförsvaret. En del personer saknar viktiga delar av komplementsystemet och har därför en större risk att drabbas av SLE.



I denna avhandling har vi studerat hur komplementproteiner fastnar på döda celler och vi har också identifierat vilka molekyler på de döda cellerna som är viktiga för att komplementproteinerna skall kunna fastna på cellerna. Vi har vidare studerat hur komplementsystemet interagerar med de nyupptäckta nätstrukturerna och även hur dessa strukturer bryts ner i patienter med SLE och andra autoimmuna sjukdomar.

I den första delen av avhandlingen undersöks vad komplementproteinerna faktor H och C1q fastnar vid på döda celler. Faktor H är en hämmare av komplementsystemet och hindrar komplementaktivering vilket kan leda till inflammation. C1q är en aktivator av komplementsystemet och kan även markera ämnen som skall röjas upp i kroppen. C1q är därför mycket viktig för att ta hand om döda celler och förhindra utvecklingen av SLE. Vi har sett att både faktor H och C1q binder såväl till DNA som till histoner på den döda cellens yta, det vill säga till huvudkomponenterna i nätstrukturerna.

Vi har också sett att faktor H och C1q kan binda till en typ av proteiner som heter annexiner. Dessa proteiner binder normalt till cellmembran som omsluter varje cell och de är involverade i transporter av olika ämnen i cellen. Proteinerna finns även i blodet där de kan förhindra att döda celler leder till blodproppar.

Konsekvensen av att komplement binder till DNA, histoner och annexiner på döda celler är inte klarlagt. Hos SLE-patienter kan kroppen bilda antikroppar mot DNA och annexiner. Antikropparna kan starta en inflammation och de skulle också kunna hindra infästningen av C1q och faktor H till döda celler. Det skulle i så fall kunna leda till att de döda cellerna finns kvar längre i kroppen vilket skulle bidra till mer inflammation eftersom faktor H inte längre kan hämma komplementaktiveringen som framkallar inflammationen.

Vi undersökte även hur personer med SLE kan bryta ner de nyupptäckta nätstrukturerna. Studien gjordes i nära samarbete med reumatologiavdelningen på Lunds universitet och reumatologiska kliniken på Skånes universitetssjukhus i Lund. Vi såg att C1q binder starkt till näten och att det kan påverka hur effektivt näten bryts ner i kroppen. Vi såg även att näten kan aktivera komplementsystemet vilket skulle kunna leda till ökad inflammation, något som är mycket vanligt i SLE.

Från 94 SLE-patienters blodprover kunde vi se att cirka en tredjedel av patienterna saknade förmågan att bryta ner näten – en förmåga som de friska kontrollerna hade. En minskad förmåga att bryta ner näten var också associerat med en ökad mängd antikroppar mot DNA och histoner. Vidare drabbades SLE-patienterna ofta av njurproblem vilket indikerar att en förmåga att bryta ner näten är viktig för att undvika dessa symptom.

Eftersom SLE är en sjukdom som går i skov med perioder med olika sjukdomsaktivitet valde vi att mäta patienternas förmåga att bryta ner nät vid två olika tillfällen. Vi såg då att nedbrytningsförmågan förändrades med sjukdomsaktiviteten. Det visade sig att en minskad förmåga att bryta ner näten ofta sammanträffar med skov.

I en uppföljningsstudie undersökte vi hur förmågan att bryta ner näten förändras mer systematiskt hos patienter med SLE genom att under drygt två år mäta nedbrytningsförmågan hos 69 patienter med SLE. Under den tiden var det 40 procent av patienterna som någon gång hade en reducerad förmåga att bryta ner näten. Även i denna studie observerade vi att patienterna med minskad nedbrytningsförmåga i högre grad drabbades av njurproblem. Intressant nog observerade vi också att en period med minskad förmåga att bryta ner näten kunde leda till att patienten två månader senare fick feber och håravfall, vilket indikerar att dessa symptom kan vara sammankopplade till en minskad nedbrytningsförmåga.

För att se om en minskad förmåga att bryta ner dessa nätstrukturer också drabbade patienter som led av andra autoimmuna sjukdomar så undersökte vi förmågan i patienter med antifosfolipidsyndromet (APS) respektive systemisk skleros. I båda dessa sjukdomar förekommer antikroppar som bidrar till ökad risk för trombos eller blodproppar i APS respektive förändrad bindväv i systemisk skleros. Även om vissa patienter visade sig ha en minskad förmåga att bryta ner nätstrukturerna så var fenomenet inte lika tydligt som hos SLE-patienterna.

Denna avhandling visar att komplementsystemet är en viktig förklaringsfaktor för SLE eftersom det interagerar med döda celler samt med de nätstrukturer som kroppen bildar för att skydda sig mot infektioner. Komplementsystemet är viktigt för att snabbt röja upp de döda cellerna och näten – något som inte fungerar hos patienter med SLE. Med utgångspunkt i avhandlingens resultat hoppas vi att man bättre kan kategorisera patienter med SLE. Vår förhoppning är också att avhandlingens resultat bidrar till att utveckla läkemedel för att återställa förmågan att bryta ner näten, vilket skulle kunna förbättra sjukdomsbilden för vissa patienter med SLE.

• author: Leffler, Jonatan
• supervisor: Anna Blom; Myriam Martin
• opponent: prof. Tedesco, Francesco, Department of Physiology and Pathology, University of Trieste, Italy
• organization: Protein Chemistry, Malmö (research group)
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Other Basic Medicine
• keywords: annexins, apoptosis, Complement system, neutrophil extracellular traps, systemic lupus erythematosus, C1q, factor H, histones
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2013:37
• pages: 157 pages
• defense location: Lilla Aulan, Jan Walderströmsgata 5, Malmö
• defense date: 2013-04-26 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87449-07-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 1eecfefc-f59a-436c-9060-d8fef07dcf0c (old id 3629592)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:10:49
• date last changed: 2019-05-22 00:34:35