Reduced ROS production triggers arthritis / The role of T cells in arthritis pathogenesis

Abstract

The aim of this thesis is to defend a novel mechanism that triggers arthritis susceptibility in both rats and mice through reduced production of reactive oxygen species (ROS), but also to introduce a novel model for chronic relapsing arthritis. Five papers are included, all of which employ animal models for rheumatoid arthritis and one that also uses animal models for multiple sclerosis. Paper I aimed at identifying strong dominant loci operating early in PIA by linkage analysis of a large F2 backcross. We identified eight dominant QTLs regulating arthritis traits, of which Pia4 was the strongest in suppressing arthritis. Paper II aimed at cloning the gene responsible for the strong arthritis-suppressive effect of Pia4. Ncf1 was positionally identified as the only gene within a minimal Pia4-fragment with polymorphisms inside the coding region that differed between parental strains. Paper III aimed at showing that the arthritis-regulatory effect of Ncf1 is not species-specific. We showed that Ncf1-mutant mice were more susceptible to arthritis as well as to MOG protein-induced EAE than heterozygous littermate controls. Paper IV aimed at characterizing the immune response in PIA. Through several cell transfer experiments, we could conclude that T cell antigens must be involved in PIA, since arthritis transferred by T cells was restricted by MHC class II DQ and DR molecules. Paper V aimed at characterizing the chronic relapsing arthritis induced by adoptive transfer of PIA. High levels of COMP, AGP and IgG2b in blood at the chronic phase suggested cartilage destruction, systemic inflammation and Th1-mediated antibody production, respectively. Also, Methotrexate, anti-IFN-? or anti-TNF-? treatment with Etanercept ameliorated arthritis severity at the chronic stage.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Brist på fria radikaler kan ge artrit



Fagocytiska celler i vårt immunförsvar producerar fria syre-radikaler för att eliminera fagocyterade (uppätna) mikroorganismer. Produktionen av dessa syre-radikaler sker med hjälp av ett enzymkomplex (NADPH oxidas) i cellmembranet samt i membranet på de fagosomer, innehållande mikroorganismer, som bildas i och med fagocytos. Människor med nedsatt funktion av detta NADPH oxidas p.g.a. specifika mutationer i detta komplex kan inte bilda tillräckligt med syre-radikaler och har därför nedsatt immunförsvar mot mikroorganismer. Sjukdomen kallas CGD (kronisk granulomatös sjukdom) och är mycket sällsynt. Vi har upptäckt att olika funktionsnedsättande mutationer i Ncf1 (neutrofil cytosolisk faktor 1), som är en proteinkomponent i NADPH oxidas-komplexet, leder till försämrad produktion av fria syre-radikaler samt till ökad mottaglighet för artrit hos både råttor och möss. Ur ett genetiskt perspektiv skiljer vi oss inte mycket från råttor och möss. Det är därför troligt att funktionsnedsättande mutationer i Ncf1 hos människa kan leda till ökad mottaglighet för reumatoid artrit (RA)*, även kallad ledgångsreumatism.



Denna upptäckt är ny och revolutionerande. Aldrig tidigare har man kunnat följa ett sjukdomsförlopp för att kunna identifiera en enskild gen. Tekniken bakom upptäckten kallas Linkage analysis (kopplingsanalys), och används ofta i djurmodeller för komplexa sjukdomar. I djurmodeller korsas i regel sjukdoms-resistenta djur med sjukdoms-mottagliga djur på ett sådant sätt att avkomman får slumpmässiga kombinationer av sjukdoms-resistenta och sjukdoms-mottagliga kromosomfragment. Genom att inducera sjukdom på samma sätt i ett stort antal djur av denna genetiskt segregerade avkomma, kan man koppla sjukdoms-symptom till olika kromosomfragment. Vi injicerade pristanolja i 650 st. råttor med slumpmässiga artrit-resistenta och artrit-mottagliga kromosomfragment. Vi kunde identifiera åtta st. dominanta kromosomfragment som reglerade sjukdomsförloppet pristan-inducerad artrit (PIA). Det överlägset starkast reglerande kromosom-fragmentet, Pia4, innehöll flera s.k. kandidatgener som skulle kunna orsaka reglering av artrit. Genom att korsa råttor på sådant sätt att ett minimalt Pia4-fragment från en artrit-resistent råtta fortfarande dämpade artrit väl inne i en artrit-mottaglig råtta kunde samtliga kandidatgener analyseras.



I detta minimala Pia4-fragment fanns dock endast två gener, varav Ncf1 var den enda som genetiskt skiljde sig mellan den artrit-resistenta råttan och den artrit-mottagliga råttan. Vi identifierade mutationer (genetiska förändringar) i Ncf1 hos den artrit-mottagliga råttan som gav upphov till nedsatt produktion av fria syre-radikaler. Omvänt kunde vi visa att stimulerad produktion av fria syre-radikaler genom injektion med fytololja i dessa råttor hämmade utvecklingen av PIA. För att förvissa oss om att denna upptäckt inte var specifik för inducerad artrit hos råttor studerade vi en annan mutation av Ncf1 hos möss. Möss med muterad Ncf1 producerade inga syre-radikaler alls och var förutom kollagen-inducerad artrit även mottaglig för spontan utveckling av artrit. Faktum är att Ncf1-muterade möss även uppvisade ökad mottaglighet för MOG protein-inducerad experimentell allergisk encefalomyelit (EAE) som är en djurmodell för multipel skleros (MS)#. Kanske har mutationer i Ncf1 betydelse för uppkomst av ytterligare autoimmuna sjukdomar där kroppens immunförsvar angriper kroppsegen vävnad.



* RA drabbar ca: 1 % av befolkningen och är en autoimmun sjukdom där kroppens eget immunförsvar angriper och förstör leder. Vad som orsakar denna rubbning i immunförsvaret är ännu oklar men vi vet att både genetiska (arv) och icke-genetiska (miljö) faktorer bidrar till sjukdomsförloppet.



# MS drabbar ca: 0,1-0,2 % av befolkningen och är också en autoimmun sjukdom där kroppens eget immunförsvar angriper och förstör det proteinskal (myelin) runt nervtrådar som påskyndar nervimpulser till b.l. a. skelettmuskulatur. Både genetiska och icke-genetiska faktorer bidrar till sjukdomsförloppet.

• author: Holmberg, Jens
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Verweij, Cornelis L.
• organization: Immunology (research group)
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Immunology in the medical area
• keywords: transplantation, Spleen and lymph nodes / Inflammation / Reactive oxygen species / T cells / MHC, serology, Immunology, Immunologi, serologi
• pages: 127 pages
• defense location: Rune Grubb lecture hall
• defense date: 2004-12-10 13:00:00
• ISBN: 91-628-6261-8
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Identification and isolation of dominant susceptibility loci for pristane-induced arthritis.Peter Olofsson*, Jens Holmberg*, Ulf Pettersson, Rikard Holmdahl.The Journal of Immunology. 2003 Jul 1;171(1):407-16.* Equal contribution to this work Article: II. Positional identification of Ncf1 as a gene that regulates arthritis severity in rats.Peter Olofsson, Jens Holmberg, Jesper Tordsson, Shemin Lu, Bo Åkerström, Rikard Holmdahl.Nature Genetics. 2003 Jan;33(1):25-32. Article: III. Enhanced autoimmunity, arthritis, and encephalomyelitis in mice with a reduced oxidative burst due to a mutation in the Ncf1 gene.Malin Hultqvist, Peter Olofsson, Jens Holmberg, Thomas Bäckström, Jesper Tordsson, Rikard Holmdahl.Proc Natl Acad Sci U S A. 2004 Aug 24;101(34):12646-51. Article: IV. Pristane, a non-antigenic adjuvant induces MHC class II-restricted, arthritogenic T cells.Jens Holmberg, Hisakata Yamada, Shemin Lu, Peter Olofsson, Rikard Holmdahl.Submitted for publication. Article: V. Chronic relapsing arthritis, induced by pristane-sensitized Th1 cells.Jens Holmberg, Jonatan Tuncel, Malin Hultqvist, Lena Wester, Peter Olofsson, Rikard Holmdahl.Manuscript. The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Medical Inflammation Research (013212019)
• id: 6fbfd8df-787f-467a-8ba1-ba49b03e09ed (old id 467593)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:14:20
• date last changed: 2018-11-21 20:57:36