Identification of Arthritis Regulating Genes in Rats

Abstract

The immune response is designed to protect the body from harmful microbial invasions. However, when the immune system attacks itself instead, an autoimmune reaction starts that damage our own cells, tissues and organs. Despite decades of research concerning the etiology of autoimmune diseases the molecular mechanisms of these disorders are poorly understood as they are complex and influenced by both inherited factors and environment. One of the most prevalent autoimmune diseases is Rheumatoid Arthritis (RA). In this thesis I present results concerning how animal models for RA were used to investigate the genetic predisposition of arthritis. By genetic segregation experiments between arthritis resistant and susceptible rat strains we have identified several chromosomal regions (Pia 1-15), including MHC, which strongly regulates the development of arthritis in rats. To characterize arthritis we use clinical phenotypes like maximal disease severity and onset of disease as well as other disease sub-phenotypes like the acute phase response, cartilage destruction and cell surface markers on lymphocytes to support linkage analysis and positional cloning of the arthritis regulating genes. Hence, through genetic mapping and reverse genetics we have identified one of the major genes that regulate arthritis severity in rats. The identified gene, Ncf1, is involved in production of radical oxygen species (ROS) in phagocyting cells. Besides the fact that this was the first case of a single gene shown to be of importance in arthritis, that had been positionally cloned, it also indicated the importance of free radicals in autoimmune disease. It is shown that low levels of free radicals are involved in causing severe arthritis. As this contradicts the general idea of high concentrations of free radicals being involved in tissue destruction, we postulate a role of free radicals in the priming of autoreactive T cells in secondary lymphoid organs. Through analysis of Ncf1 deficient mice we also show that ROS not only are an important regulator of arthritis and EAE (experimental allergic encephalomyelitis), but also indicate that the effect of ROS in autoimmunity might be connected to antigen presenting or processing. Furthermore, we also introduce a new therapeutic approach aimed at activation of free radicals that suppresses experimental autoimmunity. Conclusively, the identification of arthritis regulating genes will provide major impact in understanding RA, and for treatment of the disease. Also, an increased knowledge regarding the genetic predisposition to arthritis will provide potential targets for future pharmaceutical drug development.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

När vi drabbas av infektioner är det immunförsvaret som ser till att de invaderande organismerna oskadliggörs. För att immunförvaret skall veta vilka organismer och celler som skall attackeras måste det kunna skilja på kroppseget och främmande. En del främmande organismer lever antingen i symbios med den egna kroppen eller så utgör de inget hot. Teoretiskt sett är mat kroppsfrämmande men orsakar vanligen ingen inflammation. Immunförsvaret sköter alltså även identifieringen av externa ämnen som befinner sig på fel plats eller i fel mängd. Om något i detta selektiva krig mot främmande organismer slår fel kan den egna kroppen attackeras och det som kallas autoimmun sjukdom bryter ut. Vanligt förekommande autoimmuna sjukdomar är diabetes, reumatoid artrit (RA) och multipel scleros (MS). Vid RA (ledgångs reumatism) är det lederna som attackers av immunförvaret. I allvarliga fall av RA kan brosket blir helt förstört vilket gör att leden blir obrukbar. Förutom svåra kroniska smärtor lider RA patienter av stela leder som gör dem mer eller mindre funktionshindrade. RA orsakas genom en kombination av dels genetisk benägenhet dels miljöfaktorer. I RA har man uppskattat den ärftliga komponenten av sjukdomen till att vara mellan 10-30%. Eftersom människor består av olika genetiska kombinationer är det svårt att identifiera exakt vilka gener som utgör dessa 10-30%. En säkrare metod är att studera djurmodeller. Här finns observatoriska fördelar att vinna genom att djurmodellerna är helt genetiskt identiska på grund av avsiktlig inavel, de lever under kontrollerade former i ett laboratorium samt kan studeras kontinuerligt. Djurmodeller som används för att studera artrit är collagen-inducerad artrit (CIA) och pristan-inducerad artrit (PIA). I dessa modeller injiceras collagen, ett protein som finns i brosk, emulgerad i olja (eller i PIA modellen ren olja) för att orsaka artrit i råttor eller möss. Genetiska studier av dessa modeller bygger på att man utför korsningar av inavlade djur som antingen är mycket benägna att utveckla sjukdomen alternativt är minimalt benägna att bli sjuka. Genom att korsa två inavlade stammar med olika benägenhet för sjukdomen fås blandade genetiska varianter av de två stammarna som har olika grad av nedärvd sjukdomskänslighet. Med hjälp av DNA markörer konstrueras genetiska kartor för respektive djur, vilka används för att lokalisera kromosom regioner som predisponerar för sjukdomen. I avhandlingen beskrivs hur ett flertal sådana regioner som reglerar artrit i råttor har identifierats. Dessa regioner isoleras i vad som kallas kongena stammar. En kongen stam är ett inavlat djur som har allt genomiskt material från en inavlad stam utom ett genetiskt fragment nedärvt från en annan stam. Genom att studera det genetiska material i detta kromosomfragment och bestämma vilka gener det innehåller kan en enskild gen som styr sjukdomen identifieras. Eftersom artrit är en polygenisk sjukdom, dvs är beroende av flera gener, har vi identifierat och isolerat flera sådana kromosom regioner som reglerar sjukdomen. I ett av fallen, för den region som kallats Pia4 på råttans kromosom 12, har vi dessutom kunnat betämma exakt vilken gen som styr sjukdomen. Här har vi kunnat visa att i en artritkänslig råtta finns det en defekt i en gen som heter Ncf1, en gen som reglerar produktionen av fria radikaler som bl.a. används i försvaret mot invaderande bakterier. Den artritkänsliga DA-råttan har en defekt i Ncf1-genen som gör att produktionen av fria radikaler är reducerad och detta leder till en ökad produktion av autoreaktiva celler. Vi har dessutom kunnat visa att möss som helt saknar Ncf1-protein även uppvisar ökad benägenhet att utveckla artrit. Vidare har vi kunnat visa att man genom att behandla råttor med lågmolekylära substanser som aktiverar det komplex där Ncf1 ingår erhåller en ökad temporär produktion av fria radikaler som kan förhindra och bromsa utvecklandet av artrit.

• author: Olofsson, Peter
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Aitman, Tim, London UK
• organization: Immunology (research group)
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Immunology in the medical area
• keywords: Immunologi, serologi, transplantation, Clinical genetics, Klinisk genetik, serology, Immunology, QTL, RA, Epistasis, Ncf1, Linkage, PIA, Arthritis, Rat
• pages: 172 pages
• defense location: GK hall BMC Sölvegatan 19 Lund
• defense date: 2003-05-27 13:00:00
• ISBN: 91-628-5673-1
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Vingsbo-Lundberg C, Nordquist N, Olofsson P, Sundvall M, Saxne T, Pettersson U and Holmdahl R. Genetic control of arthritis onset, severity and chronicity in a model for rheumatoid arthritis in rats. Nat Genet. 1998 Dec;20(4):401-4. II. Nordquist N, Olofsson P, Vingsbo-Lundberg C, Petterson U and Holmdahl R. Complex genetic control in a rat model for rheumatoid arthritis. J Autoimmun. 2000 Dec;15(4):425-32. III. Olofsson P, Holmberg J, Pettersson U and Holmdahl R. Identification and isolation of dominant susceptibility loci for pristane-induced arthritis. Submitted for publication IV. Olofsson P, Lu S, Holmberg J, Song T, Wernhoff P, Pettersson U and Holmdahl R. A comparative genetic analysis between collagen-induced arthritis and pristane-induced arthritis. In Press Arthritis Rheum. V. Olofsson P, Nordquist N, Vingsbo-Lundberg C, Larsson A, Falkenberg C, Pettersson U, Akerstrom B and Holmdahl R. Genetic links between the acute-phase response and arthritis development in rats. Arthritis Rheum. 2002 Jan;46(1):259-68. VI. Olofsson P, Holmberg J, Tordsson J, Lu S, Akerstrom B, Holmdahl R. Positional identification of Ncf1 as a gene that regulates arthritis severity in rats. Nat Genet. 2003 Jan;33(1):25-32. VII. Olofsson P, Wernhoff P, Holmberg J and Holmdahl R. Two-loci interaction confirms arthritis-regulating QTL on rat chromosome 6. Submitted for publication VIII. Olofsson P, Johansson Å, Wedekind D, Klöting I, Klinga-Levan K and Holmdahl R. Inconsistent susceptibility to autoimmunity in inbred LEW rats is due to genetic crossbreeding involving segregation of the arthritis-regulating gene Ncf1. Submitted for publication IX. Olofsson P, Bäckström T, Tordsson J, Hultqvist M, Holmdahl M, Holmberg J and Holmdahl R. Increased arthritis and MOG-induced EAE but less peptide-induced EAE in Ncf1 deficient mice 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: 83e5228a-39a8-4ed2-b0ab-3f8bb919e005 (old id 465842)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:59:23
• date last changed: 2018-11-21 21:02:00