Regulation of neutrophil apoptosis

Abstract

The human neutrophil is the most abundant granulocyte and the major type of cell involved in an acute inflammatory response. Neutrophils are armed with various systems of enzymes, that can find and kill pathogens, but unfortunately, these "weapons" cannot distinguish between the host tissues and the "invaders." Therefore, an extensive neutrophil reaction leads to continuous release of toxic metabolites, which causes successive self-destruction of host tissues and possibly also organ failure. Such a series of destructive events has been implicated in diseases such as rheumatoid arthritis, myocardial infarction/reperfusion injury, atherogenesis, asthma, cystic fibrosis, emphysema, and vasculitis. Resolution of an acute inflammatory process depends on termination of neutrophil emigration from blood vessels and clearance of extravasated neutrophils and their metabolic products. Outside the blood vessels, neutrophils spontaneously undergo apoptosis, and are therefore removed by phagocytic cells at the site of inflammation. Neutrophil apoptosis can be modulated by several factors in the local environment, such as the Fas ligand (FasL), but the molecular mechanisms involved are poorly understood.



In this dissertation thesis, I describe and elucidate intracellular signalling mechanisms that are involved in regulation of spontaneous and Fas-induced apoptosis in human neutrophils. Using two different methods it was possible to detect constitutive activity of p38 mitogen-activated protein kinase (p38) in newly isolated neutrophils. The p38 survival signal was transiently lost during both spontaneous and Fas-induced apoptosis, favoured induction of the apoptotic process. During the transient loss of p38 activity there was a temporary Fas-induced increase in phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) activity, which also had a pro-apoptotic impact on the neutrophils. In addition, my experiments showed that the active form of p38 associates with caspase 8 and caspase 3, which is necessary for p38-induced phosphorylation of serine-362 and serine-150 on these caspases. These biochemical modifications impair the activities, and possibly also the stability, of caspase 8 and 3 and thereby weaken the capacity of these enzymes to induce apoptosis. The results in this dissertation also demonstrate that the protein phosphatase type 2A (PP2A) can directly and independently decrease the phosphorylation levels of both p38 and caspase 3. Consequently, PP2A can increase the activity of caspase 3 by dual mechanisms and thereby promote the apoptotic response in human neutrophils.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Humana neutrofiler är vita blodkroppar med den kortaste livslängden. Varje dag frisätts det miljoner neutrofiler från benmärgen till blodet. Från blodbanan är neutrofiler de första celler som anländer och samlas i en infekterad vävnad. Neutrofiler är mest kända för deras anti-mikrobiella funktion. Dessa celler är rustade med olika proteiner för att kunna hitta och döda mikroorganismer. Olyckligtvis, kan inte dessa “vapen” särskilja mellan värdvävnaderna och inkräktarna. Därför leder en förlängd neutrofilreaktion till oavbruten utsöndring av toxiska ämnen som förstör värdvävnader och orsakar organdysfunktion under sjukdomstillstånd som: glomerulonefrit, reumatoid arthrit, hjärtinfarkt, ateroskleros, astma, kronisk bronkit, emfysem och ARDS (akut respiratory distress syndrome).



Rekryterade neutrofiler återvinns aldrig till blodet och elimineringen av dessa celler från infektionshärden kommer att avgöra hur snabbt en inflammation läker ut samt graden av vävnadsskada. I blodet och i vävnaderna elimineras neutrofiler antingen genom nekros eller spontan apoptos. I händelse av nekros kommer neutrofilernas innehåll att läcka ut till omgivningen, vilket kommer att ge upphov till än mer vävnadsskada och en förlängd inflammationsreaktion. Om apoptos initieras i cellerna kommer vissa karakteristiska förändringar på cellytan att ske så att omgivande celler kommer att ta upp de apoptotiska neutrofilerna. På så sätt hindras neutrofilernas farligt innehåll att komma i kontakt med omgivningen, samtidigt som cellerna elimineras. Detta kommer att bidra till att begränsa och avsluta inflammationsreaktionen. Valet mellan apoptos eller nekros regleras av lokala faktorer i inflammationshärden. Ett exempel på en sådan faktor är ett protein som heter Fas.



Syftet med mina doktorandstudier har varit att studera vilka signalvägar som deltar i regleringen av såväl spontan- som Fas-receptor-potentierad apoptos i humana neutrofiler.



I våra utförda studier konstaterar vi att såväl spontan- som Fas-receptor-potentierad apoptos av neutrofiler gynnas av en tillfällig deaktivering av proteinet p38 (p38 mitogen activated protein kinase), samt att proteinet Fas tillfälligt aktiverar ytterligare ett protein, PI3K (phosphatidyl inositol 3-kinase), vilket påskyndar apoptosen än mer i neutrofilerna. Vi har också visat att p38 motverkar Fas-receptor-potentierad aktivering av caspase 8 och caspase 3 (proteiner vilka verkställer apoptos) genom direkt fosforylering (biokemisk förändring som ändrar funktionen hos ett protein) av aminosyrorna serine-364 och serine-150, respektive. Vidare visar våra studier att fosforylering av caspaserna påskyndar deras nedbrytning, vilket minskar deras aktivitet och därmed neutrofilernas apoptos. PP2A (Phospho-serine/-treonine Phosphatase, type 2A) är proteinet som tillfälligt deaktiverar p38 och på så sätt defosforyleras också caspaserna vilket leder till att apoptos påskyndas.



Apoptotiska neutrofiler spelar en viktig roll för en snabb läkning av en inflammation. Vetskap om de molekulära mekanismerna som reglerar apotos i neutrofiler kommer att ge en bättre förståelse för ett inflammationsförlopp samt grundläggande kunskaper för utveckling av inflammationsreglerande läkemedel. Rubbningar i det apoptotiska programmet är kända för att vara involverade i många olika sjukdomsbilder. Minskad apoptos leder bl.a. till cancer och autoimmuna sjukdomar, medan en ökning av apoptos leder till neurodegenerativa sjukdomar och AIDS.



Det är väldokumenterat att tillförsel av proteinet Fas är ett sätt att inducera apoptos under fysiologiska och patologiska tillstånd. Dysfunktion av Fas-pontentierad-apoptos har visat sig vara inblandad i bland annat carcinogenesis, cancercellers utvecklade resistens mot kemoterapeutiska läkemedel samt autoimmuna sjukdomar.

• author: Alvarado-Kristensson, Maria
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Coffer, Paul
• organization: Molecular Pathology, Malmö (research group); Pathology, Malmö (research group)
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cancer and Oncology; Cell and Molecular Biology
• keywords: General pathology, pathological anatomy, Patologi (allmän), patologisk anatomi, PP2A, p38 MAPK, caspases, signal transduction, inflammation, Apoptosis, human neutrophils
• pages: 104 pages
• defense location: main lecture hall, Pathology building, Malmö university hospital
• defense date: 2004-04-23 10:15:00
• ISBN: 91-89625-31-5
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Maria Alvarado Kristensson, M. Isabella Pörn-Ares, Simone Grethe, David Smith, Limin Zheng and Tommy Andersson.“p38 Mitogen-activated protein kinase and phosphatidylinositol 3-kinase activities have opposite effects on human neutrophil apoptosis”,FASEB J. (November 29, 2001) 10.1096/fj.01-0817fje. Article: II. Maria Alvarado Kristensson, Fredrik Melander, Karin Leandersson, Lars Rönnstrand, Christer Wernstedt and Tommy Andersson.“p38-MAPK signals survival by phosphorylation of caspase-8 and caspase-3 in human neutrophils”,J. Exp. Med. 199 (2004), 449-458. Article: III. Maria Alvarado Kristensson and Tommy Andersson. “Protein Phosphatase 2A regulates neutrophils apoptosis by dephosphorylation and deactivation of p38 MAPK”, manuscript.
• id: be15d6f1-54a0-441a-8f73-58b0917977c1 (old id 466769)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:25:13
• date last changed: 2018-11-21 21:04:43