Role of Nkx2-3 transcription factor in the regulation of innate lymphocyte distribution in visceral lymphoid organs and the onset of inflammatory bowel diseases  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
108429
Type K
Principal investigator Balogh, Péter
Title in Hungarian Az Nkx2-3 transzkripciós faktor szerepe a hasüregi nyirokszövetek veleszületett limfoid sejt-megoszlásának és a gyulladásos bélbetegségek lefolyásának szabályozásában
Title in English Role of Nkx2-3 transcription factor in the regulation of innate lymphocyte distribution in visceral lymphoid organs and the onset of inflammatory bowel diseases
Keywords in Hungarian Nkx2-3, nyirokszövet, gyulladásos bélbetegség, limfoid homeosztázis
Keywords in English Nkx2-3, lymphoid tissue, inflammatory bowel disease, lymphoid homeostasis
Discipline
Biological basis of immunity related disorders (e.g. autoimmunity) (Council of Medical and Biological Sciences)60 %
Development, developmental genetics, pattern formation and embryology (Council of Medical and Biological Sciences)30 %
Organ physiology and pathophysiology (Council of Medical and Biological Sciences)10 %
Panel Immunity, Cancer and Microbiology
Department or equivalent Clinical Centre-Szentágothai Research Centre (University of Pécs)
Participants Engelmann, Péter
Kellermayer, Zoltán
Simon, Diána
Vincze, Áron
Starting date 2013-10-01
Closing date 2018-09-30
Funding (in million HUF) 24.252
FTE (full time equivalent) 8.90
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A bél nyálkahártyában kialakult nyirokszövetek fontos szerepet töltenek be a bél baktériumflórájával szembeni immunológiai védelem és a táplálék szénhidrát- és fehérje-összetevőivel szembeni immunológiai tolerancia egyidejű kialakításában. Az enterális patogének által indukált krónikus bélgyulladásokhoz (IBD) gyakran társul nyirokszöveti neo-organogenezis, amelyben a veleszületett (innate) limfoid sejtek (ILC) és veleszületett-szerű kimfociták (ILL) fontos szerepet játszhatnak.
Az IBD számos etnikai-földrajzi populációban kapcsolódik az Nkx2-3 transzkripciós faktor fokozott kifejeződésével, ugyanakkor jelenleg nincs olyan állatkísérletes modell, ami ennek a faktornak a szerepét tisztázhatná az ILC/ILL sejtek működésében és a mukózális nyirokszövetek homeosztázisában. Munkánkban egy komplex in vivo kísérleti rendszert alakítunk ki az Nkx2-3 és IBD kapcsolatának fejlődésbiológiai, szerkezeti, génexpressziós és funkcionális vizsgálatára és humán mintákkal való összehasonlítására. A kutatás célja az Nkx2-3 szerepének tisztázása (1) az izolált bél-asszociált nyirokszöveti összetevők érésében és (2) a hasüregi nyirokszövetek (lép, Peyer-plakkok és hashártya) ILC/ILL limfocita-homeosztázisában és recirkulációban egy új sejt-nyomonkövetési eljárás kifejlesztésével. Vizsgáljuk (3) az Nkx2-3 szerepét az orális tolerancia kiváltásában, valamint (4) haptén-indukált bélgyulladás lefolyására. Az Nkx2-3 faktorra deficiens és vad-típusú egerekben kémiai irritációval kiváltott bélgyulladásban génexpressziós eltéréseket vizsgálunk, ahol az Nkx2-3-függést mutató gének mRNS kifejeződését elemezzük (5) IBD szenvedő betegek bélmintáiban egészséges mintákkal összehasonlítva.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A Crohn-betegség és colitis ulcerosa a krónikus gyulladásos bélbetegség két gyakori formája, melyek a bél-asszociált nyirokszövetek (GALT) bélflórával szembeni kóros immunválasza következtében jönnek létre. Jelenleg nem ismert, hogy az eddig vizsgált összetevők (a bélhám védelmi funkcióinak károsodása, az antigén-prezentáló sejtek valamint a T-és B-sejtek működésének megfigyelt eltérései) mellett a GALT veleszületett limfoid sejtjei és a strukturált nyirokszövetek fejlődéstani folyamatai milyen szerepet játszhatnak a fokozott immunológiai válaszkészség fenntartásában ezen kórképekben. Az Nkx2-3 homeodomén transzkripciós faktor szövet-specifikus fejlődéstani szabályzó hatást fejt ki a lép és a GALT kialakulásában. Kísérletileg indukált bélgyulladások lefolyására gyakorolt hatása egyelőre ismeretlen. Nkx2-3-hiányos egéren végzett kísérletekkel kívánjuk vizsgálni a különböző mértékű Nkx2-3 hiány hatásait a bél, lép és hasüregi nyirokszövetek veleszületett limfoid homeosztázisára és recirkulációs jellemzőire, valamint az orális tolerancia kialakítására. Emellett szintén vizsgáljuk, hogy kísérletileg indukált bélgyulladásban az eltérő mértékű Nkx2-3 hiány hogyan befolyásolja a bélnyálkahártya génexpressziós mintázatát. Ezeket az eltéréseket referenciaként használjuk annak meghatározására, hogy IBD betegekből származó minták feldolgozása során kimutathatók-e hasonló eltérések Az Nkx2-3 in vivo hatásainak vizsgálata a GALT szövet-kialakulás újabb részleteinek megértése mellett elősegítheti gyulladásos bélbetegségekben az Nkx2-3 gén kifejeződéséhez kapcsolódó új terápiás célpontok meghatározását is.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett kutatás egy új kísérleti modellt és elméleti megközelítést alkalmaz a krónikus bélgyulladások lefolyásának vizsgálatára. Egy új, különböző Nkx2-3 kifejeződést mutató in vivo egér modell felhasználásával vizsgáljuk a veleszületett limfoid sejtek homeosztázisát és hasüregi nyirokszövet (lép, bél, hashártya) képződésének jellemzőit, és humán bélbiopsziás minták párhuzamos vizsgálatával összehasonlíthatjuk a gyulladásokra jellemző génexpressziós mintázatokat. Az Nkx2-3 gén nukleotid-polimorfizmusok Crohn-betegségben és colitis ulcerosaban leírt előfordulása miatt in vitro és megfelelő in vivo vizsgálatokra egyaránt szükség van ezen transzkripciós faktornak az IBD lefolyásában betöltött szerepének meghatározásához. Figyelembe véve az Nkx2-3 szerepét a bél-asszociált nyirokszövetek kialakulásában valószínűsíthető, hogy az Nkx2-3 hatása kapcsolódik a bél-asszociált nyirokszövet különböző összetevőinek születés utáni fejlődéséhez is, amik között a veleszületett limfoid sejtek elősegíthetik a nyirokszövet-indukciót és befolyásolhatják az adaptív T- és B limfociták működését. Lehetséges cél-szövetként a kriptoplakkok és izolált nyiroktüszők érésére fejthet ki hatást, melyek fokozott aktivitása szerepet játszhat a bélflórával szembeni immunológiai egyensúly IBD-re jellemző felborulásában. Nyugvó/indukálható nyirokszöveti előalak jellegzetességeik miatt ugyanezen szövetek szerepet játszhatnak a bél-nyálkahártya (MALT)-limfómák kórtanában is, ezért a bél nyirokszöveteinek organogenezisére vonatkozó új elméleti ismeretek egyúttal elősegíthetik ennek a betegségcsoportnak a hatékonyabb kezelését is.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A javasolt kutatás célja a fiatalokban is gyakran előforduló, immunológiai alapú krónikus megbetegedések közé tartozó gyulladásos bélbetegségek (IBD) komplex állatkísérletes és humán pathológiai vizsgálata. A bélfalban előforduló és más hasüregi nyirokszövetek fejlődésében számos sejt vesz részt, melyek pontos szerepe és eltérései az IBD kialakulásában nem ismertek. Az egyik fontos DNS-kötő fehérje (Nkx2-3) több – egyelőre azonosítatlan - gén működésének befolyásolásán keresztül fejtheti ki hatását. Ezen fehérjét a kódoló gén hiányában nem képző egérben kísérletileg kiváltott bélgyulladás vizsgálata és IBD-s betegek bélmintáin párhuzamosan végzendő kutatásaink lehetőséget nyújtanak a fehérje szerepének pontosabb meghatározására a betegség lefolyásában. Az összehasonlító vizsgálataink révén olyan Nkx2-3-hoz kapcsolt géneket azonosíthatunk, melyek szerepet játszhatnak a humán megbetegedés lefolyásában is. Vizsgálatainkban a helyi immunválaszok lebonyolítására specializálódott komplex nyirokszövetek in vivo elváltozásait tanulmányozzuk közvetlenül a természetes környezetükben, ezért úgy gondoljuk, hogy kutatásaink olyan új eredményeket szolgáltatnak, melyek elősegítik a gyulladásos bélbetegségek részletesebb diagnosztikáját és hatékonyabb terápiáját.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The lymphoid tissues formed in the intestinal mucosa play important roles in the immunological defense against gut microbiota and also in the simultaneous establishment of oral tolerance towards alimentary carbohydrates and protein compounds. Chronic inflammatory bowel diseases (IBD) induced by enteric pathogens in several ethnic and geographical populations are associated with lymphoid neo-organogenesis, in which processes innate lymphoid cells (ILCs) and innate-like lymphocytes (ILLs) may exert important influences. Various forms of IBD are also coupled with an aberrant expression of Nkx2-3 homeodomain transcription factor; however, currently there is no available animal model which could directly address this factor’ role in the function of ILC/ILL cells and the homeostasis of mucosal lymphoid tissues.
In our work we will develop a complex in vivo experimental model for the ontogenic, structural, gene transcriptional and functional analysis of relationship between Nkx2-3 expression and IBD, including comparative analysis with human samples. The aims of our work include clarifying the role of Nkx2-3 in (1) maturation of gut-associated lymphoid tissues, (2) the homeostasis and recirculation of visceral (spleen, gut-associated and peritoneal) ILC/ILL cells using a novel cellular tracing approach. We will also investigate the role of Nkx2-3 in (3) establishing oral tolerance and (4) the onset of hapten-induced colitis. Comparison of gene expression pattern in experimental colitis between wild-type and Nkx2-3-deficient mice will be used to (5) search for similar altered gene expression in humans with IBD or healthy controls.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Crohn’s disease and ulcerative colitis are two common forms of chronic relapsing inflammatory bowel diseases, resulting from dysregulated response of intestinal immune system to intraluminal bacterial antigens. This response may be a consequence of the breakdown of the balance between the protective versus harmful bacteria. It is unknown whether the development of gut-associated lymphoid tissues (GALT) and the homeostasis of innate lymphoid cells may also be involved in the maintenance of increased immunological responsiveness in the intestines in IBD, in addition to the multitude of cellular alterations in epithelial barrier, antigen presenting cells, T and B cell subsets. Nkx2-3 homeodomain-containing transcription factor exerts tissue-specific developmental functions influencing spleen and GALT formation. Its role in modulating experimental colitis has not been addressed. Using mice deficient for Nkx2-3 in various in vivo models we wish to investigate how various degrees of Nkx2-3 deficiency affect the innate lymphoid homeostasis and homing characteristics in the gut, spleen and peritoneal lymphoid compartments, and also the establishment of oral tolerance. In addition, we will also determine how the absence of Nkx2-3 influences the onset and gene expression signature in experimental colitis. This data set will be used as a reference to correlate with human IBD patients' samples. Understanding the role of Nkx2-3 in vivo may broaden not only our understanding of the postnatal histogenesis of GALT, but it also may offer potential intervention strategies to ameliorate diseases associated with perturbed Nkx2-3 expression.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The proposed research utilizes a new experimental model and approach for the analysis of inflammatory bowel diseases (IBD). Using parallel in vivo murine studies with different level of Nkx2-3 deficiency we will study the homeostasis of innate lymphoid cells and the formation of visceral lymphoid organs (spleen, intestines, peritoneum), and comparison of gene expression patterns with human biopsy samples, common gene expression interactions are envisaged. As Nkx2-3 SNPs were found to be associated with Crohn’s disease and ulcerative colitis, both in vivo and in vitro studies are needed to determine the potential pathological significance of this transcription factor in these common forms of IBD. Considering its in vivo role in murine GALT development, it is very likely that these effects are at least partly related to postnatal lymphoid tissue formation, in which processes innate lymphoid cells may both promote lymphoid tissue formation and influence T-B functions. As possible candidates, cryptopatches (CPs) and isolated lymphoid follicles (ILFs) are expected to be influenced, and their excessive activity/differentiation may be an underlying reason for disbalanced immune reactivity against intestinal microbiota, a hallmark of IBD in humans. Furthermore, as dormant sites for ectopic lymphoid hyperplasia in the intestines, CPs transforming into ILFs may also influence the pathogenesis of MALT lymphomas, therefore both academic understanding of these tissues and their pathogenic roles in chronic inflammations also have a direct bearing on related diseases.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The proposed research is aimed at studying inflammatory bowel diseases (IBD), a group of chronic relapsing diseases of gut with immunological background with frequent occurrence in young individuals by employing animal experimentations and human sample analyses. In the development of lymphoid tissues associated with the gut and other abdominal lymphoid organs (spleen and peritoneum) several cell types participate; however, their roles and functional impairments in IBD are unknown. One important factor that may influence these cells is Nkx2-3, a protein that binds to specific sequences within DNA, thus possibly influencing the function of several target genes. Using parallel in vivo studies on mice that lack this protein and correlating it with human gut biopsy material, our research offers an opportunity to investigate the role of this protein in the onset of IBD. As this protein may act through the regulation of several target genes that are as yet unidentified, by comparing the course of experimental gut inflammation between these mutants and normal wild-type mice we can identify such target genes that may contribute to the human illnesses. In our studies we will investigate the formation of complex lymphoid tissues and the homeostasis of their lymphoid subsets in various experimental conditions directly at their natural sites; therefore we believe that our approach will result in new data that can be exploited to devise more detailed diagnosis and more effective therapy for human IBD.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A gyulladásos bélbetegségekért felelős genetikai tényezők egyike az Nkx2-3 transzkripciós faktor. Kutatásunk célja az Nkx2-3 eltérések hatásának vizsgálata volt az egér bél-asszociált és más nyirokszövetek fejlődésére és szerkezetére, valamint kísérletes bél-gyulladás és orális tolerancia kiváltására. Eddig egyedül a MAdCAM-1 addresszin promoter-régióját azonosították lehetséges cél-génként, ezért kísérleteinkben MAdCAM-1 hiányos (KO) egereket is vizsgáltunk. Nkx2-3 hiányában a Peyer-plakkokban MAdCAM-1 helyett a nyirokcsomókra jellemző PNAd jelenik meg a limfocita-recirkulációban részt vevő magas endothelű venulákon, amihez limfotoxin-béta receptorra van szükség. A vastagbél izolált nyiroktüsző-fejlődése Nkx2-3-hiányos egérben gátolt, de enyhébb mértékben, mint MAdCAM-1 KO egérben. Egér vastagbélben az Nkx2-3+ sejtekre az EpCAM-1-/CD45-, VAP-1+/PDGF-R+ fenotípus jellemző, emberben a lép vörös pulpa Nkx2-3+ sejtek aSMA-/CD34-/vWF+/CD31+ fenotípusúak, a vastagbélben részleges aSMA/CD34/vWF/MSA-kifejeződést mutattak. Nkx2-3 hiányában a DSS-indukált bél-gyulladás enyhébb volt, amivel együtt emelkedett ILC3 és Th17 sejt-gyakoriságot figyeltünk meg, fokozott hámsejt-osztódással, IFNg és IL-22 termeléssel, ugyanakkor a protektív IL-22 gátlása nem súlyosbította a bélgyulladást. Nkx2-3- egérben a MAdCAM-1 KO egérrel szemben az orális tolerancia kiváltható, és fokozott Treg előfordulással jár. B-sejtekben az IgH-Nkx2-3 transzlokáció marginális zóna limfóma kialakulásához vezet.
Results in English
One the genetic factors responsible for inflammatory bowel diseases is Nkx2-3 transcription factor. Our aim was to study the effects of the deviations of Nkx2-3 expression on the development and structure of intestinal and other lymphoid tissues, and the inducibility of experimental colitis and oral tolerance. As the sole target gene identified for Nkx2-3 is the promoter region of MAdCAM-1, we also studied mice lacking this addressin (MAdCAM-1 KO). In the absence of Nkx2-3 high endothelial venules in Peyer's patches involved in lymphocyte homing expressed PNAd characteristic for lymph nodes, in a process requiring lymphotoxin beta receptor. The maturation of isolated lymphoid follicles was blocked in Nkx2-3-deficient mice, which was more severe in MAdCAM-1 KO mice. In murine colon Nkx2-3+ cells had EpCAM1-/CD45-/VAP-1+/PDGF-R+ phenotype, in human splenic red pulp the Nkx2-3+ cells displayed aSMA-/CD34-/vWF+/CD31+ phenotype, in the colon in a mixed manner aSMA/CD34/vWF/MSA phenotype. In the absence of Nkx2-3 DSS-induced colitis had a milder course, coupled with increased frequency of ILC type 3 and Th17 cells, with augmented epithelial proliferation and production of IFNg and IL-22, although the inhibition of protective IL-22 did not worsen the onset of colitis. In contrast to MAdCAM-1 KO mice, in Nkx2-3-deficient animals oral tolerance could be established, associated with increase of Treg number. In B cells IgH-Nkx2-3 translocation led to marginal zone B-cell lymphoma.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=108429
Decision
Yes





 

List of publications

  
Boros É, Kellermayer Z, Balogh P, Strifler G, Vörös A, Sarlós P, Vincze Á, Varga C, Nagy I.: Elevated Expression of AXL May Contribute to the Epithelial-to-Mesenchymal Transition in Inflammatory Bowel Disease Patients., Mediators Inflamm. doi: 10.1155/2018/3241406., 2018
Vojkovics D, Kellermayer Z, Kajtár B, Roncador G, Vincze Á, Balogh P.: Nkx2-3 - A Slippery Slope From Development Through Inflammation Toward Hematopoietic Malignancies., Biomark Insights. doi: 10.1177/1177271918757480., 2018
Kellermayer Z, Mihalj M, Lábadi Á, Czömpöly T, Lee M, O'Hara E, Butcher EC, Berta G, Balogh A, Arnold HH, Balogh P.: Absence of Nkx2-3 homeodomain transcription factor reprograms the endothelial addressin preference for lymphocyte homing in Peyer's patches., J Immunol. 193(10):5284-93., 2014
Kellermayer Z, Vojkovics D, Balogh P: Innate lymphoid cells and their stromal microenvironments., Immunol Lett doi: 10.1016/j.imlet.2017.04.008., 2017
Kellermayer Z, Vojkovics D, Balogh P: Innate lymphoid cells and their stromal microenvironments., Immunol Lett doi: 10.1016/j.imlet.2017.04.008., 2017
Kellermayer Z, Fisi V, Mihalj M, Berta G, Kóbor J, Balogh P: Macrophage Receptor MARCO Is Trapped in Conduits Formed by Follicular Dendritic Cells in the Spleen., J Histochem Cytochem 62:436-449, 2014
Kellermayer Z, Hayasaka H, Kajtár B, Simon D, Robles EF, Martinez-Climent JA, Balogh P.: Divergence of Vascular Specification in Visceral Lymphoid Organs-Genetic Determinants and Differentiation Checkpoints., Int Rev Immunol. DOI:10.3109/08830185.2015.1059427, 2015
Kellermayer Z, Mihalj M, Lábadi Á, Czömpöly T, Lee M, O'Hara E, Butcher EC, Berta G, Balogh A, Arnold HH, Balogh P.: Absence of Nkx2-3 homeodomain transcription factor reprograms the endothelial addressin preference for lymphocyte homing in Peyer's patches., J Immunol. 193(10):5284-93., 2014
Robles EF, Mena-Varas M, Barrio L, Merino-Cortes SV, Balogh P, Du MQ, Akasaka T, Parker A, Roa S, Panizo C, Martin-Guerrero I, Siebert R, Segura V, Agirre X, Macri-Pellizeri L, Aldaz B, Vilas-Zornoza A, Zhang S, Moody S, Calasanz MJ, Tousseyn T, Broccardo C, Brousset P, Campos-Sanchez E, Cobaleda C, Sanchez-Garcia I, Fernandez-Luna JL, Garcia-Muñoz R, Pena E, Bellosillo B, Salar A, Baptista MJ, Hernandez-Rivas JM, Gonzalez M, Terol MJ, Climent J, Ferrandez A, Sagaert X, Melnick AM, Prosper F, Oscier DG, Carrasco YR, Dyer MJ, Martinez-Climent JA.: Homeobox NKX2-3 promotes marginal-zone lymphomagenesis by activating B-cell receptor signalling and shaping lymphocyte dynamics., Nature Communications doi:10.1038/ncomms11889, 2016
Kellermayer Z, Hayasaka H, Kajtar B, Simon D, Robles EF, Martinez-Climent JA, Balogh P: Divergence of Vascular Specification in Visceral Lymphoid Organs-Genetic Determinants and Differentiation Checkpoints., Int Rev Immunol, 2015




 

Events of the project

  
2023-05-25 13:53:05
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Immunológiai és Biotechnológiai Intézet (Pécsi Tudományegyetem), Új kutatóhely: Klinikai Központ-Szentágothai János Kutató Központ (Pécsi Tudományegyetem).



Back »