 |
Molecular determinants of NLRP3 inflammasome function in pro-inflammatory and anti-inflammatory human macrophages.
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
109429 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Benkő, Szilvia |
| Title in Hungarian |
Az NLRP3 inflammoszóma működésének molekuláris tényezői inflammatorikus és anti-inflammatorikus makrofágokban |
| Title in English |
Molecular determinants of NLRP3 inflammasome function in pro-inflammatory and anti-inflammatory human macrophages. |
| Keywords in Hungarian |
makrofág, inflammoszoma, jelátvitel, génexpresszió, gyulladás, ATP, ROS, IL-1beta, IL-18, NLRC5, Nod-like receptor, LPS, pollen, poszttranszlációs módosítás, T limfocita polarizáció |
| Keywords in English |
macrophage, inflammasome, signaling, gene expression, inflammation, ATP, ROS, IL-1beta, IL-18, NLRC5, Nod-like receptor, LPS, pollen, posttranslational modification, T lymphocyte polarization |
| Discipline |
| Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences) | 50 % | | Ortelius classification: Molecular biology | | Immunology (Council of Medical and Biological Sciences) | 40 % | | Ortelius classification: Immunology | | General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % | | Ortelius classification: Biochemistry |
|
| Panel |
Molecular and Structural Biology and Biochemistry |
| Department or equivalent |
Department of Physiology (University of Debrecen) |
| Participants |
Bácsi, Attila
Budai, Marietta Margit
Csernoch, László József
Jenei, Attila Péter
Szabó, Judit Éva
Szentandrássyné Gönczi, Mónika
Tőzsér, József
Varga, Alíz
Varga, Diána
Veres, Adrienn Judit
|
| Starting date |
2014-01-01 |
| Closing date |
2017-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
23.792 |
| FTE (full time equivalent) |
9.50 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az Nlrp3 inflammoszóma az egyik legjobban tanulmányozott Nod-like receptor komplex, amely az IL-1béta és IL-18 citokinek éréséért felelős. A komplex expresszióját, összeállását és aktivációját számos tényező befolyásolja, így például az extracelluláris ATP, intracelluláris ion koncentráció, reaktív oxigén gyökök, citokinek (például IL-10), és saját eredményeink szerint pollen kivonat is. Nemrég az NLR család egy új tagjának, az NLRC5 a szerepét is leírták az Nlrp3 inflammoszóma aktiválásában és az IL-1béta termelésében. A makrofágok az IL-1béta termelés fő forrásai közé tartoznak, különböző altípusai ugyanakkor más-más funkciókkal jellemezhetők. A GM-CSF ill. M-CSF jelenlétében differenciáltatott makrofágok „inflammatorikus” (GM-MF) ill. „anti-inflammatorikus” (M-MF) fenotípusúak. Az egyik legjelentősebb különbség köztük az IL-1béta termelés, az Nlrp3 inflammoszóma aktivációjának eltérő mechanizmusait azonban még nem vizsgálták. Munkánk során azon molekuláris tényezőket keressük és vizsgáljuk, melyek meghatározhatják az Nlrp3 inflammoszóma aktiválás és az IL1béta termelés különbségeit a két makrofág típus között. A vizsgálatokhoz TLR agonistákat, baktériumot és pollen kivonatot fogunk használni, melyek a velünk született immunitást kiváltó stressz faktorokat reprezentálják. Vizsgálni fogjuk az inflammoszóma komponenseink expresszióját, az IL-1béta/IL-18 érését az mRNS-től a szekretált fehérjéig, összehasonlítjuk az inflammoszóma aktiválását megelőző (upstream) tényezőket, amelyek a fenotípus kialakításában részt vehetnek, és az Nlrp3 fehérjére közvetlenül ható tényezőket, pl. poszttranszlációs módosítást vagy új kölcsönható partnert.
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.
Az Nlrp3 inflammoszóma aktiválása és az IL-1béta termelése több szinten szabályozott és specifikus körülményeket igényel. Ez a bonyolultság fontos része az immunrendszer biztonságos működésének, hiszen az IL-1béta „karmester” citokinként szabályoz számos velünk született- és szerzett immunfolyamatot. Bár a THP-1 sejtek általánosan használt modellek az inflammoszóma vizsgálatára, és jól használhatók fehérje kölcsönhatási vizsgálatokban, az eredményekből levont következtetések nem minden esetben felelnek meg a primer sejtek valós működésének. Jelenleg nincsenek olyan összehasonlító tanulmányok, amelyek az NLR fehérjék expresszióját és az Nlrp3 inflammoszóma működésének és aktiválásának molekuláris különbségeit vizsgálják GM-MF és M-MF között. Feltételezzük, hogy az Nlrp3 inflammoszóma működése jelentősen eltér egymástól ezekben a sejtekben. Azt azonban nem tudjuk, hogy milyen molekuláris tényezők határozzák meg ezeket a különbségeket. Sőt, az IL-1béta/IL-18 termelésének molekuláris mechanizmusa és az Nlrp3 inflammoszóma szerepe a viszonylag jól tanulmányozott gyulladásos betegségekben, mint például a pollen allergiában sem ismert. Bár az Nlrc5 szerepét nemrég összefüggésbe hozták az Nlrp3 infalmmoszóma működésével, a közlemények kis száma és a nem egységes modell- és körülményrendszer miatt, az Nlrc5 szerepe ezekben a folyamatokban nem tisztázott.
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 Nod-like receptor kutatás dinamikusan fejlődő tudományág. A megfelelő modell rendszer kiválasztása azonban sokszor nem egyértelmű. Bár a THP-1 humán monocitás leukámia sejtvonal általánosan használt az inflammoszóma vizsgálatokhoz, az így nyert eredmények nem minden esetben állnak párhuzamban a primer sejtek működésével, többek között azért, mert a THP-1 sejt PMA előkezelést igényel az IL-1béta termeléshez. Előkísérleti eredményeink alapvető különbségeket mutatnak IL-1béta termelés szempontjából a GM-CSF ill. M-CSF jelenlétében differenciáltatott makrofágok között. Ezért ezek a sejtek jó modellként szolgálnak a Nod-like receptorok expressziójának, működésének, és az Nlrp3 inflammoszóma működését meghatározó molekuláris tényezők vizsgálatára és összehasonlítására. Ezen kívül, mivel a tüdő epitél sejtjei nagy mennyiségű GM-CSF-t termelnek, a GM-MF jó modell lehet a légutakat érintő immunfolyamatok (pl. Mycobacterium fertőzés vagy pollen allergia) tanulmányozására. Eredményeink azt mutatják, hogy a pollen kivonat önmagában vagy TLR agonistával együtt jelentősen fokozza az IL-1béta termelést. Annak ellenére, hogy intenzív kutatások irányulnak a pollen indukálta allergiás rhinitis kutatására, nincsenek információk az NLR-ek lehetséges szerepéről ezekben a folyamatokban. Bár az Nlrc5 szerepét kapcsolatba hozták a gyulladásos folyamatokkal és az Nlrp3 inflammoszóma működésével, ezek a molekuláris viszonyok továbbra sem tisztázottak. Jelenleg nagy érdeklődés irányul az NLR-ek immunfolyamatokban, gyulladásban és betegségekben betöltött szerepére vizsgálatára. Az NLR család tagjainak működéséről szóló beszámolók rendszerint széles körű figyelmet váltanak ki a tudományos társadalomból. Az alapvetően eltérő immunválaszokkal rendelkező anti- és pro-inflammatorikus makrofágok továbbá terápiás beavatkozási pontok lehetnek olyan esetekben, amikor immunfolyamatok erősítése (például bakteriális fertőzés) vagy gyengítése (például pollen allergia) a cél. Ezen túlmenően, a krónikus gyulladásos betegségek megelőzése és gyógyítása fokozhatja a betegek életminőségét és növelheti élettartamát.
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.
Az IL-1béta „karmester” gyulladásos citokin, melynek nélkülözhetetlen szerepe van a patogének elleni (influenza, malária, hepatitisz) velünk született és a szerzett immunfolyamatok összehangolásában. Szerepe van továbbá a daganatos megbetegedésekben, autoimmun betegségekben és allergiás folyamatokban is. A Világ Egészségügyi Szervezete (WHO) az allergiás rhinitis-t a negyedik leggyakoribb krónikus betegségek közé sorolja, amely az emberi populáció 20%-át érinti. A krónikus gyulladásos betegségben szenvedő egyedek életminősége idővel jelentősen romlik és életük hossza is csökken a daganatos betegségek kialakulásának fokozottabb hajlama miatt. Az IL-1béta termelést szigorúan szabályozó, összetett rendszer molekuláris mechanizmusainak jobb megismerése segítene ezen betegségek megelőzésében és kezelésében. Munkánk az Nlrp3 inflammoszóma működésének részletesebb megismerésére irányul. Ez a fehérje komplex szabályozza az IL-1béta és IL-18 termelést az immunfolyamatokra specializálódott sejtekben, mint a makrofágokban és dendritikus sejtekben. A tervezett munkával reményeink szerint az inflammoszóma működésének új aspektusait ismerhetjük meg és jobban megismerhetjük az inflammoszóma szerepét a TLR ligandok, a bakteriális fertőzések, és a pollen indukálta citokin termelések mögött. Kutatásaink továbbá új terápiás célpontokat nyithatnak a fertőző betegségek és a pollen allergia kezelésében. Az alapvetően eltérő immunválaszokkal rendelkező anti- és pro-inflammatorikus makrofágok terápiás beavatkozási pontok lehetnek olyan esetekben, amikor immunfolyamatok erősítése (például fertőzés) vagy gyengítése (például pollen allergia) a cél.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
One of the most studied Nod-like receptor (NLR) complexes is the Nlrp3 inflammasome that is responsible for the maturation of IL-1β and IL-18 cytokines. The expression, assembly and activation of the complex is regulated by several factors like extracellular ATP, intracellular ion concentrations, reactive oxygen species, also by cytokines like IL-10, and based on our findings, by pollen extract, as well. Recently, Nlrc5, a new member of the NLR family, has been reported to influence Nlrp3 inflammasome activity and IL-1β production. Macrophages are among the major sources of IL-1β, however, their different subtypes possess different functions. Macrophages differentiated in the presence of GM-CSF or M-CSF develop to “inflammatory” (GM-MF) or “anti-inflammatory” (M-MF) phenotypes, respectively. One of the most striking differences between them is IL-1β production, however, the distinct molecular mechanisms of Nlrp3 inflammasome activation in the two MF types has not been characterized. We plan to compare and identify molecular determinants that define Nlrp3 inflammasome activity in the two MF types by using TLR agonists, bacteria and pollen extract, as models for innate immunity challenges. We will study the expression of inflammasome components, the maturation of IL-1β and IL-18 from mRNA to the secreted cytokines, and we will compare the effect of upstream factors in order to see their contribution to the observed phenotypes. Furthermore, we aim to study the possible direct regulatory effects like posttranslational modifications or new interacting partners of Nlrp3 which influences IL-1β production and innate immune responses, also the shaping of adaptive immune responses.
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.
The activation of Nlrp3 inflammasome and IL-1β production is regulated at several levels and requires specific conditions. This complexity is part of the safety feature of the immune system since IL-1β is a “master” cytokine that regulates several innate and adaptive immune responses. Although THP-1 cell line is commonly used to investigate inflammasome activation, and can be utilized for protein interaction studies, results obtained on them cannot be directly extrapolated to primary cells. Today there are no comparative studies addressing expression of NLR proteins, and molecular differences in Nlrp3 function and activation in GM-MFs and M-MFs. We experienced that IL-1β production is dramatically higher in GM-MFs compared to M-MFs. We hypothesize that Nlrp3 inflammasome function is fundamentally different in these cell types. Nevertheless, it is not known what molecular determinants define the striking differences. Furthermore, the molecular mechanisms of IL-1b/IL-18 production even in well characterized inflammatory disorders, like pollen allergy, are poorly understood and the role of NLRs /Nlrp3 inflammasome has not been studied. Though Nlrc5 has recently been implicated in inflammatory responses including Nlrp3 inflammasome function, due to the very few publications and the inconsistent model systems and conditions, the involvement of Nlrc5 in these processes is not clear.
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.
Nod-like receptor research represents a dynamically progressing field. However, finding suitable model systems for human research is sometimes limited. Although human monocytic leukemia cell line THP-1 is commonly used to investigate inflammasome activation, results obtained on them cannot be directly extrapolated to primary cells, as IL-1β release from THP-1 cells require priming with PMA. Our preliminary results show substantial differences in IL-1β production between macrophages differentiated in the presence of GM-CSF or M-CSF. Hence, these cells provide excellent models to study and compare Nod-like receptor expression, function, also molecular factors and mechanisms of Nlrp3 inflammasome activity. Furthermore, since lung epithelial cells produce high amount of GM-CSF, this GM-MF type could be a suitable model to study immune responses related to the respiratory system, like Mycobacterial infection or pollen allergy. Our results show strong evidence that pollen extract alone or in collaboration with TLR agonists strongly induces the production of IL-1β. Despite the intensive studies focusing on pollen induced allergic rhinitis, there is no information about the possible role and participation of Nod-like receptors in the mediation of this process. Though Nlrc5 has recently been implicated in inflammatory responses, even in Nlrp3 inflammasome function, the Nlrc5 field and the molecular connections are not clear. There is presently a considerable interest in understanding the role of NLRs in innate immunity, inflammation and human diseases. Results obtained by studying the function of NLR family members are expected to attract a broad attention in the scientific community. The substantially different innate immune response of anti- and pro- inflammatory MFs provide a suitable therapeutic intervention point for boosting (like in case of bacterial infection) or attenuating (like in pollen allergy) the innate immune response. Furthermore, prevention or cure of chronic inflammatory diseases could give better quality of life and could extend lifespan of the patients.
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.
IL-1β is a “master” pro-inflammatory cytokine that has indispensable role in effective innate and adaptive immune responses against invading pathogens and microorganisms like in influenza, malaria or hepatitis. It has been related to cancer development, autoimmune disease and allergic reactions as well. World Health Organization (WHO) classifies allergic rhinitis as the 4th most important chronic disease in the world that affects approximately 20% of the human population. Furthermore, people with chronic inflammatory disease live lower quality of life and can have shorter lifespan due to the higher probability of cancer development. Better understanding of the molecular mechanisms behind the complex system that tightly regulates IL-1β production would help to prevent and treat these diseases. Our research plan focuses on the detailed functional characterization of Nlrp3 inflammasome, the protein complex that regulates IL-1β production in specialized immune cells like macrophages and dendritic cells. With the proposed work, we hope to reveal new aspects of inflammasome activation, and to better understand the role of inflammasome and its modulators in TLR ligand, bacterial and viral induced, as well as pollen-triggered cytokine production. The studies may also provide molecular bases for new therapeutic approaches in infectious diseases and pollen allergy. The substantially different innate immune responses of anti- and pro- inflammatory macrophages provide a suitable therapeutic intervention point to either boost (like in case of bacterial infection) or attenuate (in pollen allergy) the innate immune response.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
