TRPA1 in Skin and Lung Inflammation

Abstract

Transient Receptor Potential Ankyrin 1 (TRPA1) on solukalvon ionikanavaproteiini, joka tunnetaan parhaiten sensoristen hermosolujen kipukanavana ja neurogeenisen tulehduksen välittäjänä. TRPA1:n on kuitenkin havaittu ilmentyvän myös muissa kuin hermosoluissa. Tämän väitöstutkimuksen tavoitteena oli tutkia TRPA1-ionikanavan ilmentymistä ja ilmentymisen säätelyä ihon ja keuhkojen epiteelisoluissa sekä selvittää TRPA1:n vaikutuksia tulehdusvasteeseen näissä soluissa.

Ihon epiteelin mallina käytettiin HaCaT-keratinosyyttisolulinjaa ja keuhkoepiteelin mallina A549-solulinjaa. Havaitsimme, että TRPA1 ilmentyy sekä ihmisen ihon että keuhkojen epiteelisoluissa. Keskeinen tulehdussytokiini tuumorinekroositekijä alfa (TNF-α) merkittävästi lisäsi TRPA1:n ilmentymistä ihon epiteelisoluissa. Vastaavasti keuhkoepiteelisoluissa TNF-α:n ja interleukiini 1 beetan (IL-1β:n) yhdistelmän havaittiin lisäävän TRPA1:n ilmentymistä. Tähän yhdistelmään lisättynä alaluokan 1 auttaja-T-lymfosyyttien (Th1-solujen) tuottama interferoni gamma (IFN-γ) ja alaluokan 2 auttaja-T-lymfosyyttien (Th2-solujen) tuottama interleukiini 4 (IL-4) vaikuttivat vastakkaisesti TRPA1:n ilmentymiseen; IFN-γ voimisti TRPA1:n ilmentymistä, kun IL-4 puolestaan vaimensi TRPA1:n ilmentymisen kontrollitasolle.

Tutkimuksessa tunnistettiin myös uusia TRPA1:n ilmentymistä sääteleviä solusignalointireittejä. Näitä olivat TNF-α:n aktivoima NF-kappa B (NF-κB) sekä mitogeeniaktivoituvat proteiinikinaasit p38 ja JNK. Kliinisessä käytössä olevien tulehdusta vaimentavien lääkeaineiden havaittiin myös säätelevän TRPA1:n ilmentymistä. Januskinaasin (JAK:n) estäjät barisitinibi ja tofasitinibi estivät IFN-γ:n ja IL-4:n vaikutukset TRPA1:n ilmentymiseen. Kalsineuriinin estäjät siklosporiini ja takrolimuusi estivät TNF-α:n lisäämää TRPA1:n ilmentymistä, ja glukokortikoidi deksametasoni vaimensi TRPA1:n ilmentymistä tulehdusstimulaation laadusta riippumatta.

Sytokiinien aikaansaaman tulehdustekijöiden, etenkin valkosoluja tulehduskudokseen houkuttelevien kemokiinien, tuotannon havaittiin olevan osin TRPA1-välitteistä. Näitä tekijöitä olivat monosyyttien kemoattraktiivinen proteiini 1 (MCP-1), interleukiini 8 (IL-8), kemokiini CXCL6 sekä lipokaliini 2 (LCN2).

Hyvin mielenkiintoinen löydös oli, että keskeisten virusvastetta käynnistävien sytokiinien, tyypin I interferonien, vaikutusten havaittiin olevan osin TRPA1-välitteisiä. Interferoni beetan (IFN-β:n) aikaansaama lukuisten antiviraalisten geenien ilmentyminen estyi suurelta osin TRPA1-estäjillä ihmisen keuhkoepiteelisoluissa. Esimerkiksi geenien MX1 (engl. MX dynamin like GTPase 1) ja DDX58 (engl. DEXD/H-box helicase 58; käytetään myös nimitystä retinoic acid-inducible gene I, RIG-I) ilmentyminen oli TRPA1-välitteistä.

Tutkimuksessa tunnistettiin ihmisillä allergista kosketusihottumaa aiheuttavan, mm. kosmetiikassa säilöntäaineena käytettävän metyyli-isotiatsolinonin (MIT:n) aktivoivan TRPA1-kanavaa. MIT:n aiheuttaman turvotusreaktion havaittiin olevan TRPA1-välitteistä ja TRPA1 vaikutti MIT:n aiheuttaman allergisen kosketusihottuman syntyyn kokeellisessa mallissa.

Väitöskirjatutkimuksen tulosten perusteella TRPA1 ilmentyy epiteelisoluissa, ja tulehdusreaktion tyyppi määrittelee TRPA1:n ilmentymisen tasoa. Tulehduksessa TRPA1 osallistuu keskeisten tulehdussytokiinien vasteisiin ja välittää erityisesti viruspuolustukseen liittyvien geenien sekä joidenkin tulehdusta voimistavien geenien ilmentymistä. TRPA1:n ilmentymisen vaimentaminen näyttää myös olevan osa eräiden jo käytössä olevien tulehdusta lievittävien lääkeaineiden vaikutusmekanismia. Tulehdusreaktio siis keskeisesti vaikuttaa TRPA1:een, ja TRPA1 myös tulehdusreaktioon. On mahdollista, että TRPA1:llä on merkittävä säätelyrooli ensilinjan puolustuksessa taudinaiheuttajia, erityisesti viruksia, vastaan; ja toisaalta TRPA1 on mahdollinen lääkevaikutuskohde tulehduksellisten iho- ja keuhkosairauksien hoitoon. Tulokset luovat pohjaa jatkotutkimuksille TRPA1:een kohdistuvaa lääkekehitystä edistettäessä ja samalla avaavat uuden tutkimuslinjan koskien TRPA1:n osuutta antiviraalisessa vasteessa. Tätä tulisi jatkossa paremmin ymmärtää, kun TRPA1:een vaikuttavia lääkeaineita tuodaan kohti kliinistä käyttöä.

Transient Receptor Potential Ankyrin 1 (TRPA1) ion channel has emerged during the past two decades not only as a sensory neuronal nociceptive channel, but also as a mediator of neurogenic inflammation. Non-neuronal TRPA1 expression has also been reported. The aim of the present study was to investigate TRPA1 expression in epithelial cells of the skin and lungs under inflammatory conditions, and to characterize the consequences of TRPA1 activation on their inflammatory response.

We found that TRPA1 was expressed in human HaCaT keratinocytes and in human A549 lung epithelial cells. The central inflammatory cytokine tumor necrosis factor alpha (TNF-α) significantly enhanced the expression of functional TRPA1 in human keratinocytes. Similarly in lung epithelial cells, TNF-α and interleukin 1 beta (IL-1β) upregulated TRPA1 expression. The T helper 1 (Th1) and T helper 2 (Th2)-related cytokines interferon gamma (IFN-γ) and interleukins 4 and 13 (IL-4 and IL-13), respectively, were found to have opposite effects on TRPA1 expression. Th1-type inflammation enhanced, and Th2-type inflammation decreased TRPA1 expression.

The effects of inflammation-related signaling pathways and selected anti-inflammatory drugs on TRPA1 expression were also studied. TNF-α-induced TRPA1 expression was mediated through NF-κB and the p38 and c-Jun N-terminal kinase (JNK) mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathways. The Janus kinase (JAK) inhibitors baricitinib and tofacitinib reversed the effects of IFN-γ and IL-4 on TRPA1 expression. The calcineurin inhibitors cyclosporine and tacrolimus downregulated TNF-α-induced TRPA1 expression. While the glucocorticoid dexamethasone had a wide-spectrum suppressive effect on TRPA1 expression independent of the type of inflammation.

TRPA1 was found to mediate the cytokine-induced production of inflammatory factors by epithelial cells, particularly chemokines, including monocyte chemoattractant protein 1 (MCP-1), interleukin 8 (IL-8), chemokine (C-X-C motif) ligand 6 (CXCL6) and lipocalin-2 (LCN2).

As an important finding, TRPA1 was discovered to be activated by and to mediate the effects of type I interferons in human lung epithelial cells. In a transcriptome- wide analysis, TRPA1 enhanced the expression of a wide range of antiviral genes but also inflammatory genes induced by interferon beta (IFN-β). These included key antiviral genes such as MX dynamin like GTPase 1 (MX1) and the pattern recognition receptor DEXD/H-box helicase 58 (DDX58, also known as RIG-I).

The contact sensitizer methylisothiazolinone (MIT) was characterized as a novel TRPA1 agonist and TRPA1 was found to be involved in mediating MIT-induced inflammatory edema and allergic contact dermatitis in <i>in vivo</i> models.

In conclusion, the present findings support a model where the type of inflammation determines the level of TRPA1 expression and function, which is a new concept. The results show that TRPA1 is involved in mediating the effects of key proinflammatory cytokines in epithelial cells to promote inflammation; and to enhance the expression of antiviral genes, which has not been previously described. The results underline the significance of TRPA1 as an effector and regulator of the first-line defense of skin and lung epithelial barrier. In addition, the results offer TRPA1 as a potential drug target to treat inflammatory conditions in the skin and lungs. The studies build a foundation for novel translational studies but also lead to new lines of inquiry especially on the role of TRPA1 in antiviral immunity, which should be better understood when targeting this channel for pharmacotherapy.