Biology of Allergy Related Cytokines Interleukin 4 and 13 Across Multiple Cell Types

Abstract

Länsimaissa allergiat ovat yleistyneet, mutta allergisen reaktion solu- ja molekyylitason syntymekanismi on vielä osittain epäselvä. Sytokiinit, solujen väliset viestijämolekyylit, ovat keskeisessä asemassa lähes kaikissa immunologisissa tapahtumissa, ja sytokiiniympäristö määrittääkin pitkälle tulehduksen luonnetta. Allergeenin kohdatessa epiteelin, useat eri solutyypit erittävät monihaaraisen ketjureaktion seurauksena tyypillisiä allergisen ympäristön sytokiineja, kuten interleukiini (IL)-4:ää ja -13:a, jotka siten säätelevät allergista tulehdusta. Väitöskirjani koostuu kolmesta osatyöstä, joiden yhteinen tavoite on ymmärtää paremmin allergiseen tulehdukseen liitettyjen sytokiinien ja niiden signalointireittien vaikutusta eri myeloisten solutyyppien toimintoihin sekä okasolusyövän kehitykseen.

Ensimmäinen osatyöni käsittelee allergiseen tulehdukseen ja anafylaktiseen kohtaukseen keskeisesti osallistuvia soluja, basofiilejä ja syöttösoluja. Näille soluille on yhteistä muun muassa niiden aktivoituminen immunoglobuliini E -välitteisesti. Aktivaation seurauksena nämä solut vapauttavat granulansa sisältään aiheuttaen allergialle tyypillisiä oireita, kuten hengitysoireita ja liman eritystä. Ensimmäisen osatyön tavoite onkin tutkia näiden kahden solutyypin vastetta IL-4:lle ja IL-13:lle ja havainnoida eroja näiden solutyyppien välillä allergisessa ympäristössä. Tutkimuksen päätulos on, että syöttösolut eivät reagoi IL-13 sytokiinille, mutta basofiilit reagoivat.

Toisessa osatyössä tutkin neutrofiilejä, jotka ovat osa synnynnäisen immuunijärjestelmän ”ensiapuryhmää” saapuen ensimmäisenä tulehduspaikalle. Neutrofiilien rooli allergisessa tulehduksessa on kuitenkin ristiriitainen. Näin ollen toisen osatyön tavoite onkin tutkia, minkälaisia geenitason vasteita neutrofiileillä on allergisessa tulehdusympäristössä sekä vaikuttaako IL-4 ja IL-13 neutrofiilien energiantuottoon. Tutkimuksessa havaittiin, että neutrofiilit reagoivat IL-4:lle ja IL- 13:lle, ja näiden aikaansaama geenien ilmentyminen poikkeaa interferoni (IFN)-y:n aikaansaamasta vasteesta. Lisäksi IL-4:n havaittiin laskevan glykolyysin tehokkuutta, mikäli happea vaativa mitokondriaalinen hengitys on estetty.

Kolmannessa osatyössäni tutkin immuunijärjestelmän puolustusmekanismien säätelyä kasvainten muodostumisessa. Vaikka IL-13:n signalointi liitetään vahvasti allergiseen tulehdukseen, linkki tämän sytokiinin ja kokeellisen okasolusyöpämallin välillä oli havaittu aiemmin. Tämän osatyöni tarkoitus on selvittää, millä tavoin IL-4:n ja IL-13:n signalointi on mukana papilloomien muodostumisessa sekä immuunijärjestelmää säätelevien solujen toiminnassa kokeellisessa ihosyövässä. Tutkimuksen päätulos on, että näiden sytokiinien signaloinnissa käyttämä reseptorin osatekijä IL-13Rα1 suojaa papilloomien muodostumiselta. Lisäksi tutkimuksessa havaittiin, että IL-13Rα1 puutos sai aikaan regulatoristen T solujen määrän lisääntymisen.

In Western countries, allergies have become more common, but the cellular and molecular mechanism of the allergic reaction is still partly unclear. Cytokines, messenger molecules between cells, play a central role in immunity, and the cytokine environment largely determines the nature of inflammation. When the allergen encounters the epithelium, different cell types secrete typical cytokines of the allergic environment, such as interleukin (IL)-4 and -13, as a result of a multi-branched chain reaction, which thus regulates allergic inflammation. My dissertation consists of three parts, the common goal of which is to better understand the effect of cytokines associated with allergic inflammation and their signaling pathways on the functions of different myeloid cell types and the development of cutaneous squamous cell carcinoma.

My first study deals with basophils and mast cells, which play a key role in allergic inflammation and anaphylaxis. These cells have in common, among other things, their activation via immunoglobulin E. As a result of activation, these cells release their granule contents, causing typical symptoms of allergic disorders, such as respiratory symptoms and mucus secretion. The goal of the first study was to investigate the response of these two cell types to IL-4 and IL-13 and to observe the differences between these cell types in an allergic environment. The main result of the study is that mast cells do not respond to IL-13 cytokine, but basophils do.

In the second part of the work, I study neutrophils, which are part of the "first aid team" of the innate immune system, arriving first at the site of inflammation. However, the role of neutrophils in allergic inflammation is controversial. Therefore, the goal of the second study was to investigate what kind of gene-level responses neutrophils have in an allergic inflammatory environment and whether IL-4 and IL-13 affect the metabolism of neutrophils. The study found that neutrophils respond to IL-4 and IL- 13, and the gene expression induced by these differs from the response induced by interferon (IFN)- y. In addition, IL-4 was found to decrease the efficiency of glycolysis if aerobic mitochondrial respiration is inhibited.

In my third study, I examined the regulation of the defense mechanisms of the immune system in tumor development. Although IL-13 signaling is strongly associated with allergic inflammation, a link between this cytokine and an experimental model of cutaneous squamous cell carcinoma has previously been observed. The purpose of this third part of my work was to find out how the signaling of IL-4 and IL-13 is involved in the formation of papillomas and the function of immune system regulating cells in experimental skin cancer. The main result of the study shows that IL-13Rα1, a component of the receptor used in the signaling of these cytokines, protects against the formation of papillomas. In addition, the study found that IL-13Rα1 deficiency caused an increase in the number of regulatory T cells.