Mitogen-activated Protein Kinase Phosphatases in Inflammation and as Anti-inflammatory Drug Targets

Abstract

Immuunijärjestelmä on elintärkeä suojamekanismi ulkoisia uhkatekijöitä, kuten taudinaiheuttajia, vastaan. Immuunijärjestelmän solut sekä monet muut elimistön solut osallistuvat immuniteetin muodostamiseen tuottamalla monia tekijöitä, jotka säätelevät sekä immuunijärjestelmän että kudosten solujen toimintaa. Tulehdusreaktio liittyy monien sairauksien kulkuun ja usein on välttämätön sairauden paranemisessa ja syntyneiden elinvaurioiden korjaamisessa. Toisinaan tulehdusreaktio voi kuitenkin pitkittyä tai reaktio voi virheellisesti kohdistua elimistön omia kudoksia vastaan. Tällöin pitkittyneeseen ja väärin kohdistuneeseen tulehdusreaktioon liittyy kudostuhon eteneminen, joka usein johtaa pysyvien elinvaurioiden kehittymiseen.

Mitogeeniaktivoituvat proteiinikinaasifosfataasit (engl. mitogen-activated protein kinase phosphatases, MKPs) kuuluvat laajempaan kaksois-spesifisten fosfataasien (engl. dual specificity phosphatases, DUSPs) perheeseen. Tällä hetkellä tunnetaan 11 eri MKP-perheen fosfataasia, jotka eroavat toisistaan substraattispesifisyyden, solunsisäisen sijainnin ja kudosjakauman perusteella. MKP:t säätelevät mitogeeniaktivoituvien proteiinikinaasien (engl. mitogen-activated protein kinases, MAPKs) aktiivisuutta defosforyloimalle niiden treoniini- ja tyrosiini-tähteet kinaasin aktivaatioon liittyvässä rakenteessa. MAPK:t ovat solun sisäinen signalointijärjestelmä, jotka säätelevät monia tärkeitä toimintoja, kuten solun jakautumista, stressivastetta, apoptoottista solukuolemaa ja tulehdusta. MKP-1 on kiinnostava fosfataasi. Se ilmentyy laajasti eri solutyypeissä ja kudoksissa, ja sen ilmentyminen lisääntyy monien tekijöiden, kuten tulehdustekijöiden, solustressin ja kasvutekijöiden vaikutuksesta. Hiljattain on todettu, että lääkeaineista glukokortikoidit ja reumalääkkeenä käytettävä aurotiomalaatti sekä D-vitamiini lisäävät MKP-1:n ilmentymistä, ja tämä fosfataasi osin välittää näiden yhdisteiden tulehdusta rauhoittavan vaikutuksen. MKP-1 on yhdistetty tulehdussairauksien lisäksi mm. syöpään, aterosklerosiin ja diabetekseen. Toinen tulehdusreaktion kannalta mielenkiintoinen fosfataasi on MKP-5, mutta sen säätely ja vaikutukset tunnetaan huonosti.

Väitöskirjassa tutkittiin MKP-1:n ja MKP-5:n merkitystä tulehdusgeenien ilmentymisen ja tulehdusreaktion säätelijöinä. Lisäksi tutkittiin MKP-1:n osuutta fosfodiesteraasi (PDE)4-estäjä rolipraamin anti-inflammatoristen vaikutusten välittäjänä.

Tutkimuksessa havaittiin, että MKP-1 sääteli p38 MAPK:n ja JNK:n fosforylaatiota keuhkoepiteelin soluissa ja p38 MAPK:n fosforylaatiota makrofageissa. RNA-interferenssi -menetelmällä ja MKP-1 -poistogeenisiä eläimiä hyödyntävillä tutkimusmenetelmillä havaittiin, että MKP-1 vaimentaa tulehdustekijöiden tuottoa ja akuuttia tulehdusreaktiota. Solumalleissa tehdyissä kokeissa todettiin, että MKP-5 sääteli p38 MAPK:n fosforylaatiota ja tulehdustekijöiden TNF:n ja IL-6:n tuottoa makrofageissa. PDE4:n estäjä rolipraami lisäsi MKP-1:n ilmentymistä ja toisaalta vähensi TNF:n tuottoa makrofageissa ja tämä anti-inflammatorinen vaste oli vähäisempi MKP-1 -poistogeenisten hiirten makrofageissa. Rolipraami hillitsi myös karrageenin aiheuttamaa akuuttia tulehdusta kontrolli hiirissä, mutta ei MKP-1 -poistogeenisissä hiirissä. Näyttäsi että MKP-1 välittää PDE4-estäjä rolipraamin anti-inflammatorista vaikutusta, joka on uusi vaikutusmekanismi näille estäjille. Havainto edelleen alleviivaa MKP-1:n merkitystä tulehdusreaktiota vaimentavana ja anti-inflammatorisia lääkevasteita välittävänä tekijänä.

Tämä väitöskirja laajensi tietämystä tulehdusgeenien säätelystä ja tulehdusvasteesta sekä solunsisäiseen signaalinvälitykseen liittyvien tekijöiden, erityisesti MKP-perheen kahden fosfataasin MKP-1:n ja MKP-5:n merkityksestä inflammaatiossa ja anti-inflammatorisissa lääkevasteissa. Väitöskirjan tuloksia voidaan hyödyntää uusien tulehdusta vaimentavien lääkkeiden kehitystyössä.

The immune system is a defense mechanism against pathogens, and it is essential for the survival of the host. In addition to professional immune cells, the immune system can be considered to include physical barriers (skin, epithelial lining), non-specific chemical factors (lower pH values in skin and in the secretions of the stomach), non-specific anti-microbial peptides, and inflammatory responses of tissue cells. Furthermore, immune and other cells produce factors (e.g. cytokines and lipid mediators) that regulate the functions and responses of inflammatory as well as other cells, e.g. epithelial cells and cells of the tissue parenchyma. Inflammation is a crucial contributor to the pathophysiological processes in many diseases, although it is often an important part of the recovery and regenerative processes in tissues. However, in certain diseases, the immune system is disturbed leading to an uncontrolled and prolonged inflammatory response resulting in tissue destruction and permanent pathological changes in the organs.

Mitogen-activated protein kinases phosphatases (MKPs) are members of the subgroup of dual specificity phosphatases (DUSPs). At the moment, 11 different MKPs have been recognized, and they differ from each other in terms of their substrate specificities, subcellular localizations, tissue distributions and expressional patterns. MKPs regulate the activity of mitogen-activated protein kinases (MAPKs) by dephosphorylating their threonine and tyrosine residues in the activation motif of the kinase. MAPKs are signaling pathways that regulate several important cell functions, including differentiation, proliferation, apoptosis and inflammation. MKP-1 is an interesting member of the MKP family, it is widely expressed in diverse cell types and tissues, and its expression is increased by various factors, e.g. inflammatory mediators, growth factors and cellular stress. The anti-inflammatory glucocorticoids and the anti-rheumatic gold compound, aurothiomalate as well as vitamin D all increase MKP-1 levels in cells. MKP-1 has been associated not only with inflammatory diseases but also with other diseases including cancer, atherosclerosis, and diabetes. Another interesting and less well known phosphatase is MKP-5. MKP-5 is expressed in a wide variety of cell types and it has also been associated with inflammation.

The aim of the present study was to investigate the role of MKP-1 and MKP-5 in the regulation of inflammatory gene expression and inflammation. Another aim was to investigate the role of MKP-1 in the anti-inflammatory effects of the phosphodiesterase 4 (PDE4) inhibitor rolipram.

It was found that MKP-1 could regulate the phosphorylation of p38 MAPK and JNK in lung epithelial cells and the phosphorylation of p38 MAPK in macrophages. MKP-5 seemed to dephosphorylate principally p38 MAPK. MKP-1 suppressed inflammatory gene expression and inflammation in vivo in mice. In cell models, MKP-5 inhibited the release of inflammatory factors TNF and IL-6. The PDE4 inhibitor, rolipram, increased MKP-1 expression and decreased the production of TNF in macrophages and attenuated carrageenan-induced acute inflammation in vivo in mice. Interestingly, those anti-inflammatory effects of rolipram were attenuated in MKP-1 KO mice and in macrophages harvested from these animals. This indicates that the anti-inflammatory effects of rolipram are mediated, at last partly, through increased MKP-1 expression. This is a novel anti-inflammatory mechanism of action of PDE4 inhibitors and emphasizes the role of MKP-1 as an anti-inflammatory drug target. This study extends our understanding of the regulation of inflammatory gene expression and the inflammatory response, particularly the roles of MKP-1 and MKP-5 in this process and as anti-inflammatory drug targets. The result may be useful in the development of novel drugs for the treatment of inflammatory diseases.