CCR5 in multiple sclerosis : expression, regulation and modulation by
statins
Kuipers, H.F.
Citation
Kuipers, H. F. (2007, March 28). CCR5 in multiple sclerosis : expression, regulation and modulation by statins. Retrieved from https://hdl.handle.net/1887/11460
Version: Corrected Publisher’s Version
License: Licence agreement concerning inclusion of doctoral thesis in the Institutional Repository of the University of Leiden
Downloaded from: https://hdl.handle.net/1887/11460
Note: To cite this publication please use the final published version (if applicable).
Summary 9
Samenvatting
9
205
Summary
Multiple sclerosis (MS) is the major cause of neurological disability among young adults in Western countries. This neurodegenerative condition is hallmarked by localized demyelination and inflammatory lesions throughout the central nervous system. Activation of microglia, the resident macrophages of the CNS, is thought to be a key element in the development of MS lesions. This activation is characterized by enhanced expression of major histocompatibility complex (MHC) molecules and development of microglia into myelin phagocytosing macrophages. The enhanced expression of MHC molecules on microglia is the result of elevated expression of several general and MHC-specific transcription factors.
In addition, microglial activation is characterized by enhanced motility. Cell movement, or chemotaxis is initiated by chemokines, small secreted proteins that bind to specific G protein-coupled chemokine receptors, leading to activation and migration of the responding cell. In normal brain tissue, chemokine expression is absent or low, but in MS lesions expression of the chemokines CCL3, CCL4 and CCL5 is enhanced.
These three chemokines are all ligands for the chemokine receptor CCR5. Therefore, the scope of the first part of this thesis was to study the expression and regulation of CCR5 in control and MS brain tissue.
In chapter 2 we show that CCR5 expression is enhanced on microglia and macrophages in MS lesions, which indicates that this chemokine receptor might account for the enhanced motility observed in early stages of MS lesions. Furthermore, we show that the expression pattern of CCR5 in MS lesions greatly parallels that of
206
MHC molecules. Because of this overlap in expression patterns of MHC and CCR5 we hypothesized that the transcription factors that regulate MHC expression are also involved in the regulation of CCR5 transcription in microglia. These transcription factors represent initial components of several different pathways that are activated by viral or bacterial infections or upon cellular stress responses. In chapter 3, we therefore determined the contribution of several of these transcription factors in the transcriptional regulation of CCR5. We show that of these factors only CREB-1 is involved in the transcriptional regulation of CCR5. However, CREB-1 is a general transcription factor that is ubiquitously expressed, whereas expression of CCR5 is restricted to several cell types, which indicates that additional factors or mechanisms must contribute to the cell-specific expression of CCR5. Further research into these factors or mechanisms and their presence in MS lesions might shed light on the underlying pathological processes that result in the changes observed in MS lesions. Ultimately, knowledge of these processes might provide targets for the development of an effective treatment of MS.
Although over the last decades the disease course of MS has become well-known, enabling early clinical diagnosis, and the pathogenesis of MS is being unraveled more and more, no curative treatment for MS has been developed yet. In the last chapters of this thesis we therefore investigated the potential of a group of cholesterol lowering drugs, namely statins, in the treatment of MS. Due to their ability to inhibit the synthesis of cholesterol, statins are widely used in medical practice and are the principal therapy for hypercholesterolemia. Recently, is has become clear that in addition to the effect of statins on cholesterol levels, statins also exert anti-inflammatory properties and may so play a role in regulating the immune response. Most importantly, statins reduce the cell surface expression of MHC class II (MHC-II) molecules on various cell types.
In chapters 4 and 5 we have investigated the mechanism underlying this reduction of MHC-II expression. In chapter 4 we show that this reduction is not caused by inhibition of expression of the class II transactivator (CIITA), the masterswitch for MHC-II expression, nor the inhibition of MHC-II transcription. In chapter 5 we show that statins, in fact, inhibit the transport of MHC-II molecules to the cell surface by blocking the formation of the vesicles that regulate this transport, named lipid rafts.
Furthermore, we show that this mechanism also results in decreased expression of various other immunoregulatory molecules, including CCR5. Chapter 6 describes the effects of statins on the immune function of microglia. Firstly, we show that statins also reduce the cell surface expression of immunoregulatory molecules on microglia.
Secondly, we show that statins inhibit the motility and chemotaxis of microglia by reducing the cell surface expression and functioning of chemokine receptors and by altering the actin distribution in microglia. Finally, in chapter 7 we describe the effect of statins on the differentiation of monocytes, precursors of macrophages, dendritic cells (DC) and microglia. We show that statins inhibit the differentiation of monocytes into immature DC, but not the maturation of these DC.
207 Together, through the studies described in this thesis, we have gained more insight into the effects of statins on immune cells and microglia and the mechanisms underlying these effects. These results give cautious rise to hope that statins indeed have clinical potential for the treatment of MS. However, in order to safely predict the effects of statins in MS patients additional research has to be done. For example, by further studying the effects of statins on the different cell types of the brain and monitoring these effects in vivo we can better evaluate the potential of statins in the treatment of MS.
209
Samenvatting
De neurodegeneratieve ziekte Multiple Sclerose (MS) is de belangrijkste oorzaak van invaliditeit bij jong volwassenen in de westerse wereld. MS kenmerkt zich door plaatselijke afbraak van myeline, de beschermlaag van zenuwcellen, en ontstekingen (laesies) in het centraal zenuwstelsel. Bij de vroege ontwikkeling van MS laesies speelt de activering van microglia, de afweercellen van het centraal zenuwstelsel, een belangrijke rol. Deze activering gaat gepaard met onder andere een verhoging van het aantal major histocompatibility complex (MHC) moleculen op het celoppervlak van microglia en de verandering van microglia in macrofagen, grote amoebe-achtige cellen die myeline kunnen opeten. De eerstgenoemde MHC moleculen spelen normaal gesproken een belangrijke rol in het opwekken van een afweerreactie. De verhoging van de hoeveelheid van deze moleculen op microglia wordt veroorzaakt door de verhoogde aanwezigheid van bepaalde eiwitten die de aanmaak van deze moleculen reguleren, zogenaamde transcriptiefactoren.
De activering van microglia tijdens de ontwikkeling van MS leasies kenmerkt zich ook door een groter vermogen om zich te verplaatsen, zogezegd te migreren.
Migratie (en activering) van cellen wordt aangezet door chemokines, kleine eiwitten die uitgescheiden worden door bepaalde cellen en gedetecteerd worden door chemokinereceptoren, moleculen op het oppervlak van bijvoorbeeld microglia. Onder normale omstandigheden worden deze eiwitten niet uitgescheiden, maar in MS laesies is een aantal specifieke chemokines, die onder andere door de chemokinereceptor CCR5 gedetecteerd kunnen worden, extra aanwezig. In het eerste deel van dit proefschrift
210
hebben we daarom het voorkomen van CCR5 in hersenweefsel en de regulatie van de hoeveelheid CCR5 bestudeerd. In hoofdstuk 2 hebben we de aanwezigheid van CCR5 in normaal hersenweefsel en MS laesies in kaart gebracht en onderzocht of deze chemokine receptor mede verantwoordelijk zou kunnen zijn voor de migratie van microglia zoals die zich uit in MS laesies. We laten zien dat CCR5 inderdaad op geactiveerde microglia en macrofagen in MS laesies aanwezig is, en dat de aanwezigheid van CCR5 grotendeels overeenkomt met de aanwezigheid van MHC moleculen en de transcriptiefactoren die verantwoordelijk zijn voor de aanmaak van MHC moleculen. Omdat er een samenhang lijkt te zijn tussen de aanwezigheid van deze transcriptiefactoren en van CCR5 hebben we vervolgens onderzocht of deze transcriptiefactoren ook verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor de aanmaak van CCR5 in microglia. In hoofdstuk 3 hebben we daarom de rol van een aantal van deze transcriptiefactoren in de regulatie van CCR5 aanmaak bestudeerd en laten we zien dat één bepaalde factor, CREB-1, hiervoor van belang is. Omdat deze factor echter in bijna alle celtypen aanwezig is, en CCR5 niet, is het waarschijnlijk dat er nog andere factoren of mechanismen zijn die de aanmaak van CCR5 in microglia bepalen. Door verder te onderzoeken wat voor factoren of mechanismen dit zijn, en of deze verstoord zijn in MS kunnen we er misschien achter komen wat de oorzaak is van de veranderingen die we zien in MS laesies. Uitgaande van deze kennis kan eventueel op den duur een geneesmiddel ontwikkeld worden dat hierin ingrijpt.
Hoewel men gedurende de afgelopen decennia steeds meer te weten is gekomen over het ziekteverloop en de pathogenese van MS, en klinische diagnose steeds vroeger mogelijk is, is er tot op heden nog steeds geen genezende behandeling voor MS ontwikkeld. In de laatste hoofdstukken van dit proefschrift zijn daarom de mogelijkheden van een bepaalde groep geneesmiddelen, statines, in de behandeling van MS onderzocht. Statines remmen de natuurlijke productie van cholesterol en worden daarom door talloze patiënten gebruikt in de behandeling van hypercholesterolemie. De afgelopen jaren is echter bekend geworden dat statines naast een cholesterolverlagende werking ook een remmende werking op het immuunsysteem hebben. Een belangrijk voorbeeld hiervan is de verlaging van de hoeveelheid MHC klasse II (MHC-II) moleculen op het celoppervlak van verschillende soorten cellen. In hoofdstuk 4 en 5 hebben we het mechanisme van deze verlaging van de hoeveelheid MHC-II moleculen door statines onderzocht. In hoofdstuk 4 laten we zien dat deze verlaging niet veroorzaakt wordt door het verminderen van de hoeveelheid van de class II transactivator (CIITA), een eiwit dat essentieel is voor de aanmaak van MHC-II, of de aanmaak van MHC-II moleculen zelf. In hoofdstuk 5 beschrijven we dat statines juist het transport van MHC-II moleculen naar het celoppervlak remmen door de aanmaak van transportblaasjes die hiervoor dienen te verhinderen. Dit mechanisme zorgt ook voor de verlaging van andere immunologisch relevante moleculen op afweercellen.
Hoofdstuk 6 beschrijft de effecten van statines op de immunologische functies van microglia. In dit hoofdstuk laten we zien dat statines ook op microglia de hoeveelheid
211 van verschillende immuunmoleculen, waaronder CCR5, verlagen. Verder laten we zien dat statines het vermogen van microglia om te bewegen remmen. Dit doen ze enerzijds door de hoeveelheid chemokine receptoren op het celoppervlak te verlagen. Anderzijds remmen ze de mogelijkheid van microglia om van vorm te veranderen (een proces dat nodig is om te kunnen bewegen) door de verdeling van het zogenaamde actine- skelet te veranderen. Tenslotte hebben we het effect van statines op de ontwikkeling van monocyten, voorlopers van macrofagen en mogelijk ook microglia, bestudeerd. In hoofdstuk 7 beschrijven we dat statines de verandering van monocyten in dendritische cellen (DCs, cellen die een afweerreactie kunnen opwekken) wel kunnen blokkeren, maar niet de activering van deze DCs kunnen remmen.
Samenvattend hebben we een beter inzicht gekregen in de effecten van statines op immuuncellen (en microglia in het bijzonder) en de mechanismen die hiervoor verantwoordelijk zijn. Deze resultaten lijken vooralsnog hoopvol, maar voor we een voorspelling kunnen maken wat de effecten van statines in MS patiënten zullen zijn moet er nog verder onderzoek gedaan worden. Door bijvoorbeeld de effecten van statines op de verschillende soorten hersencellen verder te bestuderen en de werking van statines op deze cellen in een geheel organisme te onderzoeken kunnen we een beter beeld krijgen van de mogelijkheden van statines voor de behandeling van MS patiënten.
