Universität zu Köln

Herb, Marc (2019). Mitochondrial reactive oxygen species license pro-inflammatory signaling in infected macrophages via disulfide linkage of NEMO. PhD thesis, Universität zu Köln.

Preview

PDF MarcHerb PhDThesis.pdf Download (3MB) | Preview

Abstract

Eine wichtige Aufgabe von Makrophagen während einer Infektion ist die Koordination der Immunantwort. Dafür notwendig ist die Initiierung einer pro-inflammatorischen Signalkaskade, die zur Sekretion von Zytokinen führt. Reaktive Sauerstoffspezies (ROS), welche in Makrophagen vor allem durch die die Phagozyten-Oxidase Nox2 und durch Mitochondrien produziert werden, sind zentrale Komponenten der Abwehr gegen Pathogene. Es ist jedoch noch gänzlich unbekannt, ob und wie ROS pro-inflammatorische Signalwege in infizierten Makrophagen steuern. In dieser Doktorarbeit identifiziere ich, anhand von mit Listeria monocytogenes infizierten Makrophagen, ROS als notwendige Regulatoren des zur Sekretion von Zytokinen führenden pro-inflammatorischen Signalwegs. Überraschenderweise zeigen meine Daten, dass die für die Regulation der pro-inflammatorischen Signalkaskade verantwortlichen ROS nicht durch Nox2, sondern von Mitochondrien (mtROS) produziert werden. Stimuliert über TLR2 und andere MyD88- und TRAF6 abhängige Rezeptoren produziert Komplex III der mitochondrialen Atmungskette vermehrt Superoxid in den Intermembranraum. Dort wird es mittels der Superoxid-Dismutase 1 (SOD1) zu Wasserstoffperoxid umgewandelt, welches, nach seiner Diffusion ins Zytosol, die zur Sekretion von Zytokinen führende pro-inflammatorische Signalkaskade reguliert. Auf mechanistischer Ebene habe ich die regulatorische Untereinheit des IKK-Komplex, NEMO/IKKγ, als Zielmolekül der mtROS identifiziert. Durch mtROS werden NEMO Moleküle über Disulfidbrücken zwischen den beiden redox-sensitiven Cysteinresten Cys54 und Cys 347 kovalent miteinander verknüpft. Diese Verknüpfung ist für die vollständige Aktivierung des IKK-Komplex und die nachfolgende Aktivierung der MAP-Kinase ERK1/2 und des Transkriptionsfaktors NF-κB, welche notwendig für die Sekretion von pro-inflammatorischen Zytokinen sind, von großer Bedeutung. Zusammenfassend deckt diese Doktorarbeit, mit der mtROS-abhängigen kovalenten Verknüpfung von NEMO über Disulfidbrücken, einen bisher unbekannten kritischen regulatorischen Schritt des zur Sekretion von pro-inflammatorischen Zytokinen durch infizierte Makrophagen führenden Signalweges auf.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language A major function of macrophages during infection is the initiation of the pro-inflammatory response leading to secretion of cytokines that help to orchestrate the immune response. Reactive oxygen species (ROS) produced by NADPH oxidases, such as Nox2, and by mitochondria are key components of host cell defense against invading microbial pathogens. However, nearly nothing is known about the role of ROS in general or mitochondrial ROS (mtROS) in particular during pro-inflammatory signaling in infected macrophages. Moreover, the underlying molecular mechanisms by which mtROS may regulate pro-inflammatory signaling and cytokine secretion upon bacterial infection have remained completely elusive. In this thesis, I delineate ROS as crucial regulators of pro-inflammatory signaling and cytokine secretion in Listeria monocytogenes (L.m.)-infected macrophages. Surprisingly, my data show that the ROS, which license pro-inflammatory signaling, are produced, in fact, by mitochondria (mtROS). Infection of macrophages triggers O2- production into the mitochondrial intermembrane space (IMS) by complex III of the ETC initiated via the TLR2/MyD88/TRAF6 signaling pathway. In the IMS O2- is converted by superoxide dismutase (SOD1) into H2O2 that diffuses into the cytosol where it regulates secretion of pro-inflammatory cytokines. Mechanistically, I identify the regulatory IKK complex subunit NEMO as the molecular target for mtROS. Specifically, the redox-dependent intermolecular covalent linkage of NEMO via disulfide bonds formed by Cys54 and Cys347 is the underlying molecular mechanism by which mtROS license full activation of the IKK complex and subsequent signaling via the ERK1/2 and NF-κB pathways that eventually lead to secretion of pro-inflammatory cytokines. Taken together, this thesis introduces mtROS-dependent disulfide linkage of NEMO as a so far unknown novel regulatory step critically required for the pro-inflammatory response of infected macrophages. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Herb, Marc marc.herb@uk-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-93499
Date:	2019
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Medicine > Medizinische Mikrobiologie, Immunologie und Hygiene > Institut für Medizinische Mikrobiologie, Immunologie und Hygiene
Subjects:	Natural sciences and mathematics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Macrophages, ROS, mitochondria, NADPH oxidase, cytokines English
Date of oral exam:	18 January 2019
Referee:	Name Academic Title Schumacher, Björn Prof. Dr. Krönke, Martin Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/9349