Dokument: Implementation of synthetic cytokine biology aimed at understanding immunological mechanisms in pathological disorders
| Titel: | Implementation of synthetic cytokine biology aimed at understanding immunological mechanisms in pathological disorders | |||||||
| Weiterer Titel: | Einführung der synthetischen Zytokinbiologie zum Verständnis immunologischer Mechanismen bei pathologischen Krankheiten | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=64909 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20240411-121315-8 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Minafra, Anna Rita [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Scheller, Jürgen [Gutachter] Prof. Dr. Al-Hasani, Hadi [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Synthetic Cytokines Immunology | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie | |||||||
| Beschreibungen: | Synthetic cytokine biology includes the study of engineered cytokines and their interacting receptors, in order to shed light on the related signaling pathways and biological response and individualize new therapeutic targets. During my doctoral studies, I have been focused on the roles of two key cytokine receptors from the Interleukin (IL)-6 and tumor necrosis factor (TNF) superfamilies: interleukin 6 receptor (IL-6R) and the synthetic Fas receptor.
IL-6 exerts its function through two main signaling pathways: IL-6 classic signaling and IL-6 trans-signaling, where IL-6 binds respectively a membrane-bound and a soluble form of IL-6R. In the past, IL-6 has been associated with body weight increase and, in obesity, with chronic low-grade inflammation, impaired glucose and insulin tolerance, leading to type 2 diabetes. On the other side, IL-6, increasing up to 100-fold after physical exercise, results to decrease inflammation, and generally induces anti-diabetogenic effects. Aiming at revealing the role of IL-6 trans-signaling in meta-inflammation, I metabolically characterized a novel mouse model that allows the specific activation of trans-signaling, while the classic signaling is abrogated, together with IL-6R globally deficient mice, and littermates wild-type control. Comprehensively, I monitored body weight and body composition, measured blood glucose and insulin level under fasting conditions, as well as determined metabolic substrate preference, following standard and high-fat diet, with and without physical exercise. Our data showed that neither classic signaling nor trans-signaling are involved in the described metabolic processes. Synthetic receptors have been previously defined to fully phenocopy trimeric death receptors, in particular Fas, characterized by nanobodies as extracellular portion and natural transmembrane and intracellular domain. In the SNP database (dbSNP) for Fas, there are 17,889 single nucleotide variations (SNVs), of which 337 are missense mutations with mostly uncharacterized functional effects. Here, synthetic Fas has been used to experimentally screen a total of 35 single nucleotide polymorphisms (SNPs) associated with auto-immune diseases and cancer, and candidate loss-of-function (LOF) SNPs and structure-based mutations, testing for cellular proliferation, apoptosis, caspases 3 and 7, and dominant-negative effect. Furthermore, a few mutations were combined to obtain a stronger and milder gain-of-function (GOF) or LOF, as a potential clinical application to boost chimeric antigen receptor (CAR) T-cell therapy. Our findings revealed that 30 variations caused a partial or total LOF, whereas five variants caused a GOF, and the dominant-negative effect was confirmed for two LOF SNPs related to ALPS. In conclusion, we demonstrated that artificial cytokine receptors are a valid platform to experimentally validate LOF SNPs and novel functionally diverse mutants. Taken together, the two central themes of the thesis rely on synthetic cytokine biology, specifically a novel synthetic sIL-6R mouse model and synthetic Fas, to shed light on the mechanisms underlying meta-inflammation and insulin resistance as well as to implement therapeutic approaches for screening and experimental characterizing immune diseases and cancer-associated mutations.Die synthetische Zytokinbiologie umfasst die Erforschung künstlich hergestellter Zytokine und ihrer interagierenden Rezeptoren, um die damit verbundenen Signalwege und biologischen Reaktionen zu erhellen und neue therapeutische Ziele zu individualisieren. Während meines Promotionsstudiums habe ich mich auf die Rolle von zwei wichtigen Zytokinrezeptoren aus der Interleukin (IL)-6- und Tumornekrosefaktor (TNF)-Superfamilie konzentriert: den Interleukin-6-Rezeptor (IL-6R) und den synthetischen Fas-Rezeptor. IL-6 übt seine Funktion über zwei Hauptsignalwege aus: Die klassische IL-6-Signalgebung und die IL-6-Trans-Signalgebung, bei der IL-6 eine membrangebundene bzw. eine lösliche Form des IL-6R bindet. In der Vergangenheit wurde IL-6 mit einer Zunahme des Körpergewichts und bei Fettleibigkeit mit chronischen Entzündungen geringen Ausmaßes sowie einer gestörten Glukose- und Insulintoleranz in Verbindung gebracht, die zu Typ-2-Diabetes führen. Andererseits führt IL-6, das nach körperlicher Betätigung um das bis zu 100-fache ansteigt, zu einer Verringerung der Entzündung und hat im Allgemeinen eine antidiabetogene Wirkung. Mit dem Ziel, die Rolle der IL-6-Trans-Signalisierung bei der Meta-Entzündung aufzudecken, habe ich ein neuartiges Mausmodell metabolisch charakterisiert, das die spezifische Aktivierung der Trans-Signalisierung ermöglicht, während die klassische Signalisierung aufgehoben ist, und zwar zusammen mit Mäusen, denen der IL-6R global fehlt, und Wurfgeschwistern mit Wildtyp-Kontrolle. Umfassend habe ich das Körpergewicht und die Körperzusammensetzung überwacht, den Blutzucker- und Insulinspiegel unter Nüchternbedingungen gemessen sowie die metabolische Substratpräferenz nach einer Standard- und einer fettreichen Diät mit und ohne körperliche Betätigung bestimmt. Unsere Daten zeigten, dass weder klassische Signalübertragung noch Trans-Signalisierung an den beschriebenen Stoffwechselprozessen beteiligt sind. Synthetische Rezeptoren wurden zuvor definiert, um trimere Todesrezeptoren, insbesondere Fas, vollständig zu phänotypisieren, die durch Nanokörper als extrazellulären Teil und natürliche Transmembran- und intrazelluläre Domänen gekennzeichnet sind. In der SNP-Datenbank (dbSNP) für Fas gibt es 17.889 Einzelnukleotidvariationen (SNVs), von denen 337 Missense-Mutationen mit meist uncharakterisierten funktionellen Auswirkungen sind. Hier wurde synthetisches Fas verwendet, um insgesamt 35 Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs), die mit Autoimmunkrankheiten und Krebs in Verbindung gebracht werden, sowie Kandidaten für Loss-of-Function (LOF)-SNPs und strukturbasierte Mutationen experimentell zu screenen und auf zelluläre Proliferation, Apoptose, Caspasen 3 und 7 sowie dominant-negative Wirkung zu testen. Darüber hinaus wurden einige Mutationen kombiniert, um einen stärkeren und milderen Gain-of-Function (GOF) oder LOF zu erhalten, was eine potenzielle klinische Anwendung zur Förderung der chimären Antigenrezeptor (CAR)-T-Zelltherapie darstellt. Unsere Ergebnisse zeigten, dass 30 Variationen einen teilweisen oder vollständigen LOF verursachten, während fünf Varianten einen GOF verursachten, und der dominant-negative Effekt wurde für zwei LOF-SNPs im Zusammenhang mit ALPS bestätigt. Zusammenfassend haben wir gezeigt, dass künstliche Zytokinrezeptoren eine valide Plattform für die experimentelle Validierung von LOF-SNPs und neuen, funktionell vielfältigen Mutanten sind. Zusammengefasst beruhen die beiden zentralen Themen dieser Arbeit auf der synthetischen Zytokinbiologie, insbesondere auf einem neuartigen synthetischen sIL-6R-Mausmodell und synthetischem Fas, um die Mechanismen zu beleuchten, die der Meta-Inflammation und der Insulinresistenz zugrunde liegen, und um therapeutische Ansätze für das Screening und die experimentelle Charakterisierung von Immunkrankheiten und krebsassoziierten Mutationen umzusetzen. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 11.04.2024 | |||||||
| Dateien geändert am: | 11.04.2024 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 27.07.2023 | |||||||
| Datum der Promotion: | 27.10.2023 |
