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Macrophage and Endothelial-Specific Role of p38alpha MAPK in Atherosclerosis

Kardakaris, Rozina

German Title: Die Makrophagen-und Endothelspezifische Rolle der p38alpha MAPK in der Arteriosklerose

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Abstract

Das Ziel meiner Dissertation war es, die makrophagen- und endothelspezifische Rolle des p38alpha MAPK Signaltransduktionsweges während der Entwicklung der Arteriosklerose zu untersuchen. In Säugern gibt es vier p38 MAP-Kinasen: a, b, g und d. Von allen p38 MAPK Isoformen ist p38alpha die am besten charakterisierte, die in den meisten Zelltypen exprimierte und die hauptsächliche Form von p38 in Zellen, die an einer Entzündung beteiligt sind. p38 MAP-Kinasen werden in vivo stark durch entzündliche Zytokine und Stress durch Umwelteinflüsse aktiviert. Die kanonische Aktivierung von p38 MAP-Kinasen erfolgt durch Doppelphosphorylierung ihres Thr-Gly-Tyr-Motivs in der Aktivierungsschleife durch MKK3 und MKK6. Aber sie kann auch auf MKK-unabhängige Weise über das Adaptorprotein TAB1 und einen TCR-abhängigen Mechanismus durch Phosphorylierung von Tyr323 in T-Zellen erfolgen. Aktivierung von p38 MAP-Kinasen kann zu einer ganzen Reihe von Reaktionen durch Phosphorylierung nachgeschalteter Kinasen, wie z.B. MK2 oder Transkriptionsfaktoren, wie etwa ATF2 führen. Arteriosklerose, eine fortschreitende entzündliche Krankheit der mittleren und grossen Arterien, die durch starke immunologische Aktivität gekennzeichnet ist, ist die zugrundeliegende Hauptursache für etwa die Hälfte aller Todesfälle, die heutzutage von Herz-Kreislauferkrankungen in der westlichen Welt herrühren. p38a MAPK, die zuerst in Studien über Entzündung identifiziert wurde, wird durch verschiedenste Umweltfaktoren aktiviert, u.a. entzündliche Zytokine und oxLDL, einem Hauptfaktor für Arteriosklerose. In dieser Arbeit behandelte ich die Rolle von p38alpha MAPK, der physiologisch relevantesten p38 MAPK, in Makrophagen und Endothelzellen für die Pathogenese der Arteriosklerose in vivo. Weder die makrophagen- noch die endothelzellspezifische Ablation von p38alpha MAPK, herbeigeführt durch das Cre-loxP-System, führte zu einer signifikanten Reduktion oder Vermehrung von arteriosklerotischen Plaques im Vergleich zu ApoE-/- Mäusen auf cholesterinreicher „westlicher Diät“ für 10 Wochen. Dieses Ergebnis widerspricht in vitro-Studien mit p38-spezifischen Inhibitoren, aber auch neueren in vivo-Resultaten, in denen p38alpha-Ablation zu kleineren Plaques mit weniger Collagengehalt und Bildung von grösseren nekrotischen Kernen führte. Makrophagen- und endothelspezifische p38alpha-Signaltransduktion scheint daher die Pathogenese der Arteriosklerose weder zu fördern noch zu reduzieren. Parallel dazu generierte ich zwei neue Mausmodelle für die p38alpha MAP-Kinase durch homologe Rekombination, p38alphaCA und p38alphaKD. Für das p38alphaCa-Modell, welches eine konstitutiv aktive Form der p38alpha MAPK exprimiert, machten wir uns den ROSA26-Lokus zu Nutze, der ubiquitäre Expression eines Proteins ermöglicht, und in den wir eine mutierte Form der p38alpha MAPK unter der Kontrolle von Cre-Rekombinase setzten. p38KD, welche eine Kinase-inaktive Form von p38α unter der Kontrolle der Cre-Rekombinase darstellt, wurde durch Einführung eines mutierten Exon 2 in den p38alpha-Lokus hergestellt, welches die katalytische Funktion der Kinase inaktiviert. Beide Modelle, die ersten Ergebnissen nach funktional sind, stellen äusserst nützliche genetische Werkzeuge dar, um den p38alpha MAPK-Signaltransduktionsweg weiter zu untersuchen, vor allem im Hinblick auf zahlreiche Krankheitsmodelle, wie Krebs, Herz-Kreislauf- und andere Erkrankungen.

Translation of abstract (English)

The aim of my PhD project was to investigate the macrophage and endothelial-specific role of the p38alpha MAPK signaling pathway in the development of Atherosclerosis. There are four p38 MAP kinases in mammals: alpha, beta, gamma and delta. Among all p38 MAPK isoforms, p38alpha is the best characterised, is expressed in most cell types and is the predominant form of p38 expressed in inflammatory cells. p38 MAPKs are strongly activated in vivo by environmental stresses and inflammatory cytokines. The canonical activation of p38 MAPKs occurs via dual phosphorylation of their Thr-Gly-Tyr motif in the activation loop, by MKK3 and MKK6. But it can also occur by an MKK independent mechanism through the adaptor protein TAB1 and by a TCR mediated mechanism by phosphorylation of Tyr323, in T cells. Activation of p38 MAPKs can lead to a variety of responses through phosphorylation of downstream kinases like MK2 or transcription factors like ATF2. Atherosclerosis, a progressive inflammatory disease of the medium and large arteries characterized by intense immunological activity, comprises the primary underlying cause of about 50% of cardiovascular disease related deaths in the western world today. p38alpha MAPK, which was first identified in studies on inflammation, is activated in response to various stress factors, including inflammatory cytokines and oxLDL, a major factor contributing to the onset of atherosclerosis. Here I addressed the role of p38alpha MAPK, the most physiologically relevant p38 MAPK, in macrophages and endothelial cells in the pathogenesis of atherosclerosis in vivo. Both macrophage and endothelial cell-ablation of p38alpha MAPK, achieved by taking advantage of the Cre-loxP recombination system, did not lead to any significant reduction or aggravation of atherosclerosis plaque formation compared to ApoE-/- mice fed with a cholesterol-rich ‘western diet’ for 10 weeks. This result is contradictory to studies carried out in vitro thus far with p38 small molecule inhibitors, but also recently in vivo where p38alpha MAPK ablation in macrophages led to plaques with decreased collagen content and increased necrotic core formation. Thus, macrophage and endothelial cell-specific signaling of p38alpha MAPK, contrary to general belief, does not appear to either promote or reduce the pathogenesis of atherosclerosis. In parallel, I also generated two new mouse models of p38alpha MAPK, p38alphaCA and p38alphaKD, by homologous recombination. In the p38alphaCA model, that expresses a constitutively active form of p38alpha MAPK, we took advantage of the ROSA26 locus that allows ubiquitous expression of a protein, to target a mutant form of p38alpha under the control of Cre recombinase. p38alphaKD, expressing a kinase dead form of p38alpha MAPK also under the control of Cre recombinase, was generated by targeting exon 2 of the p38alpha locus with a mutated exon 2, rendering it catalytically inactive. Both of these models, which preliminary results suggest are functional, are very useful genetic tools for the further elucidation of the p38alpha MAPK pathway with respect to many disease models, like cancer, cardiovascular and other diseases.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Treier, Dr. Matthias
Date of thesis defense: 18 November 2009
Date Deposited: 11 Dec 2009 11:31
Date: 2009
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: p38 , Arteriosklerose , Makrophagen , Endothelzellenp38 , atherosclerosis , macrophages , endothelial cells
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