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The role of SOCS1 in the cell nucleus - Regulation of local immunity in the lung?

Zimmer, Jana

German Title: Die Rolle von SOCS1 im Zellkern - Regulation lokaler Immunität in der Lunge?

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Abstract

Suppressor of Cytokine Signaling 1 (SOCS1) is a negative feedback inhibitor of cytoplasmic Janus kinase (JAK) and signal transducer and activator of transcription (STAT) signaling pathways. In 2008, it has been shown that SOCS1 contains a nuclear localization sequence (NLS) resulting in translocation of the protein into the cell nucleus. The exact function of SOCS1 in the cell nucleus remains largely unknown. To study the role of SOCS1 in the cell nucleus in vivo, a transgenic mouse model was established using a bacterial artificial chromosome (BAC) containing a mutated Socs1 locus with non-nuclear Socs1deltaNLS, GFP and firefly Luciferase, termed MGL. C57BL/6 mice expressing only non-nuclear Socs1deltaNLS were bred by back-crossing Socs1MGLtg mice on a SOCS1 deficient background and named Socs1-/-MGLtg mice. Nonnuclear Socs1deltaNLS was shown to rescue those mice from the early lethal phenotype observed in Socs1-/- mice. Interferon gamma (IFNg) signaling was analyzed by Western Blot, fow cytometry, quantitative real-time PCR and whole-genome expression analysis. Socs1-/-MGLtg mice showed functional regulation of canonical IFNg signaling - a function classically attributed to cytoplasmic SOCS1. Only a small subset of non-canonical, IFNg dependent genes was differentially regulated. In contrast, Socs1-/-MGLtg mice showed altered cell cycle regulation as well as sustained NFkB signaling - two functions suggested to be dependent on SOCS1 in the cell nucleus. Socs1-/-MGLtg mice spontaneously developed a Th2 prone low-grade inflammation in the lung including elevated serum IgE levels and low-grade airway eosinophilia. Influx of eosinophils could be enhanced both in an experimental asthma model using ovalbumin and upon IL-13 instillation. Bone-marrow transplantation experiments indicated an important role for radiation-resistant cells in the development of the allergic phenotype in Socs1-/-MGLtg mice. Therefore, epithelial cells were investigated in more detail. Reduced epithelial cell barrier integrity was observed both in vivo by the detection of albumin in BAL and in vitro using primary murine trachea epithelial cells (pmTECs). In summary, Socs1-/-MGLtg mice were used to study the role of nuclear SOCS1. Nuclear SOCS1 was shown to be an important regulator of local immunity in the lung and to exert a so-far unrecognized function in epithelial cells.

Translation of abstract (German)

SOCS1 ("Suppressor of Cytokine Signaling 1") ist induzierbarer feedback Inhibitor für JAK/ STAT (Janus kinase/ signal transducer and activator of transcription) Signalwege. Es wurde gezeigt, dass SOCS1 eine nukleäre Kernlokalisationssequenz ("nuclear localization sequence", NLS) besitzt, die dazu führt, dass das Protein in den Zellkern transloziert. Um die Funktion von SOCS1 im Zellkern in vivo zu untersuchen, wurde eine transgene Maus mit Hilfe eines bakteriellen artifiziellen Chromosomes (BACs) generiert. Diese Maus enthält neben einem mutierten SOCS1 Lokus, in dem SOCS1 durch nicht kerngängiges SOCS1deltaNLS ersetzt wurde, die Reporter eGFP und Luciferase, und wird MGLtg bezeichnet. C57BL/6 MGL transgene Mäuse wurden auf einen SOCS1 defizienten Hintergrund gezüchtet, sodass diese Tieren kein SOCS1 im Kern exprimieren. Diese Mäuse wurden Socs1-/-MGLtg genannt. Nicht kerngängiges SOCS1deltaNLS war in der Lage den Interferon gamma Signalweg zu regulieren, wie es für SOCS1 im Zytoplasma beschrieben ist. Somit konnten Socs1-/-MGLtg Mäuse vor dem lethalen Phänotyp SOCS1 defizienter Mäuse gerettet werden. Die funktionelle Regulation des Interferon gamma Signalweges wurde anhand von phosphorylierten STAT1, klassischen Interferon gamma induzierten Zielgenen und genom-umfassender Expressionsanalysen untersucht. Ein Teil der nicht-klassischen Interferon gamma abhängigen Gene war jedoch in Socs1-/-MGLtg Mäusen unterschiedlich reguliert. Socs1-/-MGLtg Mäuse zeigten weiterhin Unterschiede im Zellzyklus sowie NFkB Signalweg, dessen negative Regulation durch SOCS1 im Kern beschrieben ist. Daher liegt die Vermutung nahe, dass Socs1-/-MGLtg Mäuse kein funktionelles SOCS1 im Kern exprimieren und verwendet werden können, um die in vivo Relevanz von SOCS1 im Kern zu untersuchen. Interessanter Weise zeigten Socs1-/-MGLtg Mäuse eine spontane leicht-gradige Entzündung in der Lunge. Genauere Analysen zeigten, dass es sich um eine Th2 abhängige Eosinophilie handelt. Erhöhte Serum IgE Werte weisen auf eine allergische Atemwegserkrankung hin. Die Eosinophilie konnte in einem klassischen Asthma Modell durch Ovalbumin sowie durch Gabe von IL-13 - einem klassischen Th2 Zytokin- noch verstärkt werden. Um herauszufinden welcher Zelltyp für den Lungenphänotyp verantwortlich ist, wurde eine Knochenmarktransplantation durchgeführt. Ergebnisse bestätigten eine wichtige Rolle der strahlungsresistenten Zellen wie zum Beispiel Epithelzellen an der Entstehung der Th2 abhängigen Atemwegserkrankung. Daher wurden Epithelzellen genauer untersucht und eine erhöhte Durchlässigkeit sowohl in primären Trachea-Epithelzellen in vitro, als erhöhte Albumin Werte in der BAL in vivo festgestellt. Zusammenfassend konnten Socs1-/-MGLtg Mäuse genutzt werden, um die bislang unterschätzte Funktion von SOCS1 im Kern zu untersuchen und dessen Rolle bei der Entstehung von Th2 bedingten Atemwegserkrankungen wie Asthma genauer zu untersuchen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bartenschlager, Prof. Dr. Ralf
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 27 June 2017
Date Deposited: 05 Jul 2017 10:17
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: SOCS1, BAC transgenic mice, allergy/asthma
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