German Title: Die Rolle der Aktin-bindenden Proteine L-Plastin und Cofilin-1 in Mastzellen und B-Zellen

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Abstract

Various processes in immune cells require regulated actin cytoskeleton remodeling which is mediated by a plethora of proteins. The functions of the actin-remodeling proteins cofilin-1 (Cfl1) and L-plastin (LPL) in B cells and mast cells have not been fully elucidated so far. The actin-severing and -depolymerizing protein Cfl1 is ubiquitously expressed in non-muscle cells including immune cells. Functional Cfl1 is essential for αβ T cell development and T cell costimulation. One aim of this thesis was to find out whether Cfl1 expression is also required for normal B cell and mast cell organization. Mice expressing non-functional Cfl1 mast cell-specifically were devoid of connective tissue mast cells (CTMCs) and did not develop systemic anaphylaxis. Thus, they are a suitable model for CTMC deficiency. CTMC-deficient mice showed normal reactions in in vivo models for allergic contact dermatitis, psoriasis, and clearing vaccinia virus-induced skin infection demonstrating no major impact of CTMCs in these disease models. Mice with B cell-specific expression of non-functional Cfl1 had drastically diminished B cell numbers in spleen, lymph nodes, blood, and peritoneum. Also, in the bone marrow the percentage of B cells was reduced. Residual B cells were shown to have an imperfect knock-in of non-functional Cfl1. In summary, expression of non-functional Cfl1 instead of the wildtype protein specifically in B cells or mast cells revealed a fundamental role of functional Cfl1 for the normal appearance of B cells and mast cells in mice. The leukocyte-specific actin-bundling protein LPL is involved in several processes important for immunity, such as T cell motility and activation. LPL phosphorylation at serine-5 (S5) can increase its actin-binding and -bundling activity. In order to clarify the impact of LPL-S5 phosphorylation for B cells and mast cells, knock-in mouse lines expressing a non-phosphorylatable LPL form instead of the wildtype protein in B cells or mast cells were characterized in this thesis. In the mutant protein S5 was exchanged by non-phosphorylatable alanine (LPL-S5A). LPL-S5A expression in CTMCs led to a diminished peritoneal mast cell population. However, these mice showed a normal reaction in the in vivo model for systemic anaphylaxis. Mice expressing LPL-S5A B cell-specifically possessed a decreased splenic B cell number. The number of follicular B cells was moderately diminished while marginal zone B cells were nearly absent. In vitro experiments revealed an important role of LPL phosphorylation for chemokine-mediated migration of splenic B cells. The generated mouse lines allow to investigate whether LPL phosphorylation could be a leukocyte-specific target for immune modulation.

Translation of abstract (German)

Ein dynamischer Umbau des Aktin-Zytoskeletts ist wichtig für zahlreiche Prozesse in Immunzellen und wird von einer Vielzahl an Proteinen reguliert. Die Rolle der Aktin-umbauenden Proteine Cofilin-1 (Cfl1) und L-Plastin (LPL) in B-Zellen und Mastzellen ist bisher nicht vollständig aufgeklärt. Das Aktin-schneidende und -depolymerisierende Protein Cfl1 wird ubiquitär in Nicht-Muskelzellen, also auch in Immunzellen, exprimiert. Funktionelles Cfl1 ist essentiell für die Entwicklung von αβ T-Zellen und für die T-Zell-Kostimulation. Ein Ziel dieser Arbeit war es herauszufinden, ob die Expression von Cfl1 auch unerlässlich für das normale Vorkommen von B-Zellen und Mastzellen ist. In Mäusen, die nicht-funktionelles Cfl1 in Mastzellen exprimierten, fehlten Bindegewebsmastzellen komplett. Diese Mäuse entwickelten keine systemische Anaphylaxie und stellen somit ein geeignetes Mausmodell für Mastzell-Defizienz dar. In in vivo Modellen für die allergische Kontaktdermatitis und Psoriasis wiesen diese Mäuse keine Auffälligkeiten auf. Auch das Abheilen einer Vacciniavirus-induzierten Hautinfektion verlief normal. Das lässt darauf schließen, dass Bindegewebsmastzellen in diesen Krankheitsmodellen keine zentrale Rolle spielen. Mäuse mit B-Zell-spezifischem Knock-in von nicht-funktionellem Cfl1 besaßen eine erheblich reduzierte B-Zellzahl in Milz, Lymphknoten, Blut und Peritoneum. Auch im Knochenmark war der Anteil an B-Zellen vermindert. Verbliebene B-Zellen zeigten eine unvollständigen Knock-in von nicht-funktionellem Cfl1. Zusammenfassend zeigte die Expression von nicht-funktionellem Cfl1 anstelle des Wildtyp-Proteins in B-Zellen oder Mastzellen eine fundamentale Bedeutung von funktionellem Cfl1 für das normale Vorkommen von B-Zellen und Mastzellen. Das Leukozyten-spezifische Aktin-bündelnde Protein LPL ist wichtig für verschiedene immunologische Prozesse, wie z. B. die Motilität und Aktivierung von T-Zellen. Die Phosphorylierung von LPL am Serin-Rest 5 (S5) kann die Aktin-bindende und -bündelnde Aktivität des Proteins steigern. Um die Bedeutung der Phosphorylierung von LPL-S5 für B Zellen und Mastzellen zu erforschen, wurden in dieser Arbeit Knock-in-Mäuse charakterisiert, die eine nicht-phosphorylierbare Form von LPL anstatt des Wildtyp-Proteins in B-Zellen oder Mastzellen exprimieren. In der veränderten Form des Proteins wurde S5 durch nicht-phosphorylierbares Alanin ersetzt (LPL-S5A). Die Expression von LPL-S5A in Bindegewebsmastzellen hatte eine verminderte Zahl an peritonealen Mastzellen zur Folge. Die Mäuse zeigten jedoch eine normale Reaktion in einem in vivo Modell für systemische Anaphylaxie. Knock-in-Mäuse, die LPL-S5A B-Zell-spezifisch exprimierten, besaßen eine verringerte Zahl an B-Zellen in der Milz. Die Anzahl an follikulären B-Zellen war leicht reduziert, während B-Zellen in der Marginalzone fast vollständig fehlten. In vitro Experimente zeigten eine wichtige Rolle der LPL-Phosphorylierung für die Chemokin-vermittelte Migration von B Zellen. Die generierten Mauslinien ermöglichen es zu untersuchen, ob LPL-Phosphorylierung ein Leukozyten-spezifisches Target für die Immunmodulation darstellen könnte.