Characterization of human AIRE promoter and analysis of AIRE expression in monocyte-derived dendritic cells and thymomas

Abstract

AIRE (autoimmune regulator) on transkriptiotekijä, joka säätelee immunologista toleranssia ohjaamalla periferaalisten autoantigeenien ilmentymistä tyymuksessa. Mutaatiot AIRE-geenissä aiheuttavat harvinaisen, elinspesifisen APECED (autoimmune polyendocrinopathy-candidiasis-ectodermal dystrophy) autoimmuunioireyhtymän, joka tunnetaan myös nimellä APS-1 (autoimmune polyglandular syndrome type 1). APECED-oireyhtymän tyypillisiä ilmentymiä ovat sisäeritysrauhasten autoimmuunisairaudet, krooninen hiivasieni-infektio iholla ja limakalvoilla, sekä pintakudosten rakennemuutokset. AIRE-proteiini ilmentyy voimakkaimmin tyymuksessa, mutta jonkin verran myös imusolmukkeissa, pernassa ja sikiön maksassa. Tyymuksessa AIRE ilmentyy sekä medullaarisissa epiteelisoluissa että monosyytti-dendriittisolulinjassa. Molemmat näistä solutyypeistä toimivat autoreaktiivisten T-solujen negatiivisessa selektiossa.

Tutkimuksen tarkoituksena oli tutkia AIRE-geenin säätelyä ja AIRE-proteiinin ilmentymisen vaikutuksia soluissa. Tutkimuksessa karakterisoimme AIRE-geenin promoottorialuetta, ja saamiemme tulosten perusteella AIRE:n transkriptiotason säätelijöitä ovat Sp1-, NF-Y- and AP-1-transkriptiotekijät. Lisäksi Ets-geeniperheen transkriptiotekijöiden havaittiin toimivan AIRE:n transkription positiivisina säätelijöinä. Myös kromatiinitasolla tapahtuvalla epigeneettisellä säätelyllä, DNA:n metylaatiolla ja histonien deasetylaatiolla, oli vaikutusta AIRE:n ilmentymisessä.

Tutkittaessa AIRE:n vaikutuksia dendriittisolujen erilaistumiseen havaittiin, että AIRE-geenin mRNA:n määrä lisääntyi jo dendriittisolujen erilaistumisen varhaisissa vaiheissa. Lisäksi stabiilisti AIRE-geeniä ilmentävää solulinjaa analysoitiin microarray-menetelmällä, ja havaittiin, että ilmentyvä geeniprofiili oli dendriittisolujen kypsymiselle ominainen.

Lisäksi tutkimme tyypin I interferoni (IFN) -autovasta-aineiden esiintymistä APECED-potilailla. Kaikissa tutkituissa APECED-potilaiden seeruminäytteissä havaittiin korkeatiitterisiä autovasta-aineita lähinnä IFN-α ja IFN-ω alaluokkia vastaan. Potilailla havaittiin neutralisoivia autovasta-aineita tyypin I interferoneita vastaan varhaisessa vaiheessa, ja joissain tapauksissa ennen taudin kliinisten oireiden alkamista. Analysoitaessa AIRE-geenin ilmentymistä tymoomissa, jotka ovat tyymuksen epiteelisolukasvaimia, havaittiin AIRE:n puuttuvan 95%:lta tymoomapotilaista. Tymoomapotilailta puuttuivat myös APECED-oireyhtymälle tyypilliset autovasta-aineet ja oireet.

Tässä työssä identifioimme tärkeimmät AIRE-geenin transkriptionaalisessa aktivaatiossa toimivat promoottorielementit ja transkriptiotekijät. Työssä tutkittiin myös AIRE:n toimintaa tyymuksen ulkopuolella, ja tuloksemme tukevat AIRE:n osallistumista dendriittisolujen kypsymiseen. AIRE:n fysiologista merkitystä tyymuksen ulkopuolella ei vielä täysin tunneta, joten tämä tutkimus avaa uusia näkökulmia toiminnan molekylaarisiin ja immunologisiin mekanismeihin.

AIRE (autoimmune regulator) is a transcription factor which plays an essential role in central tolerance by directing the expression of peripheral autoantigens in the thymus. Mutations in AIRE gene cause a rare organ-specific autoimmune disease APECED (autoimmune polyendocrinopathy-candidiasis-ectodermal dystrophy), also known as APS-1 (autoimmune polyglandular syndrome type 1). The APECED is characterized by destructive autoimmune diseases of the endocrine organs, chronic mucocutaneous candidiasis and ectodermal disorders. AIRE protein is mainly expressed in thymus and to a lesser degree in lymph nodes, spleen and fetal liver. In the thymus AIRE is found in two populations of antigen presenting cells, in medullary epithelial cells and cells of monocyte-dendritic cell lineage, both cell types being involved in the negative selection of autoreactive T cells.

The aim of this study was to understand the mechanism of AIRE gene regulation and the downstream effects of its expression. Characterization of AIRE promoter indicated that at the transcriptional level AIRE is regulated by ubiquitously expressed transcription factors Sp1, NF-Y and AP-1. In addition, Ets transcription factor family members were identified as positive regulators of AIRE transcription. It was also found that epigenetic modifications at the chromatin level, DNA methylation and histone deacetylation, are involved in the regulation of AIRE gene expression. Analysis of AIRE expression during the differentiation of monocyte-derived dendritic cells demonstrated that AIRE mRNA was up-regulated already in the early stages of differentiation. Furthermore, microarray studies of AIRE-induced gene expression in stable AIRE-transfected cell line revealed that the changes in gene expression profile resembled the pattern identified during the maturation of dendritic cells.

Moreover, the occurrence of type I interferon (IFN) autoantibodies was analysed in a large set of APECED patient samples. High titer autoantibodies mainly against IFN-α subtypes andIFN-ω were found in all APECED patients sera. Neutralising autoantibodies against type I IFNs were detected in patients before the other autoantibodies characteristic for APECED and for some cases before the onset of clinical disease components. Analysis of AIRE expression in thymomas, which are the epithelial tumors of the thymus, revealed the lack of AIRE in 95% of thymoma patients. In addition, thymoma patients also lacked typical autoantibodies and disorders for APECED.

The results from current studies identified the essential promoter elements and transcription factors involved in AIRE transcriptional activation. Analysis of AIRE function in the periphery suggested that AIRE might be involved in dendritic cell maturation process. The physiological importance of AIRE in the periphery is not completely understood, and these studies provide new insights into the molecular and immunological mechanisms involved in AIRE function.