EpiCross: Epigenetic basis and therapeutic implications of the cross-regulation of arginase 1 and inducible nitric oxide synthase in chronic leishmaniasis and salmonellosis

Hintergrund: Salmonella (S.) enterica serotype Typhi and Leishmania (L.) infantum sind zwei weltweit verbreite Pathogene, die zur Viszeralen Leishmaniose und Typhus führen und für bis zu 250 000 Todesfälle/Jahr weltweit verantwortlich sind. Die Immunkontrolle dieser Erreger, die sich innerhalb von Makrophagen (Körperfresszellen) vermehrten bzw. persistieren können, wird durch Immunbotenstoffe wie Interferon-gamma (IFNg) und Tumor Nekrose Faktor (TNF) sowie durch die Bildung von anti-mikrobiell wirksamen Radikalen wie Stickstoffmonoxid (NO) gewährleistet. NO wird aus der Aminosäure L-Arginine mit Hilfe des Enzyms induzierbare NO synthase (iNOS) gebildet. Dem gegenüber führt das Enzym Arginase 1, Arg1, dessen Bildung durch Mikroben angeregt wird, zu einem Abbau von L- Arginin und dadurch zu einer verminderten Synthese von NO, was die Abwehr gegenüber den genannten Infektionen massiv schwächt. In früheren Arbeiten konnten wir zeigen, dass TNF einen Teil seines protektiven Effekts über Hemmung der Bildung von Arg1 erzielt. Mechanistisch beeinflußt TNF die Chromatinstruktur des Arg1 Gens in Makrophagen durch Modifikation der Histonacetylierung, wodurch die Information des Gens schlechter abgelesen werden kann und dadurch die Bildung von Arg1 blockiert wird. Die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen sind bisher unbekannt. Hypothesen und Ziele: Basierend auf unseren bisherigen Ergebnissen soll im vorliegenden Projekte detailiert die Rolle von Arg1 in Makrophagen für den Verlauf und die Immunkontrolle von Infektionen untersucht werden. Dabei sollen in zwei Infektionsmodellen, für viszerale Leishmaniose (L. infantum) und Typhus (S. typhimurium) die molekularen Mechanismen und die epigenetische Regulation von Arg1 untersucht werden. Diese Untersuchungen involvieren alle drei beteiligten Partner und umfassen Analysen in Mausinfektionsmodellen sowie spezifische Evaluierung der transkritpionellen und epigenetischen Regulation von Arg1 über die Beeinflussung der Histonacetylierung. Durch Screening von Biobanken sollen pharmakologische Substanzen identifiziert werden, die die epigenetische Regulation von Arg1 modulieren und den Verlauf und die Immunkontrolle dieser Infektionen günstig beeinflussen. Neue Aspekte: Wir erwarten uns durch diese Projekt wichtige neue Erkenntnisse hinsichtlich der Mechanismen, die für die erfolgreiche Abwehr dieser Infektionen eine Rolle spielen. Dieses Projekt ist unseres Wissens nach das erste, dass die epigenetische Regulation von zentralen Immungenen bei Infektionen ins Zentrum der Untersuchungen stellt. Darauf aufbauend sollen im Rahmen dieses Projektes neue Substanzen identifiziert werden, die durch die Modulierung der Aktivität der untersuchten Immungenge diese Infektionen erfolgreich behandeln können.

Im vorliegenden Projekt wurde analysiert, welche Rolle Stoffwechselprozesse und deren Auswirkungen auf die Immunantwort für die Abwehr von Infektionen spielen. Dabei wurde in Makophagen, zentralen Abwehrzellen der natürlichen Immunität, untersucht, wie sich durch die Aminosäure Arginin regulierte Immunantwortprozesse auf die Kontrolle von Infektionen gegenüber zwei Mikroben mit globaler Bedeutung auswirken, nämlich Salmonella typhimurium (ursächlich für bakterielle Lebensmittelinfektionen aber auch Typhus verantwortlich) und Leishmania infantum (Erreger von systemischer Leishmaniose). Spezifisch wurden zwei Arginin-abhängige Enzyme, nämlich die induzierbare Stickstoffmonoxid (NO) synthase (iNOS) und das Arginin abbauende Enzym Arginase untersucht. Beide Enzyme werden bei Infektionen mit Salmonellen oder Leishmanien induziert und durch Zytokine unterschiedlich reguliert. Obwohl sich beide Mikroben im selben subzellulären Segmenten (Phagolysosom) von Makrophagen befinden, führt die Blockade von Arginase 1 zu einer besseren Infektionskontrolle von Leishmanien aber nicht bei Salmonellen. Das hat damit zu tun, dass einerseits die Mikroben unterschiedlich empfindlich auf Änderungen des Metabolismus und der vorhandenen Nahrungsstoffe im Makrophagen reagieren aber auch selbst den Metabolismus des Wirtes auf unterschiedliche Wege beeinflussen können. Unsere Untersuchungen zeigen neue Mechanismen auf, wie Immunantwort, Veränderungen des zellulären Stoffwechsels, die epigenetische Kontrolle von metabolischen Genen auch das entsprechende Pathogen selbst den Verlauf und die Kontrolle von Infektionen determinieren, Das Verständnis dieser Netzwerke ist Basis für die Entwicklung neuer spezifischer Therapien zu verbesserten Behandlung von Infektionen.