150807 - MM thesis - ETH E

Research Collection
Doctoral Thesis
Phospholipid Hydroperoxide Scavenger Glutathione Peroxidase 4
in the Immune System
Author(s):
Matsushita, Mai
Publication Date:
2015
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-010504122
This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more
information please consult the Terms of use.
ETH Library
DISS. ETH NO. 22696
Phospholipid Hydroperoxide Scavenger
Glutathione Peroxidase 4 in the Immune System
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
Presented by
Mai Matsushita
MSc Kobe University
Born on November 21,1983
Citizen of Japan
Prof. Dr. Manfred Kopf, examiner
Prof. Dr. Sabine Werner, co-examiner
Prof. Dr. Georg W. Bornkamm, co-examiner
2015
ABSTRACT
4
ABSTRACT
The classical view of reactive oxygen species (ROS) production has long been
associated as harmful byproducts of intrinsic oxygen metabolism or cellular
responses to hazardous stimuli. Indeed, accumulation of ROS and the consequent
oxidative stress have been implicated in a number of pathologies, including
neurodegenerative diseases, cancer, diabetes and aging. However, with increasing
evidence suggesting that ROS participates in a wide range of biological functions,
it is becoming increasingly appreciated that the production and detoxification of
ROS is a regulated process.
ROS production is not unique in the immune system. They participate in
the effector function for host defense, a well-known mechanism of phagocytosis
in innate immunity. However, ROS production is not limited to the action of
pathogen elimination, other cell types in the immune system also produce ROS
for cellular function or as secondary signaling products. In spite of these recent
advances in understanding the role of ROS production in immunology, the
knowledge of how ROS is neutralized still remains imprecise.
In the current study, we focused on the detoxification of lipid
hydroperoxides in the immune system. The selenoenzyme glutathione peroxidase
4 (Gpx4) represents one of the major scavengers of phospholipid hydroperoxides.
Yet, the underlying molecular mechanism by which Gpx4 functions in the
immune system has been undefined. As global Gpx4 knockout mice are
embryonically lethal, we generated respective cell type-specific conditional
knockout mice that specially lack the expression of Gpx4 in dendritic cells,
neutrophils and macrophages of the innate immunity and T cells of the adaptive
immunity. Our findings revealed that the selective disruption of Gpx4 in myeloid
5
ABSTRACT
cells did not affect the homeostasis, growth and proliferation, indicating that
Gpx4 is dispensable for myeloid cell development. These cells were also fully
functional, as they were able to secrete pro-inflammatory cytokines after TLR
stimulation, which correlated with sustainable clearance of L. monocytogenes and
L. major.
In contrast to myeloid cells, absence of Gpx4 in T cells revealed a defect
in maintaining homeostatic balance in the periphery, especially of naïve CD8+ T
cells. Reconstitution analysis of mixed bone marrow chimera further confirmed
an intrinsic defect in both CD4+ and CD8+ T cell survival in the periphery. These
cells rapidly accumulated lipid peroxides driven by ferroptotic cell death in vitro.
Furthermore, Gpx4 was identified as a necessary enzyme for primary T cell
response to infections, as Gpx4 deficient T cells failed to expand and protect
against lymphocytic choriomeningitis virus and L. major. The impaired virusspecific CD8+ T cells were rescued upon diet supplementation with high
concentrations of lipophilic antioxidant vitamin E, suggesting that activated T
cells are susceptible to phospholipid hydroperoxide accumulation in the absence
of Gpx4. More notably, inducible depletion of Gpx4 during the secondary
memory response to viral infection displayed fully functional memory T cells,
indicating that the lipid peroxidation occurs during primary but not secondary
infections. Together these findings revealed that neutralization of lipid
hydroperoxides by Gpx4 is an essential process for T cell homeostasis and
effector functions.
ZUSAMMENFASSUNG
6
ZUSAMMENFASSUNG
Die klassische Sichtweise, dass reaktive Sauerstoffspezies (ROS) bloss schädliche
Nebenprodukte darstellen, welche durch intrinsische, aerobe metabolische
Prozesse oder als zelluläre Reaktion auf gefährliche Substanzen generiert werden,
hatte für lange Zeit Bestand. Tatsächlich wird die Anreicherung von ROS und der
damit einhergehende oxidative Stress mit einer Reihe von pathologischen
Prozessen wie etwa neurodegenerativen Erkrankungen, Krebs, Diabetes oder dem
Altern in Verbindung gebracht. Neuere Ergebnisse legen jedoch den Schluss nahe,
dass ROS in der Regulation einer Vielzahl von biologischen Prozessen involviert
sind und dass sowohl deren Produktion als auch deren Entgiftung starken
regulatorischen Mechanismen unterliegen.
Die Produktion von ROS ist nicht nur auf Zellen des Immunsystems
beschränkt sondern findet ubiquitär im gesamten Organismus statt. Diese
reaktiven Sauerstoffspezies repräsentieren aber eine integrale Komponente des
angeborenen Immunsystems wo sie der Eliminierung von phagozytierten
Mikroben dienen. Darüber hinaus übernehmen sie eine wichtige Funktion in
zellulären Signaltransduktionskaskaden. Trotz der jüngsten Fortschritte im Feld
der ROS-Biologie liegen die Mechanismen der Neutralisierung dieser
hochreaktiven Substanzen im Kontext des Immunsystems immer noch
weitestgehend im Dunklen.
In der vorliegenden Studie haben wir uns deshalb auf die Entgiftung von
Lipidperoxiden
im
Immunsystem
fokussiert.
Das
Selenoenzym
Glutathionperoxidase 4 (Gpx4) stellt eines der wichtigsten Entgiftungsenzyme für
Phospholipidhydroperoxide dar. Da globale Gpx4 Knock-out Mäuse keine
überlebensfähigen Nachkommen produzieren können haben wir zelltyp-
7
ZUSAMMENFALSSUNG
spezifische Knock-out Mäuse generiert, denen Gpx4 gezielt in dendritischen
Zellen, Neutrophilen und Makrophagen oder T-Zellen fehlt. Unsere Resultate
zeigen, dass selektives Entfernen von Gpx4 in myeloiden Zellen weder zelluläre
Homöostase, noch Wachstum oder Proliferation stört und dass es entbehrlich für
deren Entwicklung zu sein scheint. Gpx4 defiziente myeloide Zellen waren
darüber hinaus funktionsfähig, wie sich sowohl durch eine ungestörte
Zytokinantwort auf TLR Stimulation als auch durch eine unbeeinträchtigte
Eliminierung von L. monocytogenes und L. major gezeigt hat.
Im Gegensatz dazu resultierte die T-Zell spezifische Absenz von Gpx4 in
einer gestörten homöostatischen Balance in der Peripherie, speziell in naiven CD8
T-Zellen. Rekonstitutionsanalysen von gemischten Knochenmarkschimären
bestätigten einen intrinsischen Defekt im Überleben von CD4 und CD8 T-Zellen
in der Peripherie. In vitro führte ferroptotischer Zelltod ausserdem zu einer
schnellen Anreicherung von Lipidperoxiden in diesen Zellen. Des Weiteren war
Gpx4 essentiell für eine intakte primäre Immunantwort von CD8 T-Zellen, wie
sich sowohl durch eine verminderte Expansion als auch durch einen
abgeschwächten Schutz von Gpx4 defizienten T-Zellen nach Infektionen mit dem
Lymphozytären-Choriomeningitis-Virus oder L. major zeigte. Die beeinträchtigte
Immunantwort von virus-spezifischen CD8 T-Zellen konnte durch eine hochdosierte, Vitamin E supplementierte Diät neutralisiert werden, was auf eine
Anfälligkeit von Gpx4 defizienten, aktivierten T-Zellen auf die Akkumulation
von Hydroperoxiden hinweist. Interessanterweise war die Funktionalität von TGedächtniszellen nach induzierter Ablation von Gpx4 während einer sekundären
Immunantwort gegen eine virale Infektion völlig normal, was impliziert, dass
Lipidperoxidation hauptsächlich als Reaktion auf eine primäre, nicht aber
sekundäre Infektion auftritt. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass die
ZUSAMMENFALSSUNG
8
Neutralisierung von Lipidhydroperoxiden durch Gpx4 ein essentieller Prozess,
sowohl für die Homöostase, als auch für die Effektorfunktion von T-Zellen
darstellt.