Regulation of T cell differentiation by the TGF-β inhibitor Smad7 and non-Smad pathways

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-255445
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.25544

Hasan, Md. Maruf

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Date of publication of this fulltext: 04 Jul 2013 08:22

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	4 July 2013
Referee:	Prof. Dr. Ingo Kleiter
Date of exam:	2 July 2012
Institutions:	Biology, Preclinical Medicine > Institut für Anatomie > Lehrstuhl für Humananatomie und Embryologie > Prof. Dr. Ernst Tamm
Keywords:	T cell differentiation, TGF-beta Smad, non-Smad signalling
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 500 Natural sciences & mathematics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	25544

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Abstract (English)

Abstract (English)

The cytokine transforming growth factor (TGF-β) has a pivotal role in T cell differentiation. Regulation of intracellular signalling pathways during T cell differentiation has been given a great attention recently. Under certain conditions TGF-β inhibits T helper (Th1) and Th2 differentiation or induces regulatory T cell and Th17 development, mainly through the Smad-dependent signalling pathway. In addition to that, growing evidence implicates the involvement of non-Smad signalling pathways in T cell differentiation. Smad7 is the intracellular inhibitor of the canonical TGF-β signalling cascade, but its role in T cell differentiation was unknown.

In order to investigate the role of Smad7 in T cell differentiation, we used mice with a T cell specific Smad7 deletion, which allowed us to study the function of Smad7 exclusively in T cells. These Smad7 conditional knockout mice show normal immune homeostasis but less activated T cells in the periphery as compared to control wild type littermates. Smad7 deletion in T cells results in decreased Th1, Th2 and increased Th17 and regulatory T cell differentiation. Smad7 shows no effect on the suppressive capacity of regulatory T cells but exerts effects on the proliferation of responder T cells when challenged with regulatory T cell suppression. Furthermore, Smad7 plays a direct role in priming Th1 differentiation which is associated with T-bet transcription. Upon blocking the canonical TGF-β-Smad signalling pathway, naive T cells differentiate into Th17 cells to a smaller extent. Using a TGF-β downstream signalling phospho-protein antibody array, we show that PI3K/AKT/mTOR and p38 MAPK signalling pathways, which are independent of the canonical TGF-β-Smad cascade, are activated at specific phosphorylation sites during Th17 differentiation. Inhibition of these pathways leads to decreased IL-17 production by Th17 cells.

In essence, Smad7 is a major regulator of T cell differentiation. Besides the canonical signalling cascade of TGF-β, naïve T cells use non-Smad pathways to differentiate into the Th17 subset. Signalling through PI3K/AKT/mTOR and p38 MAPK pathways plays a crucial role in this event. This study provides insight into molecular mechanisms of T helper cell differentiation and thus helps to elucidate the pathophysiology of autoimmune diseases like multiple sclerosis which could eventually lead to development of new diagnostic or therapeutic procedures.

Translation of the abstract (German)

Der Transformierende Wachstumsfaktor (Transforming Growth Factor β; TGF-β) spielt eine entscheidende Rolle in der T-Zelldifferenzierung. In letzter Zeit rückte die Regulation von intrazellulären Signalwegen während der T-Zelldifferenzierung vermehrt in den Fokus der Wissenschaft. Unter bestimmten Bedingungen inhibiert TGF-β die Differenzierung zu T-Helferzellen (Th) 1- und Th2-Zellen oder induziert die Entwicklung hin zu regulatorischen T-Zellen (Treg) und Th17-Zellen. Dies geschieht hauptsächlich über die Smad-Signalkaskade. Zusätzlich konnten mehr und mehr Beweise gefunden werden, die eine Beteiligung von Smad-unabhängigen Signalwegen in der T-Zelldifferenzierung vermuten lassen. Smad7 ist bekanntermaßen ein intrazellulärer Inhibitor des TGF-β-Signalwegs, aber seine Rolle in der T-Zelldifferenzierung war unbekannt.
Um die Rolle von Smad7 in der T-Zelldifferenzierung zu untersuchen, nutzten wir Mäuse mit einer T-Zell-spezifischen Smad7-Deletion, die es uns erlaubten, die Funktion von Smad7 ausschließlich in T-Zellen zu untersuchen. Die Smad7 KO-Mäuse zeigen eine normale Homostasis des Immunsystems, aber eine verminderte Anzahl an aktivierten T-Zellen in der Peripherie, verglichen mit genetisch unveränderten Mäusen. Die Smad7-Deletion führt zu einer verminderten Th1- und Th2-Differenzierung sowie zu einer verstärkten Differenzierung hin zu Th17- und Treg-Zellen. Smad7 hat keinen Einfluss auf die suppressive Kapazität von regulatorischen T-Zellen, beeinflusst aber die Proliferation von Responder T-Zellen, wenn diese mit regulatorischen T-Zellen gemeinsam kultiviert wurden. Zudem spielt Smad7 direkt eine Rolle in der Initialisierung der Th1-Differenzierung, was mit der Transkription von T-bet in Zusammenhang steht. Blockiert man den TGF-β-Signalweg, so entwickelt sich eine geringere Zahl von Th17-Zellen aus naiven T-Zellen. Mit einem Phospho-Protein-Antikörper-Array wurden mögliche Ziel-Proteine des TGF-β-Signalwegs untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass sowohl der PI3K/AKT/mTOR- als auch der p38/MAPK-Signalweg, die unabhängig von der etablierten TGF-β-Signalkaskade sind, während der Th17-Differenzierung an spezifischen Phosphorylierungsseiten aktiviert werden. Die Inhibition dieser Signalwege führt zu einer Abnahme der IL-17-Produktion durch Th17-Zellen.
Insgesamt kann Smad7 als ein Hauptregulator der T-Zelldifferenzierung gesehen werden. Neben der klassischen TGF-β-Signalkaskade verwenden naive T-Zellen auch Smad-unabhängige Signalwege, um in Th17-Zellen zu differenzieren. Dabei spielen der PI3K/AKT/mTOR- und der p38/MAPK-Signalweg eine wichtige Rolle. Diese Studie bietet einen Einblick in den molekularen Mechanismus der T-Helferzell-Differenzierung und hilft dadurch die Pathophysiologie von Autoimmunkrankheiten wie der Multiplen Sklerose genauer zu beleuchten, was eventuell zur Entwicklung neuer diagnostischer oder therapeutischer Methoden führen könnte.

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