Uracil-DNA glycosylase, activation-induced deaminase and regulation of adaptive immune responses

Abstract

Uracil-DNA glykosylase, activation-induced deaminase og regulering av ervervet immunitet

Det eksterne miljøet er rikt på potensielle farer for alle multicellulære organismer. Det mammalske immunforsvaret er en barriere for både eksterne og interne faktorer. Det ervervede immunforsvaret er under konstant utvikling, der B-lymfocytter produserer antistoffer med høy affinitet mot antigener. Den genetiske informasjonen i arvestoffet vårt, DNA, kan modifiseres i antistoff-genene i prosessene somatisk hypermutasjon (SHM) og klasseskift rekombinasjon (CSR) der mutasjoner introduseres med høy frekvens. Disse prosessene danner antistoffer med økt affinitet og forandrede beskyttelsesfunksjoner. Activation-induced deaminase (AID) er enzymet som initierer disse prosessene gjennom deaminering av DNA-basen cytosin til uracil. AID er svært mutagent og må derfor kontrolleres på en korrekt måte.

B-lymfocytter har membran-bundne antistoffer på overflaten, B-celle reseptorer (BCR), som binder antigener og regulerer hvilke celler som går videre i prosessene SHM og CSR, og hvilke celler som går gjennom programmert celledød, apoptose. I artikkel I undersøkte vi om BCR er involvert i avstenging av AID når en høy antistoffaffinitet har blitt oppnådd. Vi fant at ekspresjon av AID er nedregulert etter BCR-stimulering, og vi fant en mekanisme for nedreguleringen. Når BCR stimuleres med antigen øker kalsiumnivået i cellen og kalsium bindes av calmodulin. Calmodulin inhiberer transkripsjonsfaktoren E2A, som er en aktivator av AID. Vi viste i artikkel I at når BCR binder antigen, skrues AID ekspresjon av som følge av at calmodulin inhiberer DNA-binding av E2A til AID promotoren når god antistoffaffinitet har blitt oppnådd. Uracil er ikke en normal base i DNA og fjernes normalt i flertrinnsprosessen baseeksisjonsreparasjon (BER). Uracil i DNA er imidlertid viktig i dannelsen av antistoffer.

Uracil-DNA glykosylase (UNG) er det dominerende enzymet for fjerning av uracil fra DNA i menneske og mus, og enzymet er essensielt for dannelsen av antistoffer med høy affinitet og forandrede funksjoner. I B-lymfocytter fjernes AID-indusert uracil fra DNA i cellekjernen av UNG2 i en kontrollert mutagen prosess i stedet for normal reparasjon av uracil. Genmodifiserte musemodeller brukes ofte ved studier av enzymer som er involverte i disse prosessene, men eventuelle artsforskjeller har ikke blitt kartlagt. I artikkel II undersøkte vi mengder og aktivitetsnivåer av uracil-DNA glykosylasene UNG2, SMUG1 og TDG i celler fra menneske og mus. Vi fant at humane celler har et høyere nivå av UNG, og humane celler har derfor høyere kapasitet enn muse-celler til fjerning av uracil. Vi fant også at bidraget fra SMUG1 var mye høyere i muse-celler enn i humane celler, og disse artsforskjellene kan ha en betydning ved studier av ervervet immunitet.

I artikkel III studerte vi regulering av UNG2 i muse B-celler som er blitt aktiverte for CSR. Vi fant at transkripsjonsfaktoren E2A binder til UNG2 promotoren og holder UNG2 ekspresjon på et relativt lavt nivå. Når BCR stimuleres med antigen og E2A inhiberes av calmodulin, oppreguleres ekspresjon av UNG2. Videre fant vi at når E2A inhiberes, øker binding av UNG2 til mange regioner i antistoff-genene. Vi fant også at E2A kan regulere CSR, sannsynligvis gjennom regulering av UNG2 binding til disse regionene. Dette tyder på at UNG2 ekspresjon må holdes lavt til AID-deaminering er fullført. AID og UNG2 har altså en regulator sammen i E2A, men i motsatt retning. Differensieringen fra B-celler til plasmaceller er antigendrevet og skjer gjennom et skift av transkripsjonsregulering, der reguleringen er basert på gjensidig represjon. I artikkel IV undersøkte vi hvis BCR er involvert i dette skiftet i nettverk fra B-celle til plasmacelle. Vi fant at BCR-mediert regulering av E2A har en sentral rolle i det initiale skiftet av nettverk av transkripsjonsfaktorer i utviklingen fra B-celler til plasmaceller. Dette arbeidet har bidratt til økt forståelse av hvordan proteiner essensielle for dannelsen av et fungerende ervervet immunforsvar reguleres. Videre har det gitt ny innsikt i uracil prosessering i menneske og mus.