Die Rolle antimikrobieller Peptide in der COPD : Expressionsmuster und mögliche Regulationsmechanismen in der Lunge von Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung

Andresen, Ellen

Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD, chronic obstructive pulmonary disease) ist eine Volkskrankheit. Bisher ist jedoch unklar, inwieweit und durch welche Parameter der Verlust der Lungenfunktion, welcher das wesentliche klinische Merkmal der COPD darstellt, determiniert ist. Genomweite Kopplungsstudien haben hierfür relevante Regionen mit einer Kopplung auf dem Chromosom 8p identifiziert, in der die humanen Defensin-Gene innerhalb eines Gen-Clusters vorliegen. Für das Gen des humanen Defensin, beta 1 (DEFB1) konnte ein Allel mit einer signifikanten Assoziation zur COPD nachgewiesen werden. Die Bedeutung von DEFB1 und seine klinische Relevanz für die vielfältigen Phänomene der COPD-Pathogenese wurden bisher jedoch nicht eingehend untersucht. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die COPD mit einer gesteigerten Expression von DEFB1 in der Lunge einhergeht. Des Weiteren wurde eine signifikante Korrelation der DEFB1-Expression in Bronchialschleimhautbiopsien mit allen relevanten Parametern der COPD-Diagnostik einschließlich der allgemeinen Leistungsfähigkeit der Patienten wie 6-Min-Gehtest, Zigarettenkonsum und Lungenfunktionstests nachgewiesen. Da diese Parameter Informationen über die Prognose einer COPD liefern, stellt die DEFB1-Expression auch einen potentiellen prognostischen Marker für das Fortschreiten dieser Erkrankung dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde nach Mechanismen gesucht, die an der Regulation von DEFB1 in der Lunge von COPD-Patienten beteiligt sind. Dabei zeigte sich, dass eine Störung der epigenetischen Regulationsvorgänge bei der Pathogenese der COPD eine Rolle spielen könnte. Während kein Zusammenhang zwischen der CpG-Methylierung im DEFB1-Gen und dessen Expression im Biopsiematerial von COPD-Patienten festgestellt werden konnte, zeigte eine allgemeine Inhibierung der DNA-Methylierung durch 5-Aza-2'-Desoxycytidin im Zellkulturmodell hingegen einen starken Einfluss auf die DEFB1-Expression. Durch Verwendung des Histon-Deacetylase-Inhibitors Trichostatin A konnte gezeigt werden, dass die Acetylierung bei der transkriptionellen Aktivierung von DEFB1 ebenfalls eine Rolle spielt. Chromatinimmunpräzipitations-Analysen mit Zellen der bronchoalveolären Lavage-Flüssigkeit zeigten eine signifikante Korrelation zwischen der DEFB1-Expression und dem Aufbau eines aktiven "Histon-Codes" und deuten ebenfalls auf eine wichtige Rolle von kovalenten Histon-Modifikationen im DEFB1 und damit der epigenetischen Regulation bei der COPD hin. Insgesamt bekräftigen diese Daten die Hypothese, dass DEFB1 in die molekulare Maschinerie der COPD-Pathogenese eingebunden ist. Die ersten Einblicke in die epigenetischen Kontroll-Mechanismen der DEFB1-Regulation liefern neue Erkenntnisse über funktionelle Zusammenhänge, die auf ein besseres Verständnis der komplexen Pathomechanismen der COPD hoffen lassen und somit zur Entwicklung neuer innovativer Therapien beitragen könnten.

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a widespread disease. However, the key factors determining the decline in lung function, which is the most important clinical parameter of COPD, are not yet clear. Genome-wide linkage analyses provide evidence for significant linkage to airway obstruction susceptibility loci on chromosome 8p, the location of the human defensin gene cluster. Moreover, a genetic variation in the human defensin, beta 1 (DEFB1) gene was found to be associated with COPD. However, the role of DEFB1 and its clinical relevance in diverse phenomena of COPD pathogenesis has not been extensively studied so far. The results of this dissertation demonstrate a significant increase of DEFB1 expression in the lung of COPD patients. Furthermore, a significant correlation could be detected between DEFB1 gene expression in biopsies of the bronchial mucosa and the relevant diagnostic parameter for COPD including exercise capacity as measured by the six-minute-walk test, cigarette smoking and lung function tests. Since these parameters are used to predict the outcome of COPD, DEFB1 gene expression may thus be considered as a new potential predictive marker for the outcome of COPD patients. Mechanisms involved in the regulation of DEFB1 gene expression in the lung of COPD patients were also studied, showing that a dysfunction of the epigenetic regulation could play a role in the pathogenesis of COPD. Whereas bisulfite sequencing analysis of the bronchial mucosa revealed no differences in the methylation state of DEFB1 between COPD patients and healthy controls, an inhibition of DNA methylation by 5-aza-2'-deoxycytidine in cell lines resulted in a remarkable induction of DEFB1 gene expression. Additionally, treatment of the cells with the deacetylases inhibitor trichostatin A revealed a role for acetylation in the transcriptional activation of DEFB1. Finally, chromatin immunoprecipitation assays with bronchoalveolar lavage fluid cells showed that DEFB1 activation was associated with the establishment of an active "histone code" suggesting the important role of covalent histone modifications in the regulation of DEFB1 expression. In conclusion, these data support the hypothesis that DEFB1 is associated with pathological changes characteristic for COPD. The first insight into epigenetic control mechanisms of DEFB1 regulation provides new knowledge about their functional contexts, which hopefully will lead to a better understanding of the complex pathomechanisms of COPD and thus may contribute to developing new innovative therapies.

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Andresen, Ellen: Die Rolle antimikrobieller Peptide in der COPD : Expressionsmuster und mögliche Regulationsmechanismen in der Lunge von Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung.

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