Hypoxia induces processes related to inflammation and remodelling in the airways of the fruit fly Drosophila melanogaster

Abdelsadik, Ahmed Mohammed Khalil

The tracheal system of insects is a purely epithelial tissue that is primarily devoted to gas ex-change. All airway epithelial cells of the fruit fly Drosophila melanogaster are immune-competent, meaning that they are able to mount an immune response if confronted with patho-gens such as bacteria or fungi. Strong and prolonged activation of this epithelial immune response is able to elicit different responses including inflammation-like states and structural changes that are reminiscent to those observed in chronic inflammatory diseases of the human lung such as asthma or COPD (Chronic Obstructive Pulmonary Disease). The simplicity of the fly’s airway system makes it to a credible candidate to examine the mechanisms underlying these inflammatory diseases. Patient suffering from Asthma bronchiale or COPD often experience hypoxia and/or hypercap-nia. The current study demonstrates that hypoxia can mount an immune response in the airway epithelium of the fruit fly, as shown by the induced expression of antimicrobial peptide genes. This response is triggered without any contact to pathogens or pathogen associated molecular patterns (PAMPs). Instead, this hypoxia-induced immune response depends on the transcription factor dFoxO. Translocation of dFoxO into the nuclei of airway epithelial cells precedes the expression of antimicrobial peptides under control of this transcription factor. Apparently, dFoxO mediates a danger-like response of the airway epithelium to this stressor. In addition, I could show using microarray analyses, that dFoxO is not only necessary for the hypoxia induced immune activation, but also for a great variety of other hypoxia-induced tran-scriptomic responses. Comparing the transcriptomes between wild-type airway epithelia and those of animals lacking functional dFoxO revealed only a marginal overlap in the cohorts of genes regulated following hypoxia. Taken together, I have shown that dFoxO plays a much larger role for hypoxia-induced gene regulation than it has previously been thought. In addition, I identified another dFoxO dependent process that is related to hypoxia-induced responses. Following hypoxia, the airways show structural changes including building of new terminal branches. To enable this, the matrix metalloproteinase MMP-1 is required to degrade the extra-cellular matrix around these structures. Expression of mmp1 is induced following infection, but also following other stressors such as hypoxia. On the other hand, overexpression of mmp1 in airway epithelia induces an immune response. Thus, MMP-1 apparently is part of a positive feedback loop leading to a prolonged and more severe immune response in the airway epithe-lium following an infection. Both, ectopic activation of the innate immune pathway IMD or of dFoxO are sufficient to induce mmp1 expression. Epistatic analyses revealed that both res-ponses critically depend on the presence of dFoxO, which in turn appears to be activated via the JNK-pathway. The current study reveals that hypoxia induces a great number of unexpected responses in the airway epithelium that are mainly transduced via activation of dFoxO. These results are medi-cally relevant because hypoxia is frequently experienced in different inflammatory diseases of the airways (e.g. Asthma and COPD). Apparently, dFoxO is, in addition to HIFs, a novel key molecule in the oxygen homeostasis, thus opening a new area for research in this field.

Das tracheale System der Insekten ist ein rein epitheliales Gewebe, das primär dem Gasaustausch dient. Alle Atemwegsepithelzellen der Fruchtfliege sind immunkompetent, was bedeutet, dass sie nach Pathogenkontakt (z.B. mit Bakterien oder Pilzen), in der Lage sind, eine Immunantwort zu zeigen. Es hat sich gezeigt, dass eine sehr starke und langanhaltende Aktivierung des Immunsystems dazu führen kann, dass Entzündungs-ähnliche Zustände entstehen. Zusätzlich werden auch strukturelle Änderungen induziert, die denen entsprechen, die bei chronisch entzündlichen Erkrankungen der Lunge (z.B. Asthma oder COPD – Chronic Obstructive Pulmonary Disease) zu beobachten sind. Die strukturelle Einfachheit des Fliegensystems lässt es als ideales Modell für die Analyse der diesen Erkrankungen zugrunde liegenden Mechanismen erscheinen. Patienten, die an Asthma bronchiale oder COPD leiden, erfahren oftmals hypoxische oder hyperkapnische Bedingungen. In der vorgelegten Arbeit konnte ich zeigen, dass Hypoxie in der Lage ist, eine Immunantwort des Atemwegsepithels zu induzieren. Diese Antwort wird ohne jeglichen Kontakt zu Pathogen oder Pathogen Assoziierten Molekularen Mustern (PAMPs) hervorgerufen. Diese induzierte Antwort beruht auf der Aktivität des Transkriptionsfaktors dFoxO. Hypoxie induziert dessen Translokation in den Kern, ein Prozess, der einer Expression antimikrobieller Peptidgene induziert. Offensichtlich vermittelt dFoxO eine sog. Danger-Antwort im Atemwegsepithel. Außerdem konnte ich mit Hilfe von Microarray Analysen zeigen, dass dFoxO nicht nur für die Hypoxie-induzierte Immunantwort, sondern auch für eine Reihe anderer Antworten erforderlich ist. Ein Vergleich der Hypoxie-induzierten Genexpressionsmuster von Tracheen isoliert aus Wildtyp Larven mit den aus dfoxo-defizienten Larven ergab eine überraschend geringe Übereinstimmung. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass ich gezeigt habe, dass dFoxO eine sehr viel größere Rolle im Rahme der Hypoxie-vermittelten Antworten spielt als vorher angenommen wurde. Außerdem konnte ich einen weiteren dFoxO-abhängigen Prozess identifizieren, der direkte Bedeutung für Hypoxie-vermittelte Antworten hat. Hypoxie induziert in den Atemwegen strukturelle Änderungen, zu denen die Neubildung von terminalen Tracheenästen gehört. Um das zu ermöglichen, ist die Matrix-Metalloprotease MMP-1 erforderlich, die extrazelluläre Matrix Bestandteile verdaut. Die Expression der mmp1 wird durch Infektion, aber auch durch Stressoren wie Hypoxie induziert. Andererseits induziert die ektopische Überexpression dieses Moleküls eine Immunantwort in den Tracheen. Demzufolge scheint MMP1 Teil einer positiven Rückkopplungsschleife zu sein, die dazu führt, dass Antworten auf Infektionen sehr viel stärker und länger in den Atemwegen persistieren. Epistasis Analysen konnten zeigen, dass die Aktivierung der mmp1-Expression von dfoxo abhängt und wahrscheinlich über den JNK-Signalweg vermittelt wird. Die vorgelegte Arbeit zeigt, dass eine Vielzahl unerwarteter Antworten durch Hypoxie in den Atemwegen induziert wird und diese vornehmlich vom Transkriptionsfaktor dFoxO abhängen. Die Relevanz dieser Ergebnisse ist darin zu sehen, dass Hypoxie oft während entzündlicher Erkrankungen der Atemwege (Asthma oder COPD) erfahren wird und einen noch unbekannten Anteil an der Pathogenes dieser Erkrankungen einnimmt. Offensichtlich ist dFoxO, zusätzlich zu HIF-Faktoren von zentraler Bedeutung für die Hypoxie-Antwort des Atemwegsepithels.

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Abdelsadik, Ahmed Mohammed Khalil: Hypoxia induces processes related to inflammation and remodelling in the airways of the fruit fly Drosophila melanogaster.

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