Impact of cigarette smoke exposure on the airway epithelium of Drosophila melanogaster to model COPD-like phenotypes

Bhandari, Anita

Cigarette smoking is the major risk factor for Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and lung cancer. Although COPD is one of the most important chronic lung diseases, our knowledge about the underlying molecular framework is only fragmentary. Hence, this study introduces D. melanogaster as a novel model for basic COPD research. Various cigarette smoke exposure (CSE) models using different exposure regimes were implemented in the course of this study and the in vivo impact of CSE was analyzed using 3rd instar larvae. The airways showed a strong structural modification and an activation of JAK-STAT signaling in the epithelial cells of CS treated animals. Both, upd2 and upd3 and the receptor dome of the JAK-STAT pathway, were strongly expressed at the posterior end of the dorsal branches, indicative for an autocrine signaling. The exact function and role of these ligands, especially in the tracheal system of D. melanogaster is still poorly understood. In silico analysis of the structures of upd3 with IL-6 of mouse, implied an ancestral relationship between both cytokines. Moreover, an ectopic expression of the JAK-STAT pathway components in the trachea resulted into epithelial barrier disruption in form of meta- and hyperplasia. To unravel potential upstream regulators of these upd ligands, flies deficient in expression of either dFoxO or relish were used and exposed to CS. Especially, in dFoxO deficient flies, induction of upd2 and upd3 transcripts were significantly reduced. Electrophoretic mobility shift assays underlining the potential role of dFoxO in directly regulating upd2 and upd3 expression. Furthermore, CS results in structural remodeling including thickening of the epithelial layer, in parallel with JAK/STAT signaling activation that may be triggered by dFoxO. Beside this CSE based model for COPD research, destruction of the terminal airway structure via strong activation of cAMP signaling was induced.

Tabakrauchen ist der größte Risikofaktor für COPD und Lungenkrebs. Unser Wissen über die zugrunde liegenden molekularen Signalwege und Gene ist derzeit nur bruchstückhaft. Die vorliegende Arbeit hatte daher zum Ziel, D. melanogaster als ein neues Modell für die Grundlagenforschung der COPD einzuführen. Die Relevanz von Zigarettenrauch im Atemwegsepithelium wurde untersucht und eine epitheliale Immunreaktion gezeigt. Die Applikation von Zigarettenrauch hatte eine Beeinträchtigung der epithelialen Barriere und eine Aktivierung des JAK-STAT-Signalwegs zur Folge. Es erfolgte eine induzierte Expression von Upd2 und Upd3 sowie des Rezeptors Domeless an den dorsalen Verzweigungen der primären Tracheen, was für ein autokrines Signalisierungssystem spricht. Die Funktion dieser Liganden sind vor allem in den Tracheen noch weitgehend unverstanden. Daher wurden sowohl strukturelle Vergleiche von upd3 mit der bekannten Kristallstruktur von IL-6 als auch eine funktionelle Überexpression dieser Liganden in den Tracheen vorgenommen, um diese näher charakterisieren zu können. Eine ektopische Expression im Atemwegsepithel führte zu einer Störung der Epithelbarriere in Form einer Meta- und Hyperplasie. Um mögliche Regulatorgene für die Expression der Upd-Liganden zu entschlüsseln, wurden Mutanten, defizient in den Transkriptionsfaktoren dFoxO und Relish verwendet und beraucht. Insbesondere in dFoxO defizienten Fliegen war die Induktion der Upd2 und Upd3- Transkripte deutlich reduziert. Bandshiftassays unterstreichen die potentielle Rolle von dFoxo in seiner direkten Regulation von Upd2 und Upd3. Weiterhin führt Zigarettenrauch zur Atemwegsmodelierung in Form einer verdickten Epithelschicht, das mit einer parallelen Aktivierung des JAK-STAT-Signalweges einhergeht, welcher vermutlich dFoxO abhängig ist. Neben dem Zigarettenrauch-Modell für die COPD-Forschung, wurde ein alternatives Modell entwickelt, das sich der Bedeutung des cAMP-Signalings im Atemwegsepithel widmet.

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Bhandari, Anita: Impact of cigarette smoke exposure on the airway epithelium of Drosophila melanogaster to model COPD-like phenotypes.

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