Die funktionelle Relevanz zweier Asthma-assoziierter Serpine in den Atemwegen von Drosophila melanogaster

Angstmann, Hanna ORCID

Asthma bronchiale ist eine chronisch-entzündliche Erkrankung der Atemwege. Zu den Risikofaktoren gehören neben Umweltfaktoren, wie Allergenen und Tabakrauch, auch genetische Aspekte. Epidemiologische Studien haben eine Vielzahl dieser Suszeptibilitätsgene identifiziert, unter anderem die Gene der Serinproteaseinhibitoren (Serpine) SPINK5 und SERPINB3. Träger von Punktmutationen in den Gensequenzen der Serpine besitzen ein erhöhtes Risiko an Asthma zu erkranken. Wie allerdings eine veränderte Genexpression der Serpine die Pathogenese von Asthma begünstigt, ist noch unerforscht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Aspekte der SPINK5- und SERPINB3-Funktion im respiratorischen Epithel von Drosophila melanogaster charakterisiert. Hierfür wurde die Fehlregulation der zu SERPINB3 und SPINK5 orthologen Gene, spn43Aa bzw. CG14933, durch eine gezielte Manipulation der Genexpression (RNAi-Knockdown bzw. ORF-Überexpression) selektiv im Atemwegsepithel nachgestellt. Für beide Gene, spn43Aa und CG14933, wurde eine Beteiligung an der embryonalen Atemwegsentwicklung nachgewiesen. Eine fehlerhafte Expression beeinträchtigt die Morphologie und Funktion der Atemwege erheblich. Darüber hinaus behindert eine Fehlexpression der Serpine in den Atemwegen die Entwicklung und das Überleben der Fliege. Nicht nur benötigen die Tiere für ihre Entwicklung signifikant mehr Zeit, zusätzlich ist die Überlebensrate der Larven sowie die Lebensdauer der Imagines stark reduziert. Unter Einbezug Asthma-relevanter Faktoren, wie Zigarettenrauch und Hypoxie, führt die Fehlregulation der Serpine und die damit einhergehende veränderte Atemwegsmorphologie zu einer gesteigerten Sensitivität der Larven während der Exposition. Nach der Behandlung äußert sich die sensitive Reaktion der Tiere in einer Entwicklungsverzögerung und verkürzten Lebenszeit. Es ist wahrscheinlich, dass die bei Asthmapatienten beobachtete veränderte Expression der Serpine SERPINB3 und SPINK5 ähnliche strukturelle Veränderungen in der humanen Lunge bewirkt und diese dadurch anfälliger für äußere Reize macht. Damit bestätigen die in Drosophila gewonnenen Erkenntnisse, dass die beiden Serpingene SERPINB3 und SPINK5 als Suszeptibilitätsgene fungieren und die Entstehung von Asthma bronchiale begünstigen.

Bronchial asthma is a chronic inflammatory lung disease. Risk factors include environmental factors such as allergens and tobacco smoke, as well as genetic aspects. Epidemiological studies have identified a large number of these susceptibility genes, including the genes of the serine protease inhibitors (serpins) SPINK5 and SERPINB3. Carriers of SNPs in in the gene sequences of these serpins have an increased risk of developing asthma. However, how an altered serpin gene expression facilitates the pathogenesis of asthma has not yet been investigated. Therefore in the present work, the function of SPINK5 and SERPINB3 in the respiratory epithelium was characterized using the model organism Drosophila melanogaster. For a targeted examination, misregulation of the genes orthologous to human SERPINB3 and SPINK5, spn43Aa and CG14933 respectively, was selectively simulated by targeted manipulation of the spn43Aa and CG14933 gene expression (RNAi knockdown and ORF overexpression) in the respiratory epithelium of the fruit fly. For both genes, spn43Aa and CG14933, a significant involvement in the embryonic development of the respiratory tract was demonstrated. Misexpression of serpin genes significantly impairs the morphology and function of the airways. In addition, the misregulated expression of spn43Aa and CG14933 in the fly’s airways severely affected their development and survival. The results showed that the flies required significantly more time for their development. Moreover, the larval survival rate as well as the lifespan of adult flies was significantly reduced. Taking asthma-relevant factors such as tobacco smoke inhalation and acute hypoxia into account, the misregulation of spn43Aa or CG14933 and the associated alteration in airway morphology lead to an increased sensitivity during exposure. After treatment, the sensitive response of these animals resulted in delayed development and shortened lifespan. It is therefore likely that the altered expression of SERPINB3 and SPINK5 observed in asthma patients causes similar structural changes in the human lung, making it more susceptible to external stimuli. The findings obtained in Drosophila thus confirm that both serpin genes SERPINB3 and SPINK5 function as susceptibility genes and promote the development of bronchial asthma.

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Angstmann, Hanna: Die funktionelle Relevanz zweier Asthma-assoziierter Serpine in den Atemwegen von Drosophila melanogaster. 2020.

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