Vergleich der immunomodulatorischen Eigenschaften der Cystatine freilebender und parasitärer Nematoden

Abstract

Parasitische Nematoden (Fadenwürmer) beeinflussen das Immunsystem ihres Wirtes, um ihn möglichst lange ausnutzen zu können. Um diese Immunmodulation zu verstehen, ist eine Untersuchung der Mechanismen auf molekularer Ebene notwendig. Meine Arbeit versucht, in einem vergleichenden Ansatz die bei parasitären Nematoden evolvierten Mechanismen der Immunmodulation herauszuarbeiten, indem von den Würmern ausgeschiedene Proteinase-inhibitoren (Cystatine) untersucht werden. Cysele1 und Cysele2, Cystatine des freilebenden, nichtparasitären Nematoden Caenorhabditis elegans, wurden kloniert, exprimiert und hinsichtlich ihres Einflusses auf die zelluläre Immunantwort von Mäusen und Menschen untersucht. Als Vergleich dienten bereits beschriebene rekombinante Cystatine parasitärer Nematoden, Av17 (Hartmann et al., 1997), ein Cystatin der Nagetierfilarie Acanthocheilonema viteae, sowie Ov17 (Schönemeyer et al., 2001), ein Cystatin der humanpathogenen Filarie Onchocerca volvulus. Der markanteste Unterschied in der Wirkung der Cystatine bestand in ihrem Einfluß auf die Proliferation von T-Lymphozyten. Filariencystatine supprimierten signifikant die Proliferation polyklonal und antigenspezifisch stimulierter Mausmilzzellen und humaner PBMC. Demgegenüber hatten die C. elegans-Cystatine keinen bzw. einen geringen Einfluß auf diese Formen der Proliferation. Auf der Suche nach den Ursachen für diesen Unterschied wurden verschiedene Vorgänge betrachtet. Humane Cathepsine, die an einer Antigenprozessierung und ?präsentation durch APC beteiligt sind, wurden durch die untersuchten Cystatine unterschiedlich stark inhibiert (besonders Cathepsin S und B). Dafür sind wahrscheinlich Mutationen in der Inhibitionsdomäne der Proteine verantwortlich. Das Zytokinmuster polyklonal stimulierter, humaner PBMC und somit die Regulation von Immunantworten wurde durch Filarien- und C. elegans-Cystatine ebenfalls unterschiedlich beeinflußt. Während Filariencystatine die Produktion des entzündungshemmenden Zytokins IL-10 induzierten, wurden unter dem Einfluß der C. elegans-Cystatine verstärkt die entzündungsfördernden Zytokine IFN-g und IL-12 gebildet. Die Produktion von NO durch murine Peritonealmakrophagen wurde durch Filarien- bzw. C. elegans-Cystatine ähnlich stark stimuliert. Meine Daten zeigen, daß einige immunmodulatorische Effekte von Filariencystatinen sich klar von den Effekten der C. elegans-Cystatine unterscheiden. Damit ist zu vermuten, daß Filarien im Lauf der Evolution bestimmte, auch schon bei freilebenden Formen vorhandene Proteine so modifiziert haben, daß diese die Immunantwort ihres Wirtes gezielt beeinflussen und eine spezifische Toleranz des Parasiten herbeiführen.

Parasitic nematodes modulate the immune systems of their hosts to exploit them as long as possible. In an effort to understand the molecular mechanisms involved in this immunomodulation, I examined the role of nematode-encoded secreted protease inhibitors (cystatins). Cysele1 and Cysele2, cystatins of the free-living, non-parasitic nematode Caenorhabditis elegans were cloned, expressed and investigated for their impact on mice and human cellular immune responses. For comparision, previously described recombinant cystatins of parasitic nematodes were used: Av17 (Hartmann et al., 1997), a cystatin of the rodent filarial pathogen Acanthocheilonema viteae; and Ov17 (Schönemeyer et al., 2001), a cystatin of the human filarial pathogen Onchocerca volvulus. The most striking difference in the effect of the cystatins was the impact on the proliferation of T lymphocytes. Filarial cystatins strongly suppressed the proliferation of polyclonally and antigen specific stimulated murine spleen cells and human PBMC. In contrast, the C. elegans cystatins had little or no effect on either type of proliferation. Different processes were investigated to find the basis for these differences. Human cathepsins involved in antigen processing and presentation by APC were differentially inhibited by the cystatins examined (mostly cathepsin S and B). Mutations in the domain of inhibition of the proteins are probably responsible. The pattern of cytokine production by polyclonally stimulated human PBMC and therefore the regulation of the immune response were differentially effected by filarial and C. elegans cystatins. Filarial cystatin induced the production of the antiinflammatory cytokine IL-10 whereas C. elegans cystatins induced the production of the proinflammatory cytokines IFN-g and IL-12. The production of NO by murine peritoneal macrophages was stimulated by both the filarial and C. elegans cystatins. My data show, that certain immunomodulatory effects of filarial cystatins are clearly different from the effects of the C. elegans cystatins. We propose that during evolution of filarial parasites selection for modifications in proteins pre-existing in free-living nematodes occured which targeted the immune response of their hosts resulting in reduced immune clearance.