Die circadiane Uhr im Immunsystem

Abstract

Tageszeitliche Rhythmen sind bei einer Vielzahl von immunologischen Parametern und Funktionen bekannt. Diese Phänomene wurden aber bislang in der Immunologie vernachlässigt. Beispiele für tageszeitliche Rhythmen im Immunsystem sind: circadiane Unterschiede in der Anfälligkeit gegenüber Bakterien oder unterschiedlich circadiane Symptome bei Erkrankungen wie Rheumatische Arthritis und Asthma. Daher ist die Aufklärung des Zusammenhangs zwischen circadianer Uhr und Immunsystem von besonderer Bedeutung für klinische Diagnosen und pharmakologische Therapien. Obwohl das Wechselspiel zwischen innerer Uhr und immunologischen Phänomenen für die Medizin offensichtlich ist, wurde es in der Literatur lediglich beschrieben. Über den zugrunde liegenden Mechanismus indes ist fast nichts bekannt. In dieser Arbeit wurde erstmals untersucht, ob das Immunsystem – wie andere periphere Organe auch – eine circadiane Uhr besitzt, welche die Immunfunktionen direkt in den Organen steuert. Mehrere Kriterien für die Existenz einer funktionell relevanten circadianen Uhr im Immunsystem konnten hier nachgewiesen werden: (i) In der Milz und in den Lymphknoten von Mäusen werden die Uhrgene Per2 und Rev-Erbα über zwei Tage circadian exprimiert. Die Phasen und Amplituden der Oszillationen sind vergleichbar mit anderen peripheren Geweben wie Lunge, Leber oder Niere. (ii) Diese circadianen Oszillationen bestehen für mehrere Tage in der Milz, den Lymphknoten, Peritonealmakrophagen und peripheren mononukleären Blutzellen (PBMCs) bei einer ex vivo-Kultivierung von Organen oder Zellen von PER2::LUC-Mäusen bzw. Per1::Luc-Ratten. Durch die Abkopplung der Gewebe/Zellen von systemischen Zeitgeber Signalen während der Kultivierung wurde gezeigt, dass die Immun-Uhr eigenständig exprimiert wird und nicht systemisch getrieben wird. (iii) Diese potenzielle Immun-Uhr reguliert möglicherweise immunologische Funktionen. Hinweise dafür, liefern einerseits die circadiane Rhythmik der Gesamtzellzahl sowie der Zellzahl von Subpopulationen wie Makrophagen, B- und T-Zellen der Milz, andererseits die circadiane Oszillation der Zytokinsekretion nach der Stimulation von Milzzellen mit LPS. Während rhythmische Immunfunktionen, wie Zytokinsekretionen, meist mit der circadianen Sekretion von Kortisol in Verbindung gebracht wurden, konnte in adrenalektomierten Mäusen gezeigt werden, dass sowohl die circadiane Oszillation der Zellzahl als auch die circadiane Zytokinsekretion von TNFα und IL-6 in Abwesenheit von Kortisolrhythmen weiter bestehen bleiben. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit Hinweise und Vernetzungen aufgezeigt, die auf eine molekulare Verbindung zwischen circadianer Uhr und Immunsystem auf Immunzellebene hindeuten. Dazu wurde die Genexpression von Makrophagen zu zwei circadianen Zeitpunkten mit Hilfe von Microarrays untersucht. Die Expressionsdaten liefern Hinweise auf eine mögliche Regulation entlang des Toll-like-Rezeptor 4 –Signalweges durch die circadiane Uhr. Die hier vorgestellten Ergebnisse unterstützen die Idee eines intrinsisch circadianen Uhrwerks in Immunzellen, das als Regulator für Immunfunktionen agiert. Das Wissen über circadian regulierte Gene und Immunfunktionen kann zum weiteren Verständnis beitragen, wie und in welchem Umfang die innere Uhr das Immunsystem beeinflusst.

Daily rhythms of a variety of immunological phenomena and functions are well known, but so far they have largely been neglected. Examples of daily rhythms in the immune system are: circadian differences in susceptibility to bacterial infection and daily variations in the symptoms of diseases such as rheumatoid arthritis or asthma. Therefore, it is very important for clinical diagnosis and pharmacological therapies to elucidate the connections between the circadian clock and the immune system. Although the interplay between the circadian clock and immunological phenomena is obvious, it has not been investigated yet. To date, almost nothing is known about the underlying mechanisms. In this thesis, it first investigated for the first time, whether the immune system – like other peripheral tissues – possesses a circadian clock, which controls immune functions in the different organ tissues. Several criteria, which are evidence for the existence of a circadian clock, are fulfilled in the immune system of mice: (i) The clock genes Per2 and Rev-Erb alpha are rhythmically expressed over 2 days in spleen and lymph nodes. The phases and amplitudes of the oscillations are comparable with other peripheral tissues like lung, liver or kidney. (ii) These circadian oscillations persist for several days in explanted cultures of spleens, lymph notes, peritoneal macrophages and peripheral mononuclear blood cells (PBMCs) of PER2::LUC mice and Per1::luc rats, respectively. Thereby, it was shown that immune tissues and cells contain a circadian clock which is not driven by systemic factors. (iii) This cell-autonomous immune clock potentially regulates immunological functions. Evidence for that are the circadian rhythms in spleen cell number as well as in the cell number of subpopulations like macrophages, B- and T-cells. Another hint is the circadian oscillation of cytokine secretion after stimulation with LPS. Studies with adrenalectomized mice showed that also when cortisol rhythms are absent the oscillation in cell numbers and the rhythm of cytokine secretion of TNF and IL-6 persist. In addition, this work presents evidence for molecular links between the circadian clock network and the immune system signalling networks. To test this hypothesis, the gene expressions in macrophages at two circadian time points were investigated with the help of micro arrays. The data provide indications for a regulation of the toll-like-receptor 4 pathway through the circadian clock. The presented results support the idea of an intrinsic circadian clock work in immune cells, which regulates immune functions. The data on circadian-regulated genes and immune functions contribute to the understanding of how the circadian clock influences the immune system.