Functional role of ubiquitin proteasome system in idiopathic inflammatory myopathies

Abstract

Idiopathic inflammatory myopathies (IIMs) are muscle diseases, characterized by inflammatory infiltration and increased expression of MHC-I molecules on myofibers. Proteasome is a multi-subunits complex that is expressed in all types of cells and shapes the repertoire of antigenic peptides. We have previously demonstrated the expression of different catalytic subunits of constitutive proteasomes and immunoproteasomes in the muscle tissue of IIMs at mRNA level. We disclosed that the expression of immunoproteasome catalytic subunits is significantly higher in IIMs muscle biopsies, compared to healthy controls and non-IIMs. However, it remains unclear whether this finding is related to the pathogenesis of IIMs. To extend our previous study, we analyzed the protein expression of proteasome catalytic subunits in the muscle fibers of IIMs and investigated their potential function in diseases pathogenesis. Immunofluorescence staining revealed that constitutive catalytic subunits β1 and β5 were expressed in healthy controls as well as in IIMs and non-IIMs muscle fibers. However, immunoproteasome subunits β1i as well as β5i were upregulated only in sporadic inclusion body myositis (sIBM), immune-mediated necrotizing myopathy (IMNM) and dermatomyositis (DM) muscle biopsies. In addition, we confirmed that both muscle fibers and muscle infiltrating cells, including CD8+ T-cells and CD68+ macrophages in IIMs, expressed β1i or β5i. Furthermore, we have also investigated the role of the immunoproteasome under inflammatory conditions in human primary myoblasts in vitro. Under the influence of pro-inflammatory cytokines, such as TNF-α, IFN-α, IFN-β or IFN-γ, myoblast were capable to upregulate β1i or β5i. Of note, the expression of β1i or β5i co-localized with the MHC-I expressing myofibers in IIMs. Furthermore, the in vitro results showed that specific inhibition of either β1i or β5i reduced IFN-γ mediated cell surface expression of MHC-I on myoblasts. In addition, selective inhibition of β5i catalytic activity or gene knock-down of its gene amplified the TNF-α or IFN-γ mediated expression of cytokines and chemokines, such as IL-6, IL-1β, CXCL9 and CXCL10 in primary myoblasts. Taken together, these data suggest that the immunoproteasome is involved in pathologic MHC-I expression and maintenance of muscle derived cytokines/chemokines production in IIMs. Thus, induction of the immunoproteasome was identified as hallmark of IIMs which provides strong evidence for its involvement in the underlying pathomechanism of inflammation.

Idiopathische inflammatorische Myopathien (IIMs) sind eine Gruppe von Muskelerkrankungen, die durch entzündliche Infiltrate in Muskelfasern mit erhöhter Expression von MHC-I Molekülen charakterisiert sind. Das Proteasom ist ein proteolytischer Komplex, der aus mehreren Untereinheiten besteht und in allen Körperzellen exprimiert wird. Eine wichtige Funktion übt es durch die Generierung von antigenen Peptiden für den MHC-Klasse I Präsentationsweg aus. In Vorarbeiten konnten wir eine Expression verschiedener katalytischer Untereinheiten des Proteasoms im Muskelgewebe von IIM Patienten auf mRNA Ebene zeigen. Es blieb jedoch unklar, ob diese Beobachtung im Zusammenhang zur Pathogenese von IIMs steht. In Weiterführung dieser Untersuchungen wurde die Expression von katalytischen proteasomalen Untereinheiten im Muskelgewebe von IIM Patienten sowie deren potentieller Beitrag zur Pathogenese untersucht. Die durchgeführten Immunofluoreszenzfärbungen zeigten, dass die konstitutiven katalytischen proteasomalen Untereinheiten β1 und β5 in gesunden Kontrollen sowie auch in IIM und nicht-IIM Muskelfasern exprimiert werden. Dem gegenüber wurden die Immunoproteasom Untereinheiten β1i sowie β5i nur in Muskelbiopsien bei sporadischer Einschlusskörpermyositis (sIBM), bei immun-mediierter nekrotisierender Myopathie (IMNM) und Dermatomyositis (DM) nachgewiesen. Weiterhin konnte bestätigt werden, dass sowohl Muskelfasern als auch infiltrierende Zellen, einschließlich CD8+ T-Zellen und CD68+ Makrophagen bei IIMs, β1i oder β5i exprimieren. Darüber hinaus wurde die Bedeutung des Immunoproteasoms unter inflammatorischen Bedingungen in humanen primären Myoblasten in vitro untersucht. Unter dem Einfluss von pro-inflammatorischen Zytokinen, wie TNF-α, IFN-α, IFN-β oder IFN-γ, waren Myoblasten in der Lage β1i sowie β5i hoch zu regulieren. Bemerkenswert war, dass die Expression von β1i sowie β5i mit der MHC-I Expression auf Muskelfasern bei IIM eine Co- Lokalization zeigte. Weiterhin konnten die in vitro Ergebnisse zeigen, dass eine spezifische Inhibition von β1i oder β5i zu einer reduzierten IFN-γ vermittelten Zelloberflächen-Expression von MHC-I auf Myoblasten führt. Eine selektive Inhibition der katalytischen Aktivität von β5i oder ein genetischer knock-down des Gens verstärkte eine TNF-α oder IFN-γ vermittelte Expression von Zytokinen und Chemokinen wie L-6, IL-1β, CXCL9 und CXCL10 in primären Myoblasten. Zusammengefasst belegen diese Ergebnisse, dass das Immunoproteasom in die pathologische MHC-I Expression und die Produktion von muskulären Zytokinen und Chemokinen bei IIM einbezogen ist. Die Induktion des Immunoproteasoms konnte somit als ein Merkmal von IIM identifiziert werden, wodurch seine Einbeziehung in die zugrunde liegenden Pathomechanismen der Inflammation bestätigt wird.