Interaction between glucocorticoids and Toll-like receptor 2: regulatory and cooperative effects of glucocorticoids on cutaneous cells

Abstract

Topical treatment of glucocorticoids can provoke skin diseases such as acne vulgaris. This clinical observation has drawn attention to the paradoxical effect of Glucocorticoids. Glucocorticoid-enhanced Toll-like receptor (TLR) 2 expression has been suggested to play a role in steroid-induced skin inflammation. However, the modulatory effects of glucocorticoids on TLR2 expression and signaling in various cutaneous cells are still largely unknown. Furthermore, whether the cooperative effect of glucocorticoids with the Gram- positive bacterium Propionibacterium acnes, which is thought to contribute to the pathogenesis of acne, leads to the induction of pro-inflammatory mediators remains to be determined. TLR2 recognition mediates host responses to P. acnes. Distinct from P. acnes recognition by TLR2 homodimers in mice, the present thesis demonstrates that TLR2 heterodimers is a prerequisite in human cells. This species-specific recognition of P. acnes by TLR2 heterodimers might be exploited as drug targets for the control of inflammatory responses. Studies on the regulatory effects of glucocorticoids revealed keratinocyte- specific modulation of TLR2 expression, as dexamethasone increased TLR2 expression mainly in undifferentiated and less in calcium-induced differentiated keratinocytes but not in HaCaT cells or fibroblasts. Concurrent applied with TNF (tumor necrosis factor) or P. acnes, glucocorticoids further increase TLR2 in keratinocytes. Unlike under TNF-induced inflammatory conditions, glucocorticoid-enhanced TLR2 expression is negatively regulated by JNK (c-Jun N-terminal kinase) MAPK (mitogen-activated protein kinase) pathways under P. acnes stimulation. In contrast to increased TLR2 expression, glucocorticoids reduce TLR1 and TLR6 in the absence or presence of TNF presumably to maintain homeostasis of TLR2 signaling. In addition, glucocorticoid-induced TLR2 expression can result in functional TLR2 signaling in response to TLR2 ligands, i.e. glucocorticoid pre-stimulation increases MyD88 (myeloid differentiation primary response gene 88) recruitment and expression of adaptor protein TRAF6 (tumor necrosis factor receptor-associated factor 6). Further approaches examined the cooperative effects of glucocorticoids with P. acnes in terms of pro-inflammatory mediator release. Serum amyloid A (SAA) 1/2 have been implicated in numerous inflammatory disorders and can be induced by pro-inflammatory cytokines, lipopolysaccharide and glucocorticoids. The present study demonstrates that glucocorticoids and P. acnes cooperate in SAA1/2 induction, as a result of P. acnes-activated NF- κB (nuclear factor-κB) and STAT3 (signal transducer and activator of transcription 3) in complex with glucocorticoid-bound glucocorticoid receptors and transcription factor p300. Glucocorticoids and P. acnes synergistically increase MAP kinase phosphatase-1, thereby mediating TLR2 enhancement as well as SAA1/2 induction. Furthermore, TNF-induced sterile inflammation interacts with glucocorticoids to increase SAA1/2 which is also contributed by NF-κB and STAT3 activation. These findings are of high relevance to the pathogenesis of glucocorticoid-induced acne. Collectively, the results bring novel insights into the crosstalk between glucocorticoids and TLRs. In respect of TLR2, P. acnes is sensed by TLR2 heterodimers and activates NF-κB and STAT3 interacting with glucocorticoid receptors, which in turn induces SAA1/2. The combination of glucocorticoids and P. acnes enhance TLR2 expression and signaling that probably contributes to increased TLR2 recognition. As an endogenous TLR2 ligand, SAA1 might function through increased and activated TLR2 to induce further SAA1 production, as well as a network of inflammatory responses. In light of these findings, discovering small molecules targeting TLR2 dimers and STAT3 are potential therapeutic strategies for the treatment of P. acnes- induced acne and steroid acne.

Die topische Applikation von Glukokortikoiden kann Hauterkrankungen wie Akne vulgaris hervorrufen. Diese klinische Beobachtung hat auf den paradoxen Effekt der Glukokortikoide aufmerksam gemacht. Die durch Glukokortikoide hochregulierte Expression von Toll-like Rezeptor (TLR) 2 soll eine Rolle bei steroid-induzierten kutanen Entzündungen spielen. Dennoch sind die modulierenden Effekte von Glukokortikoiden auf TLR2 Expression und Signalwege in verschiedenen kutanen Zellen noch weitgehend unbekannt. Zusätzlich gilt es aufzuklären, ob der kooperative Effekt von Glukokortikoiden mit dem Gram- positiven Bakterium Propionibacterium acnes, das an der Akne-Pathogenese beteiligt sein soll, zur Induktion von pro-inflammatorischen Mediatoren führt. Die körpereigene Immunantwort auf P. acnes wird über Erkennung durch TLR2 vermittelt. Diese Arbeit zeigt, dass im Unterschied zur Erkennung von P. acnes in Mäusen durch TLR2 Homodimere, die Erkennung in menschlichen Zellen durch TLR2 Heterodimere erfolgt. Diese Spezies-spezifische Erkennung von P. acnes durch TLR2 Heterodimere stellt daher einen potenziellen therapeutischen Ansatzpunkt dar, um entzündliche Reaktionen zu kontrollieren. Versuche zu regulatorischen Effekten von Glukokortikoiden zeigten eine keratinozyten- spezifische Modulation der TLR2 Expression, da Dexamethason die TLR2 Expression hauptsächlich in undifferenzierten und weniger in Calcium- induzierten differenzierten Keratinozyten erhöhte, dagegen aber nicht in HaCaT Zellen oder Fibroblasten. Noch stärker erhöhen Glukokortikoide die TLR2 Expression in Keratinozyten zusammen mit TNF (Tumornekrosefaktor) oder P. acnes. Anders als bei Entzündungsprozessen, die durch TNF hervorgerufen werden, wird die durch Glukokortikoide erhöhte Expression von TLR2 bei gleichzeitiger Stimulation mit P. acnes negativ reguliert durch JNK (c-Jun N-terminale Kinase) MAPK (Mitogen-aktivierte Proteinkinase) Signalwege. Andererseits verringern Glukokortikoide die TLR1 und TLR6 Expression in Ab- oder Anwesenheit von TNF - vermutlich, um die TLR2 Signaltransduktion im Gleichgewicht zu halten. Zusätzlich kann die durch Glukokortikoide hervorgerufene TLR2 Expression als Reaktion auf TLR2 Liganden zu funktioneller TLR2 Signaltransduktion führen. So steigert eine Vorstimulation mit Glukokortikoiden die Rekrutierung von MyD88 (myeloid differentiation primary response gene 88) und Expression des Adaptorproteins TRAF6 (Tumornekrosefaktor Rezeptor-assoziierter Faktor 6). Ein weiterer Ansatz war die Untersuchung kooperative Effekte von Glukokortikoiden mit P. acnes bezüglich der Freisetzung pro-inflammatorischer Mediatoren. Serum Amyloid A (SAA) 1/2 soll eine Rolle in zahlreichen entzündlichen Erkrankungen zukommen. Sie können beispielsweise durch pro-inflammatorische Zytokine, Lipopolysaccharide und Glukokorticoide induziert werden. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Glukokortikoide und P. acnes bei der SAA1/2-Induzierung zusammenwirken, was aus P. acnes-aktiviertem NF-κB und STAT3 (signal transducer and activator of transcription) im Komplex mit Glukokortikoid-gebundenem Glukokortikoid- Rezeptor und dem Transkriptionsfaktor p300 resultiert. Glukokortikoide und P. acnes steigern synergistisch die MAP Kinase Phosphatase-1, wobei sie sowohl Hochregulierung von TLR2 als auch die Induzierung von SAA1/2 vermitteln. Darüber hinaus kann auch eine sterile Entzündung, ausgelöst durch TNF, mit Glukokortikoiden interagieren, um SAA1/2 zu erhöhen. Auch hier sind NF-κB und STAT3 Aktivierung involviert. Diese Ergebnisse sind hoch relevant für die Pathogenese der Glukokortikoid-induzierten Akne. Zusammengefasst werden in dieser Arbeit neue Einblicke in das Zusammenspiel von Glukokortikoiden und Toll-like-Rezeptoren gegeben. P. acnes wird durch TLR2 Heterodimere detektiert und aktiviert NF-κB und STAT3 im Zusammenspiel mit Glukokortikoidrezeptoren, was wiederum SAA1/2 induziert. Die Kombination aus Glukokortikoiden und P. acnes erhöht die TLR2 Expression und Signaltransduktion, was vermutlich zur gesteigerten TLR2 Erkennung beiträgt. Als endogener Ligand könnte SAA1 über Erhöhung und Aktivierung von TLR2 wirken, um weiterhin die SAA1 Produktion und ein Netzwerk aus entzündlichen Reaktionen zu induzieren. Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse dürfte die Entdeckung von kleinen Molekülen, die TLR2 Dimere und STAT3 als Zielstrukturen besitzen, potenzielle therapeutische Strategien für die Behandlung von P. acnes-induzierter Akne und Steroidakne darstellen.