Organization and consequences of functional responses in microglia upon activation of the TLR4 complex
CD14 as a gate keeper in microglial responses to infection and damage
by Hana Janova
Date of Examination:2014-09-22
Date of issue:2014-09-30
Advisor:Prof. Dr. Uwe-Karsten Hanisch
Referee:Prof. Dr. Dr. Hannelore Ehrenreich
Referee:Prof. Dr. Uwe-Karsten Hanisch
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Abstract
English
Microglia are resident macrophage-like cells of the central nervous system (CNS) which constantly survey the tissue for signs of homeostatic disturbance. As the major immunocompetent effector cells in the brain parenchyma, they express a large variety of receptors for pathogen-associated molecular patterns (PAMPs). Among them, Toll-like receptor (TLR) 4 allows microglia to respond not only to bacterial infection but also to damage. Stimulation of TLR4 by bacterial lipopolysaccharide (LPS) as well as self-derived damage-associated molecular patterns (DAMPs) released upon tissue impairment triggers signaling via both TRIF- and MyD88-dependent routes. The ultimate secretion of cytokines and chemokines attracts and instructs peripheral immune cells to enable protection of the CNS as well as promotion of tissue regeneration. We show here that the TLR4 co-receptor CD14 is an essential gatekeeper for mounting immune reactions in the CNS to LPS and E.coli administration as well as upon mechanical trauma and ischemic stroke. Unlike extraneural macrophages, microglia employ CD14 to gain extreme sensitivity to very small amounts of LPS. At the same time, CD14 protects microglia from overshooting responses to high doses of LPS, thereby especially preventing an excessive production of the neutrophil chemoattractant CXCL1. Accordingly, CD14 supports the recruitment of monocytes and neutrophils into the CNS as challenged by low doses of LPS, while simultaneously preventing an augmented neutrophil influx upon exposure to high amounts of LPS or E.coli. Importantly, we demonstrate a mandatory requirement of CD14 in DAMP-triggered and TLR4-mediated immune reactions. CD14 deficiency (in cd14-/- conditions) or block (e.g. by an antibody) completely abrogates microglial responses triggered by plasma fibronectin (as a representative DAMP) and impairs leukocyte infiltrations following traumatic CNS injury. Upon ischemic CNS injury, cd14-/-mice do not only display fewer monocytes in the brain but also an enlarged stroke size. Notably, we found that interferon (IFN) b is a key element in the CD14-mediated containment of CXCL1 synthesis, suggesting a negative CD14/TLR4-TRIF-IFNb-INAR1-Jak feedback loop on the MyD88-driven chemokine induction. Finally, even though CD14 orchestrates TLR4-mediated responses to infectious and non-infectious stimuli, its expression is under the control of various TLR ligands and cytokines. Thus, CD14-controlled functions of microglia are themselves subject to a versatile control by other CNS-resident and incoming peripheral cells. These regulations will allow for an incorporation or the exclusion of the damage-sensing capacity of the TLR4 complex during CNS responses to most diverse pathological scenarios.
Keywords: microglia; CD14; TLR4; PAMP; DAMP; infection; damage
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Mikroglia sind residente Makrophagen-artige Zellen des Zentralnervensystems (ZNS), die das Gewebe kontinuierlich auf Anzeichen homöostatischer Störungen überwachen. Als die wesentlichen immunkompetenten Effektorzellen im Hirnparenchym exprimieren sie eine Vielzahl von Rezeptoren für pathogen-assoziierte molekulare Strukturmuster (pathogen-associated molecular patterns, PAMPs). Zu diesen Rezeptoren zählt der Toll-like receptor (TLR) 4, der nicht nur Reaktionen der Mikroglia auf bakterielle Infektionen, sondern auch auf Gewebe Schädigungen ermöglicht. Stimulation des TLR4 mit bakteriellem Lipopolysaccharid (LPS) und endogenen schädigung-sassoziierten molekularen Strukturen (damage-associated molecular patterns, DAMPs), die durch Gewebebeeinträchtigung freigesetzt werden, löst sowohl TRIF- als auch MyD88-abhängige Signalkaskaden aus. Die damit induzierte Freisetzung von Zytokinen und Chemokinen rekrutiert und instruiert periphere Immunzellen für eine Protektion und unterstützende Geweberegeneration des ZNS. Wir zeigen hier, dass der TLR4-Korezeptor CD14 ein essenzieller gate keeper für die Generierung von Immunantworten im ZNS ist, die durch LPS oder E. coli-Verabreichung, aber auch durch mechanisches Trauma und ischämischen Schlaganfall ausgelöst werden. In gewissem Gegensatz zu extraneuralen Makrophagen nutzen Mikroglia CD14 zur Erlangung einer extremen Sensitivität gegenüber sehr geringen LPS-Mengen. Gleichzeitig schützt CD14 Mikroglia vor überschießenden Reaktionen auf hohe LPS-Dosen und verhindert dabei insbesondere die exzessive Produktion von CXCL1, eines chemoattraktiven Signals für neutrophile Granulozyten. Entsprechend unterstützt CD14 die ZNS-Rekrutierung von Monozyten und Neutrophilen durch niedrige LPS-Dosen, während es die verstärkte Einwanderung von Neutrophilen durch hohe Dosen von LPS oder E. coli verhindert. Als eine besonders wichtige Funktion beschreiben wir dabei die absolute CD14-Abhängigkeit DAMP-ausgelöster und TLR4-vermittelter Immunreaktionen. CD14-Defizienz (unter cd14-/--Bedingungen) oder CD14 Blockade (durch Antikörper) löschen mikrogliale Reaktionen, die durch Plasma-Fibronektin (als repräsentatives DAMP-Molekül) ausgelöst werden können, komplett aus und beeinträchtigen die Leukozyten-Infiltration nach ZNS-Trauma. Bei einer ischämischen ZNS-Schädigung weisen cd14-/--Mäuse im Gehirn nicht nur weniger Monozyten auf, sondern gleichzeitig ein vergrößertes Infarktvolumen. Wir konnten für Interferon (IFN) b eine Schlüsselfunktion in der CD14-vermittelten Eindämmung der CXCL1-Synthese darstellen, die auf eine negative CD14/TLR4-TRIF-IFNβ-INAR1-Jak- Rückkopplung für MyD88-getriebene Chemokine schließen lässt. Obwohl CD14 somit TLR4-vermittelte Reaktionen auf infektiöse und nicht-infektiöse Agenzien orchestriert, wird seine Expression durch verschiedene TLR-Liganden und Zytokine reguliert. Letztlich unterliegen damit CD14-kontrollierte Funktionen selbst einer komplexen Kontrolle durch ZNS-residente und eingewanderte periphere Zellen. Diese Regulationen können über die Einbeziehung oder den Ausschluss der Kapazitäten des TLR4-Komplexes für eine Schadenserkennung während der ZNS-Reaktionen in unterschiedlichsten pathologischen Szenarien entscheiden.