Regulation of pneumococcal inflammation by CHIP via macrophage polarization

Abstract

Macrophages are immune cells widely distributed across the body. They produce pro-inflammatory cytokines and chemokines to broaden the inflammatory response and fend off pathogens. However, macrophages also have a role in tissue repair and maintaining homeostasis. They ingest dead cells and debris, and produce cytokines that stimulate the growth and restoration of tissue integrity. Macrophage polarization is the process through which macrophages change their phenotype to fulfill all these functions. They have a default M2 phenotype, characterized by functions in tissue repair, but polarize towards a pro-inflammatory phenotype, called M1, at the beginning of the inflammatory response. The carboxyl-terminus of Hsc70 interacting protein (CHIP) is a U-box type chaperone associated E3 ligase which ubiquitinates proteins, marking them for proteasomal degradation. The role of CHIP in the immune response has not been fully studied. Nonetheless, studies have found it targets proteins important for the immune response, such as nitric oxide synthase (iNOS) and interleukin 4 receptor alpha (IL-4Rα) for degradation. Moreover, infection models in mice show that the deficiency of CHIP causes an enhanced inflammatory response. To investigate the role of CHIP in macrophage polarization, Chip+/+ and Chip+/- macrophages were treated with Streptococcus pneumoniae, strain D39, lysate. Chip+/- macrophages showed a higher mRNA expression of pro-inflammatory cytokines (M1 markers), while the mRNA expression of M2 markers was lower in comparison to results from Chip+/+ macrophages. Furthermore, the use of the CHIP activator, 17-allylamino-17-demethoxygeldanamycin (17-AAG), increased the expression of M2 markers and decreased the expression of M1 markers in comparison to non-treated cells, proving that CHIP is a negative regulator of M1 polarization. Moreover, in vivo experiments showed that the depletion of macrophages from Chip+/+ mice caused an enhanced inflammatory response after D39-induced inflammation, which has been diminished by adaptive transfer of macrophages from Chip+/+ mice. In addition, Chip+/- mice displayed an enhanced inflammatory response in comparison to Chip+/+ mice, though it decreased once macrophages were depleted. These data indicated that CHIP confers a protective effect against pneumococcal inflammation. Additionally, the PI3K/Akt pathway plays a role in macrophage polarization, and CHIP is a known regulator of Akt. Furthermore, Akt1 regulates M2 polarization while Akt2 regulates M1, thus the expression of the Akt isoforms was studied. The results showed the protein expression of Akt1, Akt2 and total Akt were downregulated in macrophages pre-treated with 17-AAG. Though both the expression of Akt1 and Akt2 were inhibited by 17-AAG, the downregulation of Akt2 seems to be more significant, as macrophages displayed an anti-inflammatory (M2) phenotype. In conclusion, CHIP may regulate the polarization of macrophages by regulating expression of Akt, affecting the response to pneumococcal inflammation. In addition, the use of cell therapy showed a protective effect in the lungs of mice that received Chip +/+ macrophages. Therefore, further research on CHIP is needed as it could be used to stimulate M2 polarization to treat infections and other inflammatory processes.;대식세포는 몸 전체에 널리 분포하는 면역 세포이다. 따라서, 그들은 외부 침략자들에 대한 첫 번째 방어선 중 하나를 형성한다. 그들은 염증 반응을 넓히고 병원균을 방어하기 위해 전염증성 사이토카인 및 케모카인을 생산한다. 또한 대식세포는 조직 복구 및 항상성 유지에도 역할을 한다. 그들은 죽은 세포와 파편을 섭취하고 조직의 완전성을 회복시키고 성장시키는 사이토카인을 생성한다. 이러한 서로 다른 반대의 역할을 달성하기 위해, 대식세포는 가소성을 통해 표현형을 변화 시키는데, 이는 대식세포 분극화(macrophage polarization)로 알려진 과정이다. 대식세포는 염증 반응의 시작 부분에 M1이라고 불리는 전염증성 표현형으로 분화하지만 조직 수리 기능을 특징으로 하는 기본 M2 표현형을 가지고 있다. Carboxyl-terminus of Hsc70 interacting protein (CHIP)은 단백질을 ubiquitination시켜 proteasomal degradation을 나타내는 U-box type chaperone E3 ligase이다. 면역 반응에서 CHIP의 역할은 완전히 연구되지 않았다. 그럼에도 불구하고 연구 결과에 의하면 iNOS 와 IL-4Rα와 같은 면역 반응에 중요한 단백질이 분해되는 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 마우스의 감염 모델은 CHIP의 결핍이 염증 반응을 증가 시킨다는 것을 보여준다. 대식세포 분극에서 CHIP의 역할을 조사하기 위해, Chip+/+ 및 Chip+/- 대식세포를 Streptococcus pneumoniae, D39의 용해물로 처리하였다. Chip+/+ 대식세포는 전염증성 사이토카인 (M1 마커)의 낮은 mRNA 발현을 보인 반면, M2 마커는 Chip+/- 대식세포의 결과와 비교하여 더 높았다. 또한, CHIP 활성제인, 17-AAG의 사용은 M2 마커의 발현을 증가시키고, 처리되지 않은 세포와 비교하여 M1 마커의 발현을 감소시켰다. 더욱이, 생체 내 실험은 Chip+/+ 마우스로부터의 대식세포의 결핍이 D39 감염된 후에 염증 반응을 증가시키는 것을 보여 주었다. Chip+/+ 및 Chip+/- 마우스에서 Chip+/+ 대식세포의 재구성은 마우스로부터의 염증성 사이토카인의 mRNA 발현의 저수준에 의해 보여지는 바와 같이 이 유전자가 염증에 대한 보호 효과를 부여함을 보여 주었다. PI3K / Akt 경로는 대식세포 분극화에서 역할을 하며, CHIP은 Akt의 공지 된 조절 인자이므로, Akt 아형의 발현이 연구되었다. 결과는 CHIP 표적 p-Akt, Akt1, Akt2 및 분해에 대한 총 Akt를 나타낸다. 그러나, Akt2의 감소는 Akt1의 명백한 더 높은 분해에도 불구하고 대식세포가 M2 표현형을 나타내기 때문에, 대식세포 분극화에 더 강한 영향을 갖는 것으로 보인다. 결론적으로, CHIP 유전자는 Akt 단백질과 상호 작용하여 대식세포의 분극을 조절한다. Akt1 및 Akt2의 두 가지 아형이 모두 파괴되었지만 Akt2의 결실 효과가 더 중요해져서 대식세포를 항염증 (M2) 표현형으로 유도한다. 감염과 다른 염증 과정을 치료하기 위해 M2 분극화를 자극하기 위해 CHIP을 표적으로 할 수 있으므로 더 많은 연구가 필요하다.