Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6857

Attenuation of IgE receptor signalling in mast cells as molecular basis for the anti-allergic action of glucocorticoids

Alessandra Sancono

Abstract
Glucocorticoids are well known for their potent anti-inflammatory, immune suppressive and anti-allergic activities. In mast cells, they inhibit the exocytotic release of granules containing pre-formed allergic mediators, the activation of arachidonic acid metabolism and the induction of expression of pro-inflammatory cytokines. These processes are brought about by activation of the receptor with high affinity for IgE (FceRI), following IgE/antigen cross-linking. In the work presented here, the mode(s) of action of glucocorticoids in inhibiting FceRI signalling have been analysed.

Glucocorticoids suppress the expression of FceRI alpha chain gene by inhibiting its promoter activity. This effect requires de novo protein synthesis and regulatory elements at the FceRI a-chain promoter that bind the transcription factors GATA-1, Elf-1, PU.1 and YY1. The downregulation of the FceRI a-chain gene expression correlates with a reduced surface expression of the FceRI. Furthermore, glucocorticoid treatment promotes inactivation of the lck/yes-related novel (Lyn) Src-like tyrosine kinase, responsible of phosphorylation and activation of the FceRI, via enhanced phosphorylation of the regulatory tyrosine residue of Lyn. The reduction of surface expressed IgE receptor and the inactivation of Lyn would suppress the signal transduction events originating from the FceRI and ending up with the activation of the downstream targets ERK1/2.

In addition, it has been shown here that glucocorticoids inhibit IgE receptor signalling by enhancing the expression of the MAPK phosphatase MKP-1, which in turn inhibits the activation of ERK1/2. The glucocorticoid-mediated enhancement in MKP-1 expression occurs at the MKP-1 promoter level. This regulation requires the glucocorticoid receptor (GR) dimerisation function and the presence of discrete elements on the promoter proximal sequence, suggesting that it is a direct action of the GR. A crucial role of MKP-1 in glucocorticoid-mediated repression of ERK1/2 phosphorylation was demonstrated in bone marrow derived mast cells from MKP-1-deficient mice. ERK1/2 in these cells are activated by IgE receptor cross-linking or by Stem Cell Factor through the c-kit receptor, and they were no longer inhibited by glucocorticoids, while this was the case in cells from wild-type mice. However, ERK1/2 activity in other cell types such as thymocytes and splenocytes of MKP-1 deficient mice, could still be inhibited by glucocorticoids. These results demonstrate that repression of ERK1/2 through MKP-1 is a specific process, that occurs in mast cells but not in other cell populations.

Taken together, the results presented here show that the glucocorticoid-mediated inhibition of expression of FceRIa gene and increased expression of MKP-1 may possibly function together in the attenuation of IgE receptor signalling by glucocorticoids.

Verzögerung der Signaltransduktionskette des IgE-Rezeptors in Mastzellen als molekulare Basis für die antiallergische Wirkung von Glukokortikoiden

Zusammenfassung
Glukokortikoide sind für ihre starken entzündungshemmenden, immunsuppressiven und anti-allergischen Wirkungen bekannt. Sie verhindern sowohl das exozytotische Ausschütten der Granulae, welche bereits vorsynthetisierte allergische Mediatoren enthalten, als auch die Aktivierung des Arachidonsäurestoffwechsels und die Induktion der Expression von proinflammatorischen Zytokinen. Alle diese Prozesse kommen durch die Aktivierung von FceRI, eines Rezeptors mit hoher Affinität zu IgE, zustande, gefolgt von Antigen-IgE-Antikörper-Kreuzreaktionen in Mastzellen.

In der hier vorgestellen Arbeit werden die Wirkung(en) der Glukokortikoide bei der Hemmung des FceRI-Signaltransduktionsweges untersucht. Glukokortikoide unterdrücken die Expression des Genes, welches für die alpha-Kette des FceRI kodiert, im Bereich seines Promoters. Dieser Effekt benötigt neue Proteinsynthese und regulatorische Elemente im Promoter des Genes für die FceRI-alpha-Kette, an welche die Transkriptionsfaktoren GATA-1, Elf-1, PU.1 und YY1 binden können. Die Verringerung der Expression des Genes, welches für die FceRI-alpha-Kette kodiert, korreliert mit einer verringerten Oberflächenexpression des gesamten FceRI-Komplexes. Darüber hinaus fördert die Behandlung mit Glukokortikoiden die Inaktivierung der mit lck/yes-verwandten neuen Src-ähnlichen Tyrosinkinase Lyn, welche für die Phosphorylierung und Aktvierung von FceRI verantwortlich ist, mittels einer verstärkten Phosphorylierung der regulatorischen Tyrosinreste von Lyn. Diese Reduktion der Oberflächenexpression des IgE-Rezeptors (FceRI) und Inaktivierung von Lyn können die Signaltransduktionsereignisse unterdrücken, die vom FceRI kommen und mit der Aktivierung des weiter unten in der Signaltransduktionskaskade befindlichen Zielmoleküls ERK1/2 enden.

Zusätzlich konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, daß Glukokortikoide den durch den IgE-Rezeptor aktivierten Signaltransduktionsweg über eine Verstärkung der Expression der MAPK-Phosphatase MKP-1, welche ihrerseits die Aktivierung von ERK1/2 hemmt, vermindern können. Die über Glukokortikoide vermittelte Verstärkung der Aktivität von MKP-1 findet am Promoter von MKP-1 statt. Für diese Regulation ist sowohl eine Dimerisation des Glukokortikoidrezeptors (GR) notwendig, als auch das Vorhandensein bestimmter Elemente an der Promotorsequenz. Dies weist darauf hin, daß es sich um eine direkte Aktion des GR handelt. Gezeigt werden konnte eine entscheidende Rolle von MKP-1 bei der Glukokortikoid-vermittelten Unterdrückung der ERK1/2-Phosphorylierung in Mastzellen, die aus primären Knochenmarkszellen von MKP-1-defizienten Mäusen stammen. ERK1/2 werden in diesen Zellen durch die Kreuzreaktion des IgE-Rezeptors oder durch den Stammzellfaktor, welcher über den c-Kit-Rezetpor wirkt, aktiviert und nicht länger durch Glukokortikoide gehemmt, wie dies in Zellen von Wildtyp-Mäusen der Fall ist. Allerdings konnte die Aktivität von ERK1/2 in anderen Zelltypen wie Thymozyten und Splenozyten von MKP-1-defizienten Mäusen immer noch durch Glukokortikoide gehemmt werden. Diese Ergebnisse zeigen, daß die Repression von ERK1/2 durch MKP-1 ein spezifischer Prozeß ist, welcher in Mastzellen, aber nicht in anderen Zellpopulationen stattfindet.

Zusammenfassend zeigen die hier vorgestellten Ergebnisse, daß die über Glukokortikoide vermittelte Hemmung der Expression des FceRIalpha-Genes und die verstärkte Expression von MKP-1 möglicherweise gemeinsam bei der Abschwächung des IgE-Rezeptor-Signaltransduktionsweges durch Glukokortikoide wirken könnten.

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