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The role of PTPN2 in intestinal epithelial cells in the pathogenesis of inflammatory bowel disease


Kasper, Stephanie Hannelore Hilde. The role of PTPN2 in intestinal epithelial cells in the pathogenesis of inflammatory bowel disease. 2015, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

1 SUMMARY In industrialized countries the incidence of Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC), the most common variants of inflammatory bowel diseases (IBD), is rising since the beginning of the 20th century. IBD is believed to be caused by an overreacting immune response towards otherwise commensal bacteria of the gut in genetical predisposed individuals, leading to chronic intestinal inflammation. Genome wide association studies identified more than 160 genetic risk factors that mediate IBD susceptibility indicating that IBD is a polygenetic disease. The gene encoding protein tyrosine phosphatase non-receptor type 2 (PTPN2) is one of these risk genes identified so far. PTPN2 is also involved in the predisposition to other autoimmune diseases such as rheumatoid arthritis and diabetes type 1. Colon specimens of IBD patients show increased levels of PTPN2 protein. Furthermore, cell culture experiments proved that loss of PTPN2 in intestinal epithelia cells has detrimental effects on important cellular processes, that are known to be involved in IBD pathogenesis including autophagy, barrier function, and cytokine secretion. One aim of this thesis was to examine the role of PTPN2 in the context of endoplasmic reticulum (ER) stress conditions. ER stress pathways are initiated upon accumulation of misfolded proteins in the ER lumen and malfunction of these pathways are important for the development of IBD. We used monocytes (THP-1) and colon epithelia cells (HT-29) which responded differently to siRNA mediated PTPN2 depletion. Whereas PTPN2 lacking monocytes became more susceptible to tunicamycin induced ER stress, the absence of this phosphatase had beneficial effects on colon epithelia cells. This clearly showed the cell type specific role of PTPN2 under ER stress conditions. Another objective of this thesis was to investigate the role of PTPN2 in intestinal epithelia cells in vivo. Therefore, we bred mice with a tissue specific knockout of PTPN2 in the intestinal epithelium (PTPN2xVilCre mice) and induced colitis by dextran sodium sulfate (DSS) treatment. In the setup of acute colitis, colonoscopy indicated more severe inflammation in PTPN2xVilCre animals compared to their wild type littermates. Moreover, endoscopic control after chronic colitis suggested a less severe inflammation in mice carrying the tissue specific knockout. These findings could not be confirmed by histological analysis of colon specimens. Nevertheless, aberrant crypt foci were observed more frequently in PTPN2 deficient mice, suggesting an increased susceptibility to colon cancer. In the azoxymethane (AOM)/DSS model nearly all animals developed aberrant crypt foci irrespective of genotypes. Hence, in colon epithelial cells PTPN2 plays only a minor role in inflammatory processes, suggesting that the organism is capable of compensating this shortcoming. In summary, PTPN2 seems to be less crucial for intestinal epithelial cells compared to monocytes. Given that the highest PTPN2 expression is found in hematopoietic cells, this is not surprising. As shown by other studies, loss of PTPN2 in cells of the immune system results in severe phenotypes. Here, we demonstrate that its loss in intestinal epithelial cells can be compensated in vivo even during intestinal inflammation. 2 ZUSAMMENFASSUNG Chronisch entzündliche Darmerkrankungen (CED) mit den beiden wichtigsten Varianten Morbus Crohn und Colitis ulcerosa treten seit Beginn des 20. Jahrhunderts vor allem in industrialisierten Ländern vermehrt auf. Bei diesen Erkrankungen handelt es sich um eine Überreaktion des Immunsystems gegenüber der normalen Darmflora in genetisch veranlagten Personen, welche zur chronischen Entzündung des Darms führen kann. Genomweite Assoziationsstudien haben bereits mehr als 160 genetische Risikofaktoren identifiziert, die zur Prädisposition beitragen. Unter diesen Risikogenen ist auch das Gen, welche die Protein Tyrosin Phosphatase Non-Rezeptor Typ 2 (PTPN2) kodiert. PTPN2 vermittelt auch eine Neigung zur Ausbildung anderer Immunkrankheiten wie rheumatoide Arthritis und Diabetes Typ 1 vermittelt. In Darmbiopsien von CED Patienten findet man eine erhöhte Menge an PTPN2 Protein. Außerdem konnten Experimente in Zellkultur bereits belegen, dass sich in Darmepithelzellen ein Fehlen von PTPN2 negativ auf viele zelluläre Prozesse wie Autophagie, Barriere-Funktion und Zytokin-Ausschüttung auswirkt. Von all diesen Prozessen weiß man, dass sie bei CED eine wichtige Rolle spielen. Ein Ziel dieser Arbeit war es, die Rolle von PTPN2 im Zusammenhang mit endoplasmatischem Retikulum (ER) Stress zu untersuchen. ER Stress Signalwege werden durch ein Anhäufung von falsch gefalteten Proteinen im Inneren des ER ausgelöst und Fehlfunktionen innerhalb dieser Signalwege sind für die CED Pathogenese von Bedeutung. Wir haben Experimente mit Monozyten (THP-1) und Darmepithelzellen (HT-29) durchgeführt, die beide sehr unterschiedlich auf den siRNA vermittelten Verlust von PTPN2 reagierten. Während Monozyten mit PTPN2 Defizit anfälliger für Tunicamyin induzierten ER Stress wurden, hatte der Verlust positive Konsequenzen für Darmepithelzellen. Dies zeigt klar die Zelltyp spezifische Rolle dieser Phosphatase im Kontext von ER Stress. Als weiteres Ziel sollte im Rahmen dieser Promotionsarbeit die Bedeutung von PTPN2 für Darmepithelzellen in vivo untersucht werden. Dazu wurden Mäuse gezüchtet, die im Darmepithel kein PTPN2 exprimieren (PTPN2xVilCre Mäuse) und diesen durch Verabreichung von Dextran Natriumsulfat (DSS) eine Kolitis induziert. Die Koloskopie nach einer akuten DSS Kolitis gab Hinweise auf eine gesteigerte Entzündung bei PTPN2xVilCre Tieren im Vergleich zu ihren wildtypischen Wurfgeschwistern. Die endoskopische Kontrolle nach der chronischen DSS Kolitis zeigte hingegen eine mildere Entzündung in den Tieren mit gewebespezifischem knockout. Histologischen Untersuchungen von Darmbiopsien konnten diese Unterschiede jedoch nicht bestätigen. Allerdings beobachteten wir vermehrt abnorme Krypten in PTPN2 defizienten Mäusen bei der chronischen DSS Kolitis. Dies ließ uns zunächst vermuten, dass in diesen Tiere ein erhöhtes Risiko für kolorektale Karzinome vorliegt. Die Kombination von Azoxymethan (AOM) Injektion und DSS Gabe konnte diese These jedoch nicht bestätigen, da nahezu alle Tiere unabhängig von ihrem Genotyp abnorme Krypten ausbildeten. In Darmepithelzellen spielt PTPN2 daher keine relevante Rolle für den Entzündungsprozess, der Mangel kann durch den Organismus offensichtlich kompensiert werden. PTPN2 scheint also in Darmepithelzellen weniger wichtig zu sein als in Monozyten. Dies ist nicht sonderlich überraschend, wenn man bedenkt, dass die höchste PTPN2 Expression bekanntermaßen in blutbildenden Zellen zu finden ist. Andere Studien konnten bereits zeigen, dass ein Verlust der PTPN2 Expression in Immunzellen in starken Phänotypen resultiert. Wir zeigen hier, dass ein PTPN2 Defizit in Darmepithelzellen auch während einer Entzündung in vivo kompensiert werden kann.

Abstract

1 SUMMARY In industrialized countries the incidence of Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC), the most common variants of inflammatory bowel diseases (IBD), is rising since the beginning of the 20th century. IBD is believed to be caused by an overreacting immune response towards otherwise commensal bacteria of the gut in genetical predisposed individuals, leading to chronic intestinal inflammation. Genome wide association studies identified more than 160 genetic risk factors that mediate IBD susceptibility indicating that IBD is a polygenetic disease. The gene encoding protein tyrosine phosphatase non-receptor type 2 (PTPN2) is one of these risk genes identified so far. PTPN2 is also involved in the predisposition to other autoimmune diseases such as rheumatoid arthritis and diabetes type 1. Colon specimens of IBD patients show increased levels of PTPN2 protein. Furthermore, cell culture experiments proved that loss of PTPN2 in intestinal epithelia cells has detrimental effects on important cellular processes, that are known to be involved in IBD pathogenesis including autophagy, barrier function, and cytokine secretion. One aim of this thesis was to examine the role of PTPN2 in the context of endoplasmic reticulum (ER) stress conditions. ER stress pathways are initiated upon accumulation of misfolded proteins in the ER lumen and malfunction of these pathways are important for the development of IBD. We used monocytes (THP-1) and colon epithelia cells (HT-29) which responded differently to siRNA mediated PTPN2 depletion. Whereas PTPN2 lacking monocytes became more susceptible to tunicamycin induced ER stress, the absence of this phosphatase had beneficial effects on colon epithelia cells. This clearly showed the cell type specific role of PTPN2 under ER stress conditions. Another objective of this thesis was to investigate the role of PTPN2 in intestinal epithelia cells in vivo. Therefore, we bred mice with a tissue specific knockout of PTPN2 in the intestinal epithelium (PTPN2xVilCre mice) and induced colitis by dextran sodium sulfate (DSS) treatment. In the setup of acute colitis, colonoscopy indicated more severe inflammation in PTPN2xVilCre animals compared to their wild type littermates. Moreover, endoscopic control after chronic colitis suggested a less severe inflammation in mice carrying the tissue specific knockout. These findings could not be confirmed by histological analysis of colon specimens. Nevertheless, aberrant crypt foci were observed more frequently in PTPN2 deficient mice, suggesting an increased susceptibility to colon cancer. In the azoxymethane (AOM)/DSS model nearly all animals developed aberrant crypt foci irrespective of genotypes. Hence, in colon epithelial cells PTPN2 plays only a minor role in inflammatory processes, suggesting that the organism is capable of compensating this shortcoming. In summary, PTPN2 seems to be less crucial for intestinal epithelial cells compared to monocytes. Given that the highest PTPN2 expression is found in hematopoietic cells, this is not surprising. As shown by other studies, loss of PTPN2 in cells of the immune system results in severe phenotypes. Here, we demonstrate that its loss in intestinal epithelial cells can be compensated in vivo even during intestinal inflammation. 2 ZUSAMMENFASSUNG Chronisch entzündliche Darmerkrankungen (CED) mit den beiden wichtigsten Varianten Morbus Crohn und Colitis ulcerosa treten seit Beginn des 20. Jahrhunderts vor allem in industrialisierten Ländern vermehrt auf. Bei diesen Erkrankungen handelt es sich um eine Überreaktion des Immunsystems gegenüber der normalen Darmflora in genetisch veranlagten Personen, welche zur chronischen Entzündung des Darms führen kann. Genomweite Assoziationsstudien haben bereits mehr als 160 genetische Risikofaktoren identifiziert, die zur Prädisposition beitragen. Unter diesen Risikogenen ist auch das Gen, welche die Protein Tyrosin Phosphatase Non-Rezeptor Typ 2 (PTPN2) kodiert. PTPN2 vermittelt auch eine Neigung zur Ausbildung anderer Immunkrankheiten wie rheumatoide Arthritis und Diabetes Typ 1 vermittelt. In Darmbiopsien von CED Patienten findet man eine erhöhte Menge an PTPN2 Protein. Außerdem konnten Experimente in Zellkultur bereits belegen, dass sich in Darmepithelzellen ein Fehlen von PTPN2 negativ auf viele zelluläre Prozesse wie Autophagie, Barriere-Funktion und Zytokin-Ausschüttung auswirkt. Von all diesen Prozessen weiß man, dass sie bei CED eine wichtige Rolle spielen. Ein Ziel dieser Arbeit war es, die Rolle von PTPN2 im Zusammenhang mit endoplasmatischem Retikulum (ER) Stress zu untersuchen. ER Stress Signalwege werden durch ein Anhäufung von falsch gefalteten Proteinen im Inneren des ER ausgelöst und Fehlfunktionen innerhalb dieser Signalwege sind für die CED Pathogenese von Bedeutung. Wir haben Experimente mit Monozyten (THP-1) und Darmepithelzellen (HT-29) durchgeführt, die beide sehr unterschiedlich auf den siRNA vermittelten Verlust von PTPN2 reagierten. Während Monozyten mit PTPN2 Defizit anfälliger für Tunicamyin induzierten ER Stress wurden, hatte der Verlust positive Konsequenzen für Darmepithelzellen. Dies zeigt klar die Zelltyp spezifische Rolle dieser Phosphatase im Kontext von ER Stress. Als weiteres Ziel sollte im Rahmen dieser Promotionsarbeit die Bedeutung von PTPN2 für Darmepithelzellen in vivo untersucht werden. Dazu wurden Mäuse gezüchtet, die im Darmepithel kein PTPN2 exprimieren (PTPN2xVilCre Mäuse) und diesen durch Verabreichung von Dextran Natriumsulfat (DSS) eine Kolitis induziert. Die Koloskopie nach einer akuten DSS Kolitis gab Hinweise auf eine gesteigerte Entzündung bei PTPN2xVilCre Tieren im Vergleich zu ihren wildtypischen Wurfgeschwistern. Die endoskopische Kontrolle nach der chronischen DSS Kolitis zeigte hingegen eine mildere Entzündung in den Tieren mit gewebespezifischem knockout. Histologischen Untersuchungen von Darmbiopsien konnten diese Unterschiede jedoch nicht bestätigen. Allerdings beobachteten wir vermehrt abnorme Krypten in PTPN2 defizienten Mäusen bei der chronischen DSS Kolitis. Dies ließ uns zunächst vermuten, dass in diesen Tiere ein erhöhtes Risiko für kolorektale Karzinome vorliegt. Die Kombination von Azoxymethan (AOM) Injektion und DSS Gabe konnte diese These jedoch nicht bestätigen, da nahezu alle Tiere unabhängig von ihrem Genotyp abnorme Krypten ausbildeten. In Darmepithelzellen spielt PTPN2 daher keine relevante Rolle für den Entzündungsprozess, der Mangel kann durch den Organismus offensichtlich kompensiert werden. PTPN2 scheint also in Darmepithelzellen weniger wichtig zu sein als in Monozyten. Dies ist nicht sonderlich überraschend, wenn man bedenkt, dass die höchste PTPN2 Expression bekanntermaßen in blutbildenden Zellen zu finden ist. Andere Studien konnten bereits zeigen, dass ein Verlust der PTPN2 Expression in Immunzellen in starken Phänotypen resultiert. Wir zeigen hier, dass ein PTPN2 Defizit in Darmepithelzellen auch während einer Entzündung in vivo kompensiert werden kann.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Rogler Gerhard
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:570 Life sciences; biology
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2015
Deposited On:22 Mar 2019 15:34
Last Modified:15 Apr 2021 15:02
Number of Pages:109
Additional Information:Akademischer Betreuer
OA Status:Green

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