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Röll, Susanne (2013): Identifizierung Interferon-regulierter Gene beim Haushuhn, Identification of interferon-regulated genes in chickens. Dissertation, LMU München: Tierärztliche Fakultät
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Abstract

Typ I Interferon stellt einen essentiellen Teil der angeborenen Immunantwort dar und besitzt antivirale und immunmodulatorische Eigenschaften. Diese Funktionen werden durch die Induktion sogenannter Interferon-regulierter Gene (IRGs) vermittelt, deren Expression in der Zelle nach Bindung von IFN an seinen Rezeptor reguliert wird. Im Rahmen dieser Arbeit gelang es mit Hilfe verschiedener Ansätze erstmals, eine umfassende Anzahl Typ I Interferon-regulierte Gene beim Huhn zu identifizieren. Hierzu wurden umfangreiche Datenbankrecherchen und Transkriptomanalysen von Milz und Lunge sowohl nach Applikation von rekombinanten Hühner Interferon alpha, als auch einer Infektion mit Newcastle Disease Virus, einem starken IFN Induktor, durchgeführt. Etwa 30% der hierbei gefundenen IRGs wurden auch im Säugetier als solche beschrieben (allgemeine IRGs), weitere 1.900 Gene, die im Huhn nach Injektion von rekombinanten Hühner Interferon alpha exprimiert wurden sind jedoch beim Säuger in dieser Form nicht bekannt (neu identifizierte IRGs). Die eingehende Charakterisierung der Hühner-IRGs zeigte, dass „neu identifizierte“ und „allgemeine IRGs“ an ähnlichen immunrelevanten Prozessen und Signalwegen beteiligt waren, wie der Komplement Kaskade, der TLR Signalkaskade und Zytokin-Interaktionen. Auch durch Netzwerkanalysen konnte gezeigt werden, dass die Expression von „allgemeinen“ und „neu identifizierten IRGs“ in engem Zusammenhang miteinander steht. Durch die Untersuchung von verschiedenen Zeitpunkten konnte nachgewiesen werden, dass manche der im Huhn identifizierten IRGs in Milz und Lunge nur drei Stunden nach IFN Injektion stark exprimiert wurden, und andere IRGs über einen Zeitraum von neun Stunden konstante oder auch dynamische Expressionsprofile aufwiesen. Auch fiel eine Dynamik in der Genexpression in den verschiedenen Organen auf, da viele IRGs schon drei Stunden nach IFN Injektion in der Milz, aber erst neun Stunden nach IFN Injektion in der Lunge stark exprimiert wurden. Dabei unterschieden sich zahlreiche nach IFN Injektion und NDV Infektion regulierten IRGs in Milz und Lunge, während andere IRGs in beiden Organen exprimiert wurden, was darauf schließen lässt, dass viele IRGs gewebespezifisch und andere eher global exprimiert werden. Eine Vielzahl der nach IFN Applikation identifizierten IRGs konnte auch im Infektionsmodell mit lentogenem Newcastle Disease Virus bestätigt werden. Zudem gelang es, weitere „allgemeine IRGs“ zu identifizieren, was vermutlich auf die zusätzliche Expression von Typ II und Typ III IFN nach NDV Infektion zurückzuführen ist. Zusammenfassend bleibt festzustellen, dass sich die durch IFN induzierten Gene beim Huhn zwischen den untersuchten Geweben und je nach Stimulus unterscheiden und neben den auch beim Säuger beschriebenen, eine Vielzahl an weiteren IRGs identifiziert werden konnte. Die erhaltene Übersicht von IRGs im Huhn kann nun als Grundlage genutzt werden, um potentielle antiviral wirksame IRGs auszuwählen und sie funktionell näher zu charakterisieren. Ein besseres Verständnis der IFN-Wirkungsweise beim Vogel könnte wesentlich zum Schutz von Huhn und Mensch vor gefährlichen Pandemien beitragen.

Abstract

Type I interferons (IFNs) are an indispensable part of the innate immune response and exhibit antiviral and immunomodulatory functions. Receptor binding of IFNs induces hundreds of so called IFN-regulated genes (IRGs), which mediate the main functions of IFNs. Applying different approaches, we were able to identify a comprehensive number of IRGs in the chicken for the first time. Therefore, we performed extensive comparative database analysis and transcriptome analysis of spleen and lung tissue after intravenous injection of recombinant chicken interferon alpha (rec ChIFN-α) as well as after infection with lentogenic Newcastle Disease Virus, which is a potent inductor of Type I IFN. After IFN injection, in addition to 30% of the “common IRGs”, which exist in mammals as well as in the chicken, about 1.900 “newly identified IRGs” were found, which were regulated in the chicken, but not in the mammalian IRG databases. A closer look at these IRGs revealed that both, “common“ and “newly identified IRGs”, were involved in immunrelevant biological processes and signalling cascades, like “complement and coagulation cascades”, “Toll-like receptor signalling pathway” and ”cytokine-cytokine receptor interaction”. Moreover, by network analysis it was possible to show that “common” and “newly identified IRGs” influence each other, which confirms the hypothesis of the identification of further IRGs in the chicken. We were able to show that chicken IRGs are expressed in different expression-profiles, with many IRGs expressed only three hours after IFN injection, while others showed either a constant expression over nine hours or a more dynamic expression-profile. Furthermore, this analysis revealed a dynamic organ specific IRG expression, as some IRGs were strongly induced after three hours in the spleen and but only after nine hours in the lung. In addition we were able to identify more globally expressed IRGs, which we found in spleen and lung tissue as well, and more tissue specific IRGs, which were expressed either in spleen or in lung tissue after IFN injection and/or NDV infection. Finally, a multitude of the identified chicken IRGs could be confirmed after infection with NDV. In this experiment we were able to confirm further “common IRGs”, probably mediated due to the expression of type II and type III IFNs after NDV infection. Altogether, we were able to show, that beside of many IRGs, which exist in mammals and in chickens, there are a multitude of additional IFN induced genes in the chicken. IRGs in chickens differ depending on stimulus and analysed tissue. The obtained overview of IRGs in chickens can provide a basis for further functional characterisation. A better understanding of IFN effector mechanism can help to protect chicken and humans from dangerous pandemic infections.