Mechanisms of sterile inflammation in the testis

Walenta, Lena (2018): Mechanisms of sterile inflammation in the testis. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie

Abstract

Causes of human male infertility are only partially known. In the numerous idiopathic cases, the underlying causes remain unknown. Sterile inflammation of the testis, which frequently proceeds asymptomatically and therefore stays undetected, may be involved. This scenario has often been associated with increased numbers of immune cells infiltrating the testis and fibrotic remodeling of the seminiferous tubular wall. The peritubular cells forming the tubular wall together with extracellular matrix are thus hypothesized to participate in these pro-inflammatory processes. Peritubular cells produce the small leucine-rich repeat proteoglycan and extracellular matrix molecule biglycan. Once secreted, it is usually found sequestered in the extracellular matrix serving a structural purpose, but in its soluble form it has been shown to act as inducer of (pro-)inflammatory signaling in immune cells by activating toll-like receptors 2 and 4. To recapitulate these findings, a systemic mouse model of male infertility and sterile inflammation was examined. Biglycan and associated receptor levels were increased in the mouse model. However, a biglycan knock-out in this mouse failed to rescue the inflammatory testicular phenotype. Besides activating toll-like receptors 2 and 4, which are expressed by peritubular cells, biglycan can also act via purinergic receptors P2RX4 and 7. Expression of P2RX4 and 7 in human peritubular cells could be confirmed and a functional assessment through calcium imaging pointed to P2RX4 as predominantly acting ion channel in these cells. Treatment of human peritubular cells with the physiological purinergic ligand ATP revealed an induction of cytokine production and secretion, whereas synthesis of characteristic peritubular features like smooth muscle cell markers and extracellular matrix molecules declined. Thus, ATP can act as a danger molecule via purinergic signaling in peritubular cells, thereby contributing to testicular inflammation. One possible signaling mechanism integrating purinergic activation and release of cytokines is represented by activation of the NLRP3 inflammasome. This macromolecular complex consisting of the sensor NLRP3, the adapter ASC and the effector caspase1 assembles in response to cellular damage and induces inflammation and pyroptotic cell death. Expression of the NLRP3 molecule was confirmed in human and mouse Sertoli cells as well as human peritubular cells. In both species, NLRP3 was additionally linked to subfertile pathologies. Together, these findings argue for an involvement of NLRP3 in inflammatory as well as non-inflammatory mechanisms in the testis. In summary, biglycan deficiency could not attenuate testicular inflammation in a mouse model, but ATP-induced signaling by purinergic receptors was identified as a pathway to promote sterile testicular inflammation via cytokine production and putative activation of the NLRP3 inflammasome in a human cellular model.

Abstract

Ursachen der männlichen Unfruchtbarkeit sind nur teilweise bekannt, in den zahlreichen idiopathischen Fällen bleiben sie unbekannt. Die sterile Entzündung des Hodens, die häufig asymptomatisch und dadurch unentdeckt verläuft, könnte eine mögliche Ursache sein. Oftmals wird dabei ein Anstieg der Anzahl an einwandernden Immunzellen im Hoden sowie die fibrotische Verdickung der Wand der Hodenkanälchen beobachtet. Die peritubulären Zellen, die diese Wand zusammen mit extrazellulärer Matrix bilden, tragen daher vermutlich zu entzündungsförderlichen Prozessen bei. Peritubuläre Zellen stellen das kleine Leucine-rich Repeat Proteoglykan und Extrazellulär-Matrixmolekül Biglycan her. In sezernierter Form wird es meist zu strukturellen Zwecken in der extrazellulären Matrix eingelagert, aber in seiner löslichen Form kann es durch Aktivierung von Toll-like Rezeptoren 2 und 4 proinflammatorische Signalkaskaden in Gang setzen. Um diese Erkenntnisse zu überprüfen, wurde ein systemisches Mausmodell für männliche Unfruchtbarkeit und sterile Entzündung untersucht. Die Menge an Biglycan und die Anzahl der damit verknüpften Rezeptoren waren in diesem Mausmodell erhöht. Jedoch konnte der infammatorische Phänotyp nicht durch einen zusätzlichen Biglycan-Knockout gerettet werden. Neben der Aktivierung der Toll-like Rezeptoren 2 und 4, die in peritubulären Zellen exprimiert werden, kann Biglycan auch mittels der purinergen Rezeptoren P2RX4 und 7 wirken. Die Expression von P2RX4 und 7 konnte in humanen peritubulären Zellen nachgewiesen werden und eine funktionelle Bewertung mittels Calcium Imaging deutete auf P2RX4 als vorwiegend aktiven Ionenkanal in diesen Zellen hin. Die Behandlung von peritubulären Zellen mit dem physiologischen purinergen Liganden ATP führte zu einem Anstieg in der Cytokinproduktion und -ausschüttung, während sich die Expression charakteristischer peritubulärer Merkmale wie Glattmuskelzellmarker und Extrazellulär-Matrixmoleküle verminderte. ATP kann daher über purinerge Signalwege als Gefahren-molekül in peritubulären Zellen wirken und so zur Entzündung des Hodens beitragen. Ein möglicher Signalweg der Umsetzung purinerger Aktionen bis zur Freisetzung von Cytokinen ist die Aktivierung des NLRP3 Inflammasoms. Dieser makromolekulare Komplex bestehend aus dem Sensor NLRP3, dem Adapter ASC und dem Effektor Caspase1 fügt sich aufgrund von Beschädigung der Zelle zusammen und vermittelt Entzündung und pyroptotischen Zelltod. Die Expression von NLRP3 konnte in humanen und murinen Sertoli-Zellen sowie in humanen peritubulären Zellen gezeigt werden. In beiden Spezies konnte NLRP3 zusätzlich mit subfertilen Pathologien verknüpft werden. Zusammen sprechen diese Erkenntnisse für eine Beteiligung von NLRP3 an entzündlichen wie nicht-entzündlichen Mechanismen im Hoden. Insgesamt konnte das Fehlen von Biglycan die sterile Entzündung des Hodens in einem Mausmodell nicht abschwächen. In einem humanen, zellulären Modell konnte jedoch ATP-vermitteltes Signaling über purinerge Rezeptoren als Signalweg, der die sterile Entzündung des Hodens durch Cytokinproduktion und vermeintliche Aktivierung des NLRP3 Inflammasoms begünstigt, identifiziert werden.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
• Fakultäten: Fakultät für Biologie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 17. Juli 2018
• 1. Bericht­erstatter:in: Kunz, Lars