Genomic analysis of systemic lupus erythematosus: molecular mechanisms for tissue injury and response

Abstract

Systemic lupus erythematosus (SLE) is a heterogenous autoimmune and potentially severe disease. In SLE, an interplay between environmental and genetic factors leads to perturbation of complex biological networks that culminate in immune dysregulation and diverse clinical phenotypes. B cells are the main orchestrators of autoimmune responses in patients with SLE. However broad-based B-cell directed therapies show modest efficacy, while blunting humoral immune responses to vaccines and inducing immunosuppression, underscoring the need for development of more effective therapies targeting the pathogenic B-cell clones. Under steady state, B cells are prone to enriched DNA damage response (DDR) since DDR is co-opted in antibody diversification. Although patients with SLE demonstrate increased levels of DNA damage in genes required for efficient DDR, the role of the DDR in B-cells pathogenicity remains elusive. Furthermore, analysis in disease-involved tissues such as lesional skin indicated higher levels of DNA damage when compared to non-lesional or healthy skin. To this end, our transcriptomic analysis in whole blood cells of patients with SLE compared to healthy subjects, highlights the aberrant expression profile of DDR pathways. This was associated via microscopy studies with enhanced DDR in peripheral B cells of both patients with SLE and murine SLE model. In this direction, utilizing transcriptomic, proteomic and immunofluorescence studies, this thesis provides evidence for enhanced activation of the ATR/Chk1 DDR pathway in B cells of patients with active SLE disease. Treatment of B cells with type I IFN, a key driver of immunity in SLE, induced expression of ATR via direct binding of interferon regulatory factor 1 (IRF1) to its gene promoter. Pharmacologic targeting of ATR in B cells attenuated their immunogenic profile, including proinflammatory cytokine secretion, plasmablast formation and antibody production. Together, these findings identify the ATR-mediated DDR axis as the orchestrator of the type-I IFN-mediated B cell responses in SLE and as a potential novel therapeutic target.

Ο Συστηματικός ερυθηματώδης λύκος (ΣΕΛ) είναι μια ετερογενής αυτοάνοση και δυνητικά σοβαρή νόσος. Στον ΣΕΛ, η αλληλεπίδραση μεταξύ περιβαλλοντικών και γενετικών παραγόντων οδηγεί στη διαταραχή πολύπλοκων βιολογικών δικτύων καταλήγοντας στην απορρύθμιση του ανοσοποιητικού συστήματος και σε διαφορετικούς κλινικούς φαινοτύπους. Τα Β κύτταρα είναι οι κύριοι ενορχηστρωτές των αυτοάνοσων αποκρίσεων στους ασθενείς με ΣΕΛ. Ωστόσο, οι ευρέως χρησιμοπούμενες θεραπείες που στοχεύουν τα Β-κύτταρα δείχνουν μέτρια αποτελεσματικότητα, ενώ αμβλύνουν τις χυμικές ανοσολογικές αποκρίσεις στα εμβόλια και προκαλούν ανοσοκαταστολή, αναδεικνύοντας την ανάγκη για ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών θεραπειών που στοχεύουν τους παθογόνους κλώνους. Σε φυσιολογικές καταστάσεις, τα Β κύτταρα χρησιμοποιούν μηχανισμούς απόκρισης προς τις βλάβες του DNA (DNA damage response, DDR) για τη δημιουργία αντισωμάτων καθώς αυτά απαιτούν γενετικό ανασυνδιασμό. Αν και οι ασθενείς με ΣΕΛ εμφανίζουν αυξημένες βλάβες στα γονίδια που απαιτούνται για την αποτελεσματικότητα του DDR, ο ρόλος του DDR στην παθογένεια των Β κυττάρων παραμένει ασαφής. Επιπλέον, η ανάλυση ιστών που προσβάλλονται από τον ΣΕΛ, όπως το δέρμα, έδειξε υψηλότερα επίπεδα DDR σε σύγκριση με υγιές δέρμα. Προς αυτήν την κατεύθυνση, η μεταγραφική ανάλυση σε ολικά κύτταρα περιφερικού αίματος ασθενών με ΣΕΛ σε σύγκριση με υγιή άτομα, αναδεικνύει τους DDR μοριακoύς μηχανισμούς. Μέσω μελετών μικροσκοπίας, το προφίλ αυτό συσχετίστηκε με ενισχυμένο DDR σε Β κύτταρα τόσο ασθενών με ΣΕΛ όσο και μοντέλου ποντικού με ΣΕΛ. Χρησιμοποιώντας μεταγραφικές, πρωτεομικές και μελέτες ανοσοφθορισμού, η παρούσα διατριβή αποκαλύπτει την ενεργοποίηση του μοριακού DDR μονοπατιού ATR/Chk1 σε Β κύτταρα ασθενών με ΣΕΛ με ενεργό νόσο. Χορήγηση ιντερφερόνης τύπου Ι (IFN I) στα Β κύτταρα, βασικός μεσολαβητής της ανοσίας στον ΣΕΛ, προκάλεσε έκφραση του ATR μέσω άμεσης σύνδεσης του ρυθμιστικού παράγοντα 1 ιντερφερόνης (IRF1) στον υποκινητή του γονιδίου του. Η φαρμακολογική στόχευση του ATR, χρησιμοποιώντας έναν ειδικό αναστολέα (VE822, εμπορικά γνωστό ως berzosertib), μείωσε το ανοσογονικό προφίλ των Β κυττάρων, συμπεριλαμβανομένης της έκκρισης προφλεγμονώδων κυτοκινών, του σχηματισμού πλασμαβλαστών και της παραγωγής αντισωμάτων. Συνολικά αυτά τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι η μοριακή σχέση IRF1-ATR είναι σημαντική για τη δραστηριότητα των Β κυττάρων στο ΣΕΛ. Συμπερασματικά, η παρούσα διατριβή αναδεικνύει τον παθογενετικό ρόλο του DDR με τη μεσολάβηση του ATR στις αποκρίσεις των Β κυττάρων που διαμεσολαβούνται από IFN Ι στον ΣΕΛ, και προτείνει τον ATR ως πιθανό νέο θεραπευτικό στόχο.