Prostaglandin E2-Mediated Epigenetic Regulation in Macrophage Differentiation = 대식세포 분화에서 PGE2 매개 후성유전학적 조절

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Macrophages are the first line of defense immune cells that protect our body from invaders and also help our body maintain homeostasis. Plasticity is a unique characteristic of these immune cells, as they can differentiate into either proinflammatory (M1) or anti-inflammatory (M2) phenotypes. Balancing these binary phenotypes in tissues is crucial for maintaining tissue homeostasis. Once this balance is disrupted, it can lead to various diseases, such as cancer. Although it is well known that molecules such as IL-4 shift macrophages to a pro-resolving phenotype, while IFN-γ or LPS induce proinflammatory macrophages, it remains unclear whether the fate of macrophage differentiation is predetermined and how and when it is determined.
To investigate, a mouse lung metastasis model was utilized, in which macrophage phenotypes were more shifted toward M2-type, to find that PGE2 plays a role in inhibiting MHC-II+ macrophage differentiation, which is expressed mainly by M1-type macrophages. To further analyze the underlying mechanism, RNA-seq was performed to reveal that epigenetic regulation plays a role in dictating macrophage differentiation. The treatment of PGE2 induces DNA hypermethylation in MHC-II-related genes, as well as genes related to non-neoplastic myeloid cells, silencing MHC-II+ macrophage-related genes.
To further identify the epigenetic marks that cooperate to regulate the fate of macrophage differentiation, and to characterize changes upon PGE2 exposure during M1 macrophage differentiation, RNA-seq data was reanalyzed. RNA-seq analysis revealed that PGE2 specifically suppresses the positive regulation of T cell activation and proliferation functions of M1 macrophages via histone modification. Specifically, HDAC11, which plays a role in expressing antigen processing and presentation and costimulatory receptors in macrophages, and in activating and promoting T cell proliferation functions, is suppressed by PGE2-EP2 signaling. This suppression is especially effective when PGE2 exposure occurs in macrophage precursors at the common monocyte progenitor and monocyte stages.
Taken together, the fate of proinflammatory macrophage differentiation can be controlled by PGE2 specifically in cMoP and monocyte stages via DNA hypermethylation and HDAC11-mediated histone modification.

국문 초록 (Abstract)

대식세포는 우리 몸을 외부물질로부터 보호하고 체내 항상성을 유지하는 데 도움을 주는 일차 방
어 면역 세포입니다. 가소성은 이러한 대식세포의 독특한 특성으로, 이 면역세포는 염증성(M1)
또는 항염증성(M2) 표현형으로 분화할 수 있습니다. 조직 내에서 이러한 이원적 표현형의 균형
을 유지하는 것은 조직 항상성 유지에 매우 중요합니다. 이 균형이 무너지면 암과 같은 다양한 질
병으로 이어질 수 있습니다. IL-4와 같은 분자가 대식세포를 항염증성 표현형으로 전환시키는
반면, IFNγ나 LPS는 염증성 대식세포를 유도한다는 것은 잘 알려져 있지만, 대식세포 분화의 운
명이 미리 결정되는지, 그리고 어떻게, 언제 결정되는지는 아직 불분명합니다.
이를 조사하기 위해, 대식세포 표현형이 M2 유형으로 더 많이 변화된 마우스 폐 전이 모
델을 활용하여, PGE2가 주로 M1 유형 대식세포에서 발현되는 MHC-II+ 대식세포 분화를 억제
하는 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 기저 메커니즘을 더 분석하기 위해 RNA-seq을 수행하
여 후성 유전학적 조절이 대식세포 분화를 지시하는 데 역할을 한다는 것을 밝혔습니다. PGE2
처리는 MHC-II 관련 유전자와 비종양성 골수 세포 관련 유전자에서 DNA 과메틸화를 유도하여,
관련 유전자를 억제시켰습니다.
대식세포 분화 운명을 조절하는 데 협력하는 후성 유전학적 표지를 더 식별하고, M1 대
식세포 분화 동안 PGE2 노출로 인한 변화를 특성화하기 위해 RNA-seq 데이터를 재분석했습니
다. RNA-seq 분석 결과, PGE2는 히스톤 변형을 통해 M1 대식세포의 T 세포 활성화 및 증식 기
능의 긍정적인 조절을 특이적으로 억제한다는 것이 밝혔습니다. 특히, 대식세포에서 항원 처리
및 제시, 공동자극 수용체 발현, 그리고 T 세포 증식 기능의 활성화 및 촉진에 역할을 하는
HDAC11은 PGE2-EP2 신호 전달에 의해 억제됩니다. 이러한 억제는 PGE2 노출이 공통 단핵구
전구체 (cMoP)과 단핵구 단계의 대식세포 전구체에서 발생할 때 특히 효과적입니다.
종합하면, 염증성 대식세포 분화의 운명은 DNA 과메틸화와 HDAC11 매개 히스톤 변형
을 통해 특히 cMoP과 단핵구 단계에서 PGE2에 의해 조절될 수 있습니다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Figures v
• List of Abbreviations vii
• Background 1
• 1.1 Macrophage differentiation 2
• 1.2 Macrophage polarization 4
• 1.3 Epigenetic changes and regulation in macrophages 8
• Chapter 1. MHC-II+ macrophage differentiation is impaired in metastasized lungs via PGE2 receptor EP2 10
• 2.1 Introduction 11
• 2.2 Results 12
• 2.2.1 Monocyte differentiation into MHC-II+ Mφ is impaired in metastasized lungs via DNA methylation 12
• 2.2.2 PGE2-EP2 signaling inhibits the monocyte-to-MHC-II+ Mφ transition via DNA hypermethylation 22
• 2.2.3 PGE2-EP2 signaling drives the downregulation and DNA hypermethylation of non-neoplastic myeloid cell genes 30
• 2.2.4 Deletion of EP2 promotes tumor-infiltrating monocyte differentiation into MHC-II+ Mφ and attenuates lung metastasis 34
• 2.3 Discussion 39
• 2.4 Materials and Methods 42
• Chapter 2. The PGE2-HDAC11 axis regulates adaptive immunity activation during macrophage differentiation 48
• 3.1 Introduction 49
• 3.2 Results 51
• 3.2.1 PGE2 inhibits proinflammatory macrophage differentiation accompanied by histone modification 51
• 3.2.2 PGE2 suppress upregulation of HDAC11 during proinflammatory macrophage differentiation 54
• 3.2.3 PGE2 inhibits the differentiation of monocyte progenitor cells to proinflammatory macrophages 58
• 3.3 Discussion 67
• 3.4 Materials and Methods 71
• Conclusion 77
• References 79
• Abstract in Korea 84