title: Genetische Risikofaktoren und deren molekulare Mechanismen bei der generalisierten pustulösen Psoriasis
title: Genetic risk factors of generalized pustular psoriasis and their underlying disease mechanisms
Creators: name: Haskamp, Stefan
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: generalized pustular psoriasis
subject: MPO deficiency
subject: autoimmunity
subject: oligogenic inheritance
subject: CD4+ Cytotoxic T Cells
subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften::50 Naturwissenschaften::500 Naturwissenschaften und Mathematik
subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften::57 Biologie::570 Biologie
subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften::57 Biologie::576 Genetik und Evolution
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::61 Medizin und Gesundheit
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::61 Medizin und Gesundheit::616 Krankheiten

description: Psoriasis is a disease of the skin that affects more than 150 million people in the Western world. The genetic causes of the common forms psoriasis vulgaris and psoriatic arthritis are complex and only partially known, while those of the rarer SAPHO syndrome (acronym for synovitis-acne-pustulosis-hyperostosis-osteitis) and palmoplantar pustular psoriasis (PPP) are unclear. Generalized pustular psoriasis (GPP) is potentially life-threatening and its estimated prevalence is 1-9 affected individuals per million (Japan 7.46 and France 1.7). Biallelic variants in the gene IL36RN, which encodes the antagonist of the IL-36 receptor, have been described as the genetic cause in a quarter of patients. Although other genetic predisposing factors have been discovered, the genetic cause is unknown in the majority of cases. Furthermore, the pathomechanisms underlying GPP are poorly understood. In this thesis, eight rare variants in the gene MPO were identified by exome sequencing and Sanger sequencing of 82 GPP patients and classified as functionally relevant in several enzyme activity assays. MPO encodes myeloperoxidase, which is expressed in neutrophils and to a lesser extent in monocytes. Four patients were carriers of homozygous variants and 13 patients carried a heterozygous variant. The number of rare, functionally relevant variants was significantly increased in patients compared to 4,937 controls (p=1.1 E-8). Significance increased when the number of functionally relevant heterozygous IL36RN variants was considered in addition to MPO variants (p=2.3 E-12). These results indicate that MPO is a novel susceptibility gene of GPP. Studies of peripheral blood cells from patients and murine models identified three mechanisms that may contribute to GPP via MPO-deficiency. Phagocytosis of apoptotic neutrophils by monocytes, also called efferocytosis, was decreased in MPO deficiency. This could be associated with a prolonged retention of pro-inflammatory neutrophils at the site of inflammation. Another mechanism is the reduced formation of neutrophil extracellular traps (NETs) after stimulation with PMA (phorbol 12-myristate 13-acetate). The formation of NETs has both anti- and pro-inflammatory effects. A third mechanism was the increased activity of IL-36 activating serine proteases in neutrophils and monocytes from patients with MPO-deficiency. Thus, more activated pro-inflammatory IL-36 could be present in the skin of patients. Clinical studies showed that GPP patients with MPO variants had a positive family history of psoriasis, were more often affected by tongue affection and by concomitant PPP compared to patients without variants. Consequently, the association of MPO variants with other psoriatic subtypes was investigated. Seven functionally relevant MPO variants were investigated in a total of 2,741 individuals with psoriasis vulgaris, psoriatic arthritis, PPP or SAPHO syndrome. PPP patients were more frequently carriers of disease-associated variants compared to controls (p=0.015). Therefore, it is likely that the genetic etiology of GPP differs from those of other subtypes. Using single-cell RNA sequencing (scRNAseq), peripheral blood mononuclear cells from two MPO-deficient patients and three healthy donors were examined. Analysis revealed an expansion of CD4+ cytotoxic T lymphocytes (CTLs), which was also confirmed by flow cytometry analysis. Expression of the marker gene for CD4+ CTLs FGFBP2 was higher in patients with variants in MPO and/ or IL36RN compared to patients and controls without variants in these genes (n=20, p=0.0015). This suggests an important role of CD4+ CTLs in pathomechanisms of GPP in MPO-deficient patients. When examining a patient's transcriptome by serial scRNAseq experiments during an acute episode, absolute cell counts of CD8+ TEMs were consistently high and that of CD14+ monocytes were lowered. Pathway analyses based on differentially expressed genes (start and end of the episode) revealed that the signaling pathway "SRP-dependent cotranslational protein targeting to membrane" was highly enriched in several T cell subtypes, NK cells, and monocytes. Members of the pathway serve to direct proteins into the secretory pathway. This may indicate that messenger proteins were increasingly translated and secreted. In conclusion, MPO was identified as the second major susceptibility gene in GPP, so GPP can be referred to as an oligogenic disease. New insights into the pathomechanisms of GPP were obtained.
description: Psoriasis ist eine Erkrankung der Haut, die in der westlichen Welt mehr als 150 Millionen Menschen betrifft. Die genetischen Ursachen der häufigen Formen Psoriasis vulgaris und Psoriasisarthritis sind komplex und nur teilweise bekannt, während die von dem selteneren SAPHO-Syndrom (Akronym für synovitis-acne-pustulosis-hyperostosis-osteitis) und der palmoplantaren pustulösen Psoriasis (PPP) ungeklärt sind. Die generalisierte pustulöse Psoriasis (GPP) ist potenziell lebensbedrohlich und die Prävalenz wird auf 1-9 Betroffene pro eine Million geschätzt (Japan 7,46 und Frankreich 1,7). Als genetische Ursache wurden bei einem Viertel der Patientinnen und Patienten biallelische Varianten im Gen IL36RN beschrieben, welches für den Antagonisten des IL-36 Rezeptors kodiert. Obwohl inzwischen weitere genetische Prädispositionsfaktoren entdeckt wurden, ist die genetische Ursache in der Mehrheit der Fälle unbekannt. Weiterhin sind die Pathomechanismen, die der GPP zugrunde liegen, unzureichend erforscht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mittels Exom-Sequenzierung und Sanger-sequenzierung von 82 GPP-Patientinnen und Patienten acht seltene Veränderungen im Gen MPO identifiziert und in mehreren Enzymaktivitätstests als funktionell relevant eingestuft. MPO kodiert für die Myeloperoxidase, welche in Neutrophilen und in geringerem Ausmaß in Monozyten exprimiert ist. Vier Patientinnen und Patienten waren Träger homozygoter Varianten und 13 trugen eine heterozygote Variante. Die Zahl der seltenen, funktionell relevanten Varianten war signifikant erhöht bei Patientinnen und Patienten im Vergleich zu 4.937 Kontrollpersonen (p=1,1 E-8). Die Signifikanz nahm zu, wenn die Zahl von funktionell relevanten heterozygoten IL36RN Varianten zusätzlich zu den MPO Varianten berücksichtigt wurden (p=2.3 E-12). Diese Ergebnisse deuten darauf, dass MPO ein neues Suszeptibilitätsgen der GPP ist. Durch Untersuchungen peripherer Blutzellen von Patientinnen und murinen Modellen wurden drei Mechanismen identifiziert, die über eine MPO-Defizienz zur GPP beitragen können. Die Phagozytose von apoptotischen Neutrophilen durch Monozyten, auch Efferozytose genannt, war bei einer MPO-Defizienz verringert. Damit könnte ein längerer Verbleib von pro-inflammatorischen Neutrophilen im Entzündungsherd verbunden sein. Ein weiterer Mechanismus ist die reduzierte Bildung von neutrophilen extrazellulären Fallen (NETs) ausgehend von Neutrophilen nach Stimulation mit PMA (Phorbol 12-Myristat 13-Acetat). Die Bildung von NETs hat sowohl entzündungshemmende als auch -fördernde Auswirkungen. Als dritter Mechanismus konnte die erhöhte Aktivität von IL-36 aktivierenden Serinproteasen in Neutrophilen und Monozyten von Patientinnen mit MPO-Defizienz gezeigt werden. Dadurch könnte mehr aktiviertes pro-inflammatorisches IL-36 in der Haut der Patientinnen und Patienten vorliegen. Phänotypische Untersuchungen von Patientinnen und Patienten mit und ohne MPO Varianten zeigten, dass Anlageträger häufiger eine positive Familiengeschichte für Psoriasis haben, häufiger die Zunge mitbeteiligt ist und häufiger an PPP leiden. Daher wurde die Rolle von MPO-Varianten bei anderen psoriatischen Subtypen untersucht. Sieben funktionell relevante MPO Varianten wurden bei insgesamt 2.741 Personen mit Psoriasis vulgaris, Psoriasisarthritis, PPP oder SAPHO Syndrom untersucht. Dabei waren PPP-Patientinnen und -Patienten häufiger Anlageträger von krankheitsassoziierten Varianten verglichen mit Kontrollpersonen (p=0.015). Es ist daher anzunehmen, dass sich die genetische Ätiologie von GPP und die anderer Subtypen unterscheiden. Mittels Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNAseq) wurden periphere mononukleäre Blutzellen von zwei MPO-defizienten Patientinnen und drei gesunden Spendern untersucht. Die Analyse ergab eine Expansion von CD4+ zytotoxischen T-Lymphozyten (CTLs), welche auch durch durchflusszytometrische Analysen bestätigt werden konnte. Die Expression des Markergens für CD4+ CTLs FGFBP2 war höher bei Patientinnen mit Varianten in MPO und/ oder IL36RN im Vergleich zu Patientinnen und Kontrollpersonen ohne Varianten in diesen Genen (n=20, p=0,0015). Dies deutet auf eine wichtige Rolle von CD4+ CTLs in Pathomechanismen der GPP in MPO-defizienten Patientinnen. Bei einer Untersuchungsreihe des Transkriptoms einer Patientin während einer akuten Episode mittels scRNAseq waren die absoluten Zellzahlen von CD8+ TEMs konstant hoch und die von CD14+ Monozyten rückläufig. Signalweg-Analysen basierend auf differentiell exprimierten Genen (Beginn und Ende der Episode) ergaben, dass der Signalweg “SRP-dependent cotranslational protein targeting to membrane” in mehreren T-Zellsubtypen, NK-Zellen und Monozyten stark angereichert war. Die Mitglieder des Signalwegs dienen dazu, Proteine in den Sekretionsweg zu leiten. Dies deutet daraufhin, dass Botenstoffe vermehrt translatiert und sekretiert wurden. Insgesamt wurde in dieser Arbeit MPO als zweithäufigstes Suszeptibilitätsgen für GPP identifiziert, sodass die GPP als oligogene Erkrankung bezeichnet werden kann. Es wurden neue Erkenntnisse über die Pathomechanismen der GPP gewonnen.