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The activator protein (AP)-1 is a dimeric transcription factor family, comprising FOS (Fra-1, Fra-2, c-Fos and FosB), JUN (c-Jun, JunB and JunD), MAF and ATF proteins. These transcription factors regulate homeostatic and disease processes through a myriad of target genes. Due to their sophisticated action and collaboration with other transcription factors, the target genes of this family of transcription factors are not yet completely known. Consequently, the aim of this study was to investigate novel AP-1 functions, their target genes and the consequences. First, Fra-2 in adipocytes was shown to transcriptionally repress PPARgamma2, leading to deteriorated adipocyte differentiation. This suggests that Fra-2 is an important checkpoint in the control of adipocyte turnover. As both adipocytes and osteoblasts differentiate from mesenchymal stem cells MSCs, Fra-2 in osteoblasts was also investigated. Mice transgenic for enhanced osteoblast-specific Fra-2 expression exhibited an altered bone marrow niche. This was due to Fra-2 directly targeting OPN, altering the bone marrow niche and leading to enhanced immune cell mobilization. Ultimately, these mice exhibited a systemic inflammatory state and an enhanced inflammatory response to LPS. We were then able to demonstrate that Fra-1 overexpression in ADSCs altered their gene expression pattern towards an anti-inflammatory/pro-anabolic status. Thus, in an experimental model of osteoarthritis, Fra-1 overexpressing ADSCs efficiently protect against cartilage damage. The key focus of this study was the investigation of the functions of Fra-1 and c-Jun in macrophages in the context of RA. RA is a chronic inflammatory disorder, characterized by chronic destructive synovitis including cartilage and bone destruction. The pro-inflammatory state of macrophages has been associated with the RA pathogenesis. Macrophage polarization and activation is controlled by a transcription factor network, including NF-kappaB and AP-1. We aimed to investigate the role of Fra-1 and c-Jun in the transcriptional regulatory network of macrophage responses, their target genes and the consequences for RA. Mice deficient in c-Jun in macrophages exhibited an ameliorated arthritic inflammation and decreased bone destruction in the serum-induced arthritis model (K/BxN serum-transfer). Mechanistically, c-Jun transcriptionally regulates Cox2 expression in macrophages, an essential pro-inflammatory enzyme driving RA inflammation. Thus, c-Jun forces a pro-inflammatory macrophage activation state and promotes pathogenesis during arthritis through Cox2. Similar to c-Jun deficient mice, mice deficient for Fra-1 in macrophages showed ameliorated arthritic inflammation with decreased bone destruction, accompanied by enhanced expression of the pro-resolving enzyme Arg1. Mechanistically, Fra-1 transcriptionally inhibited Arg1 expression in macrophages, resulting in elevated Arg1 expression in Fra-1 deficient macrophages. Indeed, L-arginine supplementation, which enhanced Arg1 activity, alleviated the arthritic inflammation in a manner similar to Fra-1-deficient mice. This suggests that enhanced Arg1 activity alleviates RA inflammation through its anti-inflammtory and pro-resolving action. In support of this concept, the Fra-1/Arg1 ratio in synovial macrophages from RA patients was related to the disease activity. These data lead us to conclude that Fra-1 orchestrates the inflammatory state of macrophages by inhibiting Arg1, which prevents the initiation of a pro-resolving macrophage state and inhibits the resolution of RA joint inflammation. In summary, we were able to uncover novel AP-1 target genes and the consequences for homeostasis and diseases. Fra-2 is an important checkpoint regulator of adipocyte differentiation and proper osteoblast function and Fra-1 beneficially alters the ADSCs gene expression pattern to an anti-inflammatory/pro-anabolic state. In macrophages, Fra-1 and c-Jun are involved in the regulatory network of macrophage action. Fra-1 inhibits the pro-resolving state through Arg1 and c-Jun induces a pro-inflammatory state through Cox2. Thus, this study deciphers novel AP-1 functions, potentially opening up new avenues for future therapies targeting AP-1 during pathological disease conditions. AP-1 ist eine Familie von Transkriptionsfaktoren, die Dimere, bestehend aus FOS (Fra-1, Fra-2, c-Fos and FosB), JUN (c-Jun, JunB and JunD), MAF und ATF Proteinen, bilden. AP-1 Transkriptionsfaktoren kontrollieren diverse physiologische und pathologische Prozesse. Hunderte von direkt regulierten Genen sind bereits bekannt, jedoch sind aufgrund ihrer Komplexität sowie der Interaktion mit anderen Genen, ihre Regulationskaskaden so kompliziert verknüpft, dass viele ihrer Zielgene noch nicht identifiziert sind. Die Aktivierung und Regulation von AP-1 ist mit Signalkaskaden verflochten, wie zum Beispiel MAPK, hinzu kommen diverse Transkriptionsfaktoren, die als Kollaborationspartner zur DNA-Bindung dienen können. Nichtsdestotrotz ist ihr komplettes Wirkungsspektrum noch nicht bekannt, deshalb untersucht vorliegende Arbeit neue AP-1 Funktionen, Zielgene und deren Konsequenz in physiologischen, sowie pathologischen Prozessen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Fra-2 in Adipozyten durch Inhibierung der Transkription von PPARgamma2 deren Differenzierung hemmt. Damit konnte Fra-2 als essentieller Kontrollpunkt während der Adipozytendifferenzierung identifiziert werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Fra-2 in Osteoblasten die Expression von OPN reguliert. Erhöhte OPN Level verändern die Knochenmarksnische und es kommt zur verstärkten Mobilisierung von Immunzellen aus dem Knochenmark in die Peripherie. Die dadurch erhöhten Immunzellzahlen in Milz und Leber sowie gesteigerte Produktion von pro-entzündlichen Zytokinen, führten letztendlich zu einem systemischen entzündlichen Status und potenzierte entzündliche Reaktionen auf LPS. Des Weiteren wurde Fra-1 in Stammzellen, die aus Fettgewebe stammen (ADSCs), als essentieller Transkriptionsfaktor identifiziert, der das Expressionsmuster von ADSCs in Richtung anti-entzündlich und pro-anabolisch veränderte. Somit konnten Fra-1 überexprimierende ADSCs erfolgreich vor Knorpelabbau in einem experimentellen Osteoarthritis Modell schützen. Der Hauptteil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Fra-1 und c-Jun in Makrophagen am Modell von RA. Entzündliche Makrophagen sind essentiell an der Pathogenese und dem Knochenabbau der RA beteiligt. Ihre Polarisierung und Aktivierung wird von einem Netzwerk von Transkriptionsfaktoren reguliert, unter anderem NF-kappaB und AP-1. Deshalb war das Ziel dieser Arbeit die Rolle von Fra-1 und c-Jun im Transkriptionsfaktor-Netzwerk der Makrophagen zu untersuchen, neue Zielgene zu identifizieren und die Konsequenzen für RA aufzuzeigen. Mäuse, defizient für c-Jun in Makrophagen, zeigten geringere Gelenkentzündung und weniger Knochenabbau im Serum-induzierten Arthritis Modell (K/BxN Modell). Der zugrunde liegende Mechanismus zeigte, dass c-Jun die Expression von Cox2 induziert, einem essentiellen pro-entzündlichen Enzym, das dafür bekannt ist die Pathogenese von RA voranzutreiben. Somit konnte c-Jun als Transkriptionsfaktor identifiziert werden, der eine pro-entzündlichen Antwort in Makrophagen forciert und die arthritische Entzündungsreaktion und den Knochenabbau verstärkt. ähnlich zu c-Jun defizienten Mäusen, zeigten Mäuse, defizient für Fra-1 in Makrophagen, ebenfalls eine mildere Arthritisentzündung und verringerten Knochenabbau. Dieser Phänotyp stand mit erhöhter Produktion des anti-entzündlichen Enzyms Arg1 in Fra-1 defizienten Makrophagen in Verbindung. Es konnte gezeigt werden, dass Fra-1 die Expression von Arg1 inhibiert, was zu erhöhter Arg1 Expression in Fra-1 defizienten Makrophagen führt. Tatsächlich kann gesteigerte Arg1 Aktivität durch Nahrungsergänzung des Substrats L-Arginine den Verlauf der RA mildern, dem Zugrunde liegen die anti-entzündlichen und entzündungsauflösenden Eigenschaften des Enzyms. Unser Konzept wurde durch RA Patientendaten untermauert, die zeigten, dass das Fra-1/Arg1 Verhältnis in Synovialmakrophagen mit der Krankheits-aktivität korrelierte. Basierend auf diesen Daten schlussfolgerten wir, dass Fra-1 den entzündlichen Status von Makrophagen durch die Inhibierung von Arg1 reguliert, demzufolge verhindert Fra-1 das Makrophagen einen entzündungsauflösenden Status einnehmen und unterdrückt die Auflösung der arthritischen Gelenkentzündung. Zusammenfassend konnte die vorliegende Arbeit neue Zielgene von AP-1 Transkriptionsfaktoren und deren Konsequenzen für physiologische und patho-logische Prozesse aufdecken. Es konnte Fra-2 als Kontrollpunkt der Adipozytendifferenzierung und Osteoblastenfunktion und Fra-1 als wichtiger Faktor, der anti-entzündliche und pro-anabolische Eigenschaften von ADSCs reguliert, identifiziert werden. Weiterhin wurde die Rolle von Fra-1 und c-Jun in Makrophagen untersucht. Während c-Jun einen pro-entzündlichen Makrophagenstatus durch Cox2 forciert, inhibiert Fra-1 entzündungsauflösende Makrophageneigenschaften durch Arg1. Die vorliegende Arbeit leistet einen entscheidenden Beitrag für die Entschlüsselung der Funktionen von AP-1 Transkriptionsfaktoren. Dieser könnte für zukünftige Therapien, welche auf AP-1 bei pathologischen Krankheitszuständen abzielen, Türen öffnen. |
