The role and regulation of MHC-II expression on intestinal macrophages

Guillaume, Joel; Pabst, Oliver (Thesis advisor); Zenke, Martin (Thesis advisor); Blank, Lars M. (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Intestinale Makrophagen spielen eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle des Gleichgewichts von Immunität und Toleranz. Es ist viel über ihre Fähigkeit bekannt, sowohl tolerogene als auch entzündliche T-Zell-Reaktionen durch die Produktion von einer Vielzahl an Zytokinen im Dünndarm (SI) sowie im Kolon zu regulieren. Traditionell wurden Makrophagen aufgrund ihrer Expression des Antigen-präsentierenden Moleküls MHC-Klasse II (MHC-II) als Antigen-präsentierende Zellen (APCs) betrachtet. Es ist jedoch nur wenig über ihre Fähigkeit, Antigen zu präsentieren und CD4 T-Zell-Antworten lokal zu stimulieren, bekannt. Darüber hinaus ist unklar, welche molekularen Mechanismen und Umweltfaktoren die hohe Expression von MHC-II auf der Oberfläche von Darmmakrophagen regulieren. In dieser Studie zeigen wir, dass die MHC-II-Expression auf Makrophagen sowohl von ihrer Ontogenese als auch von dem Gewebe abhängt, indem sie sich befinden. Von Monozyten abstammende Gewebemakrophagen wiesen fast ausschließlich hohe Konzentrationen von MHC-II auf ihrer Oberfläche auf, jedoch unabhängig vom Gewebe, in dem sie sich befanden. Interessanterweise waren unter den verschiedenen, pränatal abgeleiteten Gewebemakrophagen in Mäusen im Dünn- und auch im Dickdarm Tim4+-Makrophagen die Population mit der höchsten Expression an MHC-II. Im SI waren alle Makrophagen einheitlich hoch in ihrer MHC-II-Expression. Im Kolon exprimierte jedoch eine substantielle Population von pränatal abgeleiteten Tim4+ Makrophagen nur geringe Mengen an Oberflächen-MHC-II. Darüber hinaus zeigte die MHC-II-Expression von Makrophagen im SI und dem Kolon der Maus eine unterschiedliche Kinetik während der Entwicklung von Neugeborenen und besonders um die Entwöhnung herum. Da Kolonmakrophagen in engem Kontakt mit der Darmmikrobiota stehen, stellten wir die Hypothese auf, dass diese Interaktion eine wichtige Rolle bei der Regulierung ihrer MHC-II-Expression spielen könnte. Dementsprechend beobachteten wir bei keimfreien (GF) oder mit Antibiotika behandelten (ABX) Mäusen im Dünndarm niedrigere Frequenzen von MHC-II-hohen Makrophagen sowie eine Zunahme von MHC-II-niedrigen Makrophagen im Dickdarm. Bemerkenswert ist, dass in beiden Fällen die MHC-II-niedrigen Kolonmakrophagen Tim4+ waren, was darauf hindeutet, dass die Mikrobiota die MHC-II-Expression auf pränatal abgeleiteten residenten Kolonmakrophagen spezifisch reguliert. Die Mikrobiota von Mäusen, die mit ABX behandelt wurden, zeigte eine signifikante Reduktion der entscheidenden Produzenten von kurzkettigen Fettsäuren (SCFAs). Die Supplementation von ABX-behandelten Mäusen mit SCFAs führte teilweise zu einer Reversion des vorher beobachteten Effekts. Interessanterweise konnten wir auch eine signifikante Abnahme der MHC-II-hohen Tim4+-Makrophagen im Kolon von MyD88-/- Mäusen feststellen. Dies weist darauf hin, dass die direkte Erkennung der mikrobiellen PAMPs die Expression von MHC-II auf pränatal abgeleiteten Kolonmakrophagen reguliert. Zusammengefasst deuten unsere Daten an, dass die MHC-II Expression auf residenten Kolon-, nicht aber auf Monozyten- oder SI-Makrophagen, zumindest teilweise durch die Mikrobiota reguliert wird. Als nächstes befassten wir uns mit der funktionellen Bedeutung der MHC-II Expression auf Makrophagen. Intestinale Makrophagen waren in der Lage, lösliche Protein- und Peptidantigene sowohl naiven als auch aktivierten CD4 T-Zellen in vitro zu präsentieren, allerdings mit einer geringeren Effizienz als dendritische Zellen (DCs). Um die Rolle von MHC-II auf Darmmakrophagen bei der Stimulation lokaler CD4 T-Zellantworten in vivo zu untersuchen, etablierten wir ein neuartiges chimäres Knochenmarksmodell, welches es uns erlaubt, ein makrophagenspezifisches MHC-II-Knockout zu erstellen, während andere Zellpopulationen nur minimal beeinträchtigt werden. Bei diesen Mäusen beobachteten wir insbesondere eine verringerte Häufigkeit und Anzahl von residenten Effektor SI CD4 T-Zellen. Darüber hinaus konnten wir eine verminderte Proliferation bei endogenen residenten CD4 T-Zellen, aber auch bei neu eingetroffenen CD4 T-Zellen im SI, aber nicht im Kolon, feststellen. Zusammengenommen deuten unsere Daten darauf hin, dass die MHC-II Expression auf SI-Makrophagen bei der Stimulierung der Expansion von effektorischen CD4 T-Zellen eine Rolle spielt. Diese Daten können zu einem besseren Verständnis der Rolle der lokalen Antigenpräsentation durch Makrophagen bei der Stimulierung von T-Zell-Reaktionen im Darm und der Rolle der Antigenpräsentation durch Darmmakrophagen bei der Regulierung lokaler Immunreaktionen, wie z.B. bei Nahrungsmittelallergien oder entzündlichen Darmerkrankungen (IBD), beitragen.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Angewandte Mikrobiologie [161710]
• [526000-2]