Shaping of the regulatory T cell repertoire and function in the intestine

Kopplin, Lydia; Spehr, Marc (Thesis advisor); Pabst, Oliver (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Das komplexe Zusammenspiel von tolerogenen- und proinflammatorischen T-Zellen spielt besonders an mukosalen Oberflächen, wie dem Darm, eine wichtige Rolle. Tolerogene regulatorische T-Zellen (Tregs) stehen im Zentrum dieses komplexen Systems und sind der Fokus intensiver Forschung. Ist die Balance zwischen Tregs und proinflammatorischen T-Zellen gestört ist, sind chronische Erkrankungen wie "chronisch entzündliche Darmerkrankungen" (im Englischen "inflammatory bowel disease", IBD) oft die Folge. Verschiedenste Zweige des Immunsystems beeinflussen die Entwicklung und Progression von IBD, insbesondere aber die Fehlfunktion von Tregs im Dickdarm. Die Biologie der Tregs ist seit vielen Jahrzehnten von großem wissenschaftlichem Interesse. Trotz allem ist die Relevanz des T-Zell-Rezeptors und der spezifischen Antigenerkennung für die Unterdrückung entzündlicher Prozesse durch Tregs im Dickdarm nur unzureichend erforscht. Außerdem ist bis heute nach wie vor die Beziehung von Tregs zu anderen Effektor-T-Zell (Teff)-Populationen und zur Mikrobiota weitestgehend unbekannt. Um diese Fragen zu adressieren, haben wir das klassische T-Zell-Transfer Colitis-Modell in Mäusen so modifiziert, dass wir harmonisierte T-Zell-Populationen in Rag2-defiziente Individuen transferieren können. Die in vitro Expansion von Tregs oder naïven T-Zellen erlaubt es uns, klonal identische T-Zell-Populationen in den Dickdärmen mehrerer Rezipienten zu verfolgen. Somit ist es möglich den Selektions- und Expansionsprozess von Tregs und Teff-Zellen zu analysieren. Unsere Daten zeigen, dass die Expansion von Tregs stark von ihrer TCR-Spezifität abhängt, ähnlich wie wir es für Teff-Subpopulationen beobachten konnten. Wenige Klonen dominierten das Treg-Repertoire in verschiedenen Rezipienten. Das deutet darauf hin, dass die Expansion dieser Zellen durch das Erkennen des spezifischen Antigens durch den TCR getrieben wird. Zusätzlich konnten wir die Beziehung von Teff-Zellen zu peripher-induzierten Tregs (pTregs) untersuchen. Obwohl beide Populationen von den gleichen naiven Vorläufer-Zellen stammten, waren die Repertoires von pTregs und Teff-Zellen distinkt. Das zeigt, dass die TCR-Spezifität einen Einfluss auf den T-Zell-Phänotyp hat. Der Transfer von in vitro induzierten Tregs (iTregs) in Rag2-defiziente Mäuse bestätigt diese Beobachtung: TCR-Repertoires von stabilen iTregs und instabilen ex-iTregs, welche die FoxP3-Expression nach Transfer verloren haben, waren distinkt. Dominierende Klone wurden nicht von beiden Subpopulationen geteilt, wodurch die Rolle des TCRs für die Treg-Identität unterstrichen wird. Die Kombination von "Single-Cell Sequencing" und "Single-Cell TCR Repertoire"-Analyse ermöglichte es Informationen zum Phänotyp einer Zelle gepaart mit deren TCR-Klonalität zu analysieren. Zellen eines Klons clusterten in der "unifold manifold approximation and projection" (UMAP)-Analyse und wiesen distinkte Gen-Expressions-Profile im Vergleich zu anderen T-Zell-Klonen auf. Dies deutet auf eine Rolle des TCRs während der Initiation eines spezifischen Expressionsprogramms hin. Im Einklang mit aktuellen Studien, stimmten diese Transkriptionsprofile nicht mit den etablierten Helfer-T-Zell-/Treg- Signaturen überein. Des Weiteren konnten wir zeigen, dass sich Veränderungen der Mikrobiota direkt in Veränderungen des T-Zell-Repertoires widerspiegelten. Mikrobielle Antigene könnten somit eine wichtige Quelle für die Selektion und Expansion der Tregs und Teff-Zellen des Dickdarms sein. Perspektivisch wird unser neues Modell der harmonisierten T-Zell-Repertoires es uns erlauben die Quelle des spezifischen Antigens von tolerogenen Tregs und proinflammatorischen Teff-Zellen im Darm weiter einzugrenzen. Durch gezielte Kolonisierung von Rezipienten oder Ausschlussdiäten könnte die Komplexität der Antigen-Umgebung weiter reduziert werden, um den Einfluss von mikrobiellen- oder Nahrungs-Antigenen auf die Selektion und Expansion von Tregs und Teff-Zellen des Dickdarms herauszuarbeiten. Außerdem erlaubt es das Modell die Rolle des TCRs auf die Initiation von speziellen Expressionsprogrammen verschiedener T-Zell-Subpopulationen zu untersuchen. Diese Erkenntnisse könnte die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze vorantreiben, die gezielt die Differenzierung, Stabilität und Funktion der Tregs von Patienten beeinflussen.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Chemosensorik [163310]