Förståelse för utvecklingen och funktionen av T-follikulära hjälparceller

Naiv T-cellaktivering och funktionell differentiering utlöses av det medfödda immunsystemet. Som svar på patogener uppregulerar dendritiska celler (DCs) kostimulerande molekyler för att hjälpa primära antigenspecifika T-celler. Dessutom utsöndrar APC: er flera cytokiner som reglerar T-cellterminaldifferentiering till effektor-T-celler. Nya studier har fastställt kritiska roller för costimulatoriska molekyler och vissa cytokiner i Tfh-celldifferentiering (Figur 2).

Costimulation

T-cellaktivering regleras av costimulatoriska molekyler. CD28, som uttrycks på naiva T-celler, är den viktigaste costimulatoriska receptorn involverad i T-cellaktivering.28 I frånvaro av CD28 eller dess ligander CD80 och CD86, hittades Th-celldifferentiering i alla linjer signifikant reducerad. CD28-kostimulering är också avgörande för Tfh-cellutveckling, så CD28-bristande möss är kopplade till misslyckad uppreglering av CXCR5 och OX40 på T-celler och störde germinal-centrumbildning.17 CD28-medierade svar, alstringen av Tfh-celler och germinal- centrumbildning blir oberoende av CD28 och beroende av ICOS när E3 ubiquitin ligas Roquin muteras.29

ICOS tillhör CD28-familjen och uttrycks på aktiverade T-celler. 30, 31 medan dess ligand, B7h, uttrycks i stor utsträckning på APC i icke-lymfoida vävnader. 32, 33 ICOS-B7h-interaktionen är nödvändig för optimal T-cellaktivering såväl som för vissa effektorfunktioner, såsom IL-4 och IL-17-expression. 36, 37, 38 Dessutom spelar ICOS en viktig roll i regleringen av T-cellberoende antikroppssvar och germinal-centrumreaktioner. Möss som saknar ICOS eller B7h uppvisar nedsatt germinal-centrumbildning och isotypväxling. 34, 35, 36, 37, 39 Nyligen visade sig denna kostnadseffektiva väg också vara viktig för generering och underhåll av CXCR5 + Tfh-celler. Mer specifikt visade ICOS-bristande möss försämrad utveckling av CXCR5 + Tfh-celler som svar på primär eller sekundär immunisering med fårröda blodkroppar.6 Under tiden resulterade ablation av B7h på APCs i minskat uttryck av IL-21 av T-celler.24 Det har har också visat sig att ICOS uttrycks starkt av humana tonsillära CXCR5 + T-celler i ljuszonen i groddcentra och effektivt stöder immunoglobulinproduktion. 40, 41 Dessutom resulterade ICOS-brist hos människor och möss i väsentligt minskat antal Tfh-celler och djupgående defekter i B-cellmognad och immunoglobulinomkoppling av isotyp, vilket indikerar en väsentlig roll för ICOS vid differentiering av Tfh-celler.11, 19 Intressant nog, en mutation i RING-typ E3 ubiquitinligas Roquin hos möss provocerade spontan germinal-centrumbildning och förbättrad autoantikroppsproduktion , vilket är associerat med kraftigt ökat antal Tfh-celler och förbättrat IL-21- och ICOS-uttryck. 13

Eftersom B7h är con stitutivt uttryckt på B-celler, undersökte vi huruvida Tfh-cellgenerering krävde besläktad B-T-cellinteraktion.24 Analys av en villkorlig knockout-mus med brist på B-celluttryck av B7h visade att frånvaron av ICOS-ligand från B-celler reducerad Tfh-cellfrekvens. Förutom lägre CXCR5-expression fann vi att IL-21-expression av T-celler minskade kraftigt hos dessa möss. ICOS-B7h-interaktionen kan således reglera Tfh-celler via produktion av IL-21. Vi observerade också att antigenspecifik IgG-produktion och jordnötsagglutinin (PNA) + germinal-centrum B-celler reducerades kraftigt i frånvaro av B7h-uttryck på B-celler. Våra data indikerar således att B7h-uttryck på B-celler är nödvändigt för generering av CXCR5 + Tfh-celler, såväl som för IL-21-produktion och lämpliga antikroppssvar, vilket tyder på en viktig in vivo-funktion för B-celler vid alstring eller underhåll av Tfh-celler .

Alla ovanstående observationer tyder på att defekter i Tfh-cellutveckling och germinal-centrumbildning hos ICOS-bristande möss och patienter delvis kan bero på defekt IL-21-produktion, som vanligtvis fungerar som en autokrin faktor som expanderar Tfh-cellpopulationen. I själva verket minskade antalet Tfh-celler i IL-21-bristande möss. En nyligen genomförd studie presenterade bevis för att ICOS främjar Tfh-cellbildning genom uppreglering av c-Maf-expression, vilket förbättrade IL-21-expression på ett dosberoende sätt.42 Således kan ICOS-inducerad c-Maf-expression stödja Tfh-cellbildning och underhåll via produktion av den autokrina tillväxtfaktorn IL-21.

SAP uttrycks i T-celler och förmedlar svar till medlemmar i SLAM-familjen genom att binda till en konserverad domän på dessa receptorer. SLAM-receptorfamiljen består av sju medlemmar: CD150 / SLAM, CD48 / SLAMF2, CD229 / Ly9 / SLAMF3, CD224 / 2B4 / SLAMF4, CD84 / SLAMF5, NTB-A / Ly108 / SLAMF6 och CD319 / CRACC / SLAMF7.Mutation av SAP hos människor, liksom studier som involverade SAP-bristande möss, föreslog en viktig roll för SAP i B-cellhjälp och klassomkoppling i Th-celler.43 Observera att SAP-bristfälliga T-celler uppvisade fördröjd och minskad ICOS-expression men förhöjt och förlängt CD40L-uttryck.44 SAP-bristande CD4 + T-celler misslyckas också med att interagera stabilt med besläktade B-celler, vilket därför inte inducerar B-cellklonal expansion.45 Dessa bristande T-celler uttrycker emellertid fortfarande normala nivåer av CXCR5. SAP spelar sålunda en nyckelroll i Tfh-cellmedierad bildning av germinalcentra efter att ha stött på en besläktad B-cell, snarare än att reglera Tfh-cellernas ”migration.

CD84 / SLAMF5 och Ly108 / SLAMF6 uttrycks starkt i människa och mus Tfh-celler.46, 47 Med användning av CD84-bristande möss visade Cannons et al. att CD84 krävs för germinal-centrumbildning och Tfh-celldifferentiering in vivo på ett T-cell-inneboende sätt.47 Därför CD84-SAP-axeln är sannolikt den kanoniska vägen i CD4 + T-celler som förmedlar Tfh-cellutveckling och funktion.

Cytokiner

Cytokiner är huvudregulatorer av Th-celldifferentiering. 1, 3 Th1-differentiering främjas av IL -12 genom aktivering av STAT4. IFN-y-STAT1-vägen upprätthåller i sin tur Th1-cellutveckling, vilket leder till induktion av transkriptionsfaktorn T-bet. Under tiden utsöndras IL-4 av aktiverade T-celler och driver Th2-polarisering i ett STAT6-beroende sätt, vilket resulterar i aktivering av transkriptionsfaktorn GATA3 dessutom inducerar IL-6 / IL-21, i kombination med TGF-p, Th17-celldifferentiering via STAT3-beroende uppreglering av RORy. Denna cytokin-medierade Tfh-celldifferentiering varierar emellertid mellan möss och människor.

IL-21

IL-21 spelar en kritisk roll för att reglera immunglobulinproduktion och germinal-centrumbildning. 12, 48 Denna cytokinreceptor tillhör den gemensamma y-kedjefamiljen, som också inkluderar receptorerna för IL-2, IL-4, IL-7, IL-9 och IL-15. IL-21-signaler via STAT3 eller STAT5a för att reglera funktionerna hos en mängd olika celltyper, såsom T-celler, B-celler, naturliga mördarceller och DC, och uttrycks huvudsakligen av CD4 + T-celler och naturliga mördare-T-celler.49 Tidigare rapporterades det också att IL- 21 uttrycks vid högre nivåer av Th2 än av Th1-celler.50 I det senare fallet minskar tillsatsen av IL-21 under differentiering IFN-y-produktion genom att undertrycka Eomes-uttryck.51 Det har också observerats att IL-21 induceras av IL-6 med hjälp av STAT3 och i kombination med TGF-β är nödvändig och tillräcklig för generering av Th17-celler via STAT3-beroende uppreglering av RO Rγ.52, 53, 54 Både IL-21- och IL-21R-bristande möss är defekta i Th17-cellutveckling, vilket antyder att IL-21 verkar på ett autokrint sätt, precis som IFN-y gör för Th1-celler och IL-4 gör för Th2-celler.

Dessutom försämras germinalcentrets utveckling hos IL-21- och IL-21R-bristande möss.12 I detta sammanhang, som högre producenter av IL-21 än Th1, Th2 och Th17-underuppsättningar, Tfh-celler har en fördelaktig inverkan på antikroppsklassomkopplare och germinal-centrumbildning. Två grupper har nyligen belyst rollen för IL-21 vid alstring av Tfh-celler och germinal-centrum B-celler. 24, 55 Immunisering av IL-21-bristande möss med ett T-cellberoende antigen resulterade i en dramatisk minskning av CD4 + CXCR5 + T-celler, vilket tyder på att IL-21 fungerar som ett autokrint sätt under Tfh-cellutveckling.24 Förutom Tfh-celler observerades signifikant minskat antal germinal-centrum B-celler och minskad IgG1-produktion hos immuniserade IL-21-brister . Vogelzang et al. visade att dessa defekter var T-celler snarare än B-cellens inneboende.55

Det har visats att IL-21 induceras av IL-6 på ett STAT3-beroende sätt.24 Men till skillnad från Th17 celler var Tfh-cellgenerering oberoende av TGF-β eller de Th17-specifika föräldralösa kärnreceptorerna RORa och RORy.24 Dessutom har vi visat att IL-21-producerande Th-celler kan genereras in vitro i närvaro av IL-21 men inte TGF-β, och att dessa celler förvärvar Tfh-genuttryckningsprofilen.24 Överföring av dessa in vitro-genererade, IL-21-producerande Tfh-liknande celler till naiva möss underlättade B-cellfunktion, liknande Tfh-celler. Sammantaget bekräftar dessa fynd identiteten för Tfh-celler som en separat Th-härstamning och föreslår att IL-21 är viktigt för alstringen av Tfh-celler och germinala centrumreaktioner hos möss.

IL-12

Trots framsteg i karaktäriseringen av de mekanismer som ligger bakom murin Tfh-cellutveckling, förblev utvecklingsregleringen av humana Tfh-celler otydlig tills nyligen. Två oberoende studier har visat att IL-12 inducerar in vitro-generering av humana Tfh-liknande celler från naiva CD4 + T-celler.46, 56 Tfh-celler som differentierar under påverkan av IL-12 delar nyckelfunktioner med Tfh-celler som finns i de perifera lymfoida vävnaderna, inklusive IL-21-produktion, ihållande ICOS- och CXCR5-expression och förmågan att hjälpa B-celldifferentiering till immunglobulin- utsöndrar celler. Intressant nog orsakade exponering av tonsillar, navelsträngsblod eller vuxna perifera blodnaiva T-celler för IL-12 (Th1-tillstånd) en signifikant ökning av IL-21-uttryck, medan IL-21, IL-6 och IL-23 inducerade IL-21-utsöndring i mindre utsträckning.46 Schmitt et al. visade att IL-12 utlöser höga nivåer av IL-21-produktion via STAT4-aktivering, medan IL-21 och IL-23 inducerar mindre IL-21-produktion i humana CD4 + T-celler.56 Det observerades också att IL-12-inducerad IL- 21-producerande celler inkluderade IFN-γ + och IFN-γ- undergrupper.

Det är oklart om autokrin IL-21 och STAT3-aktivering spelar någon roll i differentieringen av IL-12-inducerad, IL-21 -producerande Th-celler hos människor. Intressant är att Ma et al. visade att IFN-γ + IL-21− och IFN-γ + IL-21 + -celler uttrycker höga nivåer av T-bet, medan alstring av IFN-γ − IL-21 + -celler är starkt beroende av Bcl6-uttryck.46 Dessutom humana naiva CD4 + T-celler odlade i närvaro av IL-12 uttrycker höga nivåer av CXCR5, vilket kan vara viktigt för lokaliseringen av dessa celler till B-cellsäckarna. Förutom CXCR5-uttryck förhöjde IL-12-behandlingen också nivåerna av ICOS-uttryck. Ännu viktigare, in vitro IL-12-primade, IL-21-utsöndrande celler inducerade signifikant mer immunglobulinsekretion av naiva B-celler. Denna effekt var beroende av IL-21 och ICOS-signalering men inte av IFN-y. Således delar humana ICOS + CXCR5 + CD4 + T-celler genererade in vitro i närvaro av IL-12 fenotypiska och funktionella egenskaper med Tfh-celler. IL-21 och IL-12 krävs därför för utveckling av mus- och humana Tfh-celler.

Typ I IFN: er

Typ I IFN: er representerar en familj av cytokiner med antivirala och immunmodulerande funktioner.57 Multipla subtyper av IFN-α och en enda IFN-β-subtyp induceras snabbt som svar på infektion och signal genom en gemensam IFN-α-receptor.57 Dessa IFN har visats potentiellt förbättra det primära antikroppssvaret mot en löslig proteinantigen, som förstärker produktionen av alla underklasser av IgG.58, 59 Dessutom främjade typ I IFN-antikroppssvar när vildtyps-DC överfördes till IFN-a-receptordefekterade möss, vilket gav direkta bevis för att typ I-IFN-stimulering av DCs förbättra immunsvaret in vivo.58, 59

En nyligen genomförd studie avslöjade att typ I-IFN-signalering i DC stimulerar selektivt Tfh-cellutveckling som svar på antigen bundet till Toll-liknande receptor 3 eller 4-agonister.60 Dessutom krävs DC-produktion av IL-6 för in vivo Tfh cellgenerering och antikroppsaffinitetsmognad. Således förstärker typ I IFN: er T-cellberoende antikroppssvar genom att tjäna som ett naturligt adjuvans för generering av lymfkörtelbaserade CXCR5 + Tfh-celler. Det återstår att avgöra vilken DC-delmängd som reglerar genereringen av Tfh-celler.

Patienter med systemisk lupus erythematosus (SLE) har ökat IFN-α-nivåer, vilket korrelerar med sjukdomens svårighetsgrad.61 Dessutom har studier på olika lupusbenägna musstammar har avslöjat den kritiska rollen av IFN av typ I i lupusliknande patologi.62, 63, 64 Ett ökat antal Tfh-celler har också observerats i musmodeller av SLE, 6, 65 där de krävs för lupus -liknande patologi.66 IFN-beroende generation av Tfh-celler under ett autoimmunt svar har dock ännu inte tagits upp och kräver ytterligare undersökning.

Transkriptionsfaktorer

Differentieringen av naiva CD4 + T-celler i olika linjer bestäms av cytokinsignalering och efterföljande aktivering av specifika transkriptionsfaktorer (figur 1). Till exempel reglerar IFN-γ / IL-12-signalering via STAT1 / STAT4 T-bet-transkription i Th1-celler, 67 medan IL-4-signalering genom STAT6 aktiverar GATA3-expression i Th2-celler. 68 IL-6 och IL-21 verkar båda via STAT3, vilket leder till uppreglering av uttrycket av de två Th17-specifika föräldralösa kärnreceptorerna RORy och RORa, som i slutändan bestämmer Th17-cellterminaldifferentiering.3 För Tfh-celldifferentiering har det visats att varken Th1-specifikt (STAT4, T-bet ) eller Th2-selektiva (STAT6, GATA3) transkriptionsfaktorer krävs.24 Trots det faktum att både Th17- och Tfh-linjer kräver IL-6 / IL-21 och STAT3, kräver Tfh-cellutveckling inte Th17-relaterade transkriptionsfaktorer (RORa och RORy). Snarare är Bcl6 huvudtranskriptionsregulator för Tfh-celldifferentiering.

STAT3

IL-21 har rapporterats vara nödvändig för Tfh-celldifferentiering24 och induceras i T-celler av IL- 6 på ett STAT3-beroende sätt.52 För att avgöra om STAT3-signalering krävs för Tfh-cellutveckling, Nurieva et al. analyserade Tfh-cellgenerering i Stat3f / f-möss korsade med CD4-cre-möss.24 Immunisering av dessa möss med keyhole limpet hemocyanin i fullständigt Freunds adjuvans avslöjade en stor minskning av CXCR5 + Tfh-celler i frånvaro av STAT3. Dessutom ledde STAT3-brist i T-celler till defekt B-cellgenerering i germinal-centrum och minskad produktion av nyckelhålsmält hemocyaninspecifikt IgG och IgM. Således spelar STAT3 en viktig roll i Tfh-celldifferentiering.

Bcl6

Transkriptionsfaktorn Bcl6 uttrycks selektivt av mus- och humana Tfh-celler. 69, 70 Det visades tidigare att det inhiberar Th2-svar genom att blockera STAT6-bindning till DNA, 71, 72 medan Bcl6-bristande möss uppvisar inflammatoriska sjukdomar med flera organ, förbättrad IgE-produktion och defekta germinala centrumreaktioner.71, 73 Men det var oklart om den germinala centrumdefekten i dessa möss orsakades av brist på korrekt T- och / eller B-cellfunktion eftersom germinal-center B-celler också uttrycker Bcl6.74 Nyligen visade vår grupp och andra att transkriptionsfaktorn Bcl6 är en mästare r egulator av Tfh-celldifferentiering.25, 26, 27

Bcl6-expression induceras av IL-6 och IL-21 och överuttryck av Bcl6 främjar Tfh-cellutveckling i frånvaro av exogena cytokiner. 25 Bcl6-överuttryck leder också till ökat uttryck av endogent Bcl6-mRNA såväl som IL-21R, IL-6R och CXCR5-mRNA, vilket är fallet i celler behandlade med IL-6 eller IL-21. Intressant nog uppreglerades inte IL-21-uttrycket av Bcl6-överuttryck. Bcl6-uttryck behövdes inte heller för utvecklingen av Th1-, Th2- eller Th17-celler, och faktiskt undertryckte Bcl6-överuttryck produktionen av Th1-, Th2- och Th17-cytokiner.25

Bcl6-funktionen verkar vara beroende av DNA bindning.25, 26 Det binder till promotorerna för transkriptionsregulatorerna T-bet och RORγt, som bestämmer Th1- och Th17-cellöden, vilket resulterar i undertryckande av IFN-y- och IL-17-produktion.26 Dessutom undertrycker Bcl6 uttryck av mikroRNA som tros hämma Tfh-cellsignaturen, inklusive miR-17-92, som undertrycker CXCR5-uttryck. Således reglerar Bcl6 Tfh-cellutveckling via undertryckande av Th1-, Th2- och Th17-specifika transkriptionsfaktorer. Bcl6-brist i T-celler resulterade i försämrad Tfh-cellutveckling både in vitro och in vivo, och brist i både B- och T-celler krävs för germinala centrumreaktioner.25, 26, 28

Sammantaget är dessa Resultaten visar att Bcl6 både är nödvändig och tillräcklig för Tfh-cellutveckling och ger ytterligare bevis som stöder tanken att Tfh-celler är en distinkt härkomst av Th-celler.

c-Maf

c- Maf var den första identifierade transkriptionsfaktorn som företrädesvis uttrycktes i Th2-celler.75 Den binder till IL-4-proximala promotorn75 och fungerar som en Th2-specifik faktor. T-celler med brist på c-Maf försämrades i IL-4-expression under effektorfasen, medan expressionen av andra Th2-cytokiner antingen var måttligt reducerad eller opåverkad.76 Tidigare använde ICOS- och B7h-bristande möss, Dong et al. beskrivna mekanismer genom vilka ICOS förmedlar IL-4-produktion genom att reglera c-Maf-expression i effektor Th-celler.36, 77 Längs dessa linjer liknar fenotypen av c-Maf knockout-möss den hos ICOS-bristande möss. Dessutom återställer c-Maf-överuttryck IL-4-frisättning av T-celler aktiverade i frånvaro av ICOS-B7h-interaktionen. Förutom defekt IL-4-produktion är ICOS- och B7h-bristande möss försämrade i Tfh-cellgenerering och IL-21-produktion.24 Kuchroo et al. visade nyligen att Tfh-celler kännetecknas av högt c-Maf-uttryck och att c-Maf förbättrade IL-21-nivåer på ett dosberoende sätt.42 Under tiden ledde borttagning av c-Maf till ett reducerat antal IL-21-uttryckande Tfh 42 ICOS reglerar således differentieringen av IL-21-producerande Tfh-celler via uppreglering av c-Maf-expression.

IFN-regleringsfaktor 4 (IRF4)

IRF4 beskrivs ursprungligen som en Th2-specifik transkriptionsfaktor, 78, 79 delvis eftersom möss med IRF4-brist uppvisar signifikant reducerade nivåer av serumimmunglobulin.80 Nya studier avslöjade emellertid att denna transkriptionsfaktor induceras av IL-1-signalering och är nödvändig för Th17-celldifferentiering .81, 82 IRF4-bristfälliga T-celler, å andra sidan, misslyckas med att inducera Th17-linjen vid IL-21 och TGF-ß-stimulering.83 Dessutom uppvisar T-celler som saknar IRF4-bindande protein, en naturlig antagonist av IRF4 förhöjd IL-21-produktion.84 IRF4 är således kritisk för produktion av IL-21 såväl som för IL-2 1-medierad Th-celldifferentiering.

Med tanke på dessa resultat verkar det som om IRF4 också kan spela en roll i Tfh-celldifferentiering. Faktum är att IRF4-bristande möss genererar färre CXCR5 + ICOS + Tfh-celler efter immunisering, vilket indikerar vikten av IRF4 under in vivo Tfh-celldifferentiering. Det återstår att avgöra om IRF4-beroende Tfh-cellgenerering är T-cellens inneboende och om IRF4 reglerar Bcl6 och B-lymfocytinducerat mognadsprotein-1 (Blimp-1) under Tfh-linjens utveckling.

Negativ reglering

Tfh-celldifferentiering regleras av ett program som motverkar utvecklingen av andra Th-linjer genom att undertrycka linjespecifika transkriptionsfaktorer (T-bet, GATA3 och RORγ). Det har dock inte rapporterats om dessa faktorer också negativt reglerar Tfh-celldifferentiering. Blimp-1, som tidigare beskrivits som antagoniserande Bcl6 i B-celler, reduceras 86 signifikant i Tfh-celler jämfört med icke-Tfh CD4 + T-celler.27 Överuttryck av Blimp-1 i CD4 + T-celler förhindrar således Bcl6-expression och minskar signifikant differentiering av Tfh-celler utan att påverka Th2-, Th17- och Treg-cellutvecklingen. Dessutom visade Blimp-1-bristfälliga CD4 + T-celler förbättrad differentiering i Tfh-linjen.27