Regulatory mechanisms controlling T cell activity

Abstract

This thesis is based on work studying the immunoregulatory mechanisms that govern the balance between activation and inactivation of T lymphocytes. Most of the work has been carried out in an experimental system using a T cell receptor (TCR-Vb3) transgenic mouse strain to obtain a homogenous T-cell population and utilizing the properties of bacterial superantigens to induce T cell responses and unresponsiveness in vivo. Injection of the superantigen staphylococcal enterotoxin A (SEA) to TCR-Vb3 transgenic mice activates both CD4+ and CD8+ T cells, large amounts of proinflammatory cytokines are produced within hours of injection and the responding T cell-population is expanded in number. In addition, CD8+ T cells differentiate into cytotoxic T cells (CTL). However, repeated injections of the same superantigen induces a state of unresponsiveness in the previously activated T cells. Part of the CD4+ T cell population is deleted and the remaining cells are unable to produce IL-2, a state known as anergy (functional inactivation). The CD8+ T cells are less affected and maintain the ability to mediate cytotoxicity in that CD8+ CTLs effectively lyse MHC class II+ target cells in vitro. By analogy, certain MHC class II+ antigen-presenting cells (APC) were shown to be depleted in vivo by a mechanism involving CD8+ T cells and the lytic protein perforin. In a later study, we demonstrated that functional anergy also could be induced in the CD8+ CTLs in a dose-dependent manner. Surprisingly, there seemed to be a difference in the way different cytokines were regulated. Repeated injections of SEA induced the production of large amounts of the 'suppressive' cytokine IL-10 and neutralization of IL-10 in vivo restored IFN-g, TNF, and IL-4 but not IL-2 production. The molecular basis for the perturbed IL-2 synthesis in anergized CD4+ T cells was shown to include the defective expression and regulation of the important transcription factor AP-1. Collectively, these data suggest that multiple immunoregulatory mechanisms cooperate to downregulate and control T cell activity in vivo.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Immunsystemet utgörs av de celler och molekyler i kroppen som har till uppgift att skydda oss mot angrepp av sjukdomsframkallande bakterier, virus och parasiter. Dessa patogener hindras först och främst av fysiska barriärer såsom hud, slemhinnor och mag/tarm kanalen. Patogener som har lyckats ta sig igenom dessa barriärer, möter härnäst immunsystemets första försvarslinje bestående av olika typer av vita blodkroppar som fagocytära (<i>ätande</i>) celler och NK (mördar) celler. Dessutom aktiveras en grupp av proteiner, komplement, som binder till bakterier och oskadliggör dem. Alla dessa faktorer ingår i vad som kallas naturlig eller nedärvd immunitet. Ytterligare skyddsmekanismer tillhör den andra delen av immunsystemet som, till skillnad från den naturliga, är specifik och förvärvad.



Det förvärvade immunförvaret sköts också av vita blodkroppar men av en annan typ, s.k. lymfocyter. Lymfocyterna har förmåga att känna igen och reagera mot i stort sett alla främmande organismer som vi kan tänkas träffa på under vår livstid. Detta beror på att lymfocyterna har speciella <i>igenkännings</i>-molekyler (receptorer) på cellytan. Varje lymfocyt har bara en sorts receptor men det finns en till synes oändlig variation i hur dessa ser ut och därmed vad de kan känna igen och binda till. Den specifika struktur som lymfocyternas receptorer känner igen och binder till kallas 'antigen'. Förutom den stora repertoaren av receptorer har lymfocyterna ytterligare en unik egenskap. När en viss sorts lymfocyt har träffat på den bakterie eller virus som den känner igen, kan den <i>minnas</i> detta och utlösa sin försvarsmekanism bättre och snabbare vid nästa träff. Immunologiskt minne möjliggör att vi kan vaccinera oss mot speciellt farliga bakterier och virus.



Det finns två olika sorters lymfocyter; B lymfocyter (eller B celler) och T lymfocyter (eller T celler). Receptorerna som finns på B celler brukar också kallas immunoglobuliner. När B cellen träffar det antigen som den känner igen med sin immunoglobulin, aktiveras den och börjar nu producera stora mängder av samma sorts immunoglobulin som den har på sin cellyta. Den stora skillnaden är att dessa, istället för att finnas på cellytan, nu frisätts från B cellen. Lösliga immunoglobuliner kallas antikroppar och fungerar som <i>målsökande robotar</i>. Antikropparna letar rätt på alla antigen av samma sort, t.ex. en bakterie som vi är infekterade med eller ett skadligt protein (toxin) som bakterien har producerat. När antikropparna har bundit en bakterie blir den mer <i>synlig</i> för andra celler i immunsystemet som därefter kan oskadliggöra bakterien. Om antikropparna har bundit till ett toxin kan detta inte längre utöva sin effekt. Dessutom kan stora komplex av antigen och antikroppar lättare brytas ner av kroppen.



T celler, till skillnad från B celler, saknar förmåga att känna igen patogener som de är. Istället måste delar av patogenerna brytas ned inuti specialiserade 'antigen-presenterande' celler (APC). Därefter kan protein-fragment (peptider) av antigen föras ut till ytan på APC och blir på så sätt synliga för T cellerna. Många olika celltyper kan fungera som APC, t.ex. B celler, dendritiska celler och makrofager. De har alla den speciella molekyl på sin cellyta som kan presentera antigen för T celler. Denna molekyl tillhör MHC-familjen av proteiner, som upptäcktes för deras roll i avstötning av transplantat. T cellen har också antigen-specifika receptorer på sin yta, och dessa har fått namnet T-cell-receptorer (TCR). När T cellen binder med sin TCR till en APC som presenterar rätt antigen i MHC molekylen skickas det in signaler i T cellen, och även i APC:n. Signalerna gör att T cellen aktiveras att producera proteiner som behövs för att den dels ska kunna dela sig och bli fler, dels för att kunna utföra sina uppgifter i immunsystemet.



Vad gör då T cellerna? Det finns två grupper av T celler. Dels så kallade 'hjälpar' eller CD4 T celler som hjälper till att dirigera andra celler i immunsystemet, dels så kallade 'cytotoxiska' eller CD8 T celler som dödar virus-infekterade celler och även tumörceller. CD4 'hjälpar' T celler fungerar som dirigent genom att producera speciella signalsubstanser (cytokiner). Beroende på vad det är för mikroorganism som infekterar oss, gör CD4 T cellerna olika sorters cytokiner. Vissa cytokiner aktiverar B celler att producera antikroppar, dvs det räcker inte bara för B cellerna att de känner igen ett antigen, de behöver också hjälp från CD4 T celler. Andra cytokiner är viktiga för att aktivera cytotoxiska CD8 T celler så att dessa kan döda virus-infekterade celler eller för att hjälpa makrofager att på ett effektivt sätt sluka bakterier.



Immunsystemet bekämpar främmande organismer genom att förstöra dem. Det är sålunda viktigt att immunsystemet inte vänds mot kroppens egna celler och proteiner. I så fall kan den egna kroppens vävnader skadas och vad man kallar för autoimmuna sjukdomar uppstå. En sådan sjukdom är multipel skleros, där nervceller i hjärnan attackeras och förstörs. Lyckligtvis är dessa sjukdomar relativt ovanliga och det beror på att det finns ett antal olika mekanismer som förhindrar att immunsystemet riktar sig mot den egna kroppen, som den ju har till uppgift att försvara. Den kanske viktigaste mekanismen är att lymfocyter genomgår en mognadsprocess innan de är redo att utföra sina uppgifter. T lymfocyter mognar i ett organ som heter tymus och här lär de sig skilja mellan vad som är <i>själv och icke-själv</i>. T celler som känner igen kroppens egna proteiner stimuleras att begå <i>självmord</i> och elimineras på så sätt. En del <i>själv</i>-reaktiva T celler undslipper och därför måste det finnas ytterligare mekanismer för att antingen eliminera dessa när de redan har lämnat tymus och är mogna T celler, eller på något sätt se till att de inaktiveras.



Denna avhandling studerar olika sätt som T celler kan inaktiveras. För att kunna studera balansen mellan aktivering och inaktivering på ett fysiologiskt sätt har en experimentell modell i försöksdjur använts. Ett normalt antigen stimulerar väldigt få T celler, mellan 1/10 000 och 1/100 000, vilket gör att dessa är svåra att hitta och därmed att studera. Istället har jag använt ett 'superantigen', som är ett bakteriellt toxin som känns igen av ungefär en tiondel av alla T celler. För att ytterligare öka på antalet T celler som kan reagera på superantigenet, användes transgena möss, där alla T celler nu har samma receptor. Vid injektion av superantigen i möss aktiveras både CD4 och CD8 T celler, vilket gör att de frisätter cytokiner och börjar att dela sig. CD8 T cellerna blir dessutom cytotoxiska. Men genom att ge upprepade injektioner av samma superantigen, kunde vi visa att en del av CD4 T cellerna eliminerades och att de kvarvarande cellerna hade förlorat sin förmåga att producera vissa cytokiner, bl.a. den viktiga tillväxtfaktorn interleukin-2 (IL-2). Vi upptäckte också att dessa celler istället producerade det suppressiva cytokinet IL-10. CD4 T cellerna kunde inte heller dela sig som svar på stimulans och vi tror att det kan bero på att de inte längre gör IL-2. Intressant nog visade det sig att CD8 T cellerna fortfarande kunde utöva vissa funktioner, dvs de var inte lika inaktiverade som CD4 T cellerna.



För att studera vad som gav upphov till oförmågan att producera IL-2 i CD4 T cellerna på molekylär nivå, studerade vi en grupp av DNA-bindande proteiner som kallas transkriptions-faktorer. Transkriptions-faktorer binder till speciella regioner av DNA (promotorer) och bestämmer vilka gener som ska slås på och stängas av. För att slå på genen för IL-2 krävs att rätt kombination av transkriptions-faktorer binder till dess promoter. Vi kunde visa att de CD4 T celler som inaktiverats med hjälp av superantigen-behandling innehöll otillräckliga mängder av viss transkriptions-faktor. I följande studie visade vi vilka defekter som skulle kunna ge upphov till det förändrade mönster av transkriptions-faktorer och oförmågan att producera IL-2, som vi hade observerat i de inaktiverade cellerna.



Denna avhandling har bidragit till kunskap om hur T celler kan aktiveras och inaktiveras på cellulär och molekylär nivå. Genom att kartlägga de defekter inuti CD4 T celler som ger upphov till inaktivering, kan dessa på sikt användas som potentiella <i>targets</i> för att stänga av oönskade T celler, till exempel de som ger upphov till autoimmuna sjukdomar.

• author: Sundstedt, Anette
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Schwartz, Ronald H., National Institutes of Health, Bethesda, MD
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 1998
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Basic Medicine
• keywords: transplantation, T cell/superantigen/anergy/interleukin-2/transcription factor/cytotoxicity, serology, Immunology, Immunologi, serologi
• pages: 169 pages
• defense location: Föreläsningssalen Wallenberglaboratoriet, Sölvegatan 33, Lund
• defense date: 1998-04-25 09:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MECM--1009--SE
• ISBN: 91-628-2900-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 960f6715-3229-41d2-89dd-14a3c9f03521 (old id 38529)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:09:05
• date last changed: 2018-11-21 21:02:58