Aspects of T cell development contributing to autoimmunity.

Abstract

Autoimmunity, such as type 1 diabetes (T1D), arises as a result of tolerance breakdown against host tissues, i.e. the β-cells. Central tolerance is established during thymic T cell development and defects in key events during this process could contribute to the pathogenesis of autoimmune diseases. The work presented in this thesis was aiming at unravelling some of those aspects.



We have investigated the impact of thymic expression of TGF-β and insulin on T cell development as well as elicudated the molecular basis for the apoptosis resistance in the non-obese diabetic (NOD) mouse. The role of thymic expression of TGF-β was dissected by using TGF-β type II receptor cre/lox conditional knock out mouse model. By transplanting bone marrow to irradiated recipients we restricted the phenotype to hematopoietic stem cells. These mice develop a lymphoproliferative degenerating disease 6 to 9 weeks after bone marrow transfer. Our analysis revealed no difference in thymocyte distribution or apoptosis induction indicating that TGF-β is dispensable in these aspects. We did however observe increased proliferation of CD8+ thymocytes which might contribute to the immune defect in these animals. The impact of thymic insulin expression on development and selection of thymocytes was investigated by using insulin deficient fetal thymi. Analysis by fetal thymic organ cultures suggested that lack of insulin does not affect thymocyte differentiation. Furthermore, by transplanting insulin deficient fetal thymi under the kidney capsule of nude mice we were able to demonstrate that insulin can be re-expressed in the thymus by influx of bone marrow derived cells. This process might contribute to clonal deletion of insulin-reactive T cells. The NOD mouse displays thymocytes apoptosis resistance, which could also contribute to impaired negative selection and contribute to the development of type 1 diabetes. By analysing the expression of key proteins involved in apoptosis and cell cycle signalling we were able to demonstrate that defective up-regulation of p53 and caspases-1 and 11 are linked to this trait.



In summary, the results presented in this thesis depict factors capable of affecting T cell development and establishment of tolerance, which ultimately might contribute to development of autoimmune disorders such as T1D.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Autoimmuna sjukdomar, såsom typ 1 diabetes, uppstår till följd av en obalans i immunsystemet där immunceller ser kroppens egna vävnader som ett hot och angriper dem. Vid typ 1 diabetes är det de insulin-producerande β-cellerna i bukspottskörteln som förstörs, vilket leder till att man resten av livet får tillföra kroppen insulin genom injektioner. Anledningen till varför β-cellerna angrips är fortfarande till stor del okänd. Defekter i vissa mekanismer, som i normala fall hjälper till att hålla immunsystemet under kontroll, kan bidra till uppkomst av autoimmunitet. Dessa mekanismer upprätthåller ett tillstånd av tolerans mot kroppen och verkar på två olika nivåer. Så kallad central tolerans skapas under mognad och utveckling av en viss typ av immunceller, T-cellerna. Perifer tolerans bibehålls ute i vävnaderna genom olika processer, t.ex. via en speciell grupp T-celler vilka dämpar aktivering av andra celler.



T-celler tillhör, tillsammans med B-celler, den adaptiva grenen av vårt immunsystem. Det adaptiva immunsystemet formas utefter infektionen och aktiveras vid senare faser av sjukdomen eftersom cellerna behöver tid att mobilisera sig och angripa infekterade celler mer specifikt än vad som sker i början av sjukdomsförloppet. Föregångare till T- och B-celler, s.k. hematopoetiska stamceller, finns i benmärgen. Medan B-celler utvecklas och mognas i benmärgen (därav B-celler), vandrar de blivande T-cellerna till ett organ kallat tymus (därav T-celler) som är lokaliserat ovanför hjärtat. Här genomgår de olika mognadsprocesser som garanterar att de celler som så småningom kommer ut i cirkulationen är kapabla att aktiveras vid infektion, men också att de inte aktiveras av kroppens egna ämnen. Dessa egenskaper formas när T-cellerna genomgår positiv och negativ selektion under utvecklingen. Medan den positiva selektionen ser till att cellerna kan aktiveras korrekt, säkerställer den negativa selektionen att de celler som överaktiveras sållas bort. Därmed skapas central tolerans. Den här avhandlingen fokuserar på hur defekter vid etablering av tolerans under T-cellsutvecklingen kan bidra till uppkomst av autoimmuna sjukdomar såsom typ 1 diabetes.



I den första studien undersöker vi hur uttrycket i tymus av ett protein, TGF-β, kan påverka T-cellsutveckling. Vi använde oss av en s.k. konditionell knockout modell som vid induktion avlägsnar den kodande genen för TGF-β-receptorn. Därefter transplanterade vi benmärgen till strålade möss och på så sätt är det endast celler som kommer från benmärgen som inte kan svara på TGF-β. Dessa möss utvecklar autoimmunitet där immunsystemet är överaktiverat. Genom att undersöka hur tymocyterna, d.v.s. omogna T-celler, ser ut och fungerar kan vi avgöra om avsaknad av TGF-β under T-cellsutveckling kan leda till autoimmunitet. Vi såg att tymocyter utvecklades normalt men att en grupp av CD8+ tymocyter uppvisade en ökad förmåga till celldelning, proliferation. Denna egenskap kan leda till en okontrollerbar överaktivitet och därigenom till autoimmunitet.



Nästa studie fokuserar på hur insulin påverkar T-cellsutveckling. Insulin är ett hormon som utsöndras av β-cellerna i bukspottskörteln vid förhöjda glukoshalter i blodet. Dessutom är insulin ett av de proteiner som aktiverar autoreaktiva T-celler hos diabetespatienter. Men, insulin uttrycks inte enbart av β-celler. Det har på senare tid visats att många proteiner som igenkänns av autoreaktiva T-celler i sjukdomar såsom MS, diabetes och tyroidea, uttrycks i tymus. Det har därför spekulerats om dessa proteiner bidrar till etablering av tolerans under den negativa selektionen på så sätt att de tymocyter som aktiveras av dem under T-cellsutveckling sållas bort. Men, insulin fungerar även som ett tillväxthormon. Därför ville vi undersöka hur tymocyter utvecklas vid avsaknad av insulinuttryck i tymus. Detta gjordes med hjälp av en musmodell som saknar insulin. Möss som inte har insulin överlever dock inte mer än 48 timmar efter födseln så därför studerade vi T-cellsutvecklingen med hjälp av fetaltymus. Vi kunde inte påvisa någon förändring i fördelningen av tymocyter vid frånvaro av insulin och slutsatsen var därför att insulin i tymus sannolikt påverkar den negativa selektionen och uttrycks inte i syfte som tillväxthormon.



Den tredje studien var en fortsättning från förra då vi vidare studerade hur insulin påverkade den negativa selektionen av tymocyter och på så sätt hjälpte till att forma central tolerans. Vi transplanterade fetaltymus, som saknade insulin, till möss som inte har egen tymus men som däremot har T-cellsföregångare i benmärgen vilka kommer att utvecklas i den transplanterade tymusen. På så sätt kan vi se hur T-celler som mognats i en tymus utan insulin uppför sig ute i kroppen. Studien visade dock att insulin verkar återuttryckas i tymus genom en viss typ av celler som vandrar in utifrån periferin och presenterar insulin för tymocyter och därigenom bidrar till att etablera central tolerans.



Den fjärde och sista studien fokuserade på en av de mekanismer som framkallar negativ selektion i tymus och som i periferin hjälper till att nedreglera ett immunsvar när infektionen är över. Detta sker genom en speciell typ av programmerad celldöd som kallas apoptos. En musmodell för typ 1 diabetes, NOD-musen, har uppvisat defekter i apoptos och vi ville i detta projekt undersöka de bakomliggande orsakerna. Därför framkallade vi apoptos hos tymocyter genom γ-strålning. NOD-mössen påvisade mindre apoptos än kontrollmössen och efter att ha jämfört vissa proteiner som är inblandade i apoptos-signalering såg vi att NOD-mössen inte uttryckte p53 och vissa kaspas-proteiner i lika hög grad som kontrollmössen. Slutsatsen var alltså att defekt i apoptos hos NOD-musen under negativ selektion av tymocyter kan bero på felaktig uppreglering av dessa proteiner och detta kan således leda till att autoreaktiva tymocyter undkommer negativ selektion vilka så småningom bidrar till uppkomst av diabetes.

• author: Carlsén, Maria
• supervisor: Corrado Cilio; Åke Lernmark
• opponent: Dr Pugliese, Alberto, Diabetes Research Institute, Miller School of Medicine, University of Miami, USA
• organization: Diabetes - Immunovirology (research group); Cellular Autoimmunity Unit-lup-obsolete (research group)
• publishing date: 2008
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Clinical Medicine
• keywords: FTOC, T cell development, Type 1 diabetes, p53, Insulin, NOD, Negative selection, TGF-β, Tolerance, Thymus, Conditional cre/lox knock out, Autoimmunity
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2008:5
• pages: 92 pages
• defense location: Clinical Research Center (CRC) Lecture Hall, Malmö University Hospital, entrance 72
• defense date: 2008-01-18 09:15:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-85897-56-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 4b9f596c-4324-4c0b-8e61-7079d7f0d050 (old id 772827)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:16:02
• date last changed: 2023-04-18 20:18:48