Faculté des sciences

Dissecting the human CD4+T cell memory pool

Rivino, Laura ; Rusconi, Sandro (Dir.) ; Geginat, Jens (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2006 ; no 1540.

Memory cells can persist for a whole lifetime. Consequently, these cells must possess characteristics which endows them with the capacity to survive in the absence of their cognate antigen, to self-renewal and to rapidly and efficiently respond upon secondary encounter of antigen. It has become increasingly clear that the memory pool can fulfil these diverse requirements because of its extreme... Plus

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    Summary
    Memory cells can persist for a whole lifetime. Consequently, these cells must possess characteristics which endows them with the capacity to survive in the absence of their cognate antigen, to self-renewal and to rapidly and efficiently respond upon secondary encounter of antigen. It has become increasingly clear that the memory pool can fulfil these diverse requirements because of its extreme heterogeneity which allows a division of labour among the different memory cell subsets. In my study I have investigated, together with my co-workers, the heterogeneity of the human CD4+T cell memory pool. These studies lead us to the identification of T cell memory subsets endowed with distinct immunological functions. On the basis of expression of the chemokine receptors CXCR5, CXCR3 and C unpolarized cells or precursors of TH1 or TH2 cells (pre-TH1, pre-TH2), respectively. We show that in homeostatic conditions CCR7+CXCR3+ and CCR7+CCR4+ cells are pre-committed to give rise to TH1 or TH2 effector cells, respectively, whereas they maintain a certain degree of flexibility of cytokine gene expression upon secondary encounter of antigen in the presence of polarizing cytokines. Importantly, these results could explain how the quality of primary T cell responses is maintained in the absence of antigen, therefore allowing a rapid and efficient secondary response upon antigenic re-encounter (manuscript 1). Furthermore, we investigated the signals that drive activated T cells to survive and generate long-lived memory T cells. We identified a subset of TCR-activated cells expressing CCR7 and the IL7R-chain (CCR7+IL7Rhi cells), which possessed characteristics of memory cell precursors. However, we observed that CCR7+IL7Rhi cells were heterogeneous in their memory potential, depending on the signal strength they had received. In fact, CCR7+IL7Rhi cells generated at an intermediate strength of stimulation proliferated slowly with IL-7 and expanded efficiently upon secondary TCR stimulation, thus possessing characteristics of unpolarized TCM cells. In contrast, strongly stimulated CCR7+IL7Rhi cells expanded poorly upon TCR engagement but displayed a high proliferative rate with homeostatic cytokines. In the latter conditions they differentiated spontaneously to TH1 effector cells, a characteristic which is typical of circulating pre-TH1 cells. We conclude that the memory potential of CD4+T1 memory cells is dictated by the strength of stimulation they receive, and is not necessarily predictable by phenotypic markers. Our results are consistent with the view that T-cell memory is generated at an intermediate range of signal strength, and they suggest that TCM and TEM subsets could be derived from CCR7+ precursors that received different amounts of stimulation (manuscript 2). Importantly, due to their antigen-experienced state, memory cells possess a lower threshold for proliferation compared to naïve cells and are thus more prone to autoreactivity. Autoreactivity may represent an important side effect of an antimicrobial immune response and mechanisms have evolved that maintain selftolerance. In fact, in the peripheral blood of healthy individuals autoreactive T cells can be detected but are normally kept into check. We identified a subset of cells which seems to be involved in the maintenance of self-tolerance. In manuscript 3 we describe a population of antigen-experienced CD4+Foxp3- cells, distinct from natural Tregs, characterized by expression of the chemokine receptor CCR6. These cells secrete IL-10 in response to self-antigens and inhibit autoreactivity in an IL-10-dependent manner. Interestingly, we observed that in healthy donors, cells specific for MelanA, a self-antigen involved in the autoimmune disease vitiligo, are contained exclusively in the CCR6+ population, while in patients affected by vitiligo cells specific for MelanA can also be detected in the CCR6- population. Surprisingly, the CCR6+ population also contains cells that proliferate and produce IL-2 in response to recall antigens. We show that single CCR6+T cell clones can respond to self upon neutralization of IL-10, but proliferate vigorously and produce IL-2 in response to tetanus toxoid. These results suggest a context dependent function of these CCR6+T memory cells, in that they exhibit a Tr1-like suppressive capacity when exposed to self-antigens, thus limiting autoimmune reactions, while in the presence of their specific antigen they behave as normal memory cells. The mechanism we describe may represent a strategy evolved by the immune system which allows the utilization of slightly autoreactive T cells, thus broadening the TCR repertoire available for pathogen recognition, while lowering the risk of autoimmune reactions.
    Riassunto
    Le cellule della memoria possono persistere per tutta la vita. Pertanto queste cellule devono possedere caratteristiche che le rendano capaci di sopravvivere in assenza dell’antigene, di auto-rigenerarsi e di rispondere in modo rapido ed efficiente ad una successiva riesposizione all’antigene. Si e’ ora compreso che l’insieme delle cellule della memoria puo’ adempiere a compiti cosi svariati grazie all’estrema eterogeneita’ delle cellule che lo compongono, che permette una partizione dei compiti tra le diverse sottopopolazioni. In questo studio abbiamo analizzato l’eterogeneita’ delle cellule T CD4+ umane e abbiamo identificato sottopopolazioni che sembrano essere destinate a particolari funzioni nell’ambito del sistema immunitario. Abbiamo identificato diverse sottopopolazioni all’interno delle cellule T CD4+ “central memory” (TCM) sulla base dell’espressione di diversi recettori di chemokine. Abbiamo osservato che sottopopolazioni di TCM che esprimono CXCR5, CXCR3 e CCR4 rappresentano, rispettivamente, cellule non polarizzate o precursori di cellule TH1 (pre-TH1) o TH2 (pre-TH2). Qui mostriamo che in condizioni omeostatiche, cellule CCR7+ esprimenti CXCR3 e CCR4 sono pre-destinate a dare origine rispettivamente a cellule TH1 o TH2, mentre mantengono un certo grado di flessibilita’ in seguito ad un reincontro con l’antigene in presenza di citochine polarizzanti. La rilevanza di questo studio risiede nel fatto che potrebbe spiegare come viene mantenuta la qualita’ della risposta primaria in assenza dell’antigene, permettendo in questo modo alle cellule della memoria di generare risposte secondarie rapide ed efficienti (manoscritto 1). Abbiamo inoltre studiato i segnali che determinano se una cellula T attivata potra’ sopravvivere e generare una cellula della memoria. Abbiamo identificato una sottopopolazione di cellule, attivate tramite il TCR, che esprimono CCR7 e la catena del recettore dell’IL-7 (cellule CCR7+IL7-Rhi) e che possiede caratteristiche di precursori di cellule della memoria. Inoltre abbiamo osservato che la sottopopolazione di cellule CCR7+IL7-Rhi e’ in realta’ composta da cellule eterogenee che, in base alla forza dello stimolo che hanno ricevuto, possiedono una diversa potenzialita’ a generare cellule della memoria. Infatti, cellule CCR7+IL7-Rhi che hanno ricevuto uno stimolo di forza intermedia, proliferano lentamente in presenza di IL-7 ma espandono 3 in maniera efficace in seguito a stimolazione antigenica, come osservato per cellule TCM non polarizzate. Diversamente, cellule CCR7+IL7-Rhi che hanno riceuvuto uno stimolo piu’ forte, proliferano poco in seguito ad una stimolazione antigenica ma si espandono rapidamente in presenza di citochine omeostatiche, differenziando spontaneamente in cellule TH1. Queste caratteristiche sono tipiche delle cellule pre-TH1. Possiamo concludere che la capacita’ di generare memoria di cellule T CD4+ e’ determinata dalla forza del segnale con cui queste cellule vengono stimolate e non e’ necessariamente prevedibile sulla base di marcatori fenotipici (manoscritto 2). Le cellule della memoria, in quanto cellule che hanno precedentemente incontrato un antigene, possiedono una soglia di attivazione inferiore rispetto a cellule vergini o “naïve” e sono quindi maggiormente suscettibili a risposte autoimmunitarie. L’autoimmunita’ potrebbe costituire un importante e rischioso effetto collaterale di ogni riposta immunitaria anti-microbica e nel corso dell’evoluzione sono emersi diversi meccanismi atti a mantenere uno stato di non responsivita’ verso componenti autologhi (tolleranza verso il self). In effetti, nel sangue periferico di individui sani si possono riscontrare numerose cellule autoreattive che in condizioni normali vengono mantenute inattive. In questo studio abbiamo identificato una sottopopolazione di cellule della memoria che sembra essere implicata in questo processo di tolleranza verso il self. Qui descriviamo una popolazione di cellule CD4+Foxp3-, diverse dalle cellule Treg CD25+, caratterizzate dall’espressione del recettore delle chemokine CCR6. Queste cellule secernono la citochina IL-10 in seguito al riconoscimento di un auto-antigene ed inbiscono l’autoreattivita’ tramite un meccanismo dipendente dall’IL-10. Abbiamo osservato che in individui sani le cellule specifiche per MelanA, un autoantigene coinvolto nella malattia autoimmunitaria vitiligine, risiedono invariabilmente all’interno della sottopopolazione di cellule CCR6+. Diversamente, in pazienti affetti da vitiligine, le cellule specifiche per MelanA sono presenti anche nella sottopopolazione CCR6-. La popolazione CCR6+ e’ inoltre costituita da cellule specifiche per antigeni estranei, incontrati precedentemente nel corso di una risposta primaria, le quali proliferano e producono IL-2 ad una riesposizione all’antigene. Qui mostriamo che cloni CCR6+ possono rispondere sia ad un antigene autologo, in seguito alla neutralizzazione dell’IL-10, sia ad un antigene estraneo come il tetano. I risultati qui riportati suggeriscono che la funzione delle cellule CCR6+ sia legata al particolare contesto. Infatti queste cellule si comportano in modo simile a cellule “soppressorie” quando 4 riconoscono un auto-antigene e quindi impediscono una risposta autoimmunitaria. Invece in presenza dell’antigene per le quali sono specifiche, si comportano da normali cellule della memoria. Il meccanismo che descriviamo potrebbe rappresentare una strategia che il sistema immunitario mette in atto per poter utilizzare cellule che possiedono una bassa affinita’ per i componenti autologhi. Questo permetterebbe una maggiore disponibilita’ di repertorio per le risposte verso i patogeni ma al contempo limiterebbe la risposta verso componenti autologhi (manoscritto 3).