The role and regulation of MHC-II expression on intestinal macrophages

Guillaume, Joel; Pabst, Oliver; Zenke, Martin; Blank, Lars M.

doi:39986

The role and regulation of MHC-II expression on intestinal macrophages

Guillaume, Joel^RWTH*

2020 & 2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Joel Guillaume, PhD

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2020

Umfang1 Online-Ressource (133 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Pabst, Oliver (Thesis advisor)^RWTH* ; Zenke, Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Blank, Lars M. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-12-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-12278
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/808764/files/808764.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CD4 T cells (frei) ; MHC-II (frei) ; antigen presentation (frei) ; macrophages (frei) ; microbiota (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Intestinale Makrophagen spielen eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle des Gleichgewichts von Immunität und Toleranz. Es ist viel über ihre Fähigkeit bekannt, sowohl tolerogene als auch entzündliche T-Zell-Reaktionen durch die Produktion von einer Vielzahl an Zytokinen im Dünndarm (SI) sowie im Kolon zu regulieren. Traditionell wurden Makrophagen aufgrund ihrer Expression des Antigen-präsentierenden Moleküls MHC-Klasse II (MHC-II) als Antigen-präsentierende Zellen (APCs) betrachtet. Es ist jedoch nur wenig über ihre Fähigkeit, Antigen zu präsentieren und CD4 T-Zell-Antworten lokal zu stimulieren, bekannt. Darüber hinaus ist unklar, welche molekularen Mechanismen und Umweltfaktoren die hohe Expression von MHC-II auf der Oberfläche von Darmmakrophagen regulieren. In dieser Studie zeigen wir, dass die MHC-II-Expression auf Makrophagen sowohl von ihrer Ontogenese als auch von dem Gewebe abhängt, indem sie sich befinden. Von Monozyten abstammende Gewebemakrophagen wiesen fast ausschließlich hohe Konzentrationen von MHC-II auf ihrer Oberfläche auf, jedoch unabhängig vom Gewebe, in dem sie sich befanden. Interessanterweise waren unter den verschiedenen, pränatal abgeleiteten Gewebemakrophagen in Mäusen im Dünn- und auch im Dickdarm Tim4+-Makrophagen die Population mit der höchsten Expression an MHC-II. Im SI waren alle Makrophagen einheitlich hoch in ihrer MHC-II-Expression. Im Kolon exprimierte jedoch eine substantielle Population von pränatal abgeleiteten Tim4+ Makrophagen nur geringe Mengen an Oberflächen-MHC-II. Darüber hinaus zeigte die MHC-II-Expression von Makrophagen im SI und dem Kolon der Maus eine unterschiedliche Kinetik während der Entwicklung von Neugeborenen und besonders um die Entwöhnung herum. Da Kolonmakrophagen in engem Kontakt mit der Darmmikrobiota stehen, stellten wir die Hypothese auf, dass diese Interaktion eine wichtige Rolle bei der Regulierung ihrer MHC-II-Expression spielen könnte. Dementsprechend beobachteten wir bei keimfreien (GF) oder mit Antibiotika behandelten (ABX) Mäusen im Dünndarm niedrigere Frequenzen von MHC-II-hohen Makrophagen sowie eine Zunahme von MHC-II-niedrigen Makrophagen im Dickdarm. Bemerkenswert ist, dass in beiden Fällen die MHC-II-niedrigen Kolonmakrophagen Tim4+ waren, was darauf hindeutet, dass die Mikrobiota die MHC-II-Expression auf pränatal abgeleiteten residenten Kolonmakrophagen spezifisch reguliert. Die Mikrobiota von Mäusen, die mit ABX behandelt wurden, zeigte eine signifikante Reduktion der entscheidenden Produzenten von kurzkettigen Fettsäuren (SCFAs). Die Supplementation von ABX-behandelten Mäusen mit SCFAs führte teilweise zu einer Reversion des vorher beobachteten Effekts. Interessanterweise konnten wir auch eine signifikante Abnahme der MHC-II-hohen Tim4+-Makrophagen im Kolon von MyD88-/- Mäusen feststellen. Dies weist darauf hin, dass die direkte Erkennung der mikrobiellen PAMPs die Expression von MHC-II auf pränatal abgeleiteten Kolonmakrophagen reguliert. Zusammengefasst deuten unsere Daten an, dass die MHC-II Expression auf residenten Kolon-, nicht aber auf Monozyten- oder SI-Makrophagen, zumindest teilweise durch die Mikrobiota reguliert wird. Als nächstes befassten wir uns mit der funktionellen Bedeutung der MHC-II Expression auf Makrophagen. Intestinale Makrophagen waren in der Lage, lösliche Protein- und Peptidantigene sowohl naiven als auch aktivierten CD4 T-Zellen in vitro zu präsentieren, allerdings mit einer geringeren Effizienz als dendritische Zellen (DCs). Um die Rolle von MHC-II auf Darmmakrophagen bei der Stimulation lokaler CD4 T-Zellantworten in vivo zu untersuchen, etablierten wir ein neuartiges chimäres Knochenmarksmodell, welches es uns erlaubt, ein makrophagenspezifisches MHC-II-Knockout zu erstellen, während andere Zellpopulationen nur minimal beeinträchtigt werden. Bei diesen Mäusen beobachteten wir insbesondere eine verringerte Häufigkeit und Anzahl von residenten Effektor SI CD4 T-Zellen. Darüber hinaus konnten wir eine verminderte Proliferation bei endogenen residenten CD4 T-Zellen, aber auch bei neu eingetroffenen CD4 T-Zellen im SI, aber nicht im Kolon, feststellen. Zusammengenommen deuten unsere Daten darauf hin, dass die MHC-II Expression auf SI-Makrophagen bei der Stimulierung der Expansion von effektorischen CD4 T-Zellen eine Rolle spielt. Diese Daten können zu einem besseren Verständnis der Rolle der lokalen Antigenpräsentation durch Makrophagen bei der Stimulierung von T-Zell-Reaktionen im Darm und der Rolle der Antigenpräsentation durch Darmmakrophagen bei der Regulierung lokaler Immunreaktionen, wie z.B. bei Nahrungsmittelallergien oder entzündlichen Darmerkrankungen (IBD), beitragen.

Intestinal macrophages play a vital role in controlling the balance of immunity and tolerance. Much is known about their ability to regulate both tolerogenic and inflammatory T cell responses by the production of a variety of cytokines, both in the small intestine (SI) and colon. Traditionally, macrophages have been considered antigen-presenting cells (APCs), based on their expression of the antigen presenting molecule MHC-II. However, little is known about the capacity of intestinal macrophages to present antigen and stimulate CD4 T cell responses locally. Furthermore, it is unclear which molecular mechanisms and environmental factors regulate the high expression of MHC-II on the surface of intestinal macrophages. In this study, we demonstrate that MHC-II expression on macrophages depends both on their ontogeny and tissue of residence. Monocyte-derived tissue macrophages almost exclusively had high levels of surface MHC-II, regardless of the tissue of residence. Interestingly, amongst different prenatally derived tissue macrophages, both SI and colonic Tim4+ macrophages in mice were the highest MHC-II-expressing populations. In the SI, all macrophages were uniformly high in their MHC-II expression. However, in the colon, a substantial population of prenatally derived Tim4+ macrophages expressed low levels of surface MHC-II. Furthermore, MHC-II expression on mouse SI and colonic macrophages exhibited different kinetics during neonatal development and in particular around weaning. Since colonic macrophages are in close contact with the gut microbiota, we hypothesised that this interaction may play a major role in regulating their MHC-II expression. In accordance with this, we observed lower frequencies of MHC-IIhigh and an increase in MHC-IIlow macrophages in the colon, but not in the small intestine of germ-free (GF) or antibiotics-treated (ABX) mice. Notably, in both cases, the MHC-IIlow colonic macrophages were Tim4 positive, suggesting that the microbiota specifically regulates MHC-II expression on prenatally-derived resident colonic macrophages. The microbiota of mice that were treated with ABX showed a significant reduction in crucial producers of short chain fatty acids (SCFAs) and supplementation of ABX-treated mice with SCFAs partially ameliorated the effect. Interestingly, we also observed a significant decrease in MHC-IIhigh Tim4+ macrophages in the colon of MyD88-/- mice, indicating that direct recognition of the microbial PAMPs regulates expression of MHC-II on prenatally-derived colonic macrophages. Taken together, our data suggest that MHC-II expression on resident colonic, but not monocyte-derived or SI macrophages, is, at least in part, regulated by the microbiota. We next addressed the functional relevance of macrophage MHC-II expression. Intestinal macrophages were capable of presenting soluble protein and peptide antigens to both naïve and activated CD4 T cells in vitro, although at a lower efficiency compared to dendritic cells (DCs). To study the role of MHC-II on intestinal macrophages in stimulating local CD4 T cell responses in vivo, we established a novel bone marrow chimeric model, which resulted in a macrophage-specific MHC-II knockout, while minimally affecting other cell populations. Notably, in these mice, we observed decreased frequencies and numbers of resident effector SI CD4 T cells. Moreover, we observed decreased proliferation amongst endogenous resident CD4 T cells, but also newly-arrived CD4 T cells in the SI, but not the colon. Our data therefore suggest a role for MHC-II expression on SI macrophages in stimulating local effector CD4 T cell expansion. These data can contribute to a better understanding of the role of local antigen presentation by macrophages in stimulating T cell responses in the intestine and the role of antigen presentation by intestinal macrophages in regulating local immune responses, such as in food allergy or inflammatory bowel disease (IBD).

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