Dynamics of homeostatic maturation and migration of intestinal dendritic cells

Hager, Fabian Tobias; Pabst, Oliver; Panstruga, Ralph; Zenke, Martin

doi:43247

Dynamics of homeostatic maturation and migration of intestinal dendritic cells

Hager, Fabian Tobias^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Fabian Tobias Hager, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Pabst, Oliver (Thesis advisor)^RWTH* ; Zenke, Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Panstruga, Ralph (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-04-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-04505
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/985175/files/985175.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CCR7 (frei) ; DCs (frei) ; dendritic cells (frei) ; dendritische Zellen (frei) ; maturation (frei) ; migration (frei) ; oral tolerance (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Dendritische Zellen (DCs) sind die wichtigsten antigen-präsentierenden Zellen (APCs) im Körper, die eine zentrale Rolle bei der Auslösung sowohl immunogener als auch tolerogener adaptiver Immunantworten spielen. Von zentraler Bedeutung für diese Funktionen ist ihre Fähigkeit von peripheren Geweben über die Lymphe zu den Lymphknoten zu wandern, wo sie den T-Zellen die peripher aufgenommenen Antigene präsentieren. Während die Migration von DCs durch Entzündungsreize ausgelöst werden kann, wandern DCs auch dauerhaft, ohne erkennbare Entzündungsbedingungen, was für die Aufrechterhaltung der peripheren immunologischen Toleranz unerlässlich ist. Dieser Zusammenhang wurde besonders im Darm erforscht, wo gezeigt wurde, dass die homöostatische DC-Migration für die Induktion immunologischer Toleranz gegenüber intestinalen Antigenen unerlässlich ist, was überschießende Immunreaktionen wie chronische Darmentzündungen oder Nahrungsmittelallergien verhindert. Die Signale und Mechanismen, die die homöostatische DC-Migration steuern, sind jedoch weitestgehend unerforscht. In dieser Thesis haben wir den Lebenszyklus von DCs im Dünndarm mit verschiedensten Methoden, darunter „single-cell“ Transkriptomanalyse, in vivo Zellverfolgung mittels Photokonversion und Multiparameter-Durchflusszytometrie untersucht, um herauszufinden, wie die Reifung und anschließende Migration von DCs im Darm reguliert wird. Mithilfe der Photokonversion in Kombination mit EdU-Inkorporationen zeigen wir, dass DCs im Dünndarm in situ proliferieren und interessanterweise beim Eintritt in das Gewebe zur Proliferation angeregt werden. Im Laufe ihres Reifungsprogramms verlieren die DCs schrittweise ihre Proliferationsfähigkeit. Dieser Prozess ist durch eine allmähliche Zunahme der MHCII Expression sowie der Expression der ko-stimulatorischen Moleküle CD40 und CD86 gekennzeichnet. Insbesondere haben wir festgestellt, dass DCs in den letzten Stadien der Reifung ein gemeinsames Transkriptionsprogramm aufweisen, das durch die Hochregulierung von CCR7, Apoptose-assoziierten Genen und einem Zellzyklus-Stillstand gekennzeichnet ist, unabhängig von ihrem Ursprungsgewebe oder ihrer Untergruppe. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Migrationsinduktion eng mit dem DC-Reifungsprogramm verbunden ist und daher möglicherweise durch hochkonservierte intrinsische Signalwege reguliert wird. Darüber hinaus zeigt unsere detaillierte Quantifizierung der Migrationskinetik, dass die homöostatische Migration intestinaler DCs bereits nach einem Tag zu einem fast vollständigen Austausch des migratorischen DC-Kompartiments im mesenterischen Lymphknoten führt. Des Weiteren nutzen wir Knochenmarkschimären, um zu zeigen, dass die Migration von intestinalen cDC1s durch eine Zell-intrinsische Deletion der Metalloprotease ADAM10 gehemmt wird. Zudem zeigen wir, dass die Migration von CD103+ cDC2s aus dem Dünndarm durch die Verabreichung des S1PR-Inhibitors FTY720 reduziert wird, was beweist, dass diese Signalwege selektiv von verschiedenen DC-Untergruppen für den Migrationsprozess genutzt werden. Insgesamt bieten unsere Daten neue Einblicke in die homöostatische Reifung und Migration intestinaler DCs und schaffen gleichzeitig wichtige experimentelle Systeme für die Analyse molekularer Mechanismen zur Regulierung der DC-Migrationskinetik. Daher können die hier vorgestellten Daten und Methoden bei der Entwicklung von Medikamenten und Impfstoffen helfen, die auf eine Verbesserung der tolerogenen homöostatischen Migration von DCs abzielen, um Entzündungsreaktionen, sowie Allergien und Autoimmunkrankheiten, zu verhindern oder zu behandeln.

Dendritic cells (DCs) are the most important antigen-presenting cells (APCs) in the body that play a pivotal role in the induction of both immunogenic as well as tolerogenic adaptive immune responses. Central to these functions is their ability to sample their environment and subsequently migrate from peripheral tissues, via lymph, to lymph nodes, where they present peripherally acquired antigens to T cells. While DC migration can be induced by inflammatory stimuli, DCs continually migrate in the absence of overt inflammation, which is essential for the maintenance of peripheral tolerance. This has been best studied in the context of the intestine, where homeostatic DC migration is indispensable for the induction of tolerance to intestinal antigens, thereby preventing exaggerated immune responses such as chronic intestinal inflammation or food allergies. However, the signals and mechanisms that drive homeostatic DC migration remain largely unknown. Here, we examined the life cycle of small intestinal DCs using a range of approaches, including single-cell transcriptomics, photoconversion-based in vivo cell tracking, and multiparameter flow cytometry, to address how the maturation and subsequent migration of intestinal DCs is regulated. Using in vivo DC tracking combined with EdU incorporation, we show that small intestinal DCs proliferate in situ and, interestingly, are induced to proliferate upon tissue entry. Thereafter, DCs progressively lose their proliferative capacity along their maturation program, which is itself characterized by a gradual increase in surface MHCII as well as costimulatory molecules such as CD40 and CD86. Notably, we found that in the final stages of maturation, DCs share a common transcriptional program that is characterized by the upregulation of CCR7, apoptosis-associated genes and cell cycle arrest, regardless of their tissue of origin or subset. These findings suggest that the induction of migration is inherently linked to the DC maturation program and may therefore be regulated by highly conserved intrinsic pathways. Furthermore, our detailed quantification of the migration kinetics demonstrates that steady-state intestinal DC migration leads to an almost complete turnover of the migratory DC compartment of the mesenteric lymph node (MLN) every day. In addition, we utilize a bone marrow chimera system to reveal that the migration of intestinal cDC1s is inhibited by a cell-intrinsic lack of the metalloprotease ADAM10. Furthermore, we show that the migration of small intestinal CD103+ cDC2s is reduced by administration of the S1PR inhibitor FTY720, demonstrating that these pathways are selectively used by distinct DC subsets for the migration process. Taken together, our data provide novel insights into both the homeostatic maturation and migration of intestinal DCs, while also establishing key experimental systems for the analysis of molecular mechanisms regulating DC migration kinetics. Therefore, the data and tools presented here may aid in the development of drugs and vaccines aimed at enhancing the tolerogenic homeostatic migration of DCs to prevent or treat deleterious inflammatory responses, including allergies and autoimmune diseases.

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