The Effect of Allergic Cytokine Environment on Myeloid Cells

Abstract

Immuunipuolustus kohtaa jatkuvasti hyökkäyksiä ulkopuoleltaan ja rajojensa sisäpuolelta: bakteerit, virukset, loiset, eläinperäiset myrkyt, allergeenit ja kudoksissa syntyvät syöpäsolut ovat vakava uhka eliöille. Puolustaakseen elimistöä, immuunipuolustuksen on kontrolloitava onnistuneesti monimutkaista verkostoa, joka koostuu erilaisista soluista jotka toimivat yhteistyössä ja tasapainossa. Tässä immuunipuolustuksen verkoston keskiössä on solujen välinen signalointi pienillä, sytokiineiksi kutsutuilla molekyyleillä. Jos immuunipuolustuksen mekanismien ja solujen kontrollointi epäonnistuu, immuunivasteet saattavat suuntautua kohti vaarattomia antigeenejä tai kehon omia kudoksia ja lopputuloksena voi syntyä allergia tai autoimmuunitauti.

Tässä väitöskirjassa selvitettiin mekanismeja, joilla immuunijärjestelmä kontrolloi allergisia vasteita. Olemme keskittyneet sytokiinisignalointiin ja myeloisiin soluin, erityisesti syöttösoluihin ja dendriittisoluihin. Väitöskirjan ensimmäisessä osatyössä hyödynsimme hiiren vatsaontelon syöttösoluja sekä transgeenistä DsRed-reportterihiirtä näyttääksemme, että hiiren syöttösolut tarvitsevat kaksivaiheisen sytokiinisignaalin tuottaakseen tehokkaasti interleukiini (IL)-13:a. IL-13 on avainsytokiini allergisessa tulehduksessa, ja sillä on tärkeä merkitys allergiaan liittyvien fysiologisten muutosten aikaansaamisessa. Nämä kaksi signaalia tulevat syöttösolulle IL-3:lta ja IL-33:lta. Toisessa osatyössä selvitimme, miten TSLP (thymic stromal lymphopoietin) signaloi dendriittisoluissa. TSLP:tä tuotetaan erityisesti epiteelisoluissa vasteena vaarasignaaleihin, kuten allergeeneihin, ja sen on ajateltu ajavan allergiaan liittyviä, tyypin 2 auttaja-T-soluvasteita dendriittisolujen kautta. Osoitimme, että IL-4 indusoi IL-7-reseptori α:n (IL-7Rα) ylössäätelyä dendriittisoluissa sekä in vitro että in vivo. Tämä reseptori on osa TSLP-reseptorikompleksia, joka on välttämätön TSLP-signaloinnille. Viimeisessä osatyössä käytimme poistogeenistä hiirimallia tutkiaksemme, miten R-Rasin poistaminen vaikuttaisi allergisiin immuunivasteisiin papaiini-immunisaation aikana. R-Ras on pieni GTPaasi, joka on hiljattain yhdistetty immunologisen synapsin muodostumiseen dendriittisolujen ja T-solujen välille. Kokeissamme R-Rasin suhteen poistogeeniset hiiret kykenivät tuottamaan immunoglobuliini (Ig)-E-vasteita normaaleihin hiiriin verrattavalla tavalla, joten tässä kontekstissa R-Ras ei ollut vasteelle välttämätön. Tietääksemme tämä on ensimmäinen tutkimus, jossa selvitettiin R-Rasin roolia allergiassa.

Yhteenvetona, tuloksemme asettavat oikeille paikoille muutaman palan lisää allergisen tulehduksen palapelissä. Vaikka emme löytäneet osaa R-Rasille allergisen tulehduksen aikaansaamisessa, paljastimme tärkeitä yksityiskohtia syöttösolujen IL-13-tuoton säätelystä. Tuloksemme esittelevät myös uuden mekanismin TSLP-signaloinnin säätelyyn. Koska allergiset sairaudet ovat yleistyneet dramaattisesti viime vuosikymmeninä länsimaissa ja länsimaistuneissa maissa – siinä määrin, että niistä on tullut merkittävät taakka sekä yksilö- että yhteiskuntatasolla – on ehdottoman tärkeää pyrkiä huolellisesti selvittämään allergian taustalla olevat molekulaariset mekanismit.

The immune system faces constant attacks from the outside and within its boundaries: bacteria, viruses, parasites, venoms, allergens and cancerous cells of the self all pose a serious threat to the host organism. In order to defend the host, the immune system must successfully control an incredibly complex network of different cells that work in cooperation and equilibrium. In the heart of this immune cell network is signaling by small messenger molecules called cytokines. If the control of immune functions fails, the immune responses may become directed towards innocuous antigens or the cells and tissues of the host itself and the end result is allergy or autoimmunity.

In this study, we aimed to elucidate the mechanisms how the immune system controls allergic responses. We have focused on cytokine signaling and myeloid cells, especially mast cells and dendritic cells. In the first part of the study, we utilized peritoneal mast cells and a transgenic DsRed reporter mouse to demonstrate that mouse mast cells require a two-step signal in order to produce efficiently interleukin (IL)-13. IL-13 is a key cytokine in allergic inflammation, mediating many of the physiological changes associated with allergy. We discovered that these two signals are provided by IL-3 and IL-33. In the second part, we studied how thymic stromal lymphopoietin (TSLP) signals in dendritic cells. TSLP is produced mainly by epithelial cells (ECs) in response to danger signals, such as allergens, and it is thought to drive allergy-associated type 2 responses through dendritic cells. We found that IL-4 induces the upregulation of IL-7 receptor α (IL-7Rα), a subunit of the TSLP receptor complex that is needed for TSLP signaling, both in vitro and in vivo. Lastly, we investigated in a knockout mouse model how the deficiency of R-Ras might affect allergic immune responses caused by papain. R-Ras is a small GTPase that has recently been associated with the formation of the immunological synapse between dendritic cells and T cells. In our experiments, R-Ras knockout mice were able to mount immunoglobulin (Ig)E responses comparable to those of wild type mice and R-Ras was dispensable in this context. To our knowledge, this was the first study to explore the role of R-Ras in allergy.

Collectively, our results offer a few more pieces to the puzzle of allergic inflammation. While we could not find a place for R-Ras in the induction of allergic inflammation, we revealed important details of the induction of IL-13 by mast cells. Our findings also introduce a new mechanism for the regulation of TSLP signaling. As the prevalence of allergic diseases has risen dramatically in western and westernized countries during the last few decades - reaching a point where these disorders have become a substantial burden on the individual and societal level – all effort is needed in investigating the underlying molecular mechanisms.