German Title: Molekulare Mechanismen der Peripheren T-Zelltoleranz : Identifizierung von Dickkopf 3 als neuer Immunmodulator

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Abstract

Protection of tissues from the devastating effects of immune responses is essential for the integrity of the organism. Tolerance mechanisms, such as T cell depletion or anergy induction by natural and adaptive regulatory T cells, tolerogenic dendritic cells and parenchymal cells control potentially auto-reactive lymphocytes. In addition, organs that are particularly sensitive to damage by inflammation, so called immune privileged sites, are protected by tissue barriers and contain an immunosuppressive microenvironment. There is increasing evidence that processes establishing immune privilege overlap with those associated with tolerance induction. However, there is much yet to learn about the molecules with a role in immune regulation. This knowledge could help in the understanding of systemic diseases, such as autoimmunity and cancer, and introduce novel principles concerning transplantation tolerance. Aim of this study was the identification of novel molecules that are potential mediators of peripheral tolerance. Starting from a transgenic mouse model for peripheral CD8 T cell tolerance, identification of such candidate genes was attempted by wide range gene expression analysis. Dickkopf 3 (Dkk3) was 10-fold upregulated in regulatory CD8 T cells. Interestingly, Dkk3 mRNA was previously shown to be present in peripheral tissues, such as the brain, the eye, the spinal cord, the ovary and the uterus, pointing to a possible role in immune privilege. Moreover, Dkk3 was reported to inhibit the ERK MAPK pathway in tumor cells, which is also crucial for T cell receptor signal transduction. Taking all the above into consideration, it was hypothesized that Dkk3 might be involved in immune regulation. Here, Dkk3 was identified as a novel modulator of immune responses. Dkk3 protein was shown to be expressed by the transgenic regulatory CD8 T cells and was indispensable for the suppression of naïve T cells. In detail, Dkk3 deficient transgenic mice displayed no CD8 T cell tolerance and regulatory CD8 T cells could not exert their suppressive function in the presence of anti-Dkk3 blocking antibody. The immune regulatory function of Dkk3 was not limited to the transgenic mouse model of CD8 T cell tolerance. Polyclonal T cells from Dkk3 deficient mice showed hyperproliferation and increased IL-2 production. This effect could be explained by the fact that the ERK MAPK is overactivated in the absence of Dkk3. Among the tissues that express Dkk3 in high amounts are the immune privileged organs(central nervous system (CNS), ovaries, placenta), the liver, which is a crucial site for the establishment of T cell tolerance to oral antigens, the heart and the lung. On the other hand, Dkk3 expression could not be detected in the lymphoid organs and the serum. Given the observed suppressive activity of Dkk3. it might control potentially harmful T cell responses in the above mentioned immune privileged organs. Indeed, the immune regulatory role of Dkk3 in the CNS could be demonstrated in the context of experimental autoimmune encephalitis (EAE). Absence of neuron-derived Dkk3 led to severe and persistent EAE, due to lack of suppression of activated CD8 T cells. In addition, blocking of the secreted Dkk3 with the respective anti-Dkk3 antibody resulted in increased disease chronicity. In conclusion, Dkk3 is a universal immune regulator, employed by transgenic tolerant CD8 T cells and immune privileged organs in order to control excessive T cell responses.

Translation of abstract (German)

Der Schutz von Organstrukturen vor zerstörerischen Effekten durch Immunreaktionen ist essentiell für die Integrität des Organismus. Toleranzmechanismen wie T-Zelldepletion, Anergieinduktion oder Kontrolle durch regulatorische T-Zellen, tolerogene Dendritische Zellen und parenchymale Zellen kontrollieren autoreaktive Lymphozyten. Des Weiteren sind besonders empfindliche Organe, mit sehr begrenzter Möglichkeit der Regeneration, so genannte immunprivilegierte Organe, durch anatomische Barrieren und ein immun suppressives Mikromilieu geschützt. Es gibt verstärkte Hinweise, dass die Mechanismen, welche lokale Immunsuppression innerhalb von Organen etablieren, mit denen überlappen, die systemische T-Zelltoleranz erzeugen. Jedoch herrscht weiterhin Unklarheit über die wesentlichen Moleküle, die für die Immunregulation die zentrale Rolle spielen. Dieses Wissen könnte für Therapieoptionen von Autoimmun- oder Krebserkrankungen sowie für die Induktion von Transplantationstoleranz hilfreich sein. Ziel dieser Arbeit war die Identifikation neuer Moleküle, welche für die periphere Toleranz von Bedeutung sind. Das im Labor etablierte transgene Mausmodel der peripheren CD8 T-Zelltoleranz wurde für die Beschreibung solcher Kandidatengene mittels Genexpressionsanalysen genutzt. Dickkopf 3 (Dkk3) wurde als 10-fach hoch-reguliert in toleranten CD8 T-Zellen identifiziert. Dkk3 mRNA war bis dahin in peripheren Geweben inklusive dem Gehirn, dem Auge, den Eierstöcken und der Gebärmutter gefunden worden. Zusätzlich war beschrieben worden, dass Dkk3 überexpremiert in Tumorzelllinien, den ERK MAPK Signalweg inhibiert, welcher auch in die T-Zellsignalübertragung involviert ist. Daher wurde die Hypothese aufgestellt, dass Dkk3 eine Funktion in der Immunregulation haben könnte. In dieser Arbeit wird Dkk3 als neuer Modulator von Immunantworten identifiziert. Die Induktion von Dkk3 Protein wurde in transgenen regulatorischen CD8 T-Zellen gefunden und war notwendig für deren regulatorische Funktion. So waren die Dkk3-defizientnen transgenen Mäuse nicht tolerant gegenüber dem Modellantigen und die regulatorische Funktion der CD8 T-Zellen war aufgehoben in Anwesenheit von Dkk3-blockierendem Antikörpern. Die immunregulatorische Funktion von Dkk3 war nicht auf das transgene Mausmodel begrenzt. Polyklonale T-Zellen von Dkk3-defizienten Mäusen waren hyper-proliferativ und produzierten verstärkt IL-2. Diese Beobachtung konnte durch eine verstärkte Aktivierung der ERK MAP-Kinase erkärt werden. Zu den Organen mit hoher Expression von Dkk3 gehören immunpriviligierte Organe (ZNS, Plazenta), die Leber, welche eine zentrale Bedeutung für die orale Toleranz inne hat, das Herz und die Lunge. Dkk3 konnte hingegen nicht in den lymphoiden Organen und dem Serum nachgewiesen werden. Insofern wurde vermutet, dass Dkk3 an der Etablierung eines lokalen immunsuppressiven Mikromillieus beteiligt sein könnte. In der Tat konnte die immunregulatorische Funktion von Dkk3 im Model der Experimentellen Autoimmunen Enzephalitis (EAE) demonstriert werden. Ohne die Produktion von Dkk3 durch Neuronen in den Dkk3 defizienten Tieren war der Verlauf von EAE durch die fehlende Kontrolle aktivierter CD8 T-Zellen stärker und länger anhaltend. So führte auch die Applikation des Dkk3-spezifischen Antikörpers eine Woche nach der peripheren Aktivierung der T-Zellen zu verstärkter Chronizität von EAE. Somit wird hier Dkk3 als universeller Immunregulator identifiziert, welcher von der regulatorischen transgenen CD8 T-Zellpopulation und von Zellen immunpriviligierter Organe genutzt wird.