STAT1 regulates homeostasis of peripheral naive CD8+ T cells to cytokines

Abstract

염증이나 질병이 없는 정상 상태(steady-state condition)에서 항원을 경험한 적이 없는 나이브(naïve) CD8+ T 세포는 특이적 인지를 하는 항원을 만나기 전까지 항상성과 생존을 유지하고 있다. 나이브 T 세포의 항상성은 기억(memory) T 세포의 항상성과는 조금 다른 의미를 갖는다. 계속적인 분열로 그 수를 유지하는 기억 T 세포와는 다르게 나이브 T 세포는 일생 동안 거의 분열을 하지 않는다. 하지만 기능 불능(anergy)이나 고갈(exhaustion)과는 다르게 특이적인 항원을 만나면 수천 배 이상 분열할 준비가 되어 있는, 이른바 휴면(quiescence) 상태로 항상성을 유지하고 있다. 이러한 나이브 T 세포의 항상성 유지에 중요하다고 알려진 요인에는 자가 항원(self-ligands), IL-7 등의 다양한 사이토카인(cytokine)과 foxo1 등의 몇몇 전사 인자(transcription factor)가 알려져 있으나 그 외의 요인에 대해서는 아직 밝혀지지 않은 부분이 많다. 본 연구에서는 사이토카인에 중요 역할을 하는 전사 인자인 STAT family 단백질 중 type I, II 인터페론의 신호전달을 담당하는 STAT1 전사 인자에 주목하여 연구를 진행하였다. STAT1 전사인자는 감염 혹은 염증 시에 주로 분비되는 사이토카인인 인터페론 α, β(type I), 그리고 γ (type II)의 신호전달을 담당하므로 거의 모든 연구가 감염이나 염증 상황에서 연구되었다. 하지만 최근 연구들은 이러한 인터페론이 정상 상태에서도 체내에 존재하며, T 세포의 발달과 기능에 영향을 준다는 것을 밝혀내었고, 이와 함께 나이브 T 세포에서의 STAT1 전사 인자의 역할도 부각되었다. 따라서 본 연구에서는 STAT1 전사 인자가 나이브 T 세포의 항상성에 미치는 영향을 밝혀내고자 STAT1 유전자가 결여된 마우스를 이용한 실험을 진행하였다. STAT1 전사 인자가 결여된 마우스에서의 CD8+ T세포의 분포를 확인하였을 때, CD44lo인 나이브 T 세포가 감소하고 CD44hi인 활성/메모리 T 세포가 증가하였음을 확인하였다. 이는 흉선 발달 과정이 아닌 말초(periphery)에서의 조절 이상에 의해 나타났으며, 나이에 따라서 누적되어 8개월 이상 된 STAT1 결손 마우스에서는 림프와 비장의 비대증도 관찰되었다. STAT1이 결여된 나이브 T 세포의 비정상적 활성과 분열은 세포 내인적으로 나타나는 것임을 골수 혼합 키메라(Mixed bone marrow chimera) 실험을 통해 알 수 있었으며, 그 요인은 type I 인터페론과 IL-7의 시너지 효과임을 밝혔다. STAT1이 결여된 T 세포에 대한 IL-7과 type I 인터페론의 자극은 mTORC1 단백질의 활성화에 따른 S6 등의 인산화를 일으켜, T 세포 수용체(T cell receptor, TCR) 자극이 없어도 나이브 T 세포 분열을 유도할 수 있었다. STAT1 신호전달의 주요 사이토카인인 type I 인터페론은 STAT1이 결여된 상황에서는 STAT1이 아닌 다른 신호전달 기전을 이용하여 STAT4의 활성화를 통해 mTORC1 복합체의 구성요소인 RagD 단백질의 발현을 유도하였으며, 이는 IL-7에 의해 유도된 c-Myc 전사 인자와 함께 아미노산 의존적 mTORC1 활성화를 일으키는 것임을 알 수 있었다. 이러한 일련의 작용 기전을 바탕으로 STAT1이 결여된 나이브 CD8+ T 세포는 이러한 비정상적 활성과 분열로 인해 정상 CD8+ T 세포에 비해서 염증성 장 질환을 더욱 악화시켰으며, 이를 통해 본 연구에서는 나이브 T 세포의 휴면 상태를 유지하는 데 있어서 STAT1의 역할이 중요하다는 것을 밝혔다.

In a steady-state, naïve CD8+ T cells are kept in check to be quiescent in response to homeostatic cues such as self-ligands and cytokines while preserving a robust responsiveness to foreign antigens. Although such a steady-state quiescence involves multiple cell-intrinsic and -extrinsic regulators, an exact nature of the regulators and underlying mechanism of its regulation are still incompletely understood. Here, this study showed that the signal transducer and activator of transcription 1 (STAT1), a key transcription factor in the downstream of type I and II interferon receptor signaling, plays a cell-intrinsic role in regulating naïve CD8+ T cell responsiveness to low levels of tonic homeostatic cytokines. Thus, mice lacking STAT1 led to abnormalities in the composition and number of naïve and effector/memory CD8+ T cells, with an increase of CD44hiCD62Llo cells and decrease in CD44loCD62Lhi cells. The observed alterations were not due to dysregulation in thymic development but rather resulted from enhanced proliferative capacity of peripheral mature STAT1-deficient naïve CD8+ T cells in a cell-intrinsic manner. The activated phenotype of CD8+ T cell in STAT1-/- mice accumulates with aging resulting over 8-month-old STAT1 knockout mice had lympho-adenopathy and splenomegaly. In vitro analyses revealed that two key cytokines, interleukin (IL)-7 and type I interferon, serve as a major driver to induce abnormal proliferation of STAT1-deficient but not wild-type CD8+ T cells depending on a pathway that is sensitive to rapamycin treatment, indicating a role of the mammalian target of the rapamycin complex 1 (mTORC1) signaling. STAT1 deficiency leads to the phosphorylation of STAT4 followed by RagD transcription upon type I IFN, which has a synergistic effect (collaborated) with c-Myc controlled by IL-7. This mTORC1 activation was not PI3K-AKT dependent, but amino acid-RagGTPase dependent mTORC1 activation supported by autophagy-derived intracellular amino acids. This continuous mTORC1 activation led to the damage on T cell quiescence resulting in the autoimmune disease. This study suggested that, under steady-state, naïve CD8+ T cells that are continuously exposed to homeostatic cytokines actively restrain their responsiveness to the Goldilocks levels – that is, not too strong to induce activation/proliferation and not too weak to lose a survival ability – presumably via blocking mTORC1 pathway, therefore maintaining a functional state of quiescence before encountering a cognate foreign antigen.