Constitutive type I IFN regulates phenotypic and functional heterogeneity of naïve CD8+ T cells based on self-reactivity

Abstract

In a steady-state, naïve CD8+ T cells have been defined as a homogeneous population through low and high expression of CD44 and CD62L, respectively. However, recent studies have demonstrated that CD5hi naïve CD8+ T cells with a number of surface molecules being differently expressed consisted of heterogenic population. In the present study focused on Ly6C that is specifically expressed only on CD5hi naïve CD8+ T cells at steady-state mice. The Ly6C induction in CD8+ T cells is known to be increased by type I interferon (IFN). However, it needs to be further revealed how precisely generation of Ly6C+ naïve CD8+ T cells are regulated at molecular level in the extra-thymic environment at steady-state, and whether or not self-reactivity is involved in the generation of Ly6C+ naïve CD8+ T cells. Furthermore, it also remained to be uncovered whether the type I IFN induces not only the generation of Ly6C+ naïve CD8+ T cells but also functional features, such as clonal expansion and differentiation capacity, in acute viral infection. The results showed that constitutive type I IFN induced generation of Ly6C+ naïve CD8+ T cells in steady-state mice, in which the generation was enhanced by self-T cell receptor (TCR) engagement. The effect of constitutive type I IFN was most prominent for the naïve CD8+ T cell with higher intrinsic self-reactivity than lower counterpart, which is positively correlated to the expression level of CD5. Hence the greater heterogeneity has seen in CD5hi cells in the present study hinges on their particular attribute, namely heightened responsiveness to cytokines, especially type I IFN, and to high affinity of TCR contact with self-peptides. The results further suggested that the constitutive type I IFN signal influences not only the induction of Ly6C+ naïve CD8+ T cells but also their effector function-related genetic landscape (T-bet, Eomes, IL-18Rap, and CCL5) and pro-inflammatory cytokine production, especial to IFN-. Furthermore, Ly6C+ naïve CD8+ T cells favored to be differentiated into short-lived effector cell (SLEC) while CD5lo naïve CD8+ T cells favor memory precursor effector cell (MPEC) in lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) infection model. Same with the effector precursor differentiation, CD5lo naïve CD8+ T cells have generated more memory CD8+ T cells than Ly6C- or Ly6C+ naïve CD8+ T cells. Furthermore, by temporally blocking of interferon alpha receptor 1 (IFNAR1) in the steady-state mice, Ly6C+ naïve CD8+ T cells were increasingly differentiated into MPEC while reducing SLEC differentiation. It suggested that constitutive type I IFN exposed during steady-state can affect the fate decision of naïve CD8+ T cells between MPEC and SLEC in LCMV infection models. Collectively, this study demonstrated that the effect of constitutive type I IFN on naïve CD8+ T cells is closely related to its self-reactivity and directly affects their phenotype and effector function. Also type I IFN affected differentiation fate of naïve CD8+ T cells between SLEC and MPEC upon LCMV infection model. At the best of my knowledge, this is the first to demonstrate that the differentiation fate in infection had been pre-determined within naïve T cell phase dependent on type I IFN together with self-reactivity.

감염이나 질병이 없는 정상 상태(steady-state condition)에서 외부 항원을 한번도 경험한 적이 없는 naïve CD8+ T 세포는 각각 CD44 및 CD62L의 발현 정도를 통해 CD44loCD62hi의 표현형을 가지는 균일한 집단으로 정의될 수 있다. 그러나 최근의 연구들에서는 naïve CD8+ T세포들이 예전 연구들에서 보도된 것보다 더 다양한 세포막 단백질들을 발현하는 복잡한 집단으로 구성되어 있고 CD5의 발현 정도를 활용하여 naïve CD8+ T 세포를 성격이 다른 CD5lo 세포 및 CD5hi 세포로 구분할 수 있다고 보고하였다. 또한 CD5hi 세포가 CD5lo 세포보다 높은 다양성(heterogeneity)을 지니는 동시에 박테리아나 바이러스 감염상황에서 더 높은 분열 능력을 보인다는 것도 보고되어 왔다. 본 연구에서 앞서 언급한 다양한 세포막 단백질 중 Ly6C 분자의 발현이 두드러짐을 확인할 수 있었고 특히, 생체 내(in vivo)에서는 높은 다양성을 보이는 CD5hi 세포에서만 Ly6C의 분자가 높게 발현되는 것을 확인하였다. 실제로 T 세포에서의 Ly6C 발현은 제 1 유형 인터페론(type I IFN)에 의해 증가한다고 알려져 왔고 정상상태의 생쥐에서 낮은 농도의 제 1 유형 인터페론이 항존적 사이토카인(constitutive cytokine)으로서 지속적으로 존재한다는 것이 알려져 왔다. 그러나 이것이 흉선 내부 및 외부의 환경에서 어떻게 조절되는 지 그리고 어떤 다른 항상성 요인(homeostatic factor)들과 관련이 있는지는 명확히 밝혀지지 않았었다. 본 연구에서는 제 1 유형 인터페론 알파 수용체 1 결핍 생쥐(Ifnar1-/-)의 흉선과 말초 면역 기관을 분석해본 결과 Ly6C를 발현하는 naïveCD8+ 세포들이 사라진 것을 확인할 수 있었다. 또한 정상 생쥐와 제 1 유형 인터페론 알파 수용체 1 결핍 생쥐의 Ly6C- 세포들 분리하여 정상적인 숙주 생쥐에게 이식해주었을 때 정상 생쥐에서 유래한 Ly6C- 세포는 항존적 제 1 유형 인터페론에 의해 Ly6C를 획득한 반면에 제 1 유형 인터페론 알파 수용체 1 결핍 생쥐에서 유래한 Ly6C- 세포는 그렇지 못했다. 이를 통해 낮은 농도의 항존적 제 1 유형 인터페론이 흉선과 말초의 naïve CD8+ T 세포 군집 내에서 Ly6C+ 세포의 생성을 유도하는 중요한 요인임을 보여주었다. 또한 CD5의 발현이 T 세포의 자가 반응성(self-reactivity)을 대변할 수 있는 단백질임을 고려해보았을 때, CD5hi 세포에서 보여지는 높은 다양성은 아마도 자가 항원(self-ligands)과의 높은 결합력과 사이토카인에 대한 반응성, 특히 제 1 유형 인터페론에 대한 높은 반응성을 통해 획득되었을 가능성이 있음을 시사하였다. 또한 본 연구는 정상 상태의 항존적 제 1 유형 인터페론 신호는 Ly6C+ 세포의 생성뿐만 아니라 T-bet, eomes, IL-18Rap, CCL5의 발현을 증가시켜서 독특한 유전적 특징을 형성시키며, Ly6C+ 세포 특이적으로 인터페론-감마(IFN-γ) 생산 능력을 증가시킬 수 있음을 보여주었다. 더 나아가 림프구성 맥락수막염(Lymphocytic choriomeningitis;LCMV) 감염 모델에서는 항존적 제 1 유형 인터페론 신호가 Ly6C+세포의 장기 기억 세포(long-term memory cell)로의 분화에도 영향을 줄 수 있음을 제안하였다. RNA 염기서열분석(RNA sequencing)을 활용한 유전자세트증폭분석(gene set enrichment assay; GSEA)을 통해 항존적 제 1 유형 인터페론에 가장 민감한 반응성 갖는다는 것이 확인된 Ly6C+ 세포는 LCMV 감염 상황에서 Ly6C를 발현하지 않는 집단의 세포들보다 단기생존형 effector 세포(short-lived effector cell; SLEC)로 더 많이 분화하였으며, 더 적은 장기기억세포를 형성했다. 반면 에 Ly6C+ 세포와 유전적 및 기능적으로 가장 높은 이질성을 보였던 CD5lo 세포는 기억세포 전구체 effector 세포(memory precursor effector cell; MPEC)로 더 많이 분화하였으며, 더 많은 장기기억세포를 형성함을 확인할 수 있었다. 그러나 흥미롭게도 정상상태에서 일시적으로 제 1 유형 인테페론 알파 수용체 1 차단 항체(blocking antibody)를 투여한 생쥐에서 분리한 Ly6C+ 세포는 림프구성 맥락수막염 감염상황에서 기억세포 전구체 effector 세포로의 분화가 증가되고, 단기생존형 effector 세포로의 분화는 억제되는 것을 보였다. 이 실험을 통해 항존적 제 1 유형 인터페론이 naïve CD8+ T 세포들의 장기기억세포로의 분화 잠재력을 조절할 수 있는 요인임을 시사할 수 있었다. 결론적으로, 본 연구는 항존적 제 1 유형 인터페론이 naïve CD8+ T세포의 자가 반응성과 밀접한 연관성을 가지고 있으며 그들의 표현형과 기능성에 영향을 줄 수 있다는 것을 보여주고 있다. 또한 더 나아가 naïve CD8+ T 세포들의 장기기억세포로의 분화 가능성은 감염 상황에서 무작위로 부여되는 것이 아니라, naïve CD8+ T 세포의 항존적 제 1 유형 인터페론에 대한 민감도에 따라 정상 상태에서 미리 결정되는 특성이라는 근거를 처음으로 제시한 연구일 것이다.