Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Germinal Centers (GCs) are transient lymphoid structures that arise in lymphoid organs in response to T cell-dependent antigen. Within the GC, follicular T helper (TFH) cells promote GC B cell differentiation and in turn the proper antibody production to protect us from invading pathogens. We wished to study the regulation of this process by transcription factors STAT3 and Bcl6. STAT3 is important for both TFH cell differentiation and IL-4 production by Th2 cells. IL-4 is a major functional cytokine produced by TFH cells. To dissect the role of STAT3 in IL-4 production by TFH cells, we generated T cell-specific conditional STAT3 knockout mice (STAT3KO). Compared to WT mice, TFH cell differentiation in STAT3KO mice was partially impaired, both in spleen following sheep red blood cells (SRBC) immunization and in Peyer's patches (PPs). In STAT3KO mice, the numbers of splenic GC B cells were markedly decreased, whereas PP GC B cells developed at normal numbers and IgG1 class switching was greatly increased. Unexpectedly, we found that STAT3 intrinsically suppressed the expression of IL-4 and Bcl6 in TFH cells. Mechanistically, in vitro repression of IL-4 expression in CD4 T cells by Bcl6 required STAT3 function. Apart from TFH cells, the GC reaction is also controlled by regulatory follicular T helper (TFR) cells, a subset of Treg cells. To study the mechanism of how TFR cells regulate the GC reaction, we generated mice specifically lacking TFR cells by specifically deleting Bcl6 in Treg cells. Following immunization, these "Bcl6FC" mice developed normal TFH and GC B cell populations. However, Bcl6FC mice produced altered antigen-specific antibody responses, with reduced titers of IgG and increased IgA. Bcl6FC mice also developed IgG antibodies with significantly decreased avidity to antigen in an HIV-1 gp120 "prime-boost" vaccine model. Additionally, TFH cells from Bcl6FC mice produced higher levels of Interferon-γ, IL-10 and IL-21. Loss of TFR cells therefore leads to highly abnormal TFH and GC B cell responses. Overall, our studies have uncovered unexpected regulatory roles of STAT3 in TFH cell function as well as the novel regulatory roles of TFR cells on cytokine production by TFH cells and on antibody production.

Le rejet d’allogreffe dépend de la reconnaissance d’antigènes d’histocompatibilité étrangers par le système immunitaire du receveur. En l'absence de thérapies immunosuppressives, la réaction inflammatoire éventuelle conduit à la destruction rapide du tissu transplanté. Le rôle critique joué par les lymphocytes T CD4+ dans le rejet aigu d'allogreffe est bien établi. Cependant, les contributions respectives des lymphocytes CD4+ Th1 et Th2 dans la réaction de rejet sont controversées. Alors que le rôle des cellules Th1 dans la pathogénèse du rejet est bien établi, l'hypothèse que les cellules Th2 favorisent l'acceptation de la greffe est invalide puisque ces cellules sont capables de déclencher des voies alternatives de rejet. En effet, la fonction effectrice des lymphocytes Th2 a été démontrée dans beaucoup de modèles de rejet de greffe ou de tumeur, et dans la maladie du greffon contre l'hôte. Les caractéristiques principales du rejet de type Th2 sont sa dépendance envers la production d'IL-4 et d'IL-5, le recrutement d'éosinophiles au site du rejet, et son inhibition par les lymphocytes T CD8+ alloréactifs. Les éosinophiles activés exercent leur activité cytotoxique par la libération de plusieurs molécules cytotoxiques comme l’EDN, l’ECP, la MBP et l’EPO. Ces molécules sont probablement responsables de la capacité des éosinophies à affecter la perméabilité vasculaire et à induire des dégâts tissulaires dans les organes rejetés.<p><p>L'interleukine 9 (IL-9) est une cytokine produite par les lymphocytes T qui joue un rôle important dans les voies effectrices Th2. Dans la littérature, l’IL-9 est fortement associée au développement de l’éosinophilie tissulaire. Dans notre première étude, nous avons analysé le rôle joué par l'IL-9 dans le rejet d'allogreffe bm12 par des souris B6 (pour C57BL/6), un modèle dans le lequel une simple disparité au niveau de la molécule du CMH de classe II favorise une réaction inflammatoire de type Th2. Dans ce modèle, de faible alloantigénicité, les greffes cardiaques bm12 survivent presque indéfiniment dans les receveurs B6 (>60 jours). Nos expériences ont été conçues afin de savoir si l’expression de l’IL-9 au niveau de la greffe pouvait modifier la survie de greffes cardiaques exprimant les alloantigènes bm12. Nous avons ainsi montré que la production locale d’IL-9 induit le rejet des allogreffes cardiaques exprimant l’alloantigène I-Abm12 (survie <30jours). Aucun des organes transgéniques pour l’IL-9 n’a survécu plus de 30 jours alors que des greffes non transgéniques ne furent pas rejetées (>50 jours). L’analyse histologique des allogreffes cardiaques transgéniques pour l’IL-9 montre une infiltration cellulaire dense du myocarde. La composante principale de cet infiltrat est la présence de nombreux éosinophiles. <p><p>Pour étudier la contribution des cytokines de type Th2, comme l’IL-4 et l’IL-5, dans le rejet des cœurs transgéniques pour l’IL-9, nous avons sélectivement bloqué ces cytokines lors du processus de rejet. Le traitement avec des anticorps neutralisant l’IL-4 bloque complètement le rejet induit par l’IL-9 et permet la survie à long terme des allogreffes cardiaques. Au point de vue de l’histologie ces greffes ne montrent ni infiltration leucocytaire ni artériopathie. Afin de déterminer si l’infiltration éosinophilique induite par l’IL-9 provient de l’activité directe de l’IL-9 ou est le résultat de la sécrétion d’IL-5, un traitement avec un anticorps anti-IL-5 a été appliqué aux receveurs d'allogreffe cardiaque. Ce traitement augmente la survie de la majorité des allogreffes et modifie de manière marquée la composition de l’infiltrat cellulaire en prévenant le recrutement des éosinophiles. De manière intéressante, les cœurs transgéniques pour l’IL-9 qui survivent indéfiniment après le traitement anti-IL-5 arborent une importante fibrose. <p><p>A la différence du cœur bm12, la peau bm12 greffée sur un receveur B6 subit un rejet rapide et l'histologie des greffes rejetées révèle la présence d'infiltrats denses à éosinophiles. Notre laboratoire a montré que ce processus de rejet est dirigé par les lymphocytes T CD4+ alloréactifs et que les souris B6 déficientes pour l'IL-5 et la voie de cytotoxicité Fas/Fas-L sont incapables de rejeter des peaux bm12. Nos premiers résultats laissaient supposer un rôle pour l'IL-9 dans notre modèle de rejet de greffes en disparité des molécules du CMH de classe II: premièrement, nous avions observé la production d'IL-9 par les lymphocytes T de type Th2 alloréactifs et deuxièmement, l'ARNm d'IL-9 était fortement exprimé au niveau des allogreffes de peaux rejetées. C’est pourquoi, la survie de peaux bm12, déficientes pour la molécule Fas, greffées sur des receveurs B6 déficients pour l'IL-9 (B6.IL-9-/-) a été comparée avec celle de peaux transplantées sur des receveurs B6. Nous avons montré que, comme les souris B6 normales, les animaux B6.IL-9-/- rejettent leur greffe dans les 15 jours. Donc, contrairement à l'IL-5, l'IL-9 n'est pas essentielle pour le rejet de peau dirigé par les cellules T CD4+ de type Th2 dans notre modèle de disparité des molécules du CMH de classe II.<p><p>Néanmoins, les allogreffes de peaux, dans notre modèle de disparité des molécules du CMH de classe II, contiennent moins d’éosinophiles lorsqu’elles sont rejetées par des receveurs déficients pour la synthèse d’IL-9 (IL-9-/-). En plus du modèle bm12, nous avons également observé un rôle de l’IL-9 dans un autre modèle de rejet Th2. Il a été montré par notre laboratoire que le rejet d’allogreffes cardiaques Balb/c complètement incompatibles par des souris receveuses B6.CD8-/- est caractérisé par le recrutement d’éosinophiles dans l’organe rejeté (106). Dans celui-ci, l’ARNm de l’IL-9 est présent pendant le rejet, de même que l’IL-4 et l’IL-5 et les greffes rejetées par des receveurs IL-9-/- contiennent moins d’éosinophiles par rapport à des receveurs contrôles. Les mécanismes par lesquels l’IL-9 induit le recrutement des éosinophiles ne sont pas complètement connus.<p><p>L’IL-5 est considérée comme la cytokine clé pour le développement de l’éosinophilie. De plus, le rejet aigu des cœurs transgéniques pour l’IL-9 est caractérisé par une infiltration massive d'éosinophiles et est inhibé lors de la neutralisation de l'IL-5. Nous avons entrepris la seconde étude pour investiguer le lien fonctionnel entre l’IL-9 et l’IL-5 dans le rejet d’allogreffe, ce qui permettra de mieux comprendre le recrutement des éosinophiles par l’IL-9.<p><p>Bien que le rejet ne soit pas inhibé par le manque d’IL-9, les allogreffes rejetées par les souris déficientes en IL-9 contiennent moins d’éosinophiles par rapport à des souris contrôles et présentent une production plus faible d’IL-5 par les cellules T alloréactives. De manière intéressante, la production optimale d’IL-5 après une stimulation allogénique requiert un récepteur à l’IL-9 (IL-9R) fonctionnel sur les cellules répondeuses. De plus, l’infiltration d’éosinophiles induite par l’IL-9 est absente dans des peaux transplantées sur des receveurs déficients pour le récepteur de l’IL-9. Finalement, la production d’IL-5 par des cellules T CD4+ stimulées par l’anti-CD3 est abolie par la neutralisation de l’IL-9. <p><p>En conclusion, nous pouvons dire que l'IL-9 est capable d'induire un rejet de type Th2, caractérisé par une forte infiltration d’éosinophiles et une dépendance à l'IL-5 et à l'IL-4. Notre étude montre également que l’IL-9 peut agir directement sur les cellules T CD4+ pour induire leur capacité à sécréter de l’IL-5. Cependant, l’IL-9 n’est pas indispensable au processus de rejet Th2 et il est probable que lorsque l’IL-9 est bloquée d'autres cytokines soient capables de compenser son absence. Notre étude permet une meilleure compréhension des voies complexes du recrutement des éosinophiles.<p> / Doctorat en sciences biomédicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / IL-17-producing T cells are critical to the development of pathogen and tumor immunity, but also contribute to the pathology of autoimmune diseases and allergic inflammation. CD8+ (Tc17) and CD4+ (Th17) IL-17-secreting T cells develop in response to a cytokine environment that activates Signal Transducer and Activator of Transcription (STAT) proteins, though the mechanisms underlying Tc17/Th17 development and stability are still unclear. In vivo, Tc17 cells clear vaccinia virus infection and acquire cytotoxic potential, that is independent of IL-17 production and the acquisition of IFN-γ-secreting potential, but partially dependent on Fas ligand, suggesting that Tc17-mediated vaccinia virus clearance is through cell killing independent of an acquired Tc1 phenotype. In contrast, memory Th cells and NKT cells display STAT4-dependent IL-23-induced IL-17 production that correlates with Il23r expression. IL-23 does not activate STAT4 nor do other STAT4-activating cytokines induce Il23r expression in these populations, suggesting a T cell-extrinsic role for STAT4 in mediating IL-23 responsiveness. Although IL-23 is important for the maintenance of IL-17-secreting T cells, it also promotes their instability, often resulting in a pathogenic Th1-like phenotype in vitro and in vivo. In vitro-derived Th17 cells are also flexible when cultured under polarizing conditions that promote Th2 or Th9 differentiation, adopting the respective effector programs, and decreasing IL-17 production. However, in models of allergic airway disease, Th17 cells do not secrete alternative cytokines nor adopt other effector programs, and remain stable IL-17-secretors. In contrast to Th1-biased pro-inflammatory environments that induce Th17 instability in vivo, during allergic inflammatory disease, Th17 cells are comparatively stable, and retain the potential to produce IL-17. Together these data document that the inflammatory environment has distinct effects on the stability of IL-17-secreting T cells in vivo.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / The transcriptional repressor BCL6 has been shown to be essential for the differentiation of germinal center (GC) B cells and follicular T helper (TFH) cells. The interaction of TFH and GC B cells is necessary for the development of high affinity antibodies specific for an invading pathogen. Germline BCL6-deficient mouse models limit our ability to study BCL6 function in T cells due to the strong inflammatory responses seen in these mice. To overcome this, our lab has developed a new BCL6 conditional knockout (cKO) mouse using the cre/lox system, wherein the zinc finger region of the BCL6 gene is flanked by loxP sites. Mating to a CD4-Cre mouse allowed us to study the effects of BCL6 loss specifically in T cells, without the confounding effects seen in germline knockout models. Using this cKO model, we have reaffirmed the necessity of BCL6 for TFH differentiation, including its role in sustained CXCR5 surface expression, a signature marker for TFH cells. This model also allowed us to recognize the role of BCL6 in promoting the expression of PD-1, another key surface marker for TFH cells. Without BCL6, CD4+ T cells cannot express PD-1 at the high levels seen on TFH cells. Our discovery of DNMT3b as a target for BCL6 suggests BCL6-deficient T cells have increased DNA methyltransferase activity at the PD-1 promoter. This data establishes a novel pathway for explaining how BCL6, a transcriptional repressor, can activate genes. Experiments with the BCL6 cKO model have also established a role for BCL6 in naïve CD4+ T cell activation. Furthermore, we did not observe increased differentiation of other helper T cell subsets, in contrast to what has been reported elsewhere with germline BCL6-deficient models. Unexpectedly, we found decreased T helper type 2 (Th2) cells, whereas mouse models with a germline mutation of BCL6 have increased Th2 cells. These results indicate that BCL6 activity in non-T cells is critical for controlling T cell differentiation. Finally, using an HIV-1 gp120 immunization model, we have, for the first time, shown BCL6-dependent GCs to be limiting for antibody development and affinity maturation in a prime-boost vaccine scheme.

Glycosphingolipids (GSLs), composed of a polar saccharide head and a lipophilic ceramide tail, are ubiquitous components of the plasma membrane of eukaryotic cells. They serve in many regulatory capacities and have antigenic properties towards natural killer T (NKT) cells of the innate immune system. Critical to the recognition of glycosylceramides by NKT cells are antigen presenting cells (APC), such as dendritic cells, which are responsible for binding, processing, and delivery of ligands to these lymphocytes. This event is mediated by CD1d, a major histocompatibility complex-like protein expressed on the surface of APCs, which binds GSL antigens by the ceramide moiety and presents the polar group to the T cell receptors of CD1d-restricted cells. The subsequent immune response involves NKT cell proliferation and emission of numerous cytokines, such as interferon-gamma (IFN-gamma) and interleukin-4 (IL-4), resulting in the stimulation of the innate and adaptive immune systems through maturation of APCs, activation of T cells, and secretion of antibodies by B cells. To understand the structure-activity relationship between GSLs and NKT cell activity and the requirements for intracellular processing of antigens, analogs of the model compound alphaGalCer (KRN-7000) have been synthesized. These include fluorophore-appended 6”-amino-α-galactosylceramides and N-alkenoyl GSLs, such as PBS-57, a potent alphaGalCer surrogate useful in NKT cell stimulation studies. A nonantigenic beta-C-galactosylceramide has also been prepared as an inhibitor of these innate lymphocytes. To probe the potential for using NKT cells to bias the immune system between the proinflammatory TH1 response or the immunomodulatory TH2 mode, versions of alphaGalCer with shortened ceramides have been created. One of these truncated analogs, PBS-25, has successfully been cocrystallized with CD1d and the binary complex structure solved by X-ray crystallography. Synthetic glycosphingolipids derived from Novosphingobium capsulatum and Sphingomonas paucimobilis have also been made. In assays with classical Valpha14i/Valpha24i NKT cell lines, these Gram-negative bacterial antigens were recognized directly and specifically by host immune systems through CD1d-restriction, unlike GSL-deficient microbes (e.g., Salmonella typhimurium). A search for other GSL-bearing alpha-proteobacteria led to the discovery of another natural glycosphingolipid, an N-alkenoylphytosphingoid-alpha-galactoside, isolated from the outer membrane of Ehrlichia muris.

<p>Food allergies are immune system-driven diseases that lead to reproducible adverse reactions which can be fatal. These severe systemic reactions are primary mediated by immunoglobulin E (IgE) that is derived from B cells which have been activated by T helper type 2 (Th2) cells. While much work has advanced the clinical and pharmacological management of patients with allergic diseases, much remains to be elucidated about how individuals initially acquire allergy. This Thesis details a mechanism linking initial gastrointestinal exposure to peanut (PN) allergen, to the generation of Th2 cells: PN allergen activates epithelial cell secretion of interleukin (IL)-33 and eosinophil degranulation of eosinophil peroxidase, which causes CD103+ dendritic cell (DC) activation and migration to mesenteric lymph nodes where DC OX40L engages naïve T cells to secrete IL-4 in an autocrine/paracrine manner to promote and consolidate Th2 cell differentiation. These events are followed by B cell activation and PN-specific IgE production, which sensitizes mast cells to be hypersensitive to PN re-exposure by causing immediate allergic reactions including anaphylaxis. This is later followed by eosinophilic inflammation that is partially mediated by innate lymphoid cells. As food allergy also serves as a unique model to better understand mechanisms of adaptive immunity, especially Th2 immunobiology, both basic science and clinical implications are discussed in this Thesis. Major themes include Th2 and disease heterogeneity, identification of ‘the original source of IL-4’, an unprecedented <em>in vivo </em>requirement for eosinophils in priming adaptive immune responses, and the need to weigh basic science findings against the human disease <em>in natura </em>litmus test. Looking forward, many questions remain to be answered in the field of food allergy research, but the findings of this Thesis may be one step towards the prevention, management or cure of a disease with growing public concern, potentially fatal consequences, and an unmet need in understanding its pathogenesis.</p> / Doctor of Philosophy (Medical Science)

Thesis (Ph. D.)--Uniformed Services University of the Health Sciences, 2005. / Typescript (photocopy).