Generation, Maintenance and Fate of T Follicular Helper Cells

Abstract

The humoral immune response is mediated by B cells that aid the elimination of pathogens through the secretion of antibodies and are therefore the basis of current vaccination strategies. Activated B cells mature in germinal centres (GCs) and abnormal germinal centre responses have been reported to be causative of autoimmune diseases. T follicular helper (TFH) cells represent the subpopulation of CD4+ T cells which provides help for B cells in the GC response. In order to optimise vaccination strategies and develop better therapeutic approaches against autoimmune diseases, it is necessary to gain a deeper understanding of the differentiation and maintenance of TFH cells. Underlying molecular requirements were analysed in this thesis using an adoptive transfer system. The co-stimulatory molecules ICOS and CD28 are both important for TFH cells, yet their specific roles for TFH cells are unknown. The data presented here attribute to each molecule an exclusive role at different stages of humoral immune responses: while CD28 regulated early expression of the TFH master transcription factor Bcl-6, ICOS co-stimulation was essential to maintain the TFH phenotype and thereby GC reactions. It has been a long-standing question whether TFH cells contribute to the CD4+ memory pool after the GC response has been terminated. To answer this question, a TFH re-transfer system of antigen-specific T cells was established, in which antigen-specific TFH and non-TFH effector cells were sorted from ongoing GC responses and transferred into naïve mice, where they could be analysed separately. The populations of transferred cells rapidly contracted in the absence of antigen with a small population of both TFH and non-TFH cells surviving as memory cells for at least four weeks. TFH cells strongly downregulated signature molecules in the memory phase but maintained a distinct phenotype from non-TFH memory cells. Upon in vivo re-challenge with antigen, TFH memory cells preferentially re-adopted the TFH phenotype. An enhanced potential to produce IL-21, paired with higher expression of CXCR5 and lower expression of CCR7, should enable them to be effective B cell helpers in secondary immune responses. My thesis presents evidence for functional differences between the structurally related proteins CD28 and ICOS, which may be a step-stone to better treatment of autoimmune diseases caused by aberrant germinal centre reactions. The data further demonstrate that TFH cells can develop into memory cells, presenting an interesting target for vaccine development.

Humorale Immunreaktionen werden durch Antikörper-sezernierende B-Zellen vermittelt, die die Grundlage heutiger Impfstrategien sind. Aktivierte B-Zellen reifen in Keimzentren und abnormale Keimzentren werden mit vielen Autoimmunerkrankungen in Verbindung gebracht. Follikuläre T-Helferzellen (TFH) sind die CD4+ T-Helferzellen, die B-Zellen in der Keimzentrumsreaktion unterstützen. Um bessere Impfstoffe und therapeutische Ansätze gegen Autoimmunerkrankungen entwickeln zu können, ist es notwendig, die Differenzierung und Aufrechterhaltung von TFH-Zellen besser zu verstehen. Zugrundeliegende molekulare Mechanismen wurden in dieser Arbeit in einem adoptiven Transfersystem analysiert. Die Kostimulatoren ICOS und CD28 sind wichtig für TFH-Zellen, allerdings ist ihre spezielle Rolle für diese Zellen bisher nicht bekannt. Die hier präsentierten Daten weisen jedem der Moleküle eine exklusive Rolle in verschiedenen Stadien der humoralen Immunreaktion zu: CD28 regulierte die frühe Expression des TFH-Mastertranskriptionsfaktors Bcl-6, wohingegen ICOS-Kostimulation für die Aufrechterhaltung des TFH- Phänotyps und daher auch der Keimzentrumsreaktionen nötig war. Es war lange offen, ob TFH-Zellen nach Beendigung der Keimzentrumsreaktion zu CD4+ Gedächtniszellen werden. Um diese Frage zu beantworten, wurde ein Retransfersystem für TFH-Zellen entwickelt, in dem antigenspezifische TFH- und nicht-TFH-Effektorzellen aus Keimzentrumsreaktionen isoliert und sortiert wurden. Anschließend wurden die Zellen in naive Mäuse transferiert, wo sie unabhängig voneinander analysiert werden konnten. Die retransferierten Zellpopulationen kontrahierten schnell ohne Antigen, jedoch blieb eine kleine Population TFH- und nicht-TFH-Gedächtniszellen für mindestens vier Wochen in der Maus vorhanden. TFH-Zellen regulierten für ihre Identifikation und Funktion typische Moleküle herunter, behielten jedoch einen anderen Phänotyp als nicht-TFH-Gedächtniszellen. Nach Antigenstimulation in vivo adaptierten ehemalige TFH-Zellen präferentiell den TFH-Phänotyp. Ein erhöhtes Potential IL-21 zu sezernieren, gepaart mit erhöhter Expression von CXCR5 und geringerer Expression von CCR7, sollte diese Zellen zu effektiven B-Zell-Helfern in sekundären Immunreaktionen machen. Meine Arbeit zeigt funktionelle Unterschiede der strukturell verwandten Moleküle CD28 und ICOS auf und könnte daher ein Mosaikstein für die Suche nach besseren therapeutischen Ansätzen zur Bekämpfung von Autoimmunkrankheiten sein. Die Daten zeigen weiterhin, dass TFH-Zellen zu Gedächtniszellen werden können, welche ein interessanter Schwerpunkt zukünftiger Impfstrategien sein können.