Molecular analysis of pDC-mediated induction of IL-10 and IL-22 expression in human T cells

Abstract

The cytokines IL-10 and IL-22 belong to the same family of cytokines but play very different, albeit important, roles in the immune response. IL-10 is one of the main mediators of immunosuppression whereas IL-22 plays an important role in maintaining and defending epithelial barriers and in tissue regeneration. Despite considerable research the regulation of IL-10 and IL-22 in human is still poorly understood, as most data stem from experiments in the mouse model. This study aimed to analyze signals and transcriptional modules governing expression of IL-10 and IL-22 by human T helper cells utilizing the interaction of T cells and plasmacytoid dendritic cells (pDC) as model system. For this purpose signals and pathways involved in the expression of IL-10 and IL-22 were analyzed in a pDC/T cell coculture system as well as a minimalistic APC-free system. Human pDC were found to induce a mixed TH1-like population with substantial expression of IL-10 and IL-22. The induction of IL-10 and Il-22 largely depended on Notch signaling elicited by Notch ligand DLL-4. While IL-22 expression was induced by DLL-4 and TCR-dependent T cell stimulation alone, IL-10 induction required a second costimulus, which was provided by certain STAT3-activating cytokines like IFN-α, IL-6, IL-21 or IL-27. IFN-α, the main effector cytokine of pDC, most potently induced IL-10 expression, but heavily relied on IL-6 and IL-21. However, all three cytokines were required for maximum IL-10 expression. In contrast to mouse, neither IL-12 and STAT4 were involved, nor was IFN-γ expression or a pronounced TH1 commitment required for expression of IL-10 or IL-22. The analysis showed that DLL-4-activated Notch signaling potentiated the effect of IL-10- and IL-22-driving cytokines by enhancing cytokine-dependent phosphorylation of STAT molecules. STAT1 and STAT3 reciprocally regulated IL-10 expression and transcription factors MAF, AhR and BLIMP1 positively regulated the production of IL-10. IL-22 expression required AhR signaling, but also relied on STAT3- and STAT1-dependent pathways and likely was induced via STAT3 as well as by STAT3-independent processes. In summary, the data show that regulation of IL-10 and IL-22 expression in murine and human T helper cells employs common as well as distinct signals and mechanisms. Here, an intricate network was identified in human T helper cells, which uses STAT3, AhR and MAF as central transcriptional modules, but also includes the transcription factors STAT1 and BLIMP1. Mainly cytokine-dependent STAT activation was found to trigger this network, whereas the Notch pathway modulates the activation of these STAT molecules. Elucidating signals and transcriptional modules that govern expression of IL-10 and IL-22 in human T cells, this project helped advancing the understanding of the molecular regulation of these cytokines in human, which is an important pre-requisite for the identification of potential disease- and patient-specific alterations in T cell-mediated immunopathologies and to delineate tailor-made therapeutic strategies.

IL-10 und IL-22 gehören zu einer Zytokinfamilie, spielen jedoch unterschiedliche Rollen in der Immunantwort. IL-10 ist einer der wichtigsten immunsuppressiven Faktoren, während IL-22 in die Aufrechterhaltung und Verteidigung des Epithels, als auch die Geweberegeneration involviert ist. Die Bedeutung dieser beiden Zytokine wird dadurch deutlich, dass T-Helferzellen (TH-Zellen) IL-10 in verschiedenen Situationen exprimieren und die Hauptquelle für IL-22 in peripherem Blut sind. Obwohl die Regulation von IL-10 und IL-22 das Ziel zahlreicher Untersuchungen war, sind die zugrunde liegenden Mechanismen im Menschen bisher nur wenig verstanden, da der Großteil der Daten in Maus-Modellsystemen generiert wurde. Diese Studie wurde mit dem Ziel durchgeführt, anhand der Interaktion zwischen plasmazytoiden dendritischen Zellen (pDZ) und T-Zellen, die Signale und Transkriptionsmodule zu untersuchen, die die Expression von IL-10 und IL-22 in humanen T-Helferzellen induzieren. Dazu wurden die Signalwege sowohl in einer pDZ-T-Zell-Kokultur, als auch einem APZ-freien Minimalsystem, analysiert. Humane pDZ induzierten eine gemischte TH1-artige T-Zellpopulation mit ausgeprägter Expression von IL-10 und IL-22. Die Induktion beider Zytokine erforderte die Aktivierung des Notch-Signalweges durch den Notch-Liganden DLL-4. Während die IL-22-Produktion durch DLL-4 und T-Zell-Rezeptor-abhängige Stimulation ausgelöst werden konnte, erforderte die Expression von IL-10 einen zusätzlichen Stimulus, welchen bestimmte STAT3-aktivierende Zytokine, wie IFN-α, IL-6, IL-21 oder IL-27 lieferten. IFN-α, das Haupt-Effektorzytokin der pDZ, induzierte die stärkste IL-10-Produktion, welche jedoch durch das Zusammenspiel von IFN-α mit IL-6 und IL-21 vermittelt wurde. Im Gegensatz zum Maussystem spielten weder IL-12/STAT4, noch die Expression von IFN-γ oder eine ausgeprägte TH1-Antwort eine Rolle in der Induktion von IL-10 oder IL-22. Es konnte zudem gezeigt werden, dass DLL-4-aktiviertes Notch den Effekt von IL-10- und IL-22-induzierenden Zytokinen potenziert, indem es die zytokinabhängige Phosphorylierung von STAT-Molekülen verstärkt. Die IL-10-Produktion wurde reziprok durch STAT1 und STAT3 reguliert. Gleichzeitig waren MAF, AhR und BLIMP1 an der IL-10-Expression beteiligt. Die IL-22-Expression wurde über AhR als auch über STAT3 und STAT1 induziert, wobei vermutlich STAT3-abhängige und -unabhängige Signalwege eine Rolle spielten. Zusammengenommen zeigen die Daten, dass die Regulation von IL-10 und IL-22 in Maus und Mensch ähnliche und unterschiedliche Signalwege beinhaltet. Ein komplexes Netzwerk wurde identifiziert, in dessen Zentrum die Transkriptionsfaktoren STAT3, AhR und MAF stehen, sowie STAT1 und BLIMP1 eine Rolle spielen. Die Prozesse dieses Netzwerkes werden durch zytokinabhängige STAT-Aktivierung in Gang gesetzt, welche durch den Notch-Signalweg moduliert wird. Diese Studie identifizierte Signale und Transkriptionsmodule, welche maßgeblich an der Regulation von IL-10 und IL-22 in humanen T-Zellen beteiligt sind. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für die Erkennung krankheits- und patientenspezifischer Veränderungen bei T-Zell-abhängigen Immunerkrankungen und die Entwicklung maßgeschneiderter Therapien.