Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7027

 

Regulation of Development and Function of Different T Cell Subtypes by Rel/NF-κB Family Members

 

S. Vallabhapurapu

Abstract
The Rel/NF-κB family of transcription factors plays an important role in lymphocyte development and function and in the regulation of innate and adoptive immune responses. It has been shown that NF-κB is dispensable for the development of mainstream T cells, but its role in the development of other sub-types, such as natural killer T (NKT) cells, has not been addressed. Similar to mainstream T cells, NKT cells also develop in the thymus although a few thymus-independent NKT cells may exist. Thymus-dependent NKT cells are key regulators of innate and adoptive immune responses and are involved in diverse immune functions ranging from suppression of autoimmunity to tumor rejection. They express the NK1.1 marker, an invariant Vα14-Jα18 T cell receptor (TCR), and are positively selected by the major histocompatibility complex (MHC) class I-like molecule CD1d. However, the molecular events involved downstream of CD1d are poorly understood. This study reveals the requirement of distinct members of the Rel/NF-κB family in both hematopoietic and non-hematopoietic cells for the development of thymic NKT cells. Activation of NF-κB via the classical IκBα-regulated pathway is required within the NKT precursors for their efficient maturation from NK1.1- precursors to mature NK1.1+ NKT cells. The Rel/NF-κB family member RelB, on the other hand, is required in thymic stromal cells for the generation of very early NK1.1- precursors. NF-κB-inducing kinase (NIK) has also been shown to be required in thymic stromal cells for NKT cell development and this study demonstrates that NIK specifically regulates both constitutive and signal-induced DNA binding of RelB, but not RelA. Moreover, NIK-induced DNA binding of RelB depends on the processing of inhibitory p100 to p52, revealing an alternate pathway of NF-κB induction. Thus, Rel/NF-κB complexes activated by the classical IκBα-regulated pathway in NKT precursors and an alternate NIK/p100/RelB pathway in thymic stromal cells regulate different stages of NKT cell development.

In addition to its role in lymphocyte development, NF-κB also regulates survival and proliferation of peripheral T and B cells. At the end of an immune response, activated peripheral T cells are eliminated by activation-induced cell death (AICD), which is predominantly mediated by the FasL/Fas pathway. Mice with a defective Fas pathway due to mutations in FasL and Fas have impaired AICD and develop generalized lymphoproliferative disorder (gld) and lymphoproliferation (lpr), respectively. These mice have a similar phenotype characterized by progressive accumulation of abnormal Thy1+B220+CD4-CD8- T cells, splenomegaly, lymphadenopathy, and increased serum Ig, leading to an autoimmune syndrome and premature death. This study demonstrates that inhibition of NF-κB by transgenic overexpression of a non-degradable mutant IκBα within T cells of FasL mutant gld mice prevents the accumulation of abnormal Thy1+B220+CD4-CD8- T cells, partially reduces serum Ig levels, and protects from developing splenomegaly and lymphadenopathy. Block of NF-κB in T cells of gld mice compensates for the lack of FasL/Fas-mediated cell death by sensitizing T cells to other death pathways and thereby prevents the accumulation of abnormal Thy1+B220+CD4-CD8- T cells.

Collectively, this study provides new insights into the biology of NF-κB: (i) essential role of distinct NF-κB complexes in different cell types during NKT cell development, (ii) regulation of RelB complexes by alternate NIK/p100 pathway in a signal-and cell type-dependent manner, and (iii) protection of FasL mutant mice from developing generalized lymphoproliferative disorder by the T cell-specific inhibition of NF-κB.

Regulation der Entwicklung und Funktion verschiedener T-Zell Subtypen durch die Mitglieder der Rel/NF-κB Familie

Zusammenfassung
Die Familie der Rel/NF-κB Transkriptionsfaktoren spielt eine wichtige Rolle in der Entwicklung und Funktion von Lymphozyten, sowie bei der Regulation der angeborenen und erworbenen Immunantwort. Es konnte gezeigt werden, dass NF-κB für die Entwicklung der meisten T-Zellen nicht essentiell ist, wobei seine Funktion für die Entwicklung verschiedener Subtypen, wie z.B. natürlicher Killer-T-(NKT)-Zellen, bisher noch nicht untersucht worden ist. Ähnlich wie die meisten T-Zellen entwickeln sich NKT-Zellen im Thymus, obwohl auch einige Thymus-unabhängige NKT-Zellen vorkommen können. Thymus-abhängige NKT-Zellen sind entscheidende Regulatoren der angeborenen und erworbenen Immunantwort und sind an verschiedenen Funktionen des Immunsystems, von Autoimmunität bis Tumorabstoßung beteiligt. Sie exprimieren den NK1.1-Marker, einen invarianten Vα14-Jα18 T-Zell-Rezeptor (TCR), und werden positiv selektiert durch CD1d, welches dem Klasse-I-Haupthistokompatibilitätskomplex (major histocompatibility complex = MHC) ähnelt. Die molekularen Ereignisse unterhalb von CD1d sind bislang noch kaum verstanden.

Diese Studie belegt die Bedeutung bestimmter Mitglieder der Rel/NF-κB-Familie sowohl in nicht-hämatopoetischen als auch in hämatopoetischen Zellen für die Entwicklung Thymusabhängiger NKT-Zellen. Die Aktivierung von NF-κB über den klassischen IκBα-regulierten Signaltransduktionsweg wird in NKT-Vorläufern benötigt, um ein effizientes Reifen von NK1.1- zu NK1.1+ NKT-Zellen zu gewährleisten. Das Rel/NF-κB-Familien-Mitglied RelB hingegen ermöglicht in stromalen Zellen des Thymus die Entwicklung sehr früher NKT-Vorläufer. NF-κB-induzierende Kinase (NIK) in Stroma-Zellen des Thymus ist ebenfalls für die NKT-Zell-Entwicklung notwendig. Diese Studie zeigt, dass NIK sowohl die konstitutive als auch die Signal-induzierte DNA-Bindung von RelB, nicht aber von RelA reguliert. Hierbei ist die NIK-induzierte DNA-Bindung von RelB von einer Spaltung des inhibitorischen p100 zu p52 abhängig, einem alternativen Weg der NF-κB-Induktion. Dies zeigt, dass Rel/NF-κB Komplexe, die über den klassischen IκBα-Weg in NKT-Vorläufern aktiviert werden und der alternative NIK/p100/RelB Signaltransduktionsweg in Thymus-Stromazellen unterschiedliche Stadien der NKT-Entwicklung regulieren.

Neben der Lymphozyt-Entwicklung reguliert NF-κB zusätzlich das Überleben und die Proliferation peripherer T- und B-Zellen. Am Ende einer Immunantwort werden aktivierte, periphere T-Zellen durch Aktivierungs-induzierten Zelltod (AICD) eliminiert, überwiegend vermittelt durch den FasL/Fas Signalweg. Mäuse, deren FasL/Fas-Signaltransduktionsweg aufgrund von Mutationen in FasL bzw. Fas defekt ist, haben AICD-Beeinträchtigungen und entwickeln eine generalisierte lymphoproliferative Erkrankung (gld) bzw. Lymphoproliferation (lpr). Gld und lpr Mäuse haben einen ähnlichen Phänotyp, der durch progressive Akkumulation abnormer Thy1+B220+CD8-CD4- TZellen, Splenomegalie, Lymphadenopathie und erhöhtes Serum Ig gekennzeichnet ist und mit einem Autoimmunsyndrom und frühem Tod einhergeht. Diese Studie zeigt, dass Inhibition von NF-κB durch transgene Überexpression einer nicht-abbaubaren IκBα-Mutante in T-Zellen von FasL-mutierten gld Mäusen die Akkumulation abnormer Thy1+B220+CD8-CD4- T-Zellen verhindert, die Serum-Ig-Spiegel erniedrigt und vor der Entwicklung von Splenomegalie und Lymphadenopathie schützt. Durch die Blockierung von NF-κB in T-Zellen von gld Mäusen wird das Fehlen von FasL/Fas-vermitteltem Zelltod durch eine Sensibilisierung der T-Zellen gegenüber alternativen Zelltod-vermittelnden Signaltransduktionswegen kompensiert und dadurch die Akkumulation von Thy1+B220+CD8-CD4- T-Zellen verhindert.

Zusammengefasst liefert diese Studie neue Einsichten in die Biologie von NF-κB: (i) Belege für eine essentielle Rolle von NF-κB-Komplexen in verschiedenen Zelltypen während der NKT-Entwicklung, (ii) Regulation von RelB-Komplexen durch einen alternativen NIK/p100 Weg in Signal- und Zelltyp-abhängiger Weise, (iii) Schutz von FasL-Mutanten Mäusen vor einer generalisierten lymphoproliferativen Erkrankung durch T-Zell-spezifische Inhibition von NF-κB.

VOLLTEXT

BIBLIOTHEK