Control of Anti-viral T cell Responses by Regulatory T cells and Co

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Diss. ETH Nº 21167
Control of Anti-viral T cell Responses by Regulatory T cells and
Co-stimulatory Molecules
A dissertation submitted to
ETH ZURICH
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
IWANA SCHMITZ
Master of Science in Biology ETH Zurich
born November 25, 1982
citizen of Böttstein (AG)
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Manfred Kopf, examiner
Prof. Dr. Annette Oxenius, co-examiner
Dr. Stefan Freigang, co-examiner
2013
1. Summary
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1. Summary
Most pathogens are controlled satisfactorily by the immune system without grave
consequences for the host. This is possible due to a fine-tuning of the immune response,
which achieves efficient immune control and pathogen clearance but at the same time assures
the maintenance of tissue integrity. Nevertheless, some pathogens cause either severe
immunopathology resulting in substantial tissue damage or establish a persistent, chronic
infection. For immunotherapeutic interventions, it is important to understand the mechanisms
by which immune cells regulate and adjust immune responses and the reason why the
immune response fails against certain pathogens. In this thesis, we investigated the
contributions of regulatory T cells (Treg), cytokines and co-stimulatory and co-inhibitory
receptors during lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) infection with the goal to better
understand these immunoregulatory pathways in the defense against pathogens.
The first part of the thesis focuses on the impact of Treg cells, which are key negative
regulators of the immune system that protect against immunopathology by inhibiting
exaggerated immune responses. However, their role during the adaptive immune response
against pathogens is still not fully understood. Infection with different doses of LCMV
Docile, a strain resulting in either a resolved or persistent infection depending on the infecting
dose, showed that the Treg cell population expands after an initial contraction and that this
Treg cell expansion was dependent on the viral load. In addition, interleukin-21 receptor (IL21R)-deficient mice exhibited an even stronger Treg cell proliferation, suggesting for a
negative regulation of Treg cells by IL-21. Given that the expansion of Treg cells was virusdriven, the effect of Treg cells on the priming and functionality of antiviral T cells during
LCMV infection was studied by using two complementary experimental approaches: a loss of
function model using the DEREG mice in which Treg cells can be depleted due to transgenic
expression of the diphtheria toxin receptor, and a gain of function approach using IL-2/antiIL-2 immune complexes (IL-2ic) to expand the Treg cell population. These studies revealed
that Treg cells functionally impair virus-specific CD8+ and CD4+ T cells and thereby
contribute to the establishment of viral persistence.
Thus, our results suggest that IL-21 prevents T cell exhaustion and viral persistence
via limiting the virus-driven Treg cell proliferation.
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1. Summary
In a side project, the redundancy of the cytokines IL-21 and IL-2 was investigated
during acute LCMV infection, as both, IL-21 and IL-2 are required for optimal CD8+ T cell
memory responses during chronic infections but appear to be dispensable during acute
infection. The use of mixed bone marrow (BM) chimeric mice allowed to compare the
requirement of IL-2R, IL-21R or both for priming, effector function and memory responses of
CD8+ T cells. Furthermore it enabled us to determine whether the lacking effect of either
cytokine on the primary immune response of CD8+ T cell during acute infection was due to a
compensatory role of IL-2 and IL-21. Analysis of the BM chimeric mice indicated that IL-2
and IL-21 could partially compensate for each other’s function. Both, IL-2 and IL-21 did not
affect the priming of CD8+ T cells but were crucial for a fully functional memory CD8+ T cell
immune response upon acute LCMV infection.
The second part of the thesis aimed to elucidate the complex signaling network of the
surface co-regulatory receptor herpesvirus entry mediator (HVEM) during viral infections.
HVEM positively and negatively regulates the extent and duration of T cell activation by
interacting with several partners, including B and T lymphocyte attenuator (BTLA) and
LIGHT (lymphotoxin-like, inducible expression, competes with herpes simplex virus
glycoprotein D for HVEM, a receptor expressed by T lymphocytes). The HVEM signaling
induced by LIGHT has been mainly described to promote pro-inflammatory immune
responses, whereas activation of HVEM by BTLA provides an inhibitory signal. So far, most
studies investigated the interaction of HVEM in vitro; hence little is known about their role
during infections. The present thesis conducted a thorough comparison of the anti-viral T cell
responses in HVEM-, LIGHT-, and BTLA-deficient mice in response to infection with
LCMV. This analysis showed normal T cell priming, expansion and memory responses in
mice lacking one of these receptors during an acute LCMV infection. However, absence of
HVEM or BTLA resulted in an impaired viral clearance of a persistence-prone virus strain,
suggesting that HVEM-BTLA interactions contribute to the immune control of chronic
infections. The fact that normal anti-viral T cell responses were detected in HVEM- or
BTLA-deficient mice suggests a potential requirement of HVEM and BTLA for the humoral
immune response.
In addition, we found a less prominent contraction of the Treg cell population in
LIGHT-deficient mice after LCMV Docile infection. As Treg cells of HVEM-deficient mice
were unaltered, LIGHT might promote the Treg cell decline via its other binding partner
1. Summary
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LTβR. In spite of the altered Treg cell contraction, no impact on the immune response was
detected, which leaves the role of the Treg cell decline unsolved.
Overall, the data of this thesis revealed that the regulation of Treg cells by IL-21 is
crucial for the outcome of a viral infection and suggest that HVEM interactions
predominantly contribute to the control of chronic viral infections.
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2. Zusammenfassung
2. Zusammenfassung
Die meisten
Krankheitserreger
werden
vom Immunsystem ohne schwerwiegende
Konsequenzen gut kontrolliert. Dies ist nur dank einer feinen Regulierung der Immunantwort
möglich, die den Erreger klärt und gleichzeitig die Gewebsstrukturen intakt hält. Es gibt
jedoch Erreger, die eine defekte Immunantwort auslösen und erhebliche Gewebsschäden oder
eine chronische Infektion verursachen. Um eine entsprechende Therapie für solche Erreger zu
finden, ist es wichtig die Mechanismen zu verstehen mit welchen die Immunzellen die
Immunantwort ausgleichen und regulieren und den Grund für das Fehlschlagen dieser
Antwort gegen gewisse Erreger zu erkennen. In der vorliegenden Arbeit wurde das
Zusammenspiel von regulatorischen T Zellen (Treg), bestimmten Zytokinen und costimulatorischen und co-inhibitorischen Rezeptoren während der Infektion mit dem Virus der
lymphozytären Choriomeningitis (LCMV) mit dem Ziel untersucht, diese Mechanismen der
antiviralen Immunabwehr besser zu verstehen.
Der erste Teil dieser Arbeit fokussiert auf die Auswirkung von regulatorischen T
Zellen auf das Immunsystem. Regulatorische T Zellen sind wichtige negative Regulatoren,
welche eine überschiessende Immunaktivierung verhindern, um den Organismus vor einer
Immunpathologie zu schützen. Ihre Rolle während der adaptiven Immunantwort gegen
Pathogene ist jedoch noch nicht ganz verstanden. Die Infektion mit dem LCMV Stamm
Docile führt, in Abhängigkeit von der Virusdosis, zu einer klärenden oder zu einer
chronischen Infektion. Unsere Analyse zeigte, dass die Population der regulatorischen T
Zellen nach einer anfänglichen Kontraktion, dosisabhängig expandieren. In Interleukin-21
Rezeptor (IL-21R) knockout Mäusen wurde eine noch stärkere Expansion der regulatorischen
T Zellen beobachtet, was auf eine Regulation von IL-21 auf die regulatorischen T Zellen
hinweist. Da die Expansion der regulatorischen T Zellen Virus getrieben war, wurde der
Effekt der regulatorischen T Zellen auf das Priming und die Funktionalität der anti-viralen T
Zellen während einer LCMV Infektion erforscht. Dazu wurden zwei komplementäre Modelle
benutzt. Als „loss-of-function“ Ansatz wurde das DEREG Mausmodell verwendet, in dem die
regulatorischen T Zellen aufgrund der transgenen Expression des Diphtheriatoxin-Rezeptors
mittels Gabe von Diphtheriatoxin eliminiert werden können. Als „gain-of-function“ Ansatz
wurden
die
regulatorischen
T
Zellen
unter
der
Benützung
von
IL-2/anti-IL-2
2. Zusammenfassung
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Immunkomplexen (IL-2ic) gezielt expandiert. Diese Experimente zeigten, dass die
regulatorischen T Zellen die Funktionalität der virus-spezifischen CD8+ und CD4+ T Zellen
unterdrücken und dadurch eine chronische Virusinfektion erlauben. Die Resultate
identifizieren somit einen zusätzlichen Mechanismus über den IL-21 eine funktionelle
Beeinträchtigung der antiviralen T Zellen und eine daraus resultierende virale Chronizität
durch die Limitierung der virus-induzierten regulatorischen T Zellproliferation vorbeugt.
In einem Nebenprojekt wurde die Redundanz der Zytokine IL-21 und IL-2 während
einer akuten LCMV Infektion untersucht, da beide für ein optimales CD8+ T Zellgedächtnis
während einer chronischen Infektion verantwortlich, aber für eine akute Infektion erlässlich
sind. Die Benützung von gemischten Knochenmarkschimären erlaubte den Vergleich der
Bedeutung von IL-2R, IL-21R oder beiden Zytokinrezeptoren gemeinsam auf die
Aktivierung, die Funktion und die Gedächnisantwort der CD8+ T Zellen in einer akuten
LCMV Infektion. Ebenfalls erlaubt es die Beantwortung der Frage, ob der fehlende Effekt
während der akuten Infektion aufgrund einer gegenseitigen Kompensation von IL-2 und IL21 zustande kommt. Diese Analyse deutete darauf hin, dass IL-2 und IL-21 teilweise für
einander kompensieren können. IL-2 und IL-21 hatten keinen Einfluss auf die Aktivierung
von CD8+ T Zellen, jedoch spielten beide Zytokine eine wichtige Rolle im etablieren einer
funktionellen CD8+ T Zellgedächnisantwort während einer akuten Infektion.
Der zweite Teil der Arbeit hatte zum Ziel, das komplexe Signalnetzwerk des coregulatorischen Rezeptors Herpes virus entry mediator (HVEM) während einer viralen
Infektion besser zu verstehen. Über Interaktionen mit Liganden, wie zum Beispiel B and T
cell attenuator (BTLA) und LIGHT (lymphotoxin-like, inducible expression, competes with
herpes simplex virus glycoprotein D for HVEM, a receptor expressed by T lymphocytes),
kann HVEM das Ausmass und die Länge der T Zellaktivierung negativ oder positiv
beeinflussen. Das Binden von LIGHT an HVEM induziert ein Signal das hauptsächlich als
Förderung der pro-inflammatorischen Immunantwort beschrieben ist. Dies steht im Gegensatz
zur Bindung mit BTLA, welches ein unterdrückendes Signal via HVEM liefert. Bis jetzt
wurden die Interaktionen mit HVEM und deren Signale hauptsächlich in vitro untersucht und
nur wenig ist über dessen Rolle während einer Infektion bekannt. Die vorliegende Arbeit zeigt
einen ausführlichen Vergleich der anti-viralen T Zellantwort in HVEM-, LIGHT- und BTLAknockout Mäusen während einer LCMV Infektion. Diese Analyse zeigte, dass die
vermittelten co-regulatorischen Signale durch die Interaktion mit HVEM für die T
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2. Zusammenfassung
Zellaktivierung, die Expansion und Gedächnisantwort in einer akuten Infektion nicht benötigt
werden. Hingegen führte ein Fehlen von HVEM oder BTLA zu einer fehlenden
Immunkontrolle bei der chronischen LCMV Infektion, was auf eine wichtige Rolle von
HVEM und BTLA während chronischen Infektionen hinweist. Da jedoch die T Zellantwort
nicht beeinträchtigt war, deutet dies auf eine potentielle Aufgabe von HVEM und BTLA in
der humoralen Immunantwort hin.
Eine weitere Beobachtung war, dass LIGHT knockout Mäuse eine weniger starke
Kontraktion der regulatorischen T Zellpopulation aufzeigten, welche normalerweise zu
Beginn der viralen Immunantwort beobachtet wird. Da die Kontraktion der regulatorischen T
Zellen in HVEM knockout Mäusen nicht verändert war, muss LIGHT durch seinen anderen
Bindungspartner, LTβR, ein Signal auslösen, welches zur Kontraktion der regulatorischen T
Zellen beiträgt. Obwohl die Kontraktion der regulatorischen T Zellen in LIGHT knockout
Mäusen verändert war, wurde keinen Einfluss auf die spätere Immunantwort gefunden, was
die Bedeutung der Senkung der regulatorischen T Zellen unbeantwortet lässt.
Zusammengefasst zeigen die Daten dieser Arbeit, dass die Regulation der
regulatorischen T Zellen durch IL-21 für den Ausgang einer viralen Infektion essentiell ist
und dass die HVEM Rezeptorinteraktionen hauptsächlich eine Rolle in der Kontrolle einer
chronischen Virusinfektion spielen.
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