T cells during mycobacterial infections: production and activation

Abstract

Infections caused by bacteria from the Mycobacterium genus are among the major health threats worldwide. Mycobacterium tuberculosis is the etiological agent for tuberculosis (TB). In 2014, TB alone was responsible for 9.6 million people felling ill and 1.5 million deaths. The incidence of other mycobacteriosis that used to affect mainly immune-compromised patients (such as HIV/AIDS patients) is rising even in HIV-negative people. In several cases these mycobacteriosis are caused by mycobacteria from the Mycobacterium avium complex (e.g.: M. avium). It is crucial to better understand T cell response to mycobacterial infections and how infection by these bacteria affects T cell differentiation and immunity. Previous results from our lab showed that disseminated infection with a high virulence strain of M. avium (25291), but not with a low virulence strain (2447), lead to a progressive thymic atrophy. Here we uncover a complex mechanism responsible for M. avium-induced premature thymic atrophy during which increased levels of corticosteroids synergize with nitric oxide produced by interferon gamma (IFNγ) activated macrophages. Following these results, we further show that IFNγ reduces the percentage of T cell progenitors in the bone marrow (BM). Furthermore, IFNγ also diminishes the ability of BM precursors to reconstitute the thymus of immune-compromised mice. Besides effects extrinsic to the thymus, we observed that thymic stroma from M. avium 25291 infected mice is not able to sustain T cell differentiation, even when BM precursors from uninfected mice are provided. Finally, M. avium 25291 infected mice present increased thymocyte death dependent on IFNγ and independent of caspase 3. The role of nitric oxide is still unclear, further study is needed to uncover if this mediator of premature thymic atrophy is acting directly or indirectly on the thymus or on the BM. IFNγ is the best-described T cell-derived cytokine known to be critical for host resistance against M. tuberculosis infection. However, improved protection against TB was not achieved when increased production of IFNγ was induced, indicating a role for additional meditators yet to be uncovered. IL-21 is produced predominantly by activated CD4+ T cells and has been shown to be very important during viral chronic infections and cancer. Here we show that IL-21 signaling plays a crucial role in T cell responses during M. tuberculosis infection by augmenting CD8+ T cell priming, promoting T cell accumulation in the lungs, and enhancing T cell cytokine production. In the absence of IL-21 signaling, more CD4+ and CD8+ T cells in chronically infected mice express the T cell inhibitory molecules PD-1 and TIM-3. Finally we correlate these immune defects with increased susceptibility of IL-21RKO mice, which have increased lung bacterial burden and earlier mortality compared to WT mice. A central function of CD4+ T cells is to regulate other components of the immune system during the immune response to pathogens. Little is known about the need for CD4+ T cell help during M. tuberculosis infection. As a cytokine mainly produced by CD4+ T cells and shown to be essential for CD8+ T cell immunity to TB, IL-21 is a strong candidate as mediator of CD4+ T cell help to CD8+ T cells during the immune response to M. tuberculosis infection. Here we present the development of a new and efficient model to study CD4+ T cell help during M. tuberculosis infection. Using this model we show that helped CD8+ T cells are more protective than the helpless ones, by reducing bacterial burden and increasing survival of M. tuberculosis infected immune-compromised mice. Finally this model allowed us to compare the expression profile between helped and helpless CD8+ T cells and we present a possible gene signature to identify when CD8+ T cells are or not being helped. The findings presented in this thesis contribute to a better understanding of T cell immunity to mycobacteria infections. They show the mechanisms responsible for M.aviuminduced thymic atrophy and uncover new T cell mediated immune responses that are essential for optimal immunity to TB. With these findings we provide new insights for the prevention and treatment of mycobacterial infections.

As infeções causadas por bactérias do género Mycobacterium são consideradas de grande ameaça à saúde mundial. O Mycobacterium tuberculosis é responsável pela doença denominada tuberculose (TB). Só em 2014, 9.6 milhões de pessoas ficaram doentes com TB e 1.5 milhões morreram com esta doença. Além da TB, há outras micobacterioses que no passado afectavam apenas pessoas com imunodeficiências (como por exemplo HIV/SIDA). Recentemente, a incidência destas micobacterioses tem vindo a aumentar mesmo em pessoas sem imunodeficiência reconhecida. Estas micobacterioses são causadas na maioria dos casos por bactérias pertencentes ao Complexo Mycobacterium avium como por exemplo M. avium. O estudo da resposta imunitária mediada por células T, bem como o estudo de alterações na diferenciação de células T, é de grande relevância para melhor percebermos como evitar e resolver infeções causadas por micobactérias. A infeção disseminada de ratinhos com a estirpe 25291 de M. avium provoca atrofia tímica, mas este fenómeno não é observado após infeção com a estirpe 2447. Nesta tese nós mostramos que a atrofia tímica resultante da infeção com M. avium é causada pela sinergia entre glucocorticoides circulantes com óxido nítrico produzido por macrófagos ativados por IFNγ. Na continuação destes resultados nós demonstramos que a ativação de macrófagos por IFNγ diminui a percentagem de precursores de células T na medula óssea (MO) e que o IFNγ diminui a capacidade dos precursores da MO de reconstituir o timo de ratinhos imunodeficientes. Além de alterações na MO, nós observamos que o estroma tímico de ratinhos infectados com M. avium 25291 apresenta uma capacidade diminuída de sustentar a diferenciação de células T, mesmo na presença de precursores oriundos de MO de animais não infectados. Por último, observamos um aumento de morte de timócidos em ratinhos infectados com M. avium 25291, a qual é dependente de IFNγ e independente de caspase-3. O mecanismo pelo qual o óxido nítrico é responsável pela atrofia tímica ainda está por desvendar. É necessário novos estudos para perceber se este mediador da atrofia tímica atua diretamente no timo ou na MO. O IFNγ é uma citoquina produzida por células T essencial para uma resposta imunitária eficaz à infeção por M. tuberculosis. Contudo, há pacientes que mesmo produzindo IFNγ, progridem para doença ativa ou permanecem latentes e não eliminam a bactéria. Além disso, estudos com o intuito de aumentar a produção de IFNγ não resultaram em aumento de proteção. Este facto indica a existência de outros mediadores ainda não conhecidos que desempenham papéis importantes na imunidade na TB. A IL-21 é uma citoquina produzida predominantemente por células T CD4+, e que é essencial durante a resposta imunitária contra doenças virais crónicas e cancro. Nesta tese nós mostramos que a sinalização via IL-21 é crucial para a resposta imunitária contra infeção por M. tuberculosis, aumentando o priming de células T CD8+, a sua acumulação no pulmão e a produção de citoquinas. Além disso, na ausência do receptor para IL-21, mais células T CD4+ e CD8+ expressam moléculas de inibição, nomeadamente PD-1 e TIM3, durante a fase crónica da infeção. Por último, ratinhos sem o receptor para IL-21 infectados com M. tuberculosis apresentam carga bacteriana mais alta e sobrevivem menos tempo que os ratinhos wild type. A função principal das células T CD4+ é auxiliar a resposta de outros componente do sistema imunitário. Contudo, ainda não é claro se as células T CD4+ auxiliam as células T CD8+ durante a resposta imunitária contra M. tuberculosis. O facto da IL-21 ser produzida por células T CD4+, e ser crucial para a resposta imunitária mediada por células T CD8+ durante a infeção por M. tuberculosis, faz desta citoquina um potencial candidato a mediador do auxilio provido por células T CD4+ às células T CD8+. Nesta tese nós apresentamos o desenvolvimento de um método novo para estudar o auxilio promovido pelas células T CD4+ durante a infeção por M. tuberculosis. Usando este novo método nós mostramos que as células T CD8+ auxiliadas protegem melhor que as não auxiliadas. Por fim, este método também permitiu a comparação do expressão transcripcional entre células T CD8+ auxiliadas e não auxiliadas e apresentamos aqui uma lista de genes que poderão ser usados para identificar se as células T CD8+ estão a ser auxiliadas ou não. Os resultados apresentados nesta tese contribuem para o melhor conhecimento da imunidade mediada por células T contra infeção por micobactérias assim como dos mecanismos responsáveis pela atrofia tímica na infeção por M. avium. Através da descrição de novos mecanismos de resposta imunitária mediada por células T contra infeção por M. tuberculosis abrimos novas linhas de estudo de prevenção e tratamento contra infeções micobacterianas. Pelo melhor conhecimento dos mecanismos responsáveis pela atrofia tímica em infeções crónicas podemos sugerir métodos de a prevenir.