Role of granulocyte macrophage-colony stimulating factor in differentiation and function of dendritic cells in the spleen

Abstract

다양한 유형의 면역 세포 중에서 수지상세포는 T 세포를 자극하 고 후천면역을 제어하는 주요 항원제시세포이다. 다양한 조혈 싸이 토카인이 수지상세포를 여러가지 하위 집단으로 분화하는데 관여 한다. Granulocyte Macrophage-Colony Stimulating Factor (GMCSF) 는 다양한 조혈세포 계통의 발달에 영향을 미치는 조혈 싸이 토카인이다. GM-CSF와 함께 골수세포를 배양하면 수지상세포를 포함한 다양한 골수 세포가 생성된다. 그러나 GM-CSF가 다른 기 관과 조직의 수지상세포에 미치는 영향은 명확하게 정의되지 않았 다. 이 연구에서는 체내 가장 큰 림프 및 혈액 여과 기관인 비장의 면역세포에 미치는 GM-CSF의 효과를 확인하였다. 비장세포를 GM-CSF 유무에 관계없이 배양하였을 때 T 세포, B 세포, 자연살상세포, 단핵구, 수지상세포를 포함한 대부분의 조혈세 포의 양이 점차 감소했다. 그러나 비장 호산구는 GM-CSF 배양에 서 10일 이상 완전히 생존했다. GM-CSF와의 배양 기간 동안 호산 구의 이동 능력은 유지되었지만 호산구의 증식을 촉진하지 않았으 며, 호산구에서의 과립 단백질의 발현은 억제되었다. 10 일 이상 GM-CSF로 비장 세포를 배양 (즉, 장기 배양)하면 CD11b+CD11c+ 세포가 생성되었으며, 그 중 MHCII 분자의 발현 수준 (즉, MCHIIlo, MCHIImid, 그리고 MCHIIhi)에 따라 3개의 집단 으로 나눌 수 있었다. GM-CSF와 함께 비장 세포의 장기 배양에서 생성된 CD11b+CD11c+ 세포는 FMS-like tyrosine kinase 3 ligand (FLT3L)와 FLT3 신호 전달과는 무관했다. 이 세 집단 중에서 CD11b+CD11c+MCHIIhi 세포는 수지상 형태, 약한 세포 내 이입 및 강한 항원 제시 능력을 가진 수지상세포로 확인되었다. 또한, GM-CSF와 함께 비장 세포의 장기간 배양에서 CD11b+CD11c+ MCHIIhi 수지상세포는 GM-CSF와 함께 골수세포를 1주일동안 배 양하여 생성된 골수세포유래 수지상세포만큼 효과적이고 기능적인 항원제시세포였다. 이러한 결과는 수지상세포가 GM-CSF 의존적 방식으로 비장 세포에서 천천히 새로 생성될 수 있음을 보여준다. 그 다음으로 생체내에서 GM-CSF 처리가 수지상세포의 개발에 미치는 영향을 조사하였다. C57BL/6에 GM-CSF를 전신적으로 처 리하였을 때 비장의 수지상세포가 극적으로 증가하였다. GM-CSF 에 대한 반응으로 XCR1-33D1- 세포가 비장의 수지상세포 게이트 내에서 새로 생성되었다. 새로운 비장 수지상세포의 하위 집단은 표면에서 CD115 및 CD301b를 높게 발현하였으며 혈액매개항원 에 대한 CD4+ T 세포의 반응을 촉진하였다. 따라서 GM-CSF에 대한 응답으로 생성된 새로운 CD115hiCD301b+ 수지상세포를 GM-CSF-유도-수지상세포 (GMiDCs)로 이름 지었다. 이 GMiDCs 는 수지상형태를 보유하고 수지상세포의 주요 특징인 큰 클러스터 를 형성하였다. 단일 세포 mRNA 서열 및 입양 세포 전달 분석을 통해 Ly6C+ 고전적 단핵구로부터의 GMiDCs의 분화를 확인하였다. GMiDCs의 분화를 위해서는 전구체 세포에서 GM-CSF 수용체의 cis 발현을 필요로 한다. 항원 제시에서 GMiDCs는 기존 수지상세 포보다 CD4+ T 세포를 더 효과적으로 활성화였으며 특히, GMiDCs는 2 형 도움 T (Th2) 세포를 분극화 하는데 있어 뛰어났 다. 알레르겐으로 유도된 기도 염증 및 과민증 마우스 모델에서 GMiDCs는 혈액매개알레르겐에 대한 전신 감작과 Th2 세포의 활 성화를 효율적으로 유도하였다. 전체적으로, 이 연구는 GM-CSF에 반응하여 새롭게 생성된 GMiDCs가 Th2 분극화 및 알레르기 민감성에서의 역할을 입증하 였다.

Among the various types of immune cells, dendritic cells (DCs) are major antigen presenting cells responsible for priming naïve T cells and controlling adaptive immunity. A variety of hematopoietic cytokines are involved in the differentiation of DCs into distinct subsets. Granulocyte macrophage-colony stimulating factor (GM-CSF) is a multifaceted hematopoietic cytokine that influences the development of various hematopoietic cell lineages. Culture of bone marrow (BM) cells with GM-CSF produces a variety of myeloid cells including DCs. However, the influence of GM-CSF on DCs in other organs and tissues has not been clearly defined. In this study, the effects of GM-CSF on immune cells in the spleen, the largest lymphoid and blood filter organ of the body, were investigated. When splenocytes were cultured with or without GM-CSF, the abundance of most hematopoietic cells, including T cells, B cells, NK cells, monocytes, and DCs, gradually decreased. However, splenic eosinophils fully survived in the culture with GM-CSF for more than 10 days. Throughout the culture of splenocytes with GM-CSF, the migration ability of eosinophils was sustained but the proliferation of eosinophils was not observed, and the expression of granule proteins was repressed in eosinophils. Culture of splenocytes with GM-CSF for more than 10 days (i.e., long-term culture) generated CD11b+ CD11c+ cells, which could be divided into three populations based on the expression levels of MHCII molecules (i.e., MHCIIlo, MHCIImid, and MHCIIhi). These CD11b+CD11c+ cells generated from the long-term culture of splenocytes with GM-CSF were independent of the signaling of FMS-like tyrosine kinase 3 ligand (FL3L) and FLT3. Among those three populations, the CD11b+CD11c+MHCIIhi cells were identified as DCs, which displayed dendritic morphology, weak endocytosis, and strong antigen presenting abilities. Besides, CD11b+CD11c+ MHCIIhi DCs from the long-term culture of splenocytes with GM-CSF were as effective and functional antigen presenting cells as BM-derived DCs generated from the culture of BM with GM-CSF for a week. These results demonstrate that DCs are generated de novo from the splenocytes slowly in a GM-CSF-dependent manner. Then the effect of GM-CSF treatment in vivo on the development of DCs was investigated. Systemic treatment of C57BL/6 mice with GM-CSF dramatically increased the abundance of splenic DCs. In response to GM-CSF, XCR1−33D1− cells were newly generated within the DC-gated cells in the spleen. This novel subset of splenic DCs highly expressed CD115 and CD301b on the surface and promoted the response of CD4+ T cells to blood-borne antigens. Therefore, CD115hiCD301b+ DCs generated in response to GM-CSF are named GM-CSF-induced-DCs (GMiDCs). These GMiDCs possessed dendritic morphology and formed large clusters, some of the key features of DCs. Single-cell mRNA sequencing and adoptive cell transfer analyses confirmed the differentiation of GMiDCs from Ly6C+ classical monocytes. For the differentiation of GMiDCs, the cis expression of the GM-CSF receptor in precursor cells were required. In antigen presentation, GMiDCs activated CD4+ T cells more effectively than classical DCs. Particularly, GMiDCs were superior in polarizing T helper type 2 (Th2) cells. In mouse models of allergen-induced airway inflammation and anaphylaxis, GMiDCs efficiently induced systemic sensitization to blood-borne allergens and activation of Th2 cells. All in all, this study discovered a novel subset of GMiDCs generated in response to GM-CSF and demonstrated the role of GMiDCs in Th2 polarization and allergic sensitization.