Novel insights on microbiota and metabolic parameters contributing to immunological tolerance.

Abstract

With the continuous communications between host and commensals the immune identity is rapidly transforming into fluid than being encompassed in defined borders. CD4+FOXP3+ regulatory T cells and IL-10 producing CD4+FOXP3- type 1 regulatory T cells are major players in maintaining dominant immune tolerance against self-antigens as well as microbes. Clonal proliferation and upregulation of effector functions are indispensable to achieve the sensitivity and specificity of adaptive immune response. These energy expensive processes entail conspicuous metabolic rearrangements in Immune cells to meet the energy demands. Both CD4+ effector T cells and CD8+ cytotoxic T cells are reported to switch to aerobic glycolysis from a minimum mixed fuel oxidative phosphorylation in naive T cells. Unlike CD4+ effector T cells, CD4+Foxp3+ regulatory T cells (Tregs) are shown to upregulate the fatty acid oxidation instead of aerobic glycolysis in in vitro cultures. Here, we have found, in contrast, that in vivo Tregs also upregulate aerobic glycolysis and are dependent on glucose upon activation. Also, huge deposits of glycogen in cytoplasm of in vivo activated Tregs (aTregs) were found. Gene expression analyses revealed higher expression of high efficiency 4 glucose transporter GLUT3 in Tregs, which becomes further accentuated in Tregs infiltrating transplanted tumors. By membrane protein immunoprecipitation and imaging, we have shown that GLUT3 are on the cell plasma membrane of aTregs. Also, by functional uptake of glucose analogue, we show that surface GLUT3 in aTregs increase the glucose flux. Treg specific deletion of GLUT3 leads to reduced glycolysis in aTregs and in mouse models of transplanted melanoma, GLUT3 deficient Tregs are functionally subdued and hence, the melanoma growth is suppressed. Thus, high glucose flux modulated by GLUT3 transporters is a major mechanism by which Tregs acquire an effector phenotype. Precise knowledge of metabolism and activation induced metabolic switch is essential to understand basic Treg biology and can be effectively used in treatment of autoimmune disorders and graft versus host diseases. The importance of this information is manifold for cancer immunotherapy where Tregs are shown to thwart most of the effector immune responses. We also devise a mechanism to identify immunoregulatory microbes which can communicate with host immune system to establish immune tolerance. By establishing an in vitro screening system, we identified an immunoregulatory bacterium, Lactobacillus pentosus KF340, present in various fermented foods. L. pentosus KF340 induced a regulatory phenotype in mice antigen presenting cells which, in turn, induced IL-10 and IFN-γ producing Type 1 regulatory T cells from naïve CD4+ T cells. L. pentosus KF340 treated naïve CD4+T cells highly expressed cytokine receptor IL-27R and were CD49b and LAG3 double positive. Oral administration of L. pentosus KF340 in mice with atopic dermatitis reduced cellular infiltration in affected ear lobes and serum IgE levels, thus, ameliorating the disease symptoms. This suggests a systemic immunoregulatory effect of L. pentosus KF340. These findings demonstrate that L. pentosus KF340, a bacterium derived from food, prevents systemic inflammation through the induction of IL-10 producing Type 1 regulatory T cells.

숙주와 공생 사이의 지속적인 통신으로, 면역 정체성은 정의 된 경계에 포함되는 것보다 빠르게 유동적으로 변하고있다. CD4 + FOXP3 + 조절 T 세포 및 IL-10 생성 CD4 + FOXP3- 타입 1 조절 T 세포는 미생물뿐만 아니라 자기-항원에 대한 지배적 인 면역 내성을 유지하는데 주요한 역할을한다. 이펙터 기능의 클론 증식 및 상향 조절은 적응성 면역 반응의 민감성 및 특이성을 달성하는 데 필수적이다. 이러한 에너지 고가의 공정은 에너지 요구를 충족시키기 위해 면역 세포에서 눈에 띄는 대사 적 재 배열을 수반한다. CD4 + 이펙터 T 세포 및 CD8 + 세포 독성 T 세포 둘다는 순진한 T 세포에서 최소 혼합 연료 산화 인산화로부터 호기성 당분 해로 전환되는 것으로보고되었다. CD4 + 이펙터 T 세포와는 달리, CD4 + Foxp3 + 조절 T 세포 (Treg)는 시험 관내 배양에서 호기성 당분 해 대신 지방산 산화를 상향 조절하는 것으로 나타났다. 여기, 반면에, 우리는 생체 조건 Tregs 호기성 glycolysis upregulate 및 활성화시 포도 당에 따라 발견. 또한, 생체 내 활성화 된 Treg (aTreg)의 세포질에서 글리코겐의 거대한 침착 물이 발견되었다. 유전자 발현 분석은 Tregs 에서 고효율 글루코스 수송 체 GLUT3 의 더 높은 발현을 나타내었고, 이는 Tregs 에 이식 된 종양을 더욱 강조시켰다. 막 단백질 면역 침전 및 영상화에 의해, GLUT3이 aTregs의 세포 원형질 막 상에 있음을 보여 주었다. 또한, 포도당 유사체의 기능적 흡수에 의해, aTregs 의 표면 GLUT3 가 포도당 플럭스를 증가시키는 것으로 나타났다. GLUT3 의 Treg 특이 적 결실은 aTregs 및 이식 된 흑색 종의 마우스 모델에서 당분 해를 감소시키고, GLUT3 결핍 Treg 는 기능적으로 정복되어 흑색 종 성장이 억제된다. 따라서, GLUT3 수송 체에 의해 조절 된 높은 글루코스 플럭스는 Tregs 가 이펙터 표현형을 획득하는 주요 메커니즘이다. 대사 및 활성화 유도 대사 스위치에 대한 정확한 지식은 기본 Treg 생물학을 이해하는 데 필수적이며자가 면역 장애 및 이식편 대 숙주 질환의 치료에 효과적으로 사용될 수 있습니다. 이 정보의 중요성은 Treg 가 대부분의 이펙터 면역 반응을 방해하는 것으로 밝혀진 암 면역 요법에 대한 매니 폴드입니다. 우리는 또한 면역 관용을 확립하기 위해 숙주 면역 시스템과 통신 할 수있는 면역 조절 미생물을 식별하는 메커니즘을 고안한다. 시험 관내 스크리닝 시스템을 확립함으로써, 본 발명자들은 다양한 발효 식품에 존재하는 면역 조절 박테리아, 락토 바실러스 L. pentosus KF340 을 확인 하였다. L. pentosus KF340 은 생쥐 CD4 + T 세포로부터 타입 1 조절 T 세포를 생성하는 IL-10 및 IFN-γ를 유도하는 마우스 항원 제시 세포에서 조절 표현형을 유도 하였다. L. pentosus KF340 처리 된 나이브 CD4 + T 세포는 사이토 카인 수용체 IL-27R 을 고도로 발현 시켰으며 CD49b 및 LAG3 이중 양성이었다. 아토피 성 피부염이있는 마우스에서 L. pentosus KF340 을 경구 투여하면 영향을받은 귀엽과 혈청 IgE 수준에서 세포 침윤이 감소하여 질병 증상이 개선되었습니다. 이것은 L. pentosus KF340 의 전신 면역 조절 효과를 시사한다. 이러한 발견은 음식으로부터 유래 된 박테리아 인 L. pentosus KF340 이 IL-10 생산 유형 1 조절 T 세포의 유도를 통해 전신 염증을 예방한다는 것을 입증한다.