Dietary components modulate the homeostasis of innate lymphoid cells in the small intestine

Abstract

ILCs는 박테리아 및 기생충 감염에 대한 숙주의 방어 면역 체계에 큰 역할을 할 뿐만 아니라, 장 조직의 항상성 유지에도 관여하는 림프구 유사성의 활성 세포로 알려져 있다. 또한, ILCs는 점막 조직에 주로 존재하며, 대표적인 조직으로는 소장 및 대장의 점막 고유층에 해당된다. ILCs는 대표적인 후천성 면역 세포인 CD4+ T cell의 활성 세포 아형들과 유사한 사이토카인 분비 패턴 및 전사 인자들을 발현하지만, CD4+ T cell의 활성 세포와의 가장 큰 차이점은 ILC는 항원 특이적인 리셉터를 발현하지 않는다는 점이 가장 큰 차이점이다. 이러한 이유로, ILC는 CD4+ T cell의 선천성 세포 버전 또는 CD4+ T cell의 원시 세포로 여겨지고 있다. ILC 집단은 특이적으로 발현하는 표면 지표, 전사 인자, 싸이토카인 분비 패턴에 따라서 type 1, type 2, type 17 ILC로 나뉠 수 있다. 현재까지 장에 존재하는 장내 미생물과 음식 유래 성분이 ILC의 발달 및 기능 유지의 항상성에 미치는 영향에 대해서는 밝혀진 바가 많지 않다. 그러므로, ILC의 점막 면역 반응에 대한 이해를 넓히기 위해서는 이에 대한 기능 연구가 많이 이루어져야 한다. 이를 규명하기 위하여, 본 실험에서는 일반 SPF (specific-pathogen-free) 마우스와 GF (germ-free, 무균) 마우스와, 그리고 무균의 환경에서 음식 유래 성분이 존재하지 않는 기초 아미노산만을 섭취한 AF 마우스를 정립하였다. 간결하게 설명하자면, AF 마우스는 장내 미생물 및 음식 유래 성분이 존재하지 않는 마우스를 일컫는다. 먼저, SPF 마우스, GF 마우스 그리고 AF 마우스의 소장 점막 고유층에 존재하는 ILC 아형들을 분석을 진행하였다. 결론적으로 기초 아미노산만을 섭취한 AF 마우스가 정상 음식을 섭취한 GF 마우스와 비교 분석 시, CD4+ T cell의 아형인 TH2와 유사한 type 2 ILC의 수가 급격히 증가되어 분포하고 있음을 확인하였다. AF 마우스에 수적으로 증가된 type 2 ILC는 기능 연구에 있어서도 유의성 있게 많은 양의 TH2 사이토카인 (IL-5 그리고 IL-13)들을 분비한다는 것을 입증할 수 있었다. 이 외에도, AF 유래의 type 2 ILC가 활성 초기 단계에 발현된다고 알려진 활성 상태 지표인 CD69가 유의성 있게 높은 발현량을 가지고 있음을 또한 확인할 수 있었다. 총체적으로 종합해 보았을 때, 본 연구에서 음식 유래 성분의 부재가 소장 점막 조직에서 type 2 ILC의 수를 증가시킬 뿐만 아니라, 활성도 또한 증가시키는 현상을 관찰하였다. 이러한 type 2 ILC의 증가된 기능 활성과 연관 지어, 기존에 알려진 type 2 ILC의 활성을 유발하는 매개체인 IL-25, IL-33, 그리고 TSLP (thymic stromal lymphopoietin)와의 상관 관계에 대해 규명하고자 mRNA 양을 비교하는 실험을 진행하였다. 결론적으로, AF 마우스의 소장 조직 그리고 좀 더 구체적으로 장 상피 세포에서 상대적으로 높은 발현량의 IL-25의 mRNA를 가지고 있음을 도출할 수 있었다. IL-25는 선행 연구에서 장 상피 세포에 존재하는 tuft cell에서 주로 분비함을 밝힌 바가 있다. 이러한 연유로, tuft cell에 특이적인 지표인 Trpm5 그리고 Dclk1의 발현 량을 비교하였을 때, 이 지표들 또한 기초 아미노산만을 섭취해 온 마우스에 현저히 증가되어 있음을 발견하였다. 결론들을 종합하였을 때, 음식 유래 성분이 존재하지 않는 기초 아미노산의 섭취는 마우스의 소장에서 tuft cell-type 2 ILC의 circuit을 활성 시킴을 도출 할 수 있다. AF 마우스에서 IL-25가 type 2 ILC의 수 적 증가 및 기능 활성에 직접 관여하는 매개체임을 증명하기 위해, 전형적인 IL-25의 신호를 억제하였을 때, 음식 유래 성분이 풍부한 정상 마우스와 유사한 ILC의 특징을 가지고 있음을 확인하였다. 이는 음식 유래 성분의 부재가 tuft cell에서 유래되는 IL-25의 증가와 함께 type 2 ILC 면역 반응을 증강시킴을 유추할 수 있다. 그리고 정상 음식에 풍부하게 존재하는 6가지 음식 유래 성분만으로 유효하게 ILC의 항상성에 크게 기여한다는 결과 또한 확인하였다. 결론적으로, 본 연구를 통해 소장에 풍부하게 존재하는 음식 유래 성분들이 점막 고유층에 존재하는 ILC의 발달/ 기능의 항상성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있게 되었다.

ILCs are recently discovered heterogeneous populations of lymphoid effector cells. They are mostly found in the mucosal tissues and display several important functions, including regulation of intestinal homeostasis, resistance to parasitic worm and bacterial infections. ILCs appear to be primordial precursor of T cells, as they lack the diversified antigen-specific receptor, but closely resemble effector CD4+ T cell subsets in terms of cytokine profiles and transcription factors. ILCs are comprised of distinct subtypes- namely, type 1 ILCs, type 2 ILCs, and type 3 ILCs on the basis of functional surface markers, transcription factors, and cytokine profiles. The precise roles of commensal microbiota and dietary macromolecules in the intestinal homeostasis of ILCs remain to be elucidated for our understanding of the mucosal immunity. To address this issue, I have examined small intestinal ILCs in specific-pathogen-free (SPF), germ-free mice (GF) and elemental amino-acid diet-fed mice (AF) mice that are devoid of both commensal bacteria and dietary macromolecules. I found that ILC3s are partially depleted in GF mice. By contrast, AF mice were found to have a dramatically elevated number of type 2 ILCs resulting in increased TH2-associated effector cytokines (IL-5 and IL-13). Moreover, I found that CD69 expression as an early inducible activation marker was upregulated on type 2 ILCs of AF mice compared with those of SPF and GF mice. These results highlight that deprivation of dietary macromolecules activated type 2 ILCs in AF mice. Type 2 ILCs upregulate CD69 in AF mice and I checked if it is a result of cytokine signaling that activate type 2 ILCs such as IL-25, IL-33 and TSLP (thymic stromal lymphopoietin). Indeed, my findings did reveal that there was a marked increase in the mRNA levels of IL-25 in AF mice compared with those of SPF and GF mice in intestinal epithelial cells. Allegedly, IL-25 is constitutively secreted by tuft cells in intestinal villus epithelium and I confirmed that tuft cell-specific markers including Trpm5 and Dclk1 were also upregulated in epithelial layers indicating they expanded in AF condition and provided IL25 for ILC2 proliferation. Importantly, the inhibition of canonical IL-25-mediated signaling did selectively restore the normal composition of type 2 and type 3 ILCs in AF mice. Finally, I defined 6 dietary components in chow diet restrained aberrant expansion and activation of type 2 ILCs and tuft cells. Collectively, I showed that the absence of dietary macromolecules activates the tuft cell-ILC circuit at the steady state and highlighted the role of dietary components in controlling maintenance and homeostasis of ILCs.