자가 항원에 의한 TCR 신호와 포도당 흡수의 음성 피드백 루프에 의한 TCR 레퍼토리 다양성의 유지에 관한 연구

Abstract

TCR 레퍼토리 (T cell receptor repertoire)의 다양성은 수많은 병원체에 대응하는데 필수적이다. 하지만 TCR 레퍼토리의 다양성이 장기간 유지되는 방법에 대해서는 정확히 알려진 바가 없다. 본 연구에서는 미접촉 (Naïve) CD8+ T 세포의 포도당 흡수 (glucose uptake)를 조절하는 특이적인 메커니즘을 밝혔고 이를 통해 TCR 레퍼토리의 다양성을 유지하는 방법을 설명하는 모델을 확립하였다. 먼저, 형광 포도당 유사체인 2NBDG를 사용하여 포도당 흡수가 높은 2NBDGhi 세포와 낮은 2NBDGlo 세포를 구분하였다. 이때, 미접촉 CD8+ T 세포에서 2NBDGhi와 2NBDGlo 세포 사이에 포도당 흡수가 특이적으로 큰 차이를 보였다. 이 차이는 자가 항원에 의한 TCR 신호 (TCR signaling by self-antigens; self-TCR signaling)에 의한 포도당 흡수 감소로 인해 발생하였다. 미접촉 CD8+ T 세포 간의 자가 항원에 대한 경쟁이 존재하여 경쟁에서 이긴 세포는 self-TCR signaling을 받아 2NBDGlo 세포가 되는 것과 경쟁에서 진 세포는 self-TCR signaling을 받지 못해 2NBDGhi 세포가 되는 것을 확인하였다. 놀랍게도, 미접촉 CD8+ T 세포는 2NBDGhi 또는 2NBDGlo 중 하나의 상태로 고정된 것이 아니라 두 상태를 번갈아 가며 변하는 것을 확인하였다. 이 독특한 포도당 흡수 능력이 어떻게 조절되는지 자세히 알아보기 위해 다음으로 self-TCR signaling이 포도당 흡수를 조절하는 방법을 조사했다. Self-TCR signaling은 포도당 수송체 (glucose transporter)의 양을 조절하지 않지만, p38 MAPK를 통해 포도당 수용체 중 하나인 Glut1을 세포막에서 세포 내로 수송 (trafficking)함으로써 포도당 흡수를 감소시켰다. 그다음으로 이렇게 밝혀낸 self-TCR signaling에 의한 포도당 흡수 조절과 기존에 잘 알려진 인터류킨-7 (Interleukin-7; IL-7)에 의한 포도당 대사 조절 사이의 관계를 조사했다. Self-TCR signaling은 포도당 흡수를 조절하는데 탁월한 능력을 보인 반면 IL-7은 해당 과정 (Glycolysis)과 TCA회로를 조절하였다. 이때, 강한 self-TCR signaling을 받아 생성된 2NBDGlo 세포가 IL-7 signaling 또한 강하게 받아 높은 해당과정을 보였다. Self-TCR signaling과 IL-7 signaling이 동일한 세포에서 동시에 높다는 사실은 fibroblastic reticular cells (FRCs)에서 self-antigen과 IL-7을 동시에 발현한다는 기존의 보고와 일치하였다. 이때, 앞서 확인한 포도당 흡수 능력은 FRCs로의 이동 (migration)에서 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 이를 앞의 결과와 종합하면 self-TCR signaling은 포도당 흡수를 감소시키는 반면 포도당 흡수는 FRCs로의 이동을 증가시켜 self-TCR signaling을 받을 수 있게 하며, 이로 인해 self-TCR signaling과 포도당 흡수 사이에 음성 피드백 루프 (negative feedback loop)가 형성된다. 마지막으로, 이 음성 피드백 루프를 사용하여 어떻게 미접촉 CD8+ T 세포가 2NBDGhi와 2NBDGlo 상태를 번갈아 가며 변할 수 있는지, 그리고 이러한 변화가 왜 CD8+ T 세포의 항상성을 유지하는데 중요한지 설명하는 모델을 확립하였다. 결론적으로, 본 연구에서는 self-TCR signaling이 미접촉 CD8+ T 세포의 포도당 흡수를 감소시키고 이것이 CD8+ T 세포의 항상성을 유지하는데 중요하다는 것을 보여주었다.

Maintaining diverse TCR repertoire is crucial for adaptive immune response against countless pathogens. However, how TCR repertoire diversity is maintained for long period of time remains elusive. In this study, I used fluorescent glucose analog 2NBDG to discover unique regulatory mechanism of glucose uptake of naïve CD8+ T cells which led to a model that describes how TCR repertoire diversity is maintained. First, single cell analysis using flow cytometry revealed that T cells have wide spectrum of glucose uptake unlike other immune cells. By comparing naïve CD8+ T cells with high glucose uptake (2NBDGhi) and low glucose uptake (2NBDGlo), I discovered that self-TCR signaling was making the difference between them by negatively regulating glucose uptake. Notably, glucose uptake of naïve CD8+ T cells was not fixed, but constantly changed between 2NBDGhi and 2NBDGlo phenotype. Next, I investigated how self-TCR signaling regulate glucose uptake. Interestingly, naïve CD8+ T cells regulated glucose uptake by Glut1 trafficking, not by modulating glucose transporter expressions. p38 MAPK played the central role in regulating Glut1 trafficking while self-TCR signaling decreased glucose uptake by inhibiting p-p38. Next, I compared these novel findings with IL-7 mediated glucose metabolism. Self-TCR signaling was more prominent regulator of glucose uptake than IL-7. Unexpectedly, 2NBDGlo cells showed higher OCR and ECAR compared to 2NBDGhi cells despite their low glucose uptake. I discovered that 2NBDGlo cells increased OCR and ECAR by receiving higher IL-7 signaling than 2NBDGhi cells. The co-incident of high self-TCR signaling and IL-7 signaling on 2NBDGlo cells reflected in vivo location of self-antigens and IL-7, the surface of fibroblastic reticular cells (FRCs). Importantly, glucose uptake increased CCL-19 dependent migration towards FRCs, increasing chance to contact self-antigens. Together with negative role of self-TCR signaling on glucose uptake, self-TCR signaling and glucose uptake forms a negative feedback loop. Using this negatively feedback loop, I propose a model that describes how naïve CD8+ T cells change between 2NBDGhi and 2NBDGlo phenotype, and how it supports maintenance of CD8+ T cell homeostasis. In conclusion, this study demonstrated that self-TCR signaling negatively regulate glucose uptake of CD8+ T cells and plays an important role in maintaining CD8+ T cell homeostasis.