Dendritic cell-development in steady-state and inflammation

Abstract

Dendritic cells (DC), the major antigen-presenting cells, continuously need to be regenerated from bone marrow (BM) hematopoietic stem and progenitor cells (HSPC). What intermediate progenitors exist on the way to DC generation and what external factors act on these in steady-state and during inflammation, has not been addressed in detail. Flt3L is a non-redundant cytokine in DC development and the generation of DCs was shown to proceed along both Flt3+ common lymphoid and common myeloid progenitors. Two important additional cytokines known to be involved in DC generation are GM-CSF and M-CSF. In lymphoid organs, the two main DC subsets are plasmacytoid (pDC) and classical DCs (cDC). We identified a common Flt3+ M-CSFR+ DC progenitor (CDP) in the BM of mice, which on a single cell level gave rise to pDC and cDC in vitro and in vivo efficiently generated pDCs and cDCs in BM, spleen, and lymph nodes (LN), but no other cell types. Generating mice deficient in both Flt3L and GM-CSF revealed that the combined action of these two cytokines is required for the maintenance of DC progenitors and the generation of some DCs in the dermis. Integrating the most recent findings, we propose a refined model, in which the availability of cytokines in microenvironments and the expression of cytokine receptors determines instructive DC lineage commitment from upstream progenitors. During infectious challenges, cells expressing Toll-like receptors (TLR) can sense the presence of pathogens, secrete inflammatory cytokines, and influence hematopoietic development to meet urgent needs. In addition to cells of the immune system, non-hematopoietic stromal cells express TLRs. We found that stromal cells isolated from the BM express several TLRs, in particular TLR4. Investigating the biological impact of stromal expressed TLR4 in vivo, we found that upon stimulation with TLR4 agonists the stroma compartment contributed to a greater extent to the secretion of G-CSF, the increase of myeloid progenitors, and the enhanced production of myeloid cells than hematopoietic cells did. BM stromal cells further increased the secretion of M-CSF and GM-CSF. Besides mature immune cells and stroma components, recent data suggest that progenitor cells themselves express TLRs. We were the first to investigate TLR expression on DC-restricted progenitors and found relative high expression of Tlr2, Tlr4, and Tlr9 mRNA by CDPs. Upon TLR-activation in vitro, CDPs rapidly down-regulated CXCR4 and upregulated CCR7. When blocking CXCR4 in vivo, CDP were mobilized from the BM and upon adoptive transfer, CDP-derived DCs specifically increased in inflamed LNs. These findings suggest a novel TLR-mediated mechanism regulating DC progenitor migration and recruitment to sites of inflammation via the differential expression of chemokine receptors. This could help to restore sufficient DC numbers in reactive LNs. Together, our data shed light on the regulatory mechanisms that lead to the generation of specific DC subsets from intermediate progenitors. This information may help future research to more specifically modulate immune responses and treat human disease.

Dendritische Zellen (DC) sind die maßgeblichen antigenpräsentierenden Zellen und müssen aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer permanent durch differenzierende hämatopoetische Stamm- und Vorläuferzellen aus dem Knochenmark ersetzt werden. Welche schrittweise aufeinanderfolgenden Vorläufer für dendritische Zellen existieren und welche Faktoren auf diese Vorläufer im Grundzustand oder während einer Entzündung einwirken, ist bisher nicht im Detail bekannt. Ein für die Entwicklung von dendritischen Zellen im Grundzustand erforderliches Zyotkin ist Flt3L und dendritische Zellen differenzieren sowohl von lymphoiden, als auch von myeloiden Vorläuferzellen, die den entsprechenden Rezeptor Flt3 exprimieren. Darüber hinaus sind die Zytokine GM-CSF und M-CSF für die Entwicklung von dendritischen Zellen von Bedeutung. Dendritische Zellen werden innerhalb der lymphatischen Gewebe in die Hauptgruppen klassische (cDC) und plasmazytoide dendritische Zellen (pDC) eingeteilt. Unsere Forschungsgruppe identifizierte gemeinsamen Flt3+ M-CSFR+ Vorläuferzellen (CDP) im Knochenmark von Mäusen, von denen einzelne Zellen sowohl cDC als auch pDC in vitro generieren können. In vivo bilden CDP effizient cDC und pDC im Rückenmark, in der Milz und in den Lymphknoten, sie produzieren jedoch keine anderen Zelltypen. Untersuchungen an Mäusen mit einem Defekt in den Genen für beide Zytokine Flt3L und GM-CSF, haben gezeigt, dass die Kombination beider Zytokine sowohl an der Bildung von DC-Vorläufern, als auch an der Bildung einer bestimmten DC-Untergruppe in der Dermis beteiligt ist. Aufgrund dieser Erkenntnisse schlagen wir ein neues Modell vor, welches besagt, dass zum einen die Zahl der von DC-Vorläufern exprimierten Zytokinrezeptoren und zum anderen die Verfügbarkeit verschiedener Zytokine in der unmittelbaren Umgebung von DC-Vorläufern ihre Entwicklung maßgeblich bestimmen. Weitere Rezeptoren, sogenannte Toll-like Rezeptoren (TLR), ermöglichen eine direkte Erkennung von Pathogenen während einer Infektion. Wenn Zellen über TLR aktiviert werden, produzieren sie vermehrt entzündungsfördernde Zytokine. Diese beeinflussen indirekt die Blutbildung von Vorläuferzellen im Knochenmark, um den besonderen Bedürfnissen während einer Infektion optimal gerecht zu werden. Es ist bekannt, dass außer Immunzellen auch nicht-hämatopoetische Stromazellen TLR exprimieren. Unsere eigenen Untersuchungen haben ergeben, dass Stromazellen, die aus dem Knochenmark isoliert wurden, verschiedene TLR exprimieren, insbesondere TLR4. Wir untersuchten chimäre Mäuse, die einen Defekt in TLR4 entweder im hämatopoetischen System, oder im Stroma trugen. Dabei zeigte sich, dass die Expression von TLR4 auf Stromazellen stärker zur Sekretion von G-CSF, zum Anstieg von myeloiden Vorläuferzellen und zur erhöhten Produktion von myeloiden Zellen beitrug, als es TLR4 Expression auf hämatopoetischen Zellen tat. Außerdem produzierten Stromazellen aus dem Knochenmark nach TLR-Stimulation vermehrt M-CSF und GM-CSF, was zur erhöhten Bildung von dendritischen Zellen führen könnte. Neben reifen Immunzellen und Stromazellen weisen neueste Daten darauf hin, dass Vorläuferzellen selbst TLR exprimieren. Wir untersuchten die Expression von TLR auf den neu identifizierten CDP und wiesen eine relativ hohe Expression von mRNA für Tlr2, Tlr4 und Tlr9 im Vergleich zu anderen Vorläuferzellen nach. Um die biologische Relevanz ihrer TLR-Expression zu untersuchen, stimulierten wir CDP mit den entsprechenden TLR-Agonisten und fanden starke Effekte in der differenziellen Regulation von Chemokinrezeptoren, welche die Zellwanderung regulieren. Zwei wichtige Chemokinrezeptoren sind CXCR4, das Vorläuferzellen im Knochenmark festhält, und CCR7, das für die Wanderung von dendritischen Zellen und T-Zellen zu den Lymphknoten essentiell ist. Nach nur zwölf Stunden Stimulation mit TLR-Agonisten in vitro regulierten CDP CXCR4 herunter und regulierten gleichzeitig CCR7 herauf. Wir injizierten in vivo den CXCR4-Antagonisten AMD3100 und fanden eine rasche Mobilisierung von CDP aus dem Knochenmark in den Blutstrom, in die Milz und in die Lymphknoten. Außerdem transplantierten wir CDP und stellten fest, dass CDP achtmal mehr dendritische Zellen in entzündeten Lymphknoten als in Kontrolllymphknoten bildeten. Diese Ergebnisse deuten auf einen bisher unbekannten TLR-abhängigen Mechanismus hin, der die Wanderung von DC-Vorläufern durch eine differentielle Expression von Chemokinrezeptoren reguliert. Dabei führt eine Ausbreitung von Pathogenen zur direkten Stimulation von Vorläuferzellen im Knochenmark, zu ihrer Mobilisierung in den Blutstrom und zu ihrer Rekrutierung in entzündete Lymphknoten. Insgesamt wird so die Zahl von dendritischen Zellen während einer Immunantwort reguliert.