Aangeboren en adaptief immuunsysteem: een evolutionair continuüm in de reactie van de gastheer op pathogenen (deel 2)

Neem voor meer informatie contact op metdavid.wan@wecistanche.com

Centraal versus weefsel aangeboren immuunsysteem

Om de mechanismen te begrijpen die verantwoordelijk zijn voor de inductie van getrainde immuniteit, moeten we de twee niveaus definiëren waarop getrainde immuniteit werkt. Het eerste niveau wordt vertegenwoordigd door de celpopulaties die herprogrammering ondergaan (bijv.hematopoëtische stamcelvoorlopers;zie hieronder), en het tweede niveau zijn de intracellulaire processen die verantwoordelijk zijn voor de herprogrammering van elke cel (bijv. epigenetische en metabole herprogrammering van de cel; zie Epigenetische mechanismen bemiddelen inductie van aangeboren immuungeheugen).

Aangezien de overgrote meerderheid van myeloïde cellen, zoals monocyten, granulocyten en dendritische cellen, een korte levensduur hebben, rijst de vraag hoe aangeboren immuuncellen het waargenomen aangeboren immuungeheugenfenotype behouden en voortplanten na hun eigen levensduur gedurende een periode van maximaal tot 3 maanden en langer. Verschillende baanbrekende studies hebben licht geworpen op enkele van de mechanismen die bijdragen aan deze processen. Specifiek werd aangetoond dat systemische toepassing van de schimmelcelwandcomponent -glucaan leidt tot een modulatie van de transcriptomische, metabolomische en functionele eigenschappen van de hematopoëtische progenitorcascade in het beenmerg, wat op zijn beurt meer myeloïde cellen genereert met een snellere kinetiek bij ten koste van de lymfoïde lijn (Mitroulis et al, 2018). Mechanistisch gezien werden deze effecten toegeschreven aan IL1- en GM-CSF-signaleringsgebeurtenissen, met inductie van cholesterolmetabolisme en verbeterde glycolyse, wat leidde tot een robuustere productie van myeloïde effectorcellen bijLPS heruitdaging. Vergelijkbare onderzoeken bij muizen die met BCG waren geïnjecteerd, toonden het effect aan van vaccinatie op het hermodelleren van myelopoëse, dat op zijn beurt een verbeterde aangeboren afweer van de gastheer tegen mycobacteriën bemiddelt (Kaufmann et al., 2018). Bovendien zijn in een model van door vetrijke voeding geïnduceerde aangeboren immuuntraining vergelijkbare effecten op de myelopoëse aangetoond, wat de mogelijk schadelijke effecten van levensstijl op de reactiviteit van het immuunsysteem benadrukt, wat ten minste gedeeltelijk de waargenomen fenotypes van immuunactivatie verklaart. bij obese personen (Christ et al., 2018).

Tot nu toe hebben studies alleen de effecten van systemisch toegepaste trainingsstimuli opgehelderd. Fysiologisch gezien lijkt lokale aangeboren immuuntraining echter zeer waarschijnlijk, aangezien de longen, de slijmvliezen of de huid regelmatig worden blootgesteld aan een breed scala aan microbiële bestanddelen. Inderdaad, aangeboren immuuntraining kan worden geïnduceerd in een huidwondgenezingsmodel door gebruik te maken van plaatselijke toediening van het TLR3-ligand Poly I:C, wat leidt tot een verbeterd vermogen om de huid te regenereren na een verwonding. Dit proces van verbeterd wondherstel was afhankelijk van aanhoudende signalering van AIM2 in het reservoir van epitheliale stamcellen in het aangetaste gebied van de huid, wat duidelijk aantoont dat aangeboren immuuntraining ook lokaal kan worden opgewekt, onafhankelijk van immuuncellen (Naik et al, 2017 ). Bovendien suggereren eerdere studies over de long dat aangeboren immuuncellen in de long inderdaad in staat zijn om hun ontstekingsgeschiedenis te onthouden. Onderzoek naar het effect van twee niet-gerelateerde opeenvolgende virale infecties, LCMV en influenza A-virus, toonde duidelijk aan dat een eerste infectie het vermogen uitoefent om een ​​secundaire aangeboren immuunrespons te veranderen, wat wijst op een mate van aangeboren immuuntraining in deze modellen van virale infecties (Mehta et al. al, 2015). Naast de verdediging van de gastheer, moeten de gevolgen van lokale aangeboren immuuntraining of inflammatoir geheugen voor de ontwikkeling van auto-immuun- en auto-inflammatoire aandoeningen nog worden onderzocht. Onlangs heeft een onderzoek het belang benadrukt van voorafgaande immuunactivering op de ontwikkeling van astma in het kader van een latente gammaherpesvirus-infectie, die op zijn beurt de getroffen muizen beschermde tegen de ontwikkeling van allergisch astma (Machiels et al, 2017). Interessant genoeg ging dit beschermende fenotype gepaard met een vervanging van de embryonale alveolaire macrofaagpool door van monocyten afgeleide alveolaire macrofagen die een immuunregulerend fenotype vertonen, waardoor de vraag rijst welke rol weefsel-residente macrofagen spelen bij de inductie en/of het onderhoud van orgaanspecifieke aangeboren immuuntraining.

Samengevat leveren deze onderzoeken bewijs dat het aangeboren immuungeheugen in vivo wordt geïnduceerd in twee hoofdcompartimenten: centraal in het beenmerg dat het functionele programma van voorlopers van immuuncellen beïnvloedt, en perifeer in de weefsels. Vooral weefsels die aan de buitenwereld worden blootgesteld, bezitten het vermogen om een ​​aangeboren immuuntrainingsreactie op te bouwen. Dit roept de vraag op hoe dit proces wordt gebalanceerd om een ​​verbeterde afweer van de gastheer te bieden en de ontwikkeling van auto-inflammatoire aandoeningen tegen te gaan.

Klik hier voor meer informatie over Cistanche

Epigenetische mechanismen bemiddelen inductie van aangeboren immuunsysteem

Het centrale kenmerk van getrainde aangeboren immuuncellen is het vermogen om een ​​kwalitatief en kwantitatief verschillende transcriptionele respons op te bouwen wanneer ze worden uitgedaagd met microben of gevaarsignalen. Bewijs ondersteunt de convergentie van meerdere regulerende lagen voor het mediëren van aangeboren immuungeheugen, inclusief veranderingen in de chromatine-organisatie, DNA-methylatie en waarschijnlijk niet-coderende RNA's zoalsmicroRNA's(miRNA's) en/of lang niet-coderend RNA (ncRNA's). In myeloïde cellen zijn veel loci die coderen voor ontstekingsgenen in een onderdrukte configuratie tijdens homeostase (Ramirez-Carrozzi et al.,2006,2009; Saccani et al., 2001). Bij primaire stimulatie is er een sterke winst in de toegankelijkheid van chromatine, verhoogde acetylering en rekrutering van RNA-polymerase II. Deze veranderingen worden aangedreven door de rekrutering van stimulatie-responsieve transcriptiefactoren (bijv. NF-kB, AP-1 en STAT-familieleden) naar enhancers en genpromoters, die meestal vooraf worden gemarkeerd door afstammingsbepalende transcriptiefactoren zoals PU.1 (Barozzi et al., 2014; Ghisletti et al., 2010; Heinz et al, 2010; Smale en Natoli, 2014). Op hun beurt controleren transcriptiefactoren de rekrutering van co-activators (inclusief histonacetyltransferasen en chromatine-remodelers) (Ramirez-Carrozziet al., 2009; Ramirez-Carrozziet al., 2006) die chromatine lokaal modificeren om het toegankelijker te maken voor de transcriptionele machinerie. Handhaving van een dergelijke verbeterde toegankelijkheid ligt ten grondslag aan de efficiëntere inductie van genen bij herstimulatie (Foster et al., 2007). Een interessant paradigma wordt geleverd door latente of de novo versterkers (Kaikkonen et al, 2013; Ostuni et al., 2013); dit zijn genomische regulerende elementen die niet-gemarkeerd zijn in niet-gestimuleerde cellen maar histon-modificaties krijgen die kenmerkend zijn voor versterkers (zoals monomethylering van histon H3 op K4, H3K4me1) alleen als reactie op specifieke stimuli. In vitro, na verwijdering van de stimulus, behoudt een fractie van latente versterkers hun gemodificeerde histonen en kan een sterkere activering ondergaan als reactie op herstimulatie (Ostuni et al., 2013).

Recente studies hebben de veranderingen inepigenomische programma'sin aangeboren immuuncellen tijdens inductie van getrainde immuniteit. Een vroege studie suggereerde dat veranderingen in de epigenetische status ten grondslag liggen aan de onderdrukking van ontstekingsgenen tijdens LPS-tolerantie (Foster et al, 2007). Daarentegen werden tijdens LPS-tolerantie de genen die betrokken zijn bij antimicrobiële reacties ofwel niet beïnvloed, of hun expressie was verhoogd (Fos-ter et al., 2007). Op zijn beurt moduleerde blootstelling van monocyten/macrofagen aan C.albicans of -glucan hun daaropvolgende respons op stimulatie met niet-verwante pathogenen of PAMP's, en het veranderde functionele landschap van de getrainde monocyten ging gepaard met door epigenetische herprogrammering (Quintin et al, 2012; Saeed et al., 2014). Van BCG-vaccinatie is ook aangetoond dat het resulteert in een toename van ontstekingsmediatoren in monocyten van gezonde vrijwilligers, wat correleerde met parallelle veranderingen in histon-modificaties geassocieerd met genactivering (Arts et al.,2018; Kleinnijenhuis et al.,2012), evenals met veranderingen in het patroon van DNA-methylatie (Verma et al.,2017).

Net als bij monocyten en macrofagen gaat de inductie van CMV-geïnduceerd NK-celgeheugen gepaard met dynamische veranderingen in de chromatinestructuur (Lau et al., 2018) en is deze ten minste gedeeltelijk afhankelijk van epigenetische herprogrammering, die verband houdt met verminderde expressie van de transcriptiefactor promyelocytische leukemie-zinkvinger (PLZF) (Schlums et al, 2015) en het tyrosinekinase SYK (Lee et al, 2015). Interessant is dat een recente vergelijkende studie van het genoombrede niveau van de chromatinestructuur in mCMV-geïnduceerde geheugen-NK- en CD8T-cellen onthulde dat epigenetische handtekeningen van NK- en CD8-T-cellen, hoewel zeer verschillend in naïeve cellen, vergelijkbaar worden in effector- en geheugencellen. Van de weinige genen die epigenetische en transcriptionele programma's in geheugen NK- en CD8 T-cellen (bijvoorbeeld Bach2, Tcf7 en Zeb2) delen (bijvoorbeeld Bach2, Tcf7 en Zeb2) is bekend dat ze de differentiatie van CD8 T-cellen naar geheugenfenotype aansturen, wat suggereert dat gemeenschappelijke epigenetische mechanismen ten grondslag liggen aan geheugenvorming in adaptieve en aangeboren immuuncellen (Lau et al., 2018). Menselijke CMV stimuleert ook epigenetische imprinting van de IFNG-locus in NK-cellen, wat leidt tot consistente IFNy-productie in NKG2C (hi) NK-cellen, wat een moleculaire basis vormt voor het adaptieve kenmerk van deze cellen (Luetke-Eversloh et al., 2014).

Er kan dus worden geconcludeerd dat epigenetische herbedrading het moleculaire substraat is dat aan de basis ligt van de verbeterde respons van aangeboren immuuncellen op een secundaire stimulatie (Figuur 3).

Klassiek adaptief immuunsysteem

Veranderingen in de chromatinestructuur gaan niet alleen gepaard met de vorming van aangeboren immuungeheugen, maar ook met adaptief immuungeheugen. Het adaptieve immuunsysteem bestaat uit B- en T-lymfocyten, die in hoge mate tot expressie brengenantigeen-specifieke receptoren, namelijk B-celreceptor (BCR) en T-celreceptor (TCR) die tevoorschijn komen tijdens somatische genrecombinatie (Figuur 4), een kenmerk dat uniek is voor deze cellen. Er zijn uitstekende recensies geschreven over de rol van T- en B-cellen tijdens een immuunrespons (De Silva en Klein, 2015; Kurosakiet al., 2015) en de ontwikkeling van het geheugen van T- en B-cellen zodra een immuunreactie is opgelost. Meer recentelijk zijn geheugen T- en B-cellen verder onderverdeeld op basis van hun locatie en differentiële functionaliteiten (Jameson en Masopust, 2018; Kumar et al., 2018).

Hoewel noch naïeve, noch geheugen-T- en B-cellen effectormoleculen tot expressie brengen en ze grotendeels vergelijkbare transcriptieprogramma's hebben, verschilt hun reactie op secundaire TCR- of BCR-stimulatie kwalitatief en kwantitatief (Akondy et al, 2017; Klein et al., 2003). Daarom rijst de vraag: wat zijn de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor een effectievere maar specifieke respons van lymfocyten tijdens de infectie met dezelfde ziekteverwekker? Deze twee eigenschappen van de adaptieve immuunrespons worden gemedieerd door twee fundamenteel verschillende soorten mechanismen: ten eerste worden de hogere omvang en snelheid van de respons gemedieerd door epigenetische programmering, terwijl ten tweede de specificiteit van de respons wordt verzekerd door gen-recombinatie van TCR en BCR en klonale expansie van specifieke celsubpopulaties na antigeenherkenning.

Epigenetische programmering in geheugenlymfocyten

Om de snellere en meer uitgesproken reactiviteit vanT- en B-lymfocytenbij herinfectie met hetzelfde pathogeen is epigenetische regulatie een ideaal regulerend systeem dat differentiële functionaliteit van een cel mogelijk maakt zonder zijn identiteit te verliezen. Op moleculair niveau zijn epigenetische mechanismen essentieel voor de regulatie van genexpressie (Jaenisch en Bird, 2003). DNA-methyltransferasen, chromatine-remodellering en histon-modificerende enzymen herschikken de chromatinestructuur bij genregulerende elementen en reguleren de toegankelijkheid van DNA voor de transcriptionele machinerie. miRNA's dempen genexpressie op het niveau van transcriptie of translatie en IncRNA's kunnen chromatine-interacties bevorderen of remmen (Houri-Zeevi en Rechavi, 2017). Met name, eenmaal geïnduceerd, blijven epigenetische veranderingen in de loop van de tijd bestaan ​​​​en worden ze bewaard door celdelingen, wat het verleden van een cel weerspiegelt en hen in staat stelt deze "herinneringen" door te geven aan een dochtercel. Daarom kan epigenetische regulatie niet alleen een kenmerk zijn van ontwikkelings- en differentiatieprocessen, maar moleculair het cellulaire kenmerk van T- en B-celgeheugen verklaren, namelijk verhoogde omvang en sneller begin van respons. Belangrijk is dat transcriptionele en epigenetische regulatie ook de celproliferatie en klonale expansie regelt, een belangrijk proces van T- en B-celgeheugen.

Figuur 3. De amplitude van het immuunsysteem: epigenetische mechanismen

Epigenetische herbedrading ligt ten grondslag aan zowel de adaptieve kenmerken van aangeboren immuuncellen tijdens getrainde immuniteit als de versterking van de respons in geheugenadaptieve immuuncellen. Het tot zwijgen brengen van effectorgenen in naïeve immuuncellen wordt in stand gehouden door onderdrukkende histonmarkeringen, zoals H3K27me3. Initiële activering van gentranscriptie gaat gepaard met verlies en winst van specifieke chromatine-markeringen zoals respectievelijk H3K27me3 en H3K4me3, die slechts gedeeltelijk behouden blijven na de eliminatie van de stimulus. De verbeterde status van de aangeboren immuuncellen, weerspiegeld door de persistentie van histonmarkeringen zoals H3K4me3-en H3K4me1-die "latente versterkers" kenmerken, resulteert in een niet-specifieke sterkere respons op secundaire stimuli bij hernieuwde uitdaging.

Onlangs heeft het Duitse Epigenome-programma (DEEP) een genoombrede epigenetische dataset gegenereerd voor menselijke perifere naïeve, centrale en effectorgeheugen CD4 plus T-cellen (Durek et al., 2016). Deze studie toonde een progressief verlies van DNA-methylatie, het epigenetische kenmerk dat voornamelijk wordt geassocieerd met genuitschakeling, van naïef naar centraal naar effectorgeheugenCD4t T-cellen. Veel regulerende elementen die afnamen in DNA-methylatie vertoonden tijdens naïeve naar geheugen CD4 plus T-celtransitie waren gekoppeld aan genen waarvan bekend is dat ze betrokken zijn bij CD4 plus T-celdifferentiatie, zoals T-bet, IL2-receptorsubeenheden, RUNX3. Veranderingen in DNA-methylatie gaan ook gepaard de differentiatie van naïeve CD8 plus T-cellen in geheugencellen. Interessant genoeg bleek DNA-methylatie verrijkt te zijn op loci die coderen voor genen die kenmerkend zijn voor naïeve T-cellen, zoals CD62L of CCR7. Omgekeerd vertonen genen geassocieerd met geheugen-CD8 plus T-cellen, waaronder T-bet en EOMES, verrijkte DNA-methylering in naïeve CD8 plus T-cellen, wat opnieuw suggereert dat epigenetische regulatie differentiële genexpressie tussen naïeve en geheugen-T-cellen mogelijk maakt (Abdelsamed et al., 2017; Youngblood et al., 2017). Als verlies van DNA-methylatie een van de epigenetische mechanismen is waardoor geheugen-T-cellen sneller en met een hogere magnitude kunnen reageren, zou men kunnen voorstellen dat genloci voor T-cel-effectormoleculen gedemethyleerd moeten worden in geheugen-T-cellen, maar niet in naïeve T-cellen . In feite worden loci van genen die verantwoordelijk zijn voor CD8 plus Tcel-effectorfunctie, zoals IFNg, Per-forin, granzyme B (GZMB) en GZMK, gemethyleerd in naïeve CD8 plus T-cellen en worden gedemethyleerd in geheugen CD8 plus T-cellen. Bovendien blijft het methyleringsprofiel grotendeels onveranderd tijdens homeostatische proliferatie van geheugen-CD8 plus T-cellen in afwezigheid van een antigeen (Abdelsamed et al., 2017; Youngblood et al., 2017).

Een herschikking van het DNA-methyloom is ook waargenomen tijdens de differentiatie van naïeve B-cellen tot kiemcentrum (GC) B-cellen en geheugencellen, met meer diepgaande veranderingen tussen naïeve en GC B-cellen dan tussen GC-cellen en geheugen- en plasmacellen ( Kulis et al., 2015; Lai et al., 2013). In feite. geheugen B- en plasmacellen, hoewel relatief verschillend van transcriptie, bezitten vergelijkbare DNA-methylomen, terwijl naïeve en geheugen B-cellen meer verschillen vertonen in DNA-methylomen ondanks hun vergelijkbare transcriptionele programma's. Bovendien waren onder differentieel gemethyleerde regio's versterkers verrijkt in transcriptiefactor (TF) -bindingsplaatsen, vooral die die betrokken zijn bij B-celdifferentiatie (Kulis et al, 2015; Lai et al, 2013). Deze waarnemingen suggereren dat verlaagde niveaus van DNA-methylering bij regulerende elementen van effectormoleculen de geschiedenis van antigeenontmoeting weerspiegelen en een snellere en meer uitgesproken expressie van de effectorgenen bij hernieuwde ontmoeting van antigeen vergemakkelijken.

DNA-methylering is niet de enige epigenetische modificatie die verandert tijdens naïeve T- en B-celactivering en blijft bestaan ​​in geheugencellen. Bovendien maken histonmodificatiepatronen op regulerende elementen de voorspelling van de daaropvolgende genexpressiestatus mogelijk. Verschillende onderzoeken hebben betrekking op deze veranderingen tijdens T-celdifferentiatie. Een genoombrede analyse van histonmodificaties (H3K4me1, H3K4me3 en H3K27ac) in naïeve menselijke, centrale geheugen- en effectorgeheugen CD4 plus T-cellen onthulde dat loci die coderen voor verschillende cytokinen, waaronderIFNY, IL4, IL13, IL17 en IL22zijn verrijkt in het activeren van histonmarkeringen in vergelijking met naïeve cellen. Bovendien worden ze na stimulatie sneller in het geheugen geïnduceerd dan in naïeve T-cellen (Barski et al., 2017; Durek et al, 2016). Vergelijkbare patronen werden waargenomen op genloci die coderen voor T-bet- en RORC-transcriptiefactoren waarvan bekend is dat ze belangrijke regulatoren zijn voor effectormoleculen die na stimulatie in geheugen-CD4*T-cellen worden geïnduceerd en die bijvoorbeeld respectievelijk IFN- en IL17-expressie aansturen. Verder is er een positieve correlatie tussen een winst van H3K4me3 in geheugen-CD4 plus T-cellen op genloci die meer induceerbaar zijn in geheugencellen dan naïeve T-cellen, wat suggereert dat ze in evenwicht zijn in geheugencellen (Barski et al., 2017).

Daarnaast zijn er epigenetische studies uitgevoerd op CD8*T-celpopulaties (Henning et al.,2018). Het verlies van activerende H3K4me3- en H3K9ac-histonmarkeringen en winst van onderdrukkende H3K27me3 werden waargenomen op genen die waren gedownreguleerd in effector CD8 plus T-cellen (zoals FOXO1, KLF2, LEF en TCF7), terwijl het verlies van H3K27me3 en/of winst van H3K4me3 was gevonden op genen die coderen voor effectormoleculen (zoals Eomes, TNFa, IFNg, GZMB, CD27, BLIMP1, CCR7 of SELL) in geheugencellen (Araki et al., 2008; Russ et al., 2014). Interessant is dat het activeren van H3K9ac-modificatie werd verhoogd in geheugencellen op loci van genen die deel uitmaken van signaalroutes stroomafwaarts van de TCR. Dit suggereert dat niet alleen effectormoleculen, maar ook vroege signaaltransductie snel kunnen worden versterkt na secundaire antigeenervaring in geheugen-T-cellen (Rodriguez et al, 2017). Of dit effect ook verantwoordelijk is voor de hogere magnitude die wordt waargenomen in geheugen-T-cellen, moet nader worden onderzocht.

Bovendien bleek het activeren van H3K4me1- en H3K27ac-histonmodificaties verrijkt te zijn in effector- en geheugen-CD8 plus T-cellen op genloci die werden geïnduceerd na activering van naïeve cellen, bijvoorbeeld IL7r en Id2 (Yu et al., 2017) (Crompton et al, 2016 ). Net als bij CD4 plus T-cellen, werden genen die zeer induceerbaar waren na stimulatie in geheugen CD8 plus T-cellen gekenmerkt door verrijkte H3K4me3- en verarmde H3K27me3-modificaties op hun respectieve genloci in vergelijking met naïeve cellen (Araki et al., 2009; Russ et al., 2014). Bovendien leek de genoombrede distributie van H3K4me3- en H3K27me3-markeringen in geheugencellen meer op effector dan op naïeve CD8 plus T-cellen (Cromp-ton et al., 2016; Russ et al., 2014).

Figuur 4. Specificiteit van het immuunsysteem; Antigene herkenning en klonale expansie

Klassiek adaptief immuungeheugen wordt geïnduceerd door antigeenpresentatie aan gespecialiseerde lymfocyten in de lymfeklieren. Na proliferatie, eliminatie van het pathogeen en contractie, blijft een klein aantal geheugenlymfocyten bestaan ​​om een ​​langdurig specifiek geheugen van het doelpathogeen te verzekeren.

Een interessante groep cellen die de ontwikkeling van naïeve naar effector-T-cellen zou kunnen overbruggen, is onlangs beschreven als stamcelachtig geheugenCD8 plusT(SCM)-cellen. Tsim heeft een gedeeltelijk naïef fenotype (CD44low CD62L) en geheugenkenmerken∶ van hoge expressie van IL2Rßt en CXCR3 plus, verhoogd proliferatiepotentieel en cytokineafgifte als reactie op herstimulatie van antigeen (Gattinoni et al., 2011; Gattinoni et al., 2009; Zhang et al, 2005), en afhankelijkheid van IL-15 en IL-7 voor homeostatische omzet (Cieri et al, 2013). De ontwikkeling van Tsim-cellen gaat ook gepaard met epigenetische veranderingen (Abdel-samed et al., 2017; Akondy et al., 2017). Transcriptomische en histonmodificatie-analyse in vitro gegenereerde menselijke Tscm suggereren dat deze celpopulatie bestaat uit een ontwikkelingscontinuüm van naïef via Tsim naar effector- en geheugen-T-cellen. Crompton et al. toonden een progressieve opregulatie en neerwaartse regulatie van kenmerkende genen van naïeve T-cellen, Tsim en effector T-cellen naar T-geheugencellen, vergezeld van de progressieve verwerving van H3K4me3 en verlies van H3K27me3-histonmarkeringen (Cromp-ton et al, 2016 ). Veranderingen in de chromatinestructuur werden verder uitgebreid tot de DNA-methyloomanalyse die een progressief verlies van DNA-methylatie aantoonde tijdens de ontwikkeling van Tsim-cellen uit naïeve T-cellen (Abdelsamed et al., 2017), wat aangeeft dat Tsim afkomstig is van naïeve T-cellen. Deze hypothese werd echter in twijfel getrokken door de waarneming van langlevende CD8 plus T-cellen die werden gegenereerd bij met gele koorts gevaccineerde personen. Deze auteurs stelden voor dat Tsim wordt gegenereerd uit effector-T-cellen (Akondy et al., 2017). Hoewel de oorsprong van Tsim beter moet worden onderzocht, is het duidelijk dat de chromatinestructuur bestaat uit een basis van verbeterde cytokinerespons en proliferatief potentieel van Tsim.

Deze gegevens suggereren dat het verhoogde expressiepotentieel van een gen in geheugen-T-cellen wordt gecodeerd in zijn chromatinestructuur en moleculair lijkt op de functionele kenmerken van een hogere magnitude en snellere respons. Het wordt voornamelijk verkregen na antigeenspecifieke celactivering van naïeve T-cellen en vervolgens bewaard in geheugen-T-cellen tijdens in vivo homeostase.

Er is minder bekend over histon-modificaties in naïeve en geheugen-B-cellen, maar de beoordeling van H3K4me1, H3K4me3 en H3K36me3. H3K27me3 en H3ac toonden aan dat subpopulaties van menselijke B-cellen zeer verschillende en specifieke epigenetische profielen hebben. De overgang van naïeve naar GC B-cellen bleek geassocieerd te zijn met een toename van het activeren van histonmarkeringen H3K4me1, H3K4me3 en H3ac op genen die zijn geïnduceerd tijdens GC-vorming en een verlies van deze markeringen op genen die tot zwijgen worden gebracht (Zhang et al, 2014b) . Ondanks dat er weinig kennis beschikbaar is over veranderingen in histonmodificatielandschappen tijdens B-celbetrokkenheid bij geheugensubsets, tonen verschillende onderzoeken het belang aan van histonmodificerende enzymen bij de vorming van geheugen-B-cellen.

Nieuw onderzoek heeft ook licht geworpen op de enzymen en mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de epigenetische programmering van het geheugen in lymfocyten. Histonacetyltransferase monocytische leukemie zinkvingereiwit (MOZ) is een histonmodificator die belangrijk is gebleken voor een goede GC- en geheugen-B-celvorming (Good-Jacob-son et al, 2014). MOZ is vereist tijdens B-celactivering en er werd gesuggereerd dat MOZ-geïnduceerde histonmodificatie tijdens een primaire respons de dynamiek van secundaire responsen kan veranderen door het geheugen B-celrepertoire te beïnvloeden. Aangezien DNA-methylatie een rol speelt bij de vorming van DNA-geheugen-B-celmutaties, is methyltransferase 3 bèta (Dnmt3b) gecorreleerd met een tekort aan plasma- en geheugen-B-cellen bij het ICF-syndroom (immunodeficiëntie, centromeerinstabiliteit en syndroom van aangezichtsafwijkingen) (Blanco-Betancourt et al., 2004; Hansen et al., 1999; Xu et al., 1999). Dnmt3-deletie vroeg tijdens CD8* T-effectorceldifferentiatie resulteerde in verlaagde DNA-methylatieniveaus en herexpressie van genen geassocieerd met naïeve celtoestand, waardoor de de vorming van geheugencellen (Youngblood et al, 2017). In CD4 plus T-cellen zijn verschillende histonmodificerende enzymen, waaronder H3K9-methyltransferase SUV39H1 en Jumonji Domain Containing 3(Jmjd3)H3K27 demethylase, controle naïeve T-cel commitment aan effectorcellen door effectorcytokinen en transcriptiefactorexpressie te reguleren. In de afwezigheid van SUV39H1 of Jmjd3, beginnen Th1, Th2 of Th17-cellen, wanneer ze eenmaal zijn vastgelegd, cytokinen van een andere lijn opnieuw tot expressie te brengen, wat suggereert dat histonmodificerende enzymen nodig zijn in CD4 plus T-cellen om hun oorspronkelijke transcriptionele programma's te "herinneren" (Allan et al. , 2012; Let al., 2014).

Al met al toont een groot aantal bewijzen de belangrijke rol aan die epigenetische programmering speelt bij het bemiddelen van de veranderingen in de omvang en kinetiek van T- en B-lymfocyten tijdens de inductie van immuungeheugen (Figuur 3).

De tweede belangrijke eigenschap van het adaptieve immuungeheugen wordt weergegeven door de specificiteit van de reacties. Het wordt verzekerd door de expressie van zeer specifieke receptoren en immunoglobulinen (g) door T- en B-cellen. Om effectief te zijn, vereist een zeer specifieke immuunrespons een enorme diversiteit aan receptoren en antilichamen, wat wordt bereikt door somatische herschikking van gensegmenten die coderen voor TCR en LG. In het klassieke proces van V(D)J-recombinatie worden honderden gensegmenten, variabel (V), diversiteit (D) en samenvoeging (J) genoemd, samengevoegd tot één VDJ-exon. Dit "knip-en-plak"-proces wordt aangedreven door RAG-enzymen (gecodeerd door recombinatie-activeringsgenen) die specifiek tot expressie worden gebracht en onmisbaar zijn bij rijpende lymfocyten. V(D)J-recombinatie resulteert in miljoenen TCR- en antilichaamvarianten die miljoenen verschillende antigenen kunnen herkennen en neutraliseren. Na de succesvolle herschikking van de receptor, brengen rijpe B- of T-cellen functionele BCR (samengesteld uit transmembraan-lgs) of TCR tot expressie, respectievelijk klaar voor een antigeenontmoeting. De aanwezigheid van RAG-eiwitten is strikt geassocieerd met het DNA-herschikkingsproces, en het verschijnen van RAG-genen tijdens de evolutie wordt al tientallen jaren beschouwd als een kernsteen voor de ontwikkeling van adaptieve immuniteit. Tot op heden zijn RAG-homologen beschreven bij veel gewervelde dieren met kaken, maar niet bij gewervelde dieren zonder kaak, zoals prikken of hagfishes (Kumar et al., 2015). Ondanks het ontbreken van recombinatie-activeringsgenen, vertoont de immuunrespons van kaakloze gewervelde dieren kenmerken van adaptieve immuniteit. Dit wordt gemedieerd door lymfocyten die antigeenspecifieke variabele lymfocytreceptoren (VLR) dragen die tevoorschijn komen tijdens somatische DNA-herschikking. Sommige VLR's kunnen extracellulair worden uitgescheiden en dienen als antilichamen (Herrin en Cooper, 2010).

De lymfocyt die een antigeenspecifieke receptor draagt, ondergaat klonale expansie na activering door het antigeen dat de poll van immuuncellen verrijkt in diegene die het aangetroffen antigeen kunnen herkennen. Klonale expansie van door antigeen geactiveerde B- en T-cellen zorgt niet alleen voor een betere verdediging tijdens primaire infectie, maar maakt ook de immuunrespons efficiënter bij secundaire infectie door hetzelfde middel. Verhoogde aantallen geheugencellen en antilichaamproducerende plasmacellen die tijdens klonale expansie worden gegenereerd, vergroten de kans op een ontmoeting met antigeen, waardoor de secundaire immuunrespons veel sneller en efficiënter wordt (Campos en Godson, 2003). Ondanks veranderingen in aantallen en verplaatsing van geheugencellen naar locaties met een verhoogde kans om een ​​antigeen te ontmoeten (Aiba et al., 2010; Sathaliyawala et al., 2013), kunnen er echter intrinsieke veranderingen zijn waardoor geheugencellen meer uitgesproken en sneller tot secundaire immuunuitdagingen (Barski et al, 2017).

Figuur 5. Een voorgesteld tweestapsmodel voor de evolutie van het immuunsysteem

De eerste stap wordt vertegenwoordigd door oude evolutionaire epigenetische processen die zorgen voor een verhoogde respons op een tweede infectie, en dit kenmerkt zowel het aangeboren als het adaptieve geheugen. De tweede stap evolueerde bij gewervelde dieren en zorgt ervoor dat het geheugen zeer specifiek is voor een bepaald pathogeen, door de ontwikkeling van specifieke geheugencellen te betrekken die zijn geselecteerd uit een groot repertoire dat is verkregen door gen-recombinatie.

Een evolutionair model met twee stappen voor de ontwikkeling van het immuunsysteem

In dit perspectief hebben we de verschillende mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de inductie van de twee belangrijkste vormen van immuungeheugen opnieuw beoordeeld: klassiek adaptief immuungeheugen en aangeboren immuungeheugen. Beide vormen worden gekenmerkt door een verbeterde respons van de gastheer na herinfectie en zijn geëvolueerd om de overlevingskansen van de gastheer te vergroten in een omgeving die wemelt van potentieel dodelijke pathogene micro-organismen.

Op basis van de hierboven gepresenteerde gegevens willen we een alomvattend concept voorstellen als basiskader voor het begrijpen van de eigenschappen van immuungeheugen in verschillende groepen meercellige organismen. In dit model stellen we voor dat immuungeheugen een algemeen kenmerk is van de gastheerafweer van alle levende organismen. De evolutie van het immuungeheugen in verschillende groepen organismen is een continuüm dat begon met de ontwikkeling van epigenetische mechanismen die verantwoordelijk zijn voor het verhogen van de omvang en snelheid van de immuunrespons bij herinfectie en daarna werd voortgezet met de opbouw van specificiteit bij gewervelde dieren door mechanismen, waaronder gen recombinatie en klonale selectie. Omvang- en kinetiekamplificatie door epigenetische herbedrading kenmerkt dus een meer primitieve vorm van aangeboren immuungeheugen, terwijl zowel hogere magnitude/kinetiek als specificiteit het verfijnde adaptieve immuungeheugen bij gewervelde dieren karakteriseren (Figuur 5).

Dit moet niet worden gezien als een statisch model, maar het kan de komende jaren veranderen door nieuwe ontdekkingen. We kunnen ons bijvoorbeeld voorstellen dat nieuwe vormen van adaptief immuungeheugen zullen worden beschreven in complexe ongewervelde dieren. In overeenstemming met de beoordelingen dat de voordelen van het opbouwen van een adaptief immuungeheugen vooral duidelijk zijn in langlevende organismen, is het denkbaar en misschien zelfs waarschijnlijk dat vormen van specifieke adaptieve immuniteit ook zullen worden beschreven bij sommige groepen complexe ongewervelde dieren .

Vanuit moleculair perspectief moeten we beter begrijpen hoe de epigenetische veranderingen na een initiële immuunactivering worden vertaald om meer uitgesproken secundaire reacties te bereiken met een sneller begin. Wat zijn de epigenetische mechanismen die een dergelijke aanpassing in het gedrag van immuuncellen mogelijk maken? Wanneer is dit gedrag evolutionair gunstig? Waarom leiden slechts enkele stimuli tot zo'n cellulaire reactie? En kunnen we als gevolg daarvan regels identificeren waarmee we immuungeheugenreacties op een bepaalde chemische entiteit kunnen voorspellen? Wat zijn de situaties in het moderne leven die immuungeheugen activeren buiten ons evolutionaire begrip? Is het immuungeheugen in deze gevallen altijd schadelijk? Zeer recente voorbeelden suggereren dat een onverwachte inductie van aangeboren immuungeheugen door het westerse dieet (Christ et al., 2018) of in de context van de ziekte van Alzheimer (Wendeln et al., 2018) de keerzijde van een evolutionair geconserveerd immuunsysteem laat zien . Wat is verder de rol van lokaal geïnduceerd aangeboren immuungeheugen, en hoe wissen weefsels deze herinneringen indien nodig?

Andere vragen hebben betrekking op de specificiteit van de epigenetische mechanismen en veranderingen die worden geïnduceerd tijdens de inductie van immuungeheugen. Waarom zijn slechts enkele genloci aangetast en komen ze uit bepaalde klassen? Wat zijn mechanisch gezien de overeenkomsten en verschillen tussen de epigenetische veranderingen die worden waargenomen in het adaptieve en aangeboren immuungeheugen? Een belangrijk gebied van toekomstig onderzoek zal zijn om de geheugenkenmerken van niet-immuuncellen (bijv. epitheelcellen, stromale cellen, enz.) te identificeren en te beschrijven. Zeer recente studies hebben inderdaad epigenetisch-gemedieerde langetermijnveranderingen in epitheelprecursoren aangetoond. (Naik et al., 2017; Ordovas-Montanes et al., 2018), met een belangrijke rol in weefselverdediging en regeneratie. Het gebruik van nieuw ontwikkelde technologieën, waaronder single-cell omics sequencing, zal een belangrijke ondersteuning vormen om veel van deze te beantwoorden. vragen in de komende tien jaar.

Ten slotte hopen we, naast een beter begrip van het immuungeheugen op mechanistisch en conceptueel niveau, dat de beschrijving van zowel het adaptieve als het immuungeheugen zal leiden tot een efficiënter ontwerp van vaccins. Men kan zich inderdaad voorstellen dat vaccins die in staat zijn om beide vormen van immuungeheugen tegelijkertijd te induceren, effectiever zouden zijn. Een duidelijk begrip van de processen die het immuungeheugen op alle niveaus aansturen, is cruciaal om dit doel te bereiken.