Mast cells는 immune sensing과 antigen-avoidance behaviour를 연결합니다.
Abstract
mast cells의 physiological functions은 여전히 수수께끼로 남아 있습니다. barrier damage의 맥락에서 mast cells은 type 2 immunity에 통합되어 immunoglobulin E (IgE)와 함께 allergic diseases를 촉진합니다. 그러나 Allergic symptoms은 allergens, toxins and parasites의 배출을 촉진하고 향후 antigen avoidance를 유발할 수 있습니다. 본 연구에서는 inbred mice의 antigen-specific avoidance behaviour가 mast cells에 크게 의존한다는 것을 보여줌으로써 antigen recognition to avoidance behaviour를 연결하는 immunological sensor cell을 확인했습니다. Avoidance는 antigen-driven adaptive, innate and mucosal immune activation과 stomach and small intestines의 염증을 예방했습니다. Avoidance는 immunization phase에서는 Th2 cytokines에 의해, execution phase에서는 IgE에 의해 촉진되는 IgE dependent였습니다. stomach and small intestines을 감싸고 있는 Mucosal mast cells은 antigen ingestion을 빠르게 감지했습니다. 우리는 mutant mice, pharmacological inhibition, neural activity recordings and vagotomy를 사용하여 mast cells와 뇌 사이의 잠재적 신호 경로를 조사했습니다. leukotriene synthesis를 억제하면 avoidance가 손상되었지만 전반적으로 single pathway를 interruption해도 Avoidance가 완전히 사라지지 않아 복잡한 조절이 이루어지고 있음을 알 수 있었습니다. 종합하면, adaptive immunity가 mast cells에 past immune responses의 증거인 IgE를 장착할 때 antigen avoidance의 단계가 시작됩니다. 이후 antigen ingestion시 mast cells는 antigen intake termination을 신호합니다. innocuous antigens자체에 대한 immunopathology-causing을 유발하는 지속적이고 쓸데없는 반응이나 mast-cell-mediated antigen-avoidance behaviour를 통한 toxins의 repeated ingestion을 예방하는 것이 immunity의 중요한 부분일 수 있습니다.
Figure
Fig. 1. Mast cells은 type 2 immunized mice의 antigen-avoidance behaviour에 필수적입니다.
(A, B) Type 2 immunization scheme, avoidance test의 experimental timeline (a) 및 bottle positioning 이 포함된 IntelliCage setup (b).
(C) 실험 1과 2를 진행하는 동안 alum-immunized and OVA-alum-immunized BALB/c Cpa3+/+ 및 Cpa3Cre/+ 마우스의 Egg white water preferences를 총 물 섭취량 대비 egg white water intake 백분율로 표시(색상 눈금은 백분율을 나타냄)했습니다.
(D) Egg white water preference는 총 water licks 횟수 대비 egg white water licks 횟수로 표시합니다.
(E) Egg white water preference는 실험 기간 동안 하루 평균으로 total water intake 대비 egg white water intake의 비율로 표시됩니다.
(F, G) IntelliCage 실험이 끝날 때 측정한 anti-OVA IgE (f) 및 nti-OVA IgG1 (g)의 Serum amounts.
(H, J) total live cells 중 stomach mast cells의 Absolute numbers (h), small intestine intraepithelial mast cells의 frequencies (i) 및 small intestine lamina propria mast cells의 frequencies (j)는 IntelliCage 실험이 끝날 때 측정되었습니다.
Fig. 2. immunity of avoidance에서 IgE의 역할.
(A-C) alum-immunized and OVA-alum-immunized BALB/c Igh-7+/+ 및 Igh-7-/- 마우스의 Egg white water preference를 총 total water intake 대비 egg white water intake 백분율로 표시(색상 눈금은 백분율을 나타냄)한 IntelliCage 실험입니다.
(B) total water licks와 시간 대비 egg white water licks으로 표시된 데이터입니다.
(C) 실험 기간 동안 하루 평균으로 total water intake 대비 egg white water intake의 비율로 표시된 데이터입니다.
(D, E) 실험 종료 시점의 anti-OVA IgE (d) 및 anti-OVA IgG1 (e)의 Serum amounts.
(F, G) BALB/c Cpa3+/+ 및 Cpa3Cre/+ 마우스는 0일과 9일에 anti-OVA monoclonal IgE antibody를 투여받고 10일부터 avoidance test (그림 1b의 IntelliCage)를 받았습니다. f, Egg white water preference는 a와 같이 표시됩니다. g, Egg white water preference는 c와 같이 표시됩니다.
(H, I) 실험 종료 시점의 total live cells 중 stomach mast cells의 Absolute numbers (h) 및 small intestine intraepithelial mast cells의 frequency (i).
(J, K) mast cell activation의 지표인 CD63 발현, OVA 또는 control protein (BSA)을 intragastric gavage 후 IgE-sensitized BALB/c Cpa3+/+ mice의 stomach (j) 및 small intestine intraepithelial (k) mast cells에서 관찰.
(L) IgE-sensitized (passive sensitization) 또는 OVA-immunized (OVA-alum) BALB/c mice에서 표시된 challenges 후 Rectal temperatures.
Fig. 3. Antigen avoidance는 gastrointestinal tissues의 immune activation and inflammation을 예방합니다.
(A-D) avoiding mice (7-day two-bottle test)와 비회피 마우스(7-day two-bottle test)를 비교한 stomach (a,b) 및 small intestine (c,d) 조직에서 DEG의 Volcano plots.
(E) 7일째 avoidance and non-avoidance conditions에서 마우스의 stomachs and small intestines에서 gene expression의 log2 fold change의 Heatmaps.
Fig. 4. mast cell activation의 In situ tracing 및 antigen avoidance에서 FLAP의 역할.
(A) Nr4a1-GFP reporter allele를 사용한 FcεRI-activated mast cells detection 모델.
(B) (BALB/c x C57BL/6) F1 Nr4a1-GFP 마우스에 OVA-alum or alum only를 immunized한 후 OVA 또는 BSA가 포함된 drinking water를 제공했습니다.
(C) MK-886에 의한 leukotrienes generation 및 FLAP inhibition을 보여주는 모델.
(D, E) BALB/c wild-type에 OVA-alum을 접종하고(그림 1a 참조), IntelliCage(d) 또는 two-bottle (e) 테스트 1시간 전에 마우스를 PBS 또는 MK-886으로 처리했습니다.
Fig. 5. Mast cells과 IgE는 immunity of avoidance를 촉진합니다.
type 2 immunity의 framework에서 mast-cell-mediated avoidance behaviour의 모델.
Disscussion
여기에서는 type 2 immunized animals이 stomach and small intestines을 감싸고 있는 mast cells에 의해 antigens을 빠르게 감지한다는 것을 보여줍니다. Antigen-avoidance behaviour는 mast cells와 IgE에 의존하며 Th2 cytokines에 의해 증폭되는 것으로 밝혀졌습니다. 자발적으로 antigen을 uptake한 경우와 않은 경우를 비교한 결과, antigen consumption에 대한 threshold가 존재하여 gastrointestinal tract에서 ‘ acceptable ‘ low-level immune activation이 일어나는 것으로 나타났습니다. 일반적으로 avoidance behaviour에 의해 방지되는 이 threshold 이상의 Ingestion of antigen하면 chemotaxis뿐만 아니라 adaptive, innate and mucosal immunity를 나타내는 강력한 gene activation이 발생했습니다. immune-related and inflammation-related gene programmes의 발현이 광범위하고 지속적으로(최소 16일 동안) 상승하는 것은 음식 알레르기와 유사한 OVA에 대한 심오한 면역 반응을 나타냅니다. gastrointestinal epithelium은 nutrient uptake를 조절하고 장벽을 통한 미생물의 침입을 막는 중요한 장벽을 형성합니다. 활성화된 mast cells는 proteases Mcpt1 및 Mcpt4를 분비하여 intestinal leakiness를 유도할 수 있으며, 실제로 non-avoidance conditions에서 Mcpt1 및 Mcpt4 유전자가 강력하게 upregulated되었습니다(그림 3e). non-avoidance signature에는 또한 Sprr2a3, Itnr 및 Reg3g를 포함한 antimicrobial function과 관련된 유전자와 Has1, Adamts4 및 Apold1을 포함한 조직 리모델링과 관련된 유전자가 포함 되어있어 impaired barrier function을 나타낼 수 있습니다. 따라서 avoidance behaviour은 antigen-driven immune activation을 방지하고 barrier integrity를 보장하며 allergic pathology로부터 보호합니다. immune gene induction의 정도는 force-fed wild-type mice에 비해 non-avoiding mast-cell-deficient mice에서 더 낮았으며, 이는 immune activation이 대부분이지만 완전히 mast cells에 의존하지는 않을 수 있음을 나타냅니다.
포유류 종에서 수백만 년에 걸쳐 mast cells와 IgE가 보존된 것은 이러한 immune components이 강력한 진화적 이점을 제공했음을 강력하게 시사합니다. 실험적으로 anaphylaxis가 1901년 Richet and Portier에 의해 발견되었을 때, 개에게 반복적으로 접종한 toxin에 대한 치명적인 ‘non-protecting’ 반응으로 해석되었습니다. allergic responses의 immunological ‘purpose’은 오랫동안 논쟁의 대상이 되어 왔습니다. mast cells와 IgE가 allergic pathology에 기여하는 반면, mast cells 및 IgE를 통한 protective Th2 responses에 대한 예는 거의 없습니다. mast cells와 IgE의 유익한 기능은 parasite immunity에서 일반적으로 호출됩니다. 그러나 parasite infections은 교란되지 않거나 mast cells이 없을 때만 지연될 수 있으며 mast cells과 IgE의 기능은 다른 세포(for instance, eosinophil) 또는 antibody isotypes의 기능과 중복될 수 있습니다. immunological protection에서 mast cells의 실제 역할을 이해하는 것이 복잡하다는 점을 고려할 때, 여기서 관찰된 antigen-avoidance behaviour에서 mast cells의 역할은 매우 흥미롭습니다. avoidance reaction에서 mast cells의 중복되지 않는 기능은 non-infectious antigens (allergens) 및 intoxications에 대한 immune responses의 재발을 방지하는 진화적 이점을 나타낼 수 있습니다. allergens은 무해하고 독성이 없는 물질인 경우가 많지만 intact barrier가 온전한 경우 non-immunogenic을 유지하지만 gut, lung or skin의 barrier defects가 있는 경우 type 2 responses을 유발할 수 있습니다. 세제나 용제와 같은 Irritants는 inner and outer surfaces의 integrity을 손상시킬 수 있으며, barrier defects으로 인해 antigen-specific IgE production이 강화될 수 있습니다. 예를 들어 papain또는 Derp1과 같이 장벽을 손상시키면서 immunogenic이 있는 물질인지 또는 physical or chemical insult나 infection이 장벽을 손상시키고 무해한 물질에 대한 면역의 문을 여는지는 type 2 immunity, IgE production 및 antigen-specific IgE가 있는 mast cells의 로딩이라는 결과와 관련이 없습니다(그림 5). toxins and innocuous substances 모두에 대해 avoidance는 반복적인 접촉을 방지하여 protein antigen에 대해 여기에서 보여 주듯이 local and systemic immune activation and inflammation을 유발합니다.
mast cells은 장벽 조직에 위치하며 sensory neurons과 매우 가깝기 때문에 protein antigens을 감지하고 central nervous system에 그 존재를 알릴 준비가 되어 있습니다. 활성화된 mast cells가 분비하는 화합물에는 leukotrienes이 포함됩니다. leukotrienes은 sensory neurons을 활성화할 수 있는데, LTC4의 경우 CysLT2R을 통해 spinal neuron pathways를 활성화하여 가려움증을 유발하는 것으로 나타났습니다. 따라서 leukotrienes은 antigen sensing signal avoidance 후 첫 24시간 이내에 dorsal root ganglion과 spinal neuron pathways를 통해 mast cells에서 방출되는 것으로 생각할 수 있습니다. IntelliCage에서 antigen consumption kinetics를 분석한 결과, first oral antigen contact시 avoidance가 자주 발생하는 것으로 나타났습니다. 이 단계에서 leukotrienes에 대한 기능은 leukotrienes production inhibitor를 사용한 실험과 일치합니다(fig 4).
Aversive signals는 spinal cord and brain stem으로부터 입력을 받는 parabrachial nucleus (PBN)에 의해 뇌에서 처리됩니다. 실험적으로 새로운 음식(for instance, a sweetened solution)과 불쾌감을 유발하는 cisplatin을 주입한 후 PBN의 뉴런을 활성화하면 conditioned taste avoidance를 유도하기에 충분합니다. 이 환경에서 cisplatin injection은 growth and differentiation factor 15 (GDF-15)를 순환계로 전신 방출하여 GFRAL-positive brain stem neurons을 통해 페어링된 음식의 signals avoidance를 PBN에 보냅니다. Florsheim et al. 은 GDF-15가 mast cells와 leukotrienes의 downstream에서 유도되어 antigen avoidance를 촉진한다고 제안합니다. GDF-15 blockade는 두 번째 음주 테스트에서 avoidance를 효과적으로 감소시켰지만 첫 번째 음주 테스트에서는 그렇지 않았습니다. 이 단계에서 GDF-15의 systemic release와 brain stem neurons을 통한 신호 전달은 avoidance를 지속시킬 수 있습니다.
mast cells에 의한 environmental antigens sensing은 pathogens의 neutralization and destruction를 넘어 antigen avoidance를 통한 inflammatory disease prevention으로 immunity를 확장합니다. mast cells은 bone marrow에서 유래했음에도 불구하고 other immune lineages와 멀리 떨어져 있으며 따라서 mast cells이 별도의 고유한 기능적 특성을 갖는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 본 연구에서는 mast cells이 type 2 immune responses에 의해 유도된 antigen recognition을 행동과 연결하는 sensor cells로 밝혀졌습니다. 이러한 방식으로 마침내, mast cells은 중요하고 중복되지 않는 새로운 기능을 가지고 등장합니다.