Autoimmune Regulator (AIRE) in the Maintenance of Immunological Tolerance

Autoimmune regulator (AIRE) is the gene mutated in the human polyglandular autoimmune disease called Autoimmune polyendocrinopathy, candidiasis, and ectodermal dystrophy (APECED) that belongs to the Finnish disease heritage. Murine Aire has been shown to be important in the generation of the T cell central tolerance in the thymus by promoting the expression of ectopic tissue-specific antigens in the thymic medulla. Aire is also involved in the thymus tissue organization during organogenesis. In addition to the thymus, AIRE/Aire is expressed in the secondary lymphoid organs. Accordingly, a role for AIRE/Aire in the maintenance of peripheral tolerance has been suggested. Peripheral tolerance involves mechanisms that suppress immune responses in secondary lymphoid organs. Regulatory T cells (Tregs) are an important suppressive T cell population mediating the peripheral tolerance. Tregs are generated in the thymus but also in the peripheral immune system T cells can acquire the Treg-phenotype. The aim of this study was to characterize Tregs in APECED patients and in the APECED mouse model (Aire-deficient mice). In the mouse model, it was possible to separate Aire expression in the thymus and in the secondary lymphoid organs. The relative importance of thymic and peripheral Aire expression in the maintenance of immunological tolerance was studied in an experimental model that was strongly biased towards autoimmunity, i.e. lymphopenia-induced proliferation (LIP) of lymphocytes. This experimental model was also utilised to study the behaviour of T cells with dual-specific T cell receptors (TCR) during the proliferation. The Treg phenotype was studied by flow cytometry and relative gene expression with real-time polymerase chain reaction. TCR repertoires of the Tregs isolated from APECED patients and healthy controls were also compared. The dual-specific TCRs were studied with the TCR repertoire analysis that was followed with sequencing of the chosen TCR genes in order to estimate changes in the dual-specific TCR diversity. The Treg function was tested with an in vitro suppression assay. The APECED patients had normal numbers of Tregs but the phenotype and suppressive functions of the Tregs were impaired. In order to separate Aire functions in the thymus from its yet unknown role in the secondary lymphoid organs, the phenomenon of LIP was utilised. In this setting, the lymphocytes that are adoptively transferred to a lymphopenic recipient proliferate to stimuli from self-originating antigens. This proliferation can result in autoimmunity if peripheral tolerance is not fully functional. When lymphocytes that had matured without Aire in the thymus were transferred to lymphopenic Aire-sufficient recipients, no clinical autoimmunity followed. The Aire-deficient donor-originating lymphocytes hyperproliferated, and other signs of immune dysregulation were also found in the recipients. Overt autoimmunity, however, was prevented by the Aire-deficient donor-originating Tregs that hyperproliferated in the recipients. Aire-deficient lymphopenic mice were used to study whether peripheral loss of Aire had an impact on the maintenance of peripheral tolerance. When normal lymphocytes were transferred to these Aire-deficient lymphopenic recipients, the majority of recipients developed a clinically symptomatic colitis. The colitis was confirmed also by histological analysis of the colon tissue sections. In the Aire-deficient lymphopenic recipients Tregs were proliferating significantly less than in the control group s recipients that had normal Aire expression in their secondary lymphoid organs. This study shows that Aire is not only important in the central tolerance but is also has a significant role in the maintenance of the peripheral tolerance both in mice and men. Aire expressed in the secondary lymphoid organs is involved in the functions of Tregs during an immune response. This peripheral expression appears to be relatively more important in some situations since only those lymphopenic recipients that had lost peripheral expression of Aire developed a symptomatic autoimmune disease. This AIRE-related Treg defect could be clinically important in understanding the pathogenesis of APECED.

Autoimmune regulator (AIRE) - geeni on mutatoitunut suomalaisen tautiperimän sairaudessa autoimmuuni-polyendokrinopatia, kandidiaasi ja ektodermaalinen dystrofia (APECED). Hiiren Aire:n on osoitettu osallistuvan kateenkorvassa T-solujen sentraalisen toleranssin syntyyn aiheuttamalla transkriptiofaktorina kateenkorvan ytimessä kudosantigeenien ektooppista ilmentymistä. T-solujen kehityksen aikana näille kudosantigeeneille reaktiiviset T-solut kuolevat ennen kypsymistään, eivätkä pääse elimistöön aiheuttamaan autoimmuunitulehdusta. Aire osallistuu myös kateenkorvakudoksen kehitykseen. Kateenkorvan lisäksi AIRE/Aire ilmentyy sekundaarisissa immunologisissa elimissä, joten sillä on epäilty olevan merkitystä myös perifeerisen toleranssin ylläpidossa. Perifeerinen toleranssi tarkoittaa mekanismeja, joilla kypsien lymfosyyttien immuunivasteita hillitään kateenkorvan ulkopuolella. Säätelijä T-solu (Treg) on tärkeä perifeeristä toleranssia välittävä solutyyppi, joka voi hillitä immuunivasteita. Elimistössä Treg-soluja syntyy pääosin kateenkorvassa, mutta myös muualla solut voivat hankkia Treg-ilmiasun ja toimia Treg-soluina. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin Treg-soluja APECED-potilaissa ja APECED:n hiirimallissa, eli Aire-poistogeenisissä hiirissä. Hiirimallissa Aire:n ilmentyminen kateenkorvassa ja muualla elimistössä voitiin erottaa toisistaan. Täten oli mahdollista tutkia Aire:n suhteellista merkitystä sentraalisessa ja perifeerisessä toleranssissa tilanteessa, joka on voimakkaasti autoimmuniteetille altistava. Tähän tarkoitukseen soveltuva tutkimusasetelma oli lymfopeniaa seuraava lymfosyyttien jakautuminen. Tätä samaa asetelmaa hyödynnettiin myös väitöskirjan yhdessä osajulkaisussa, jossa tutkittiin kahta eri T-solureseptoria ilmentävien T-solujen menestymistä lymfopeniaa seuraavassa jakautumisessa. Treg-solujen ilmiasua tutkittiin virtaussytometrialla ja eri geenien suhteellista ilmentymistä mitattiin reaaliaikaisella polymeraasiketjureaktiolla. Potilaiden ja terveiden verrokkien Treg-solujen T-solureseptorien valikoimaa vertailtiin keskenään. Kahta T-solureseptoria ilmentävien T-solujen T-solureseptorien valikoimaa tutkittiin T-solureseptorirepertuaarianalyysillä, jonka jälkeen valitut T-solureseptorigeenit sekvensoitiin. Tällä tavoin oli mahdollista arvioida kaksois-T-solureseptorien vaihtelevuus ja sen muutos solujen jakautumisen aikana. Lisäksi Treg-solujen immuunivastetta hillitsevää toimintaa mitattiin soluviljelmissä. Ensimmäisessä osajulkaisussa tutkittiin Treg soluja APECED-potilaissa, joissa Treg-solujen ilmiasu oli erilainen kuin terveillä verrokeilla ja niiden toiminta oli alentunut. Aire:n perifeerisen ilmentymisen merkitystä ei vielä tunneta. Väitöskirjatyön kolmas ja neljäs osajulkaisu keskittyi tutkimaan Aire:n merkitystä kateenkorvassa ja sen ulkopuolella. Kokeellinen lymfopeniaa seuraava solunjakautuminen saatiin aikaan siirtämällä kypsiä valkosoluja geneettisesti immuunipuutteiseen hiireen. Tässä tilanteessa valkosolut alkavat voimakkaasti jakautua elimistön omien rakenteiden stimuloimina. Tämä jakautuminen voi johtaa autoimmuniteettiin, mikäli perifeerinen toleranssi ei toimi normaalisti. Aire-poistogeenisistä hiiristä normaalisti Aire:a elimistössään ilmentäviin immuunipuutteisiin hiiriin siirretyt valkosolut eivät aiheuttaneet autoimmuniteettia. Nämä siirretyt valkosolut jakautuivat runsaasti ja muitakin merkkejä immuunivasteen säätelyn häiriöistä havaittiin. Kuitenkin voimakkaasti jakautuneet Treg-solut estivät oireisen autoimmuunitulehduksen kehittymisen. Muualla elimistössä ilmennetyn Aire:n vaikutusta perifeerisen toleranssin säätelyyn tutkittiin tätä tutkimusta varten risteytetyissä Aire-poistogeenisissä immuunipuutteisissa hiirissä. Lähes kaikki normaaleista hiiristä soluja saaneet Aire-poistogeeniset immuunipuutteiset hiiret kehittivät oireisen autoimmuuni-paksusuolentulehduksen, joka oli todettavissa myös kudosleikkeissä. Aire-poistogeenisissä immuunipuutteisissa hiirissä Treg-solut jakautuivat huonommin kuin kontrolliryhmän hiirissä, jotka ilmensivät normaalisti Aire:a. Tämä väitöskirjatutkimus osoittaa, että Aire on tärkeä T solujen sentraalisen toleranssin muodostumisen lisäksi perifeerisen toleranssin ylläpidossa. Kateenkorvan ulkopuolinen Aire osallistuu Treg-solujen toimintaan immuunivasteen aikana ja mikäli Aire:n ilmentyminen puuttuu, Treg-solujen toiminta häiriintyy. Tämä voi joissakin tilanteissa johtaa oireiseen autoimmuunisairauteen. Täten kateenkorvan ulkopuolella ilmentyvä Aire on joissakin tilanteissa jopa tärkeämpi kuin kateenkorvassa ilmentyvä. Tämä löydös valottaa APECED-taudin kehittymistä ja ihmisen immuunijärjestelmän toimintaa uudella tavalla.