Deciphering the role of CD137 in acute colitis using mouse model

Abstract

CD137 (4-1BB), a member of tumor necrosis factor receptor superfamily (TNFRSF), is an activation dependent induced T cell costimulatory molecules and expressed in a variety of non-T cells but little has been clarified about its regulatory functions in these cells. CD137 has been reported to be abundant in lamina propria of Crohn’s Disease (CD) patients. However, limited information is available on the precise role of CD137 in the development of colitis in experimental model. To study the roles of CD137 in mice acute colitis, I generated CD137 deficient (CD137-/-) mice and dendritic cell (DC) specific CD137 deficient (CD11c-cre CD137F/F) mice. Specific deletion of the CD137 gene in DCs results in a reduction in CD11b-CD103+ DCs and regulatory T cells of the lamina propria and mesenteric lymph nodes during acute colitis. Mechanistically, engagement of CD137 activates TAK1 and subsequently stimulates the AMPK–PGC-1α axis to enhance expression of the Aldh1a2 gene encoding the retinoic acid (RA) metabolizing enzyme RALDH2. RA can act on CD11b+CD103- DCs and induce SOCS3 expression, which in turn suppresses activation of p38MAPK and IL-23 production. Administration of RA in DC-specific CD137-/- mice represses IL-23-producting CD11b+CD103- DCs and TH17 cells, indicating that RA is a major inhibitory effector molecule against intestinal CD11b+CD103- DCs. In addition, the therapeutic effect of anti-CD137 mAb is abrogated in DC-specific CD137-/- mice. In addition, CD137 was highly expressed in intestinal epithelial cells. To investigate the function of CD137 in intestinal epithelial cells, I have generated intestinal specific CD137 knockout mice (Villin–cre CD137F/F). I show that the knockout of CD137 aggravate dextran sodium sulphate (DSS)-induced colitis in mice. Treatment with DSS downregulated tight junction proteins ZO-1, E-cadherin and claudin-3 in colon epithelial cells. Additionally, CD137 was shown to regulate the apoptosis of intestinal epithelial cells. Taken together, my results define a novel mechanism of paracrine immunoregulation operated between adjacent DC subsets in the intestine. Moreover, CD137 deficient in intestinal epithelial cells (Villin-cre CD137F/F) showed sever colitis phenotypes and epithelial cell apoptosis. This study revealed regulatory functions of CD137 and its may provide a new therapeutic strategy for treatment of colitis. ;TNF 수용체의 일종인 CD137은 T 세포 공도자극분자로 알려진 유전자로, CD137 신호전달의 활성화는 세포 생존, 세포분열과 관련된 유전자의 발현을 증가시키고, 염증 사이토카인의 생산을 증가시키는 역할을 한다. 최근 연구에서는 CD137이 크론병과 같은 대장염 환자의 병변에서 발현이 증가되는 것이 발견되었고, 그 중요성이 보고되었는데 대장염 모델에서 CD137 유전자의 분자 기전과 역할에 대해서는 잘 알려지지 않았다. 본 연구에서 마우스 급성 대장염에서 CD137의 역할을 연구하기 위해, CD137 결핍 (CD137-/-) 마우스 및 수지상 세포 특이 적 CD137 결핍 (CD11cCreCD137fl/fl) 마우스를 생산하여 실험을 진행 하였다. 수지상 세포에서 CD137 유전자의 특이 적 결핍은 급성 대장염 동안 CD11b-CD103+ 수지상 세포 및 lamina propria 및 장간막 림프절의 조절 T 세포의 감소를 초래한다. 그 기전으로는, CD137이 TAK1을 활성화시키고, 이어서 AMPK-PGC-1α 축을 자극하여 레티노산 대사 효소 RALDH2를 암호화하는 Aldh1a2 유전자의 발현을 향상시킨다. 레티노산은 CD11b+CD103- 수지상 세포에 작용하여 SOCS3 발현을 유도하며, 이는 p38MAPK 및 IL-23 사이토카인 생산을 억제한다. 수지상 세포 특이 적 CD137 유전자 결핍마우스에서 레티노산의 투여는 IL-23 사이토카인을 생성하는 CD11b+CD103- 수지상 세포 및 TH17 세포를 억제하는 것을 통해, 레티노산이 장내 CD11b+CD103- 수지상 세포에 대한 주요 억제 분자임을 나타낸다. 항 CD137 단클론 항체의 치료 효과는 수지상 세포 특이 적 CD137 유전자 결핍 마우스에서 효가 가 나타나지 않았다. 이번 연구를 통해 마우스 급성 대장염 모델에서 장내 면역조절 새로운 메커니즘을 규명하였다. 또한 CD137은 장 상피 세포에서 높게 발현되는 것을 확인하였다. 따라서, 장 상피 세포에서 CD137의 기능을 조사하기 위해, 우리는 장 특이 적 CD137 유전자 결핍 마우스 (VillinCreCD137fl/fl)를 생산하였다. 그 결과 장 상피세포 특이적 CD137 유전자 결핍은 더 심각한 대장염의 표현형이 나타났으며 장 특이 적 CD137 유전자 결핍 마우스의 장 상피세포의 tight junction 단백질인 ZO-1, E-cadherin 과 claudin-3의 발현이 현저하게 줄어들었다. 또한, CD137은 장 상피 세포의 세포사멸을 조절하는 것을 확인 하였다. 결론적으로, CD137 유전자는 장내의 수지상 세포와 장 상피세포를 조절하는 주요 인자라는 것을 증명함으로써 CD137이 크론병과 같은 장내 염증질환을 치료하는 치료제로서의 가능성을 제시 한다.