Kinetics of Innate Lymphoid Cell Response against Citrobacter Rodentium Infection

Abstract

장병원성 대장균(EPEC)과 장출혈성 대장균(EHEC)은 장에 서식하며 대장염, 장출혈, 설사, 복통 등 많은 문제들을 일으킨다. 전세계적으로 EPEC와 EHEC에 의한 식중독과 대장염이 빈번히 일어나고 있으며 특히 어린아이와 유아에게 치명적이다. Citrobacter Rodentium은 병원성 대장균의 많은 특징들을 가지고 있는 그람 음성균이고 EPEC와 EHEC에 대한 면역 반응을 연구하기에 효과적인 모델이다.

Innate immunity와 adaptive immunity가 모두 존재하는 SPF C57BL/6 mice는 C. Rodentium에 감염 시 약하게 증상을 보이지만 회복을 하며 장에서 C. Rodentium을 제거한다. SPF C57BL/6 mice의 대장에서 감염 후 8일에 ILC 세포 수가 증가하고 감염 후 12일에 수가 줄어든다. 하지만 ILC수의 감소와 함께 CD4+ T cell의 수는 감염 후 12일에 증가한다. CD4+ T cell이 ILC의 감소를 보완하여 C. Rodentium을 방어한다. C. Rodentium를 성공적으로 방어하기 위해서는 ILC와 CD4+ T cell 의 시너지가 중요하다.

C. Rodentium에 대한 SPF C57BL/6 와SPF Rag-1 KO mice의 ILC반응 kinetics를 비교했다. Rag-1 KO mice는 adaptive immunity가 결핍되어 있는데 C. Rodentium 감염 3 주 후에 폐사하기 시작한다. Adaptive immunity의 결핍을 보상하고자 Rag-1 KO mice대장에서의 ILC수는 큰 증가를 보일 것이라 가정했다. 하지만 예상과 달리 Rag-1 KO mice 는 감염 후 12일에 감소하는 경향을 보이고 감염 후 8일에 C57BL/6 mice와 같은 ILC수의 증가를 보이지 않는다. C57BL/6와 달리 더 빠른 시점에 ILC가 증가했을 가능성도 있다. Rag-1 KO mice는 C57BL/6 mice 보다 열 배 많은 C. Rodentium이 장에 서식하기 때문이다. 다른 가능성은 T cell이 없어 감염 전에 이미 ILC의 수가 최대치여서 더 이상 증가할 수 없을 수도 있다는 것이다.

공생미생물의 영향을 보기 위해 GF C57BL/6와 Rag-1 KO mice를 감염시켰다. 공생미생물이 없는 GF환경에서의 C57BL/6와 Rag-1 KO mice의 ILC 반응은 SPF 환경에 있는 C57BL/6와 Rag-1 KO mice와 다른 경향을 보인다. SPF C57BL/6 mice의 대장에서 감염 후 8일에 ILC 수가 증가하고 감염 후 12일에 CD4+ T cell 수의 증가를 보인 반면 GF C57BL/6 mice의 대장에서는 감염 후 8과 12 일에 ILC 수의 감소를 보이고 CD4+ T cell은 감염 후 8일에 증가했다. CD4+ T cell이 SPF상태에서 보다 더 빨리 증가한 것이다. 경쟁할 미생물이 없어 C. Rodentium이 대장을 더 빨리 장악하여 SPF 상태에서보다 ILC 와 CD4+ T cell이 더 빨리 활성화됐을 가능성이 있다.

GF 와 SPF 상태에 있는 C57BL/6 Rag-1 KO mice 대장에서 ILC는 감소한다. ILC가 C. Rodentium 방어에 필요한지를 보기 위해 ILC가 없는 Rag-1/IL-7/IL-15 TKO mice를 감염시켰다. ILC를 보유한 Rag-1 KO mice는 약 3 주 이상 생존하는 반면 TKO mice는 감염 후 12일부터 폐사하기 시작한다. ILC가 결핍됐을 경우 면역 반응이 결핍되어 더 빠르게 질병이 진행된다. ILC는 C. Rodentium 감염 초기에 중요한 역할을 하는 것을 볼 수 있다.

C. Rodentium에 대한 면역반응 중 ILC1과 ILC2의 역할은 알려져 있지 않다. SPF 상태에서C. Rodentium에 감염된 C57BL/6와 Rag-1 KO mice의 ILC1과 ILC2는 감염되지 않은 mice와 비교했을 때 빈도 수나 세포 수에서 의미 있는 차이를 보이지 않았다. 하지만 GF상태에서 감염된 C57BL/6와 Rag-1 KO mice는 ILC1의 빈도가 증가했다. 공생미생물이 존재하지 않는 경우, ILC1의 참여가 증가하는 것을 볼 수 있다.

GF와 SPF상태에 있는 C57BL/6와 Rag-1 KO mice의 ILC 수는 시간이 지나면 감소한다. 이 결과로 다른 면역 반응이 초기의 ILC의 면역 반응을 뒤따른다는 것을 예상할 수 있다. C57BL/6 mice에서는 T cell 반응이 ILC 반응을 뒤따른다. 하지만 Rag-1 KO mice는 초기의 ILC반응을 뒤따르는 면역 반응이 없다. ILC는 C. Rodentium 감염 후기에 참여할 adaptive immune response를 촉진하거나 증가시킬 가능성이 있다.

정리하면, 본 연구는 ILC, CD4+ T cell 그리고 공생미생물이 C. Rodentium을 제거하는데 중요하다는 것을 보여준다. ILC는 C. Rodentium 감염 초기에 IFN-γ와 IL-22를 생산하는 ILC1과 ILC3를 통해 방어하고, CD4+ T cell은 감염 후기에 IFN-γ와 IL-22를 생산하는 Th1과 Th17을 통해 방어한다. 마지막으로 공생미생물과 영양 경쟁을 통해12 C. Rodentium은 장에서 완전히 제거된다.

Intestinal infections by attaching and effacing (A/E) pathogens, such as enteropathogenic (EPEC) and enterohemorrhagic (EHEC) Escherichia coli, cause serious morbidity and mortality worldwide. Citrobacter Rodentium (C. Rodentium), a mouse A/E pathogen, resembles many pathogenic mechanisms of EPEC and EHEC in humans. This A/E pathogen serves as a great model in elucidating host immune response towards enteric pathogens. It is known that innate lymphoid cells (ILCs) and CD4+ T cells are crucial in overcoming the infection by C. Rodentium. Moreover, commensal microbiota also plays a substantial role in eradicating this pathogen from the intestines. ILCs and CD4+ T cell response kinetics in C. Rodentium- infected C57BL/6 and Rag-1 KO mice raised in specific pathogen free and germ-free conditions are observed. Results show that kinetics of responses in C57BL/6 mice in GF and SPF conditions are different due to the absence of commensal microbiota. However, Rag-1 KO mice raised in the two conditions show comparable kinetics of responses. This paper will show the importance of ILCs, CD4+ T cells and commensal microbiota in generating a successful immune response towards a C. Rodentium infection.