English Title: Ectopic gene expression regulation of thymus-microenvironment: from medulla compartment to single cell level

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Abstract

Die Diskriminierung von Fremd- und Selbstantigenen ist eine elementare Eigenschaft des Immunsystems von Invertebraten und Vertebraten. Die Toleranz gegenüber eigenen Proteinen des Körpers wird durch die intrathymische Selektion von T-Zell-Rezeptoren gewährleistet. Selbsttoleranz wird u. a. durch ein diverses Liganden-Angebot von gewebespezifischen Genen („promiskuöse Genexpression“ (pGE); Derbinski et al., 2001) von medullären Thymusepithelzellen (mTEZ) spezifiziert. Die vorliegende Arbeit sollte die zelluläre und molekulare Regulation von pGE in mTEZ auf drei verschiedenen Ebenen analysieren. Zum einen sollten abgegrenzte, neonatale medulläre Areale auf ihre Vollständigkeit des Liganden-Repertoires untersucht werden, zum anderen sollten einzelne mTEZ Klone, aus denen eine medulläre Region besteht, auf ihre Genexpression untersucht werden. Schließlich sollten die Genexpressionsmuster von verschiedenen mTEZ-Subpopulationen, aus denen Klone zusammengesetzt sind, charakterisiert werden. Zum ersten Mal konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass isolierte medulläre Inseln in neonatalen Mäusen diverse Genexpression zeigen, jedoch kein vollständiges Profil der ausgewählten Gene exprimieren. Dies könnte eine Ursache für unvollständige neonatale Toleranz darstellen. Eine erhöhte Expression von gewebespezifischen Antigenen wurde tendenziell im äußeren Rand der Medulla lokalisiert. Die klonale Zusammensetzung einer Medulla sollte mit Hilfe von Aggregationschimären weiter charakterisiert werden, in Bezug auf Größe, Lokalisation der Klone sowie Genexpression. Die Klone setzen sich durchschnittlich aus 40 Zellen zusammen, die sich vorwiegend am äußeren Rand der Medulla befinden und sind in sich heterogen in Bezug auf die Expression des Transkriptionsregulators AIRE. Die Isolation bestimmter gewebespezifischer Antigen-positiver mTEZ erlaubte eine Analyse von (Ko)-expressionsmustern bezüglich anderer Gene. Zwei Beobachtungen sind bemerkenswert: zum einen wurden benachbarte Gene (cluster) koexpremiert und zum anderen konnten mindestens zwei mTEZ Sublinien –AIRE-negative und AIRE-positive - unterschieden werden. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse ein komplexes Bild der zellulären und molekularen Regulation der ektopischen Expression gewebespezifischer Gene in mTEZ. Insgesamt ist das beobachtete Genexpressionsmuster weder mit einer globalen chromosomalen „Derepression“ von Genexpression noch mit einer strikt gewebespezifischen Regulation zu vereinbaren.

Translation of abstract (English)

Self/nonself discrimination is an elementary function of invertebrate’s and vertebrate’s immune system. T-cell tolerance to self proteins is guaranteed by an intra-thymic selection process. Self-tolerance is specified by a diverse ligand-repertoire of tissue restricted genes (promiscuous gene expression; pGE) which are expressed by medullary thymic epithelium cells (mTEC; Derbinski et al., 2001). In this work, three levels of cellular and molecular regulation of pGE in mTEC were analyzed. First, isolated thymic medullary regions were tested for the extent of expression of the analyzed ligand-repertoire. Second, single clones which compose a medullary region were tested for their gene expression profile. Lastly, the gene expression profiles of various mTEC-subpopulations which assemble clones were characterized. For the first time, it was shown that isolated neonatal medullary islets have a high degree of diverse gene expression. However, they did not express the complete pool of analyzed genes. These results favor incomplete neonatal tolerance. The clonal composition of a medullary region was further characterized using aggregation-chimeras. This study primarily focused not only on the size and location of the clones but also on gene expression. An average of 40 cells per clone was detected, which were mostly localized at the outer rim of the thymic medulla and showed a heterogeneous expression pattern of AIRE, an autoimmune regulatory element. The isolation of distinct antigen-specific mTEC offered an analysis of coexpression patterns regarding other tissue restricted antigens (TRA). Two observations were noteworthy: 1. Neighboring genes (“cluster”) were coexpressed. 2. Two sublineages – AIRE-negative and AIRE-positive - could be identified. In summary, these data show a complex picture of the cellular and molecular regulation of promiscuous expression of tissue restricted genes in mTEC. This gene expression pattern is neither compatible with a global chromosomal “depression” of gene expression nor is it regulated in a strict tissue restricted manner.