Notch2 signaling in the primary T-cell-dependent immune response in mice

Babushku, Tea (2023): Notch2 signaling in the primary T-cell-dependent immune response in mice. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Canonical Notch2 signaling, induced upon Dll-1-ligand binding on follicular fibroblasts, has a pivotal role in the differentiation of MZB cells. Over the years, it has been assumed that mainly transitional B cells are the precursors of MZB cells. Recently, our lab revealed a remarkable plasticity between the mature B cell subsets in mice, in which FoB cells can also act as precursors for MZB cells. However, the underlying mechanisms controlling this transdifferentiation process remain rather elusive. Moreover, it is still poorly understood whether Notch2 signaling synergizes with other signaling pathways or whether it predisposes certain FoB cell qualities, in order to facilitate their differentiation into MZB cells. This current study hypothesized that the Notch2 signal strength regulates MZB cell generation and that there may be a tight cooperation between antigen-induced B cell activation and Notch2 signal induction during this FoB-to-MZB differentiation process. By using a specialized CBF:H2B-Venus Notch reporter mouse strain, B cell populations receiving a Notch signal were examined at steady-state and during an ongoing TD immune response. It was discovered that Venus expression – the proxy for active Notch signaling – progressively increased during B cell development, culminating with the highest Venus expression in splenic MZB cells. These findings implied that Notch signaling is activated in most peripheral B cells, and FoB and transitional cells with the highest Notch signaling activity preferentially mature into MZB cells. The pool of MZB cells exhibited heterogeneous Venus expression, suggesting that Notch signaling is dynamically regulated in the MZ and that some MZB cells lose their Notch signal with time. Upon TD immunization, Venus expression was strongly decreased in most GC B cells, but was still sustained in a portion of LZ-GC cells, where Notch signaling likely supports the switching to IgG1, as well as the positive selection or survival of IgG1+ memory cells. During PC differentiation, Venus expression persisted up until the plasmablast stage, but was turned off in the terminally differentiated PCs. Here, downregulation of Notch signaling may be necessary to enable long-lived PC formation. By analyzing transgenic mice with inducible constitutive activation or conditional ablation of Notch2 in a GC-B-cell-specific manner upon TD immunization, we were able to concomitantly prove the existence of an interplay between B cell activation and upregulation of Notch2 receptor signaling in regulating subsequent cell differentiation decisions. Combined immunization data from three mouse models provided evidence that FoB cells which down modulate Notch2 signaling differentiate into GC B cells, whereas activated FoB cells with high Notch2 receptor expression and enhanced Notch2IC signaling are deviated away from the GC, and initiate MZB and plasmablasts differentiation instead. The newly-generated MZB cells fully resembled wildtype MZB cells with regards to their cell surface phenotype and their splenic localization in the MZ. They were generated as a systematic response to the TD-antigen immunization and seemed to persist as terminally-differentiated MZB cells over a 4-week time period in the spleen. Among them, we found MZB cells with phenotypic signs of prior GC experience, indicating that the murine MZB cell compartment may be qualitatively heterogeneous and may partially be derived from GC B cells. Given that the human marginal zone mostly comprises memory B cells emerging from GC reactions, we now propose that the murine MZB cell compartment resembles the human MZ pool to a greater extent, than previously believed.

Abstract

Der kanonische Notch2-Signalweg spielt bei der Differenzierung von MZB-Zellen eine entscheidende Rolle. Die Aktivierung des Notch2-Rezeptors wird durch die Interaktion von B-Zellen mit Dll-1-Liganden exprimierenden follikulären Fibroblasten induziert. Über die Jahre wurde vermutet, dass hauptsächlich unreife transitionelle B-Zellen die Vorläuferzellen von MZB-Zellen sind. Wir konnten jedoch vor kurzem nachweisen, dass eine gewisse Plastizität zwischen reifen FoB-Zellen und MZB-Zellen besteht. Die zugrundeliegenden Mechanismen, die diesen Transdifferenzierungsprozess regeln, sind jedoch noch weitgehend unbekannt. Darüber hinaus ist es noch unklar, inwieweit Notch2-Signale mit anderen Signalwegen kooperieren, um die MZB-Zell-Differenzierung auszulösen, bzw. ob FoB-Zellen bestimmte Voraussetzung mitbringen müssen, damit sie zu MZB-Zellen differenzieren können. In dieser Studie wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Stärke des Notch2-Signals die Bildung von MZB-Zellen reguliert und dass es bei dem Differenzierungsprozess von FoB- zu MZB-Zellen einen engen Zusammenhang zwischen der Antigen-induzierten B-Zell-Aktivierung und der Induktion von Notch2-Signalen gibt. Um diese Hypothese zu beweisen, wurde mit Hilfe von CBF:H2B-Venus-Notch-Reporter-Mäusen untersucht, welche B-Zellpopulationen Notch-Signale erhalten. Es wurde festgestellt, dass die Venus-Expression - die ein aktives Notch-Signal wiederspiegelt - während der B-Zell-Entwicklung stetig ansteigt und dass diese in MZB-Zellen am höchsten ist. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass nahezu alle B-Zellen von Zeit zu Zeit ein Notch-Signal erhalten und dass B-Zellen, die das stärkste Notch-Signal erhalten, zu MZB-Zellen differenzieren. Allerdings wies der Pool von MZB-Zellen eine heterogene Venus-Expression auf, was darauf hindeutet, dass der Notch-Signalweg in der MZ dynamisch reguliert wird und einige MZB-Zellen ihr Notch-Signal mit der Zeit verlieren. Außerdem konnte ich zeigen, dass die Venus-Expression in den meisten Keimzentrums-B-Zellen stark verringert ist. Jedoch konnte in einem Teil der „Light-zone“-Keimzentrums-B-Zellen eine hohe Venus-Expression nachgewiesen werden. Vermutlich sind dies Zellen, die positiv selektioniert werden und in diesem Zuge ein Notch-Signal erhalten. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Notch-Signale während der positiven Selektion das „Switching“ zu IgG1 bzw. das Überleben von IgG1+-Gedächtnis-B-zellen unterstützten. Während der PC-Differenzierung blieb die Venus-Expression bis zum Plasmablasten-Stadium erhalten, wurde aber in den terminal differenzierten PC ausgeschaltet. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Notch-Signale zwar die Plasmablasten-Differenzierung treiben, aber während der terminalen PC-Differenzierung abgeschaltet werden müssen. Durch die Analyse von transgenen Mäusen mit induzierbarer konstitutiver Aktivierung oder Inaktivierung von Notch2 im Zuge von TD-Immunreaktionen konnten wir das Zusammenspiel zwischen B-Zell-Aktivierung, Hochregulierung des Notch2-Rezeptors und damit verbundene Zell-Differenzierungsprozessen nachweisen. Die Immunisierungsdaten, die wir in diesen Mäusen erhoben haben, deuteten stark darauf hin, dass FoB-Zellen, in denen die Notch2-Signale abgeschaltet werden, sich zu Keimzentrums-B-Zellen entwickeln, während aktivierte FoB-Zellen, die ein starkes Notch2-Signal erhalten, entweder zu MZB-Zellen oder Plasmablasten heranreifen. Die während der Immunreaktion neu gebildeten MZB-Zellen ähnelten sowohl hinsichtlich ihrer Zelloberflächenmarker-Expression als auch ihrer Lokalisation normalen MZB-Zellen. Die neu gebildeten MZB-Zellen blieben über einen Zeitraum von mindestens 4 Wochen in der MZ der Milz erhalten. Einige der während der Immunreaktion gebildeten MZB-Zellen hatten noch einen Keimzentrums-ähnlichen Phänotyp, was darauf hindeutet, dass sie von Keimzentrums-B-Zellen abstammen. Diese Daten könnten darauf hinweisen, das sowohl das humane als auch murine MZB-Zellkompartment aus einer heterogenen Population aus naiven und Gedächtnis-B-Zellen besteht. Das humane und murine MZB-Zellkompartment wären somit ähnlicher als ursprünglich angenommen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: B cell development, B cell activation, transdifferentiation, B cell differentiation, adaptive immune response, MZB cells, FoB cells, plasma cells, germinal center, mouse models, Notch2 signaling
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 23. März 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Zimber-Strobl, Ursula