The role of the innate immune sensor STING in T cells

Abstract

Signalveien cyclic GMP-AMP-synthase (cGAS)-stimulator of interferons (STING) er en viktig del av det medfødte immunforsvaret. Mønstergjenkjenningsreseptorene (PPR) uttrykkes i mange celletyper og kan oppdage DNA- og DNA-metabolitter i cytosol. Aktivering av cGAS-STING-signalveien induserer type I interferon (IFN)-produksjon. Type I IFN-produksjonen initierer en antiviral respons via autokrine og parakrine signaler. Det meste av forskningen på cGAS-STING-signalveien så langt, har blitt utført i immunceller fra det medfødte immunforsvaret. T-celler uttrykker imidlertid høye nivåer av STING, og det ser ut til å ha funksjoner utover IFN-produksjon. Spesielt interessant er STING aktiverings-indusert T-celledød. Under Coronavirus disease 19 (COVID-19) infeksjon kan STING igangsette immunpatologi ved overdrevet inflammasjon, og vi antar at STING-aktivering i T-celler kan være årsaken til T-celle lymfopeni observert ved alvorlig COVID-19. Målet med denne avhandlingen er å studere uttrykket og funksjonen til STING i CD4+ T-celler, både med og uten T celle reseptor (TCR)-aktivering. Vi ønsker å skape et større bilde av effektene: IFN-produksjon, effektor T celle cytokinproduksjon, aktiveringsmarkører, endringer i genuttrykk og T-celledød. Vår hypotese er at litt STING-aktivering forårsaker en forbedring av CD4+ T-cellefunksjon, mens sterk STING-aktivering forårsaker CD4+ T-celledød. I studien bekrefter vi uttrykk av STING i primære humane CD4+ T-celler og er de første til å beskrive høy oppregulering av STING i CD4+ T-celler etter TCR-aktivering. Oppreguleringen finner vi hovedsakelig i CD45RO+ hukommelses T-celler. Vi fant små mengder genuttrykk av IFN type I/III etter TCR- og STING-aktivering, og IFN ble også detektert i supernatant 48 timer etter TCR- og STING-aktivering. Produksjon av effektorcytokiner relatert til TCR-aktiverte TH1-, TH17- og TREG CD4+ T-celler, økte etter STING-aktivering avheng av dose. Prosentandelen av aktiverte CD4+ T-celler, målt med spesifikke aktiveringsmarkører, ble redusert i høyere doser av STING-aktivering. STING aktiverings-indusert primær human CD4+ T-celledød ble bekreftet i studien. Interessant nok ble celledød funnet både i TCR-aktiverte og ikke-aktiverte, naive og hukommelses, CD4+ T-celler, selv om deres STING-uttrykk er veldig forskjellige. CD4+ T-celler TCR aktivert 48 timer før STING aktivering ser imidlertid ut til å være motstandsdyktige mot celledøden. Det er sannsynligvis en interaksjon mellom overlevelsessignaler og apoptotiske signaler i samtidige TCR- og STING-aktiverte CD4+ T-celler. STING-signalering påvirker T-celle-effektorfunksjoner, fenotype og cytokinproduksjon, men kan også indusere apoptotisk CD4+ T-celledød. Dette kan være svært relevant for CD4+ T-cellefunksjoner i svært inflammatoriske vev ved kreft eller infeksjon og kan forklare lymfopeni ved alvorlige infeksjoner som COVID-19. Videre undersøkelser av STING-uttrykk og funksjonell rolle av STING-signalering i T-celler fra pasienter med alvorlige infeksjoner eller kreft, er nødvendig for å vurdere den kliniske relevansen.

The cyclic GMP-AMP synthase (cGAS)-stimulator of interferon genes (STING) pathway is an essential part of innate immunity. The pattern recognition receptors (PPRs) are expressed in many cell types and detects cytosolic DNA and DNA metabolites. Activation of the cGAS-STING pathway induces type I interferon (IFN) production. The type I IFN production initiates an antiviral response in an autocrine and paracrine fashion. Most research on the cGAS-STING pathway has been performed in innate immune cells. However, T cells express high levels of STING, and it appears to have functions beyond IFN production. Especially interesting is STING activation-induced T cell death. In Coronavirus disease 19 (COVID-19), STING drives immune pathology, and we hypothesize that STING activation in T cells could be the cause of the T cell lymphopenia observed in severe COVID-19. The aim of this thesis is to study the expression and function of STING in CD4+ T cells, both with and without T cell receptor (TCR) activation. The focus is on creating a bigger picture of the effects, IFN production, T cell effector cytokine production, activation markers, gene expression changes and T cell death. Our hypothesis is that small amounts of STING activation cause an increase in CD4+ T cell function, while strong STING activation cause CD4+ T cell death. We confirm expression of STING in primary human CD4+ T cells and are the first to describe a high upregulation of STING in CD4+ T cells after TCR activation. The upregulation is mainly in CD45RO+ memory T cells. There were low levels of gene expression of IFN type I/III after TCR and STING activation, and IFNs were also found in the supernatants 48h after TCR and STING activation. Effector cytokine production related to TCR activated TH1, TH17, and TREG CD4+ T cells, was found to increase in a dose-dependent manner after STING activation. The percentage of activated CD4+ T cells, with specific activation markers, decreased in higher doses of STING activation. STING activation-induced primary human CD4+ T cell death was confirmed. Interestingly, cell death was found both in TCR activated and non-activated, naïve and memory, CD4+ T cells even though their STING expression differ. TCR pre-activated (48h) CD4+ T cells, however, seem to be resistant, and there is probably an interaction between pro-survival signals and pro-apoptotic signals in concomitant TCR and STING activated CD4+ T cells. In summary, STING signaling affects T cell effector functions, phenotype, and cytokine production, but can also induce apoptotic CD4+ T cell death. This might be highly relevant for CD4+ T cell functions in the highly inflammatory environment of cancer or infection and might explain lymphopenia in severe infections live COVID-19. Further investigations on STING expression levels and functional role of STING signaling in T cells from patients with severe infections or cancer, are needed to assess the clinical relevance.