Skip to main content
Login | Suomeksi | På svenska | In English

Antigen-driven maturation of autoreactive B cells in a spontaneous relapsing-remitting mouse model of Multiple Sclerosis

Show full item record

Title: Antigen-driven maturation of autoreactive B cells in a spontaneous relapsing-remitting mouse model of Multiple Sclerosis
Author(s): Hämäläinen, Klaus
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Pharmacy
Degree program: Master 's Programme in Pharmacy
Specialisation: Pharmacology
Language: English
Acceptance year: 2022
Abstract:
Multippeliskleroosi (MS) on keskushermoston parantumaton demyelinisoiva autoimmuunisairaus, jonka tarkka patogeneesi on edelleen epäselvä, mutta uusimmat tutkimukset ovat osoittaneet B-solujen olevan osallisia taudin puhkeamiseen. Vuosikymmenten ajan käytetyimpiä eläinmalleja MS-taudin tutkimuksessa ja uusien lääkehoitojen kehittämisessä ovat olleet T-soluhin perustuvat kokeellisen autoimmuunisen enkefalomyeliitin (EAE) eläinmallit, jotka eivät kuitenkaan mallinna B-solujen osallistumista patogeneesiin, joten B-soluista riippuvaisten EAE-mallien oletetaan mahdollistavan paremman ymmärryksen MS-taudin immunohistopatologiasta. Tutkimuksessa käyttävässä EAE-mallissa siirtogeeniset myeliinioligodendrosyytti glykoproteiini (MOG) -reaktiiviset T-solut saavat aikaan B-solujen jakautumisen endogeenisesta repertuaarista, mikä johtaa spontaanin relapsoiva-remittoivan (RR) EAE tautimallin kehittymisen 3–4 kuukauden ikäisillä hiirissä. Mielenkiintoista on, että MOG-spesifisiä vasta-aineita on olemassa paljon ennen EAE-taudin varsinaista puhkeamista ja ne voidaan havaita jo 5 viikon ikäisillä RR-hiirillä. Lisäksi taudin kehittyminen RR-hiirillä riippuu sekä B-solujen (oletettavasti MOG-spesifisten) läsnäolosta että suolistomikrobiston aiheuttamasta stimuluksesta. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli arvioida indusoidun itukeskussoluviljelmän (iGB) laajempaa käytettävyyttä B-solujen repertuaaritutkimuksissa ja tutkia iGB-viljelmän avulla, onko MOG-spesifisiä B-soluja alle 4 viikon ikäisten ja mikrobiomittomissa RR-hiirten sekundaarisissa imusolmukkeissa. Lisäksi tavoitteena oli selvittää, tapahtuuko MOG-spesifisten B-solujen repertuaarissa merkittäviä muutoksia verrattaessa terveitä nuoria hiiriä sairastuneisiin aikuisiin RR-hiiriin sekä kypsyvätkö MOG-spesifiset B-solut taudin alkaessa kaulan imusolmukkeissa vai keskushermostossa. Tätä varten suoritimme B-solujen yksisolu-RNA-sekvensoinnin (scRNA-Seq) B-soluista, jotka eristettiin sairaiden RR EAE -hiirten keskushermostosta, pernasta ja kaulan imusolmukkeista. Osoitimme, että iGB-soluviljelmä on epäsopiva työkalu esiaktivoitujen B-solujen kasvattamiseen, eikä viljelmä sovellu B-solujen repertuaaritutkimuksiin. iGB-viljelmä osoittautui hyödylliseksi MOG-spesifisten B-solujen seulontatutkimuksiin eri immuunielimistä. Menetelmän avulla osoitimme, että MOG-vasta-aineet voidaan havaita jo 3-4 viikon ikäisistä RR-hiiristä, sekä löysimme MOG-spesifisiä B-soluja myös mikrobiomittomissa RR-hiirissä. ScRNA-Seq-tulokset paljastivat monia ekspansiivisesti jakautuneita MOG-spesifisiä B-soluklonotyyppejä sairaissa RR-hiirissä. Lisäksi sairaiden RR-hiirten B-solurepertuaari oli monipuolisempi verrattuna terveisiin 5 viikon ikäisiin RR-hiiriin. Kaksi kolmasosaa ekspansiivisesti jakautuneista klonotyypeistä havaittiin ensisijaisesti sairaiden RR-hiirten keskushermostossa, mikä osoittaa, että klonotyypit kehittyvät edelleen ja jatkavat isotyyppien vaihtoa keskushermostossa. Havaitsimme myös enemmän somaattista mutaatiota sairaiden RR-hiirten ekspansiivisesti jakautuneiden klonotyyppien vaihtelevalla alueella verrattuna 5 viikon ikäisiin RR-hiiriin. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat selvästi antigeenin aiheuttaman MOG-spesifisen B-solupopulaation kypsymisen sairastuneissa RR-hiirissä, mikä näyttää esiintyvän pääasiassa keskushermostossa. Sen sijaan kaulan imusolmukkeet ovat tärkeä paikka MOG-spesifisten B-solujen aktivoitumiselle terveissä RR-hiirissä, jopa mikrobiomittomissa eläimissä. Tämä viittaa siihen, että kommensaalinen suolistomikrobisto ei ole välttämätön MOG-spesifisten B-solujen klonaaliseen ekspansioon, vaan ainoastaan EAE:n kehittymiseen. Lupaavien scRNA-Seq-tulostemme vahvistamiseksi on tarpeellista varmistaa klonotyyppien MOG-spesifisyys tulevissa tutkimuksissa.
Multiple Sclerosis (MS) is an incurable autoimmune demyelinating disease affecting the central nervous system (CNS). Although the detailed pathogenesis remains unclear, recent research has highlighted the involvement of B cells. For decades, however, MS research was based on T cell-focused animal models of autoimmune encephalomyelitis (EAE), which do not reflect the involvement of B cells in the pathogenesis. Therefore, B cell-dependent EAE models are hypothesized to allow a better understanding of MS immunohistopathology and may therefore lead to the development of efficient treatments. In our spontaneous relapsing-remitting (RR) EAE model, B cells are recruited from the endogenous repertoire by transgenic myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG) -reactive T cells, causing the development of EAE in 3–4-month-old mice. Interestingly, MOG-specific antibodies are present long before actual onset of clinical disease and can be detected already in 5-week-old RR mice and disease development in RR mice is dependent both on the presence of (presumably MOG-specific) B cells as well as on stimuli provided by intestinal microbiota. Firstly, we evaluated the broader usability of induced germinal center cell (iGB) culture as a model for B cell repertoire studies. Then, by using iGB culture, we studied whether MOG-specific B cells are present in secondary lymphoid organs of younger than 4-week-old and germ-free RR mice. Finally, this study aimed to investigate whether the repertoire of MOG-specific B cells undergoes significant qualitative changes from young healthy mice to older acutely sick RR mice, and whether at the time of disease onset the recruited MOG-specific B cells expand and mature in the cervical nodes (cLN) or in the CNS. To do so, following the hosting-lab’s previous single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) of B cells derived from cLN of 5-week-old RR mice, we performed the scRNA-seq of B cells from CNS, spleen, and cLN of acutely sick RR EAE mice. We demonstrated that iGB culture is an unsuitable tool to expand pre-activated B cells, and hence, in our hands it was inappropriate for repertoire studies. However, iGB culture proved to be useful for screening different organs for MOG-specific B lymphocytes, and we found that anti-MOG antibodies were firstly detected in 3-4-week-old RR mice, and MOG-specific B cells were present also in germ-free RR mice. Our scRNA-seq results revealed many highly expanded MOG-specific B cell clonotypes in acutely sick RR mice. Moreover, the B cell repertoire of sick RR mice was more diverse, including IgG1, IgM, IgG2b, IgG2c, and IgG3 isotypes, compared to healthy 5-week-old RR mice that had only IgG1 or IgM isotypes. Two-thirds of the expanded clonotypes were primarily detected in the CNS in sick RR mice, indicating that clonotypes develop further and continue isotype switching within the CNS. We also detected more somatic mutation in the variable region of expanded clones of sick RR mice compared to 5-week-old RR mice. The results of this study clearly show an antigen-driven evolution of the MOG-specific B cell repertoire from healthy young to acutely sick RR mice, which seems to occur mainly in CNS itself. In contrast, cLN are the major initial priming site of MOG-specific B cells in healthy RR mice, even under germ-free conditions. This suggests that commensal microbiota is not required for initial recruitment of MOG-specific B cells, but for the development of EAE. To further validate our encouraging scRNA-Seq results, it is necessary, in future experiments, to confirm the MOG-specificity of expanded clonotypes.
Keyword(s): multiple sclerosis experimental autoimmune encephalomyelitis myelin oligodendrocyte glycoprotein auto-reactive B cells single-cell RNA sequencing induced germinal center cell culture multippeliskleroosi kokeellinen autoimmuuni enkefalomyeliitti myeliinioligodendrosyytti glykoproteiini autoreaktiiviset B-solut yksisolu-RNA-sekvensointi indusoitu itukeskussoluviljelmä


Files in this item

Files Size Format View
Klaus_Hamalainen_Tutkielma_2022.pdf 1.749Mb PDF

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record