The role of inducible T-cell co-stimulator in regulatory T cell homeostasis and function

Abstract

Inducible T-cell co-stimulator (ICOS) is a member of the CD28 family of T cell costimulatory receptors that is induced upon activation in CD4+ and CD8+ T cells. It has been established that ICOS plays a critical role in humoral immunity by supporting the generation and function of T follicular helper cells. Thus, ICOS deficiency in humans and mice leads to immunodeficiency due to impaired germinal center reaction and antibody production. ICOS can also promote expansion, survival, and cytokine expression of inflammatory T cells. However, given that ICOS is also constitutively expressed in Foxp3+ regulatory T (Treg) cells, interruption of ICOS signaling may lead to different outcomes depending on the context of immune reactions. Due to the potential opposing roles of ICOS in overall T cell immune response, the T cell subsetspecific role of ICOS needs to be clarified. In order to address the intrinsic roles of ICOS in Treg homeostasis and function, we generated mice (termed ICOS FC) in which Icos gene is specifically deficient in Foxp3+ T regulatory cells. Using flow cytometry and single-cell transcriptome analysis, we show that ICOS FC mice do not have any severe alterations in the Tcon cell activation status and subset compositions of Treg cells under a steady state condition. Consistently, no spontaneous autoimmune symptoms developed in aged ICOS FC mice. In contrast, when the mice were challenged with chemically induced skin inflammation, ICOS FC mice mounted more severe inflammatory responses. In parallel, the number of Treg cells was reduced allowing increase of inflammatory CD4+ and CD8+ T cells in the draining lymph nodes and the skin. Although very small, our single-cell transcriptome analysis identified a cluster of Treg cells coexpressing T-bet and CXCR3 (termed Th1-Treg) in the draining lymph nodes in an ICOS-dependent manner. Therefore, Treg-intrinsic ICOS deficiency had minimal impact on the overall Treg homeostasis, but weakened Treg cells’ capacity to control Th1-driven skin inflammation likely due to the impaired differentiation of Th1-Treg cells. A dual role of ICOS in T cell-driven autoimmune disease has been modeled in NOD mice. In pure NOD mice in which polyclonal T cells control the disease, ICOS germline deficiency reduced disease progression by dampening activation of pathogenic autoreactive T cells. In contrast, when the TCR repertoire was highly restricted to autoantigens in BDC2.5 TCR transgenic III NOD line, ICOS-expressing Treg cells appear to play a dominant role by halting progression of insulitis to overt diabetes. However, previous studies could not exclude the possibility of altered TCR repertoire by ICOS deficiency in germline. In this study, we tested the impact of Icos gene deletion in adult NOD mice using an inducible ubiquitous Cre system once peripheral T cell repertoire had been established. We observed reduced incidence of diabetes in pure NOD mice but accelerated disease in BDC2.5-NOD mice, very similar to germline ICOS-deficiency. These results support the prevailing view that the main function of ICOS is to regulate effector and regulatory T cells in the periphery. In sum, we demonstrated that ICOS-deficient Treg cells retain the capacity to prevent spontaneous autoimmune disease but have a compromised ability to dampen Th1-driven skin inflammation. We further confirm the notion that ICOS mainly regulates mature T cells as opposed to thymic selection process.

Le co-stimulateur inductible des lymphocytes T (ICOS) est un membre de la famille CD28 des récepteurs co-stimulateurs qui est induit suite à l'activation des lymphocytes T CD4+ et CD8+. Il a été établi que ICOS joue un rôle essentiel dans l'immunité humorale en soutenant la génération et la fonction des cellules T auxiliaires folliculaires. Le déficit en ICOS chez l'homme et la souris conduit à une immunodéficience due à une altération de la réaction du centre germinatif et de la production d'anticorps. ICOS peut également favoriser l'expansion, la survie et l'expression des cytokines des cellules T inflammatoires. Cependant, étant donné que ICOS est également exprimé de manière constitutive dans les cellules T régulatrices Foxp3+ (Treg), l'interruption de la signalisation ICOS peut conduire à des résultats différents selon le contexte des réactions immunitaires. En raison des rôles potentiellement opposés de ICOS dans la réponse immunitaire globale des lymphocytes T, le rôle spécifique de ICOS chez les sous-ensembles de lymphocytes T doit être clarifié. Afin d'étudier les rôles intrinsèques de ICOS dans l'homéostasie et la fonction des Tregs, nous avons généré des souris (appelées ICOS FC) dans lesquelles le gène Icos est spécifiquement aboli chez les cellules T régulatrices Foxp3+. À l'aide de la cytométrie en flux et de l'analyse du transcriptome unicellulaire, nous démontrons que les souris ICOS FC ne présentent aucune altération grave de l'état d'activation des cellules Tcon et des compositions de sous-ensembles de cellules Treg dans des conditions d'équilibre. De plus, aucun symptôme auto-immun spontané ne s'est développé chez les souris ICOS FC âgées. En revanche, lorsque les souris ont été confrontées à une inflammation cutanée induite chimiquement, les souris ICOS FC ont présenté des réponses inflammatoires plus sévères. En parallèle, le nombre de cellules Treg a été réduits permettant une augmentation des cellules T CD4+ et CD8+ inflammatoires dans les ganglions lymphatiques drainants et la peau. Notre analyse du transcriptome unicellulaire a identifié un petit groupe de cellules Treg coexprimant T-bet et CXCR3 (appelé Th1-Treg) dans les ganglions lymphatiques drainants d'une manière ICOS-dépendante. Par conséquent, le déficit en ICOS intrinsèque aux Tregs a eu un impact minimal sur l'homéostasie globale des Tregs, mais a affaibli la capacité des cellules Treg à contrôler l'inflammation cutanée induite par les cellules Th1, probablement en raison de la différenciation altérée des cellules Th1-Treg. V Un double rôle de ICOS dans les maladies auto-immunes induites par les cellules T a été modélisé chez les souris NOD. Dans les souris NOD pures chez lesquelles des cellules T polyclonales contrôlent l’apparition du diabète auto-immun, un déficit de ICOS réduit la progression de la maladie en atténuant l'activation des cellules T autoréactives pathogènes. En revanche, dans un contexte où le répertoire du TCR est fortement restreint aux auto-antigènes (lignée NOD transgénique BDC2.5 TCR), les cellules Treg exprimant ICOS semblent jouer un rôle dominant en arrêtant la progression vers le diabète manifeste. Cependant, des études antérieures n'ont pas pu exclure la possibilité d'un répertoire de TCR altéré par un déficit en ICOS dans la lignée germinale. Dans cette étude, nous avons testé l'impact de la délétion inductible du gène Icos chez des souris NOD adultes à l’aide d’un système Cre ubiquitaire une fois que le répertoire des cellules T périphériques a été établi. Nous avons observé une incidence réduite du diabète chez les souris NOD pures, mais une accélération de la maladie chez les souris NOD BDC2.5 très similaire au phénotype causé par une ablation de Icos de la lignée germinale. Ces résultats soutiennent l'opinion dominante selon laquelle la fonction principale de ICOS est de réguler les cellules T effectrices et régulatrices dans la périphérie. En résumé, nous avons démontré que les cellules Treg déficientes en ICOS conservent la capacité de prévenir les maladies auto-immunes spontanées, mais démontrent une capacité réduite à atténuer l'inflammation cutanée provoquée par les cellules Th1. Nous confirmons de plus l’hypothèse que ICOS régule principalement les cellules T matures au lieu du processus de sélection thymique.