The regulatory role of genetic risk factors for autoimmune diseases on thymic antigen-presenting cells and self-tolerance

Autoimmune sykdommer rammer ca 5% av befolkningen og er forårsaket av et immunologisk angrep mot kroppens eget vev. Flere hundre genetiske varianter er kjent for å disponere for autoimmune sykdommer, men deres biologiske effekt er i stor grad ukjent. Lokalisasjonen i genomet viser at risiko er forbundet med regulering av immungener. Vi har tidligere identifisert flere autoimmune risikovarianter som påvirker genuttrykket i tymus. Med dette prosjektet vil vi utdype vår forståelse av rollen til tymus for autoimmunitet, og da med fokus på antigen-presenterende celler og deres innflytelse på selvtoleranse. Vi har etablert laboratorie- og dataanalyseprotokoller for single cell analyser, metoder som krever en del optimalisering for å sikre at vi dekker det fulle spekteret av celletyper av interesse. Dette er moderne metoder i rask utvikling, som nå gir mulighet til å studere flere ulike informasjonslag på enkeltcellenivå. Vi har generert og analysert enkeltcellesekvenseringsdata med informasjon om RNA- og protein-uttrykk (CITE-seq), immuncellereseptorer (scAIRR-seq), kromatintilgjengelighet (scATAC-seq), og bindingsseter for de tre utvalgte transkripsjonsfaktorene AIRE, FEZF2, og DEAF1 (scCut&Tag). Vi har også generert og analysert RNA-sekvenseringsdata med informasjon om romlig organisering (spatial transcriptomics). En kombinert bruk av disse ulike informasjonslagene har gjort det mulig å studere nye aspekter som vanskelig kan dekkes av én type data alene. Resultatene har gitt ny innsikt i rollen til ulike undergrupper av celler under immuncelleutviklingen, hvordan nærliggende celletyper i ulike mikromiljøer i tymus kommuniserer med hverandre, og hvordan celletyper varierer i immunreseptorprofiler og kromatinlandskap. Særlig har vi fokusert på utviklingen av ukonvensjonelle grupper av T-celler som er involvert i immunregulering og selvtoleranse, og hvordan ulike typer av antigenpresenterende celler påvirker utviklingen av slike ukonvensjonelle T-celler. Funnene har betydning for å forstå hvordan genetiske varianter som virker inn på immunelleutvikling i tymus medfører sårbarhet for autoimmunitet, og fremhever mekanismer som kan være av betydning for utvikling av fremtidig diagnostikk og terapier. Videre representerer de genererte dataene en ressurs for fremtidige enkeltcellenivå-studier, deriblant studier som ønsker å forstå hvordan de identifiserte celletypene avviker mellom friske individer og individer med autoimmun sykdom. Som en del av arbeidet har stipendiaten på prosjektet også gjennomført et virtuelt studieopphold (pga covid-19) hos Sarah Teichmann, som er verdensledende innen single cell biologi. En artikkel som omhandler resultatene er publisert i Frontiers in Immunology, en andre artikkel er submittert, og en tredje artikkel er under ferdigstillelse for submittering. Disse tre arbeidene inngår i stipendiatens innleverte doktorgradsavhandling. Videre er en fjerde artikkel under opparbeiding i samarbeid med Anthony Matelier/Norsk senter for molekylærmedisin (NCMM) og en femte artikkel under arbeid som omfatter HLA allelekspresjon. I tillegg til disse publikasjonene, har prosjektet blitt presentert på vitenskapelige konferanser både nasjonalt og internasjonalt, samt kommunisert til et bredere publikum gjennom populærvitenskapelig blogginnlegg og sosiale medier.

Funnene fra prosjektet har økt kunnskapen vår om immuncelleutvikling i tymus, spesielt utviklingen fra ukonvensjonelle typer av T-celler som regulatoriske T celler og CD8 T-celler, og hvordan undergrupper av antigen-presenterende og stromale celler påvirker utviklingen. Ved bruk av moderne, multi-modale enkeltcelleteknologier har vi kunnet studere heterogenitet som ikke ville ha kommet frem i studier på bulk-nivå. Denne forståelsen av heterogenitet i tymus er nødvendig for effektiv utvikling av nye terapier mot autoimmun sykdom. Ukonvensjonelle, immun-modulerende T-celler har potensiale i behandling av pasienter med autoimmun sykdom, eksemplifisert av forskning på celleterapier basert på overføring av regulatoriske T celler, eller terapier som målrettet prøver å fremme utviklingen og aktiviteten av slike celler, som behandling med lav-dose IL-2. Våre funn indikerer at det finnes ulike utviklingsveier for ukonvensjonelle, immun-modulerende celler i tymus. Cellene som bøyer av mot de ulike utviklingsveiene varierer i modenhet, respons på immunreseptorsignalering, lokalisering i vevet, og i kommunikasjon med nærliggende antigenpresenterende og stromale celler. Denne heterogeniteten har betydning for målet om å fremme utvikling av stabile, immun-modulerende cellelinjer som trygt kan brukes i behandlingsformål. Prosjektet har også demonstrert hvordan en kombinert bruk av ulike informasjonslag, et felt som er i rask utvikling, kan muliggjøre funn som ikke kan oppdages gjennom én type data alene. Den oppnådde kompetansen innen dette feltet har blitt spredt til forskere både i samme og i andre forskningsgrupper gjennom presentasjoner, faglige diskusjoner og publikasjoner, og vært til hjelp for andre kommende og pågående forskningsprosjekter. Data frembrakt i prosjektet er gjort tilgjengelig i databaser og vil også være en ressurs for fremtidige studier. Prosjektet har fremhevet mekanismer som vil være av interesse for utvikling av fremtidige forskningsprosjekter, med mål om å bedre diagnostikk og behandling av autoimmune sykdommer. Mer effektive og persontilpassede behandlinger for pasienter med autoimmune sykdommer er avgjørende for å redusere den høye individuelle og samfunnsmessige kostnaden av slike tilstander.

Autoimmune diseases affect about 5% of the population and are caused by an immunological attack against the body´s own tissues. The etiology is complex and largely unknown. Human leukocyte antigen (HLA) alleles are major genetic determinants explaining up to half of the heritability, but several hundred other immune loci confer susceptibility. The autoimmune risk variants are mainly located outside coding regions, implying a regulatory role and thereby acting as quantitative trait loci (QTL). We have previously systematically revealed autoimmune risk variants influencing expression levels of immune genes in whole thymic tissue. With this proposal, we will first generate a comprehensive overview of cell populations existing in human thymus and their transcriptomes. Next, we will reveal the regulatory role of genetic risk factors in human thymic antigen-presenting cell type, being crucial for presenting all tissue proteins in order to establish self-tolerance and avoid autoimmunity. The project will employ state of the art mass and flow cytometry, single cell RNA sequencing and next generation ChIP and RNA sequencing. We will identify autoimmune risk variants influence gene expression and alternative splicing (as sQTLs), including comprehensive assessment of HLA allelic expression levels. In the medullary epithelial cells, we will also identify binding sequences for AIRE and FEZF2 that are disturbed by risk variants (bQTLs). AIRE and FEZF2 are important transcription factors for promiscuous gene expression in thymus and thereby establishment of self-tolerance. Ultimately, the benefits of unravelling and elucidating genetic mechanisms for autoimmune diseases in thymic antigen presenting cells include increased knowledge about pathogenesis and thereby reveal treatment targets.