The CXCL10/CXCR3 axis cross-talk between emerging T cell acute lymphoblastic leukemia and thymic epithelial cells

Within the thymus, the development of T-cells is controlled by specialized thymic epithelial cells (TECs). Based on their function and anatomic location TECs are separated into cortical and medullary subsets (cTECs and mTECs). cTECs express the indispensable NOTCH-ligand DLL4 controlling T cell lineage commitment while mTECs play a central role in T-cell negative selection. Acquired NOTCH1 gain-of-function mutations play a key role in acute T cell lymphoblastic leukemia (T-ALL) development. During T-ALL leukemogenesis aberrant expression of transcription, factors such as SCL and LMO1 block T cell differentiation and increased self-renewal. Since acquired NOTCH1 mutations are ligand-dependent to exert augmented signaling, we proposed DLL4-expressing TECs playing a critical role in T-ALL leukemogenesis. In the present study, we used the SCL/LMO1 T-ALL mouse model, murine TEC cell lines and human T-ALL cell lines to investigate TEC dynamics and function in the T-ALL context. First, we demonstrated in co-cultures that TEC cell lines possess in vitro T-ALL supporting potential, which was comparable to the mesenchymal cell line OP9. Next, we showed in the SCL/LMO1 T-ALL mouse model that preleukemic thymocytes displayed a striking upregulation of NOTCH1 target genes. Interestingly, fluorescence microscopy revealed a relative expansion of cortical and a relative reduction of the medullary thymic areas in SCL/LMO1 thymi. Correspondingly, absolute numbers of cTECs expanded while mTEC numbers declined. Gene expression profiling of sorted SCL/LMO1 cTECs revealed upregulation of the chemokines CXCL10 and CXCL12. Remarkably, CXCL12 produced by endothelial cells is a known factor controlling in vivo T-ALL maintenance. We moved on to study whether CXCL10 expression by TECs was T-ALL-dependent. Strikingly, we showed that CXCL10 upregulation in TEC cell lines could only be induced by direct co-culture with SCL/LMO1 cells while wild-type control cells did not alter TEC CXCL10 expression. Moreover, increased CXCL10 chemokine concentrations were detected in SCL/LMO1 thymic interstitial fluid. Next, the expression of the CXCL10 receptor CXCR3 was revealed on human T-ALL cell lines and on SCL/LMO1 thymocytes. Finally, we demonstrated a CXCL10 dependent pro-survival effect within cultured SCL/LMO1 thymocytes, which was associated with the activation of NOTCH1 signaling. In summary, the collected data support a novel T-ALL-promoting regulatory circuit in which emerging T-ALL lymphoblasts induce CXCL10 in expanding TECs which positively feeds back to T-ALL cells via the CXCL10 receptor CXCR3.

Innerhalb des Thymus wird die Entwicklung von T-Zellen durch spezialisierte thymische Epithelzellen (TECs) gesteuert. Basierend auf ihrer Funktion und anatomischen Lage werden TECs in kortikale und medulläre Zellen (cTECs und mTECs) unterteilt. cTECs exprimieren den unverzichtbaren NOTCH-Liganden DLL4, der die T-Zell-Linienentscheidung kontrolliert, während mTECs eine zentrale Rolle bei der negativen Selektion von T-Zellen spielen. Erworbene NOTCH1-Mutationen spielen eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung der akuten T-Zell lymphoblastischen Leukämie (T-ALL). Während der T-ALL Leukämogenese blockiert die aberrante Expression der Transkriptionsfaktoren SCL und LMO1 die T-Zelldifferenzierung und steigert die Selbsterneuerungsfähigkeit. Die Ligandenabhängigkeit der aktivierenden Wirkung von NOTCH1-Mutationen spricht für eine entscheidende Rolle von DLL4-exprimierende TECs innerhalb der T-ALL-Leukämogenese. In der vorliegenden Studie haben wir das SCL/LMO1 T-ALL Mausmodell, murine TEC Zelllinien und menschliche T-ALL Zelllinien verwendet, um die Dynamik und Funktion der TECs im T-ALL Kontext zu untersuchen. Zuerst haben wir in Co-Kulturen gezeigt, dass TEC-Zelllinien ein in vitro T-ALL unterstützendes Potenzial besitzen, das mit der mesenchymalen Zelllinie OP9 vergleichbar ist. Als nächstes wiesen wir im SCL/LMO1 T-ALL Mausmodell nach, dass präleukämische Thymozyten eine ausgeprägte Hochregulation der NOTCH1-Zielgene zeigten. Interessanterweise zeigte die Fluoreszenzmikroskopie eine relative Ausdehnung der kortikalen und eine relative Reduktion der medullären thymischen Bereiche in SCL/LMO1 Thymi. Dementsprechend war auch ein Anstieg der absoluten thymischen cTEC Zellzahlen zu verzeichnen, während die mTEC-Zahlen zurückgingen. Die Genexpressionsanalysen von sortierten SCL/LMO1 cTECs ergab eine signifikante Hochregulation der Chemokine CXCL10 und CXCL12. Bemerkenswert ist, dass CXCL12, das auch von Endothelzellen produziert wird, ein bekannter Faktor ist, der die in vivo T-ALL-Erhaltung steuert. Als nächstes untersuchten wir, ob die CXCL10-Expression durch TECs abhängig von der Interaktion mit T-ALL Zellen ist. Auffallend war, dass die CXCL10-Hochregulation in TEC-Zelllinien nur durch direkte Co-Kultur mit SCL/LMO1-Zellen induziert werden konnte, während Wildtyp-Kontrollzellen die TEC CXCL10-Expression nicht veränderten. Darüber hinaus wurden erhöhte CXCL10-Chemokinkonzentrationen in der interstitiellen SCL/LMO1-Thymusflüssigkeit nachgewiesen. Weiterhin wurde die Expression des CXCL10-Rezeptors CXCR3 auf humanen T-ALL-Zelllinien und auf SCL/LMO1-Thymozyten nachgewiesen. Schließlich zeigten wir einen CXCL10-abhängigen Überlebenseffekt in kultivierten SCL/LMO1-Thymozyten, der mit der Aktivierung des NOTCH1-Signalweges verbunden war. Zusammenfassend sprechen die erhobenen Daten für einen neuartigen T-ALL-fördernden regulatorischen Kreislauf, in dem neu entstehende T-ALL-Lymphoblasten CXCL10 innerhalb von expandierenden TECs induzieren, das über den CXCL10-Rezeptor CXCR3 positiv auf T-ALL-Zellen zurückwirkt.

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Patil, A., 2021. The CXCL10/CXCR3 axis cross-talk between emerging T cell acute lymphoblastic leukemia and thymic epithelial cells. https://doi.org/10.17185/duepublico/70693
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