Role of cytokine IL-15 in the homeostasis of the intestinal epithelium and inflammatory bowel diseases

Abstract

Abstract: Inflammatory bowel diseases (IBD), such as Ulcerative Colitis and Crohn’s disease, are characterized by increased intestinal permeability caused by intestinal mucosal barrier dysfunction, a critical factor in the pathogenesis of IBD. The immune system is the major effector of this tissue damage, through the action of multiple cell types as well as soluble mediators, such as TNFα, which are currently therapeutic targets in the treatment of IBD. Interleukin 15 (IL-15) is a pro-inflammatory cytokine involved in maintenance and activation of subgroups of cytotoxic lymphocytes and macrophages in the intestinal epithelium, by acting through the 3-subunit receptor IL-15R. IL-15 receptor complex consists of a unique IL-15R alpha subunit, IL-2/IL-15R beta, and the common gamma-chain/IL-2R gamma subunit. IL-15 expression is increased in IBD and in murine models of intestinal inflammation. However, the exact role of IL-15 signaling in intestinal homeostasis and inflammatory responses, particularly in intestinal epithelial cells (IEC), remains to be determined. The function of IL-15 has been widely described in immune cells, but its functions in other tissues are less well known. The aim of this thesis is to investigate the role of IL-15 in the homeostasis of the intestinal epithelium and in inflammatory bowel diseases. We tested the influence of IL-15 on intestinal homeostasis in C57BL/6 wild-type (WT), IL-15 deficient (Il15-/-) and IL-15R[alpha] deficient (Il15ra-/-) mice. After 7 days, macromorphological analysis of the small and large intestine of Il15 null mice did not reveal any spontaneous abnormalities when compared to WT littermates. To determine the impact of IL-15 signaling on intestinal proliferation and repair under exogenous stress, we exposed WT and Il15-/- mice to dextran sulfate sodium (DSS), a chemical irritant that disrupts the intestinal epithelial barrier and results in induction of colitis. Mice deficient in Il15 did not display a decreased susceptibility to acute DSS-induced colitis. Additionally, we found that blocking IL-15 signalling on DSS-colitis onset with the TM-[beta]1 antibody, who bind to the [beta] chain of the receptor shared by cytokines IL-2 and IL-15, prevents the overall outcome of the colitis associated inflammation in Il15ra-/- mice, but not in WT mice. Using mouse in vitro crypt enteroids from WT and Il15-deficient mice, this study demonstrates that exogenous mIL-15 promoted increased mRNA levels of the Lgr5 stem cells marker only in mutant enteroids, but not other epithelial cell linage markers tested, suggesting a role of IL-15 in intestinal cell proliferation and regeneration. Intestinal enteroids stimulated with IFN[gamma] significantly reduced in vitro basal proliferation and viability in WT and Il15-deficient enteroids. Interestingly, reduced expression of the Tnfa and Cxcl10 genes was observed in Il15-deficient small intestinal organoids under IFN[gamma] treatment. In conclusion, our results suggest that IL15Rα expression in intestinal cells may be needed for the recruitment and/or maintenance of the immune cell population responsible for tissue damage in the intestine. The reduce expression of pro-inflammatory mediators in Il15-deficient enteroids indicates that epithelial IL-15 regulates crypt homeostasis through the modulation of cytokines and chemokines, that can activate leukocytes in the intestinal epithelium to perpetuate inflammation.

Les maladies inflammatoires intestinales (MII), telles que la colite ulcéreuse et la maladie de Crohn, sont caractérisées par une augmentation de la perméabilité intestinale causée par un dysfonctionnement de la barrière muqueuse intestinale, facteur déterminant de la pathogenèse des MII. Le système immunitaire est le principal responsable de ces lésions tissulaires, par l'action de multiples types de cellules ainsi que de médiateurs solubles, tels que le TNFα, qui sont actuellement des cibles thérapeutiques dans le traitement des MII. L'interleukine 15 (IL-15) est une cytokine pro-inflammatoire impliquée dans le maintien et l'activation de sous-groupes de lymphocytes cytotoxiques et de macrophages dans l'épithélium intestinal, en agissant par l'intermédiaire du récepteur trimérique, l'IL-15R. L'expression de l'IL-15 est augmentée chez les patients atteints de MII et dans les modèles murins d'inflammation intestinale. Cependant, le rôle exact de la signalisation de l'IL-15 dans l'homéostasie intestinale et les réponses inflammatoires, en particulier dans les cellules épithéliales intestinales (IEC), reste à déterminer. La fonction de l'IL-15 a été largement décrite dans les cellules immunitaires, mais ses fonctions dans d'autres types cellulaires sont moins bien connues. Le but de cette thèse est d'étudier le rôle de l'IL-15 dans l'homéostasie de l'épithélium intestinal et les maladies inflammatoires de l'intestin. Nous avons testé l’influence de l’IL-15 sur l’homéostasie intestinale chez les souris C57BL/6 de type sauvage (WT) et déficientes en IL-15 (Il15-/-). Après 7 jours, l'analyse macromorphologique de l'intestin grêle et du colon de souris nulles en Il15 n'a révélé aucune anomalie spontanée par rapport aux souris WT. Pour déterminer l’impact de la signalisation de l’IL-15 sur la prolifération et la réparation intestinales sous un stress exogène, nous avons exposé des souris WT et Il15-/- au dextran sulfate de sodium (DSS), un irritant chimique qui perturbe la barrière épithéliale intestinale et induit la colite. Les souris déficientes en IL-15 ne présentaient pas une sensibilité diminuée à la colite aiguë induite par le DSS. De plus, nous avons constaté que le blocage de la signalisation de l’IL-15 dans la colite induite avec DSS par l’anticorps TM-[beta]1, qui se lient à la chaîne [beta] du récepteur partagé par les cytokines IL-2 et IL-15, empêche l’apparition globale de l’inflammation associée à la colite chez les souris Il15ra-/- mais pas chez les souris WT. En utilisant des entéroïdes de cryptes provenant de souris WT et déficientes en Il15, cette étude démontre que l’IL-15 exogène induit l'augmentation du niveau d'ARNm du marqueur de cellules souches Lgr5 dans les entéroïdes mutants, mais pas les autres marqueurs de lignées des cellules épithéliales testés, suggérant un rôle de l’IL-15 dans la prolifération et la régénération des cellules intestinales. Les organoïdes intestinaux stimulés par IFN[gamma] réduisent de manière significative la prolifération basale et la viabilité in vitro dans les entéroïdes WT par rapport à ceux déficients en Il15. Fait intéressant, une différence réduite dans l’expression des gènes Tnfa et Cxcl10 a été observée dans les entéroïdes déficients en Il15. En conclusion, nos résultats suggèrent que l’expression de IL15Rα dans les cellules intestinales pourrait être nécessaire au recrutement et / ou au maintien de la population de cellules immunitaires responsable des lésions tissulaires dans l’intestin. La réduction de l'expression des médiateurs pro-inflammatoires dans les entéroïdes déficients en Il15 indique que l'IL-15 épithéliale régule l'homéostasie des cryptes par la modulation de cytokines et de chimiokines, capables d'activer les leucocytes dans l'épithélium intestinal pour perpétuer l'inflammation.