Basophils are very rare granulocytes in the body but not negligible mediating the type 2 immune responses in asthma and allergic diseases. Previous reports showed that basophils mature in the bone marrow from the hematopoietic stem cells. However, little has been known about basophil development other than basophil progenitor cells (BaPs). Here, I report a novel basophil precursor population that expresses glycoprotein CD200 receptor 3 (CD200R3) and IgE receptor FcRI alpha chain at high levels. I found that the novel precursor cells can be differentiated from BaPs and into mature basophils in vitro and in vivo, thus I termed them ‘pre-basophils (pre-Basos)’. Remarkably, I found that pre-Basos are still mitotic and inferior in degranulation mediated by IgE-crosslinking, but produce type 2 cytokines in response to IL-3 or IL-33 very robustly compared to mature basophils. Furthermore, IL-3 treatment induced the production of IL-4 and IL-13 whereas IL-33 triggered IL-13, but not IL-4 production. The transcriptome analysis of BaPs, pre-Basos, and mature basophils revealed the differentially expressed genes (DEGs) defining the precursor cells and controlling their functions. By using basophil-specific deletion of transcription factor NFIL3/E4BP4, one of the up-regulating DEGs, I demonstrated that NFIL3 has a suppressive role in IgE-receptor signaling, cytokine production, and degranulation both in vitro and in vivo in the setting of murine allergic diseases. I demonstrated that basophil-specific deletion of NFIL3 reduces the expression of genes required for basophil function. Collectively, the study determines a new basophil precursor population that exerts unprecedented responsiveness and dichotomy in cytokine-induced cytokine production and will help in understanding the basophil biology governing various type 2 immune responses.
호염기성 과립구 (호염구)는 혈액세포군 중 가장 적은 정도로 우리 몸에 존재하지만, 그 미미한 존재감에도 불구하고 다양한 제2형 면역반응을 조절한다. 호염구는 골수 속에서 조혈모세포 (造血母細胞)로부터 분화를 시작해, 가장 분화된 형태로 골수 속에서 발달을 완료한다. 다만, 단일분화성 세포인 호염구 전구세포의 발견 이후 해당 과정에서 호염구 발달 분화에 대한 과정은 더 이상 밝혀진 바가 없었다. 우리는 새로운 호염구 특이적인 마커인 CD200R3와 면역글로불린 E 수용체의 발현 정도를 살펴보며 호염구 전구세포가 아닌 새로운 호염구로의 발달분화능을 가진 세포를 발견하였다. 해당 세포의 이름을 ‘호염구 전구체’로 명명하고, 실제로 호염구 전구체에서 성장인자인 IL-3에 따라 말단 분화된 호염구로 변화하는 능력을 가지고 있음을 생체 외 (in vitro) 와 생체 내 (in vivo) 환경에서 밝혔다. 함께, 호염구 전구체의 기능적 차이를 규명하기 위해 해당 세포군의 탈과립 정도와 사이토카인에 대한 반응성을 살펴보았다. 흥미롭게도, 말단 분화된 호염구는 면역글로불린 E가 주어짐에 따라 보다 향상된 탈과립 정도를 보여주었지만, 사이토카인 생성은 호염구 전구체보다 오히려 떨어지는 성능을 보였다. 또한, 호염구 전구체가 생성하는 사이토카인은 그 자극에 따라 다르게 나타났는데, 대표적으로 우리는 IL-3를 통한 IL-4, IL-33에 의한 IL-13이 생성되는 이분법적인 반응을 확인했다. 우리는 3개의 다른 호염구 세포군의 전사체 분석을 통해, 발달에 따라 달라지는 다양한 ‘발현이 유의한 유전자’군을 분석하였고, 전사인자 NFIL3/E4BP4의 발현이 호염구로 발달함에 따라 증가하는 것을 확인하였다. 해당 전사인자를 호염구 특이적으로 결핍시키는 환경을 만들어준 후, 전사인자가 호염구에서 조절하는 기능들을 규명하였다. 그 결과, 비록 NFIL3의 손상이 호염구의 발달을 저해하지는 않았지만, NFIL3가 결핍된 경우 호염구가 보이는 면역 반응에 손상이 보였다. 호염구 특이적인 NFIL3 결핍은 마우스의 아토피 피부염 반응성이 떨어지는 것을 보임으로써, NFIL3의 지속적인 증가된 발현은 호염구가 발달함에 따라 그 기능의 완전성을 획득하기 위해 필요함을 확인하였다. 요약하자면, 우리가 발견한 호염구 전구체는 말단분화된 호염구보다 뛰어난 사이토카인 생성능을 지니며, 동시에 NFIL3의 발현의 지속적 증가는 완전한 호염구로의 자질을 가질 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
