Negative immuneregulation during persistent - ETH E

DISS. ETH NO. 20531
Negative immuneregulation
during persistent viral infection
A dissertation submitted to the
ETH ZURICH
for the degree of
DOCTOR OF SCIENCES
presented by
HELGE PHILIPP FREBEL
MSc Molecular Biotechnology,
University of Heidelberg, Germany
Born January 6th, 1982
in Kamp-Lintfort, Germany
accepted by the committee
Professor Doctor Annette Oxenius (examiner)
Professor Doctor Burkhard Ludewig (co-examiner)
Professor Doctor Nicola Harris (co-examiner)
Zurich, 2012
1.1. English summary
Persistent virus infections are a major health concern, particularly in the case of human
immunodeficiency virus (HIV) and hepatitis C virus (HCV) infections. An inherent
characteristic of persistent virus infections is the inability of anti-viral adaptive immunity to
clear the pathogen. This failure is intimately linked to the progressive loss of T cell effector
functions commonly observed during persistent infections. Recent studies discovered
negative immuneregulation through co-inhibitory pathways to contribute to the silencing of
anti-viral T cell responses and thus to facilitate viral persistence. However, despite promoting
microbial persistence, co-inhibitory pathways might also play a crucial protective role by
suppressing excessive virus-directed T cell responses. It therefore is essential to identify the
immunological processes which are controlled by negative regulatory pathways during
persistent virus infections to completely understand the spectrum of their functions.
We set out to investigate the protection conferred by the co-inhibitory programmed death 1
(PD-1)/programmed death ligand 1 (PD-L1) pathway in a prototypic mouse model of
persistent virus infections. PD-1 deficient mice were found to succumb to a rapidly
developing fatal pathology in conditions of high systemic loads of lymphocytic
choriomeningitis virus (LCMV) during the early phase of infection. Impaired PD-1/PD-L1
signaling precipitated significantly enhanced effector functions of anti-viral CD8 T cells
which manifested in modestly improved virus control and aggravated liver pathology. More
importantly, PD-1 deficient CD8 T cells increasingly killed LCMV infected vascular
endothelial cells in a perforin-dependent manner, as endothelial cells protected themselves
from T cell-mediated cytotoxicity through the upregulation of PD-L1. Enhanced endothelial
cell apoptosis compromised vascular integrity and resulted in considerably elevated vascular
permeability. The consequential leakage of plasma caused the formation of alveolar edema,
while the intravascular depletion of fluid impacted on circulatory homeostasis in form of
critically decreased blood pressure. This severe progressive hypotension ultimately
culminated in fatal circulatory collapse.
A further project dealt with another mechanism of negative immuneregulation which was
suspected to contribute to the functional silencing of anti-viral T cells during persistent virus
infection. The regulatory T cell (Treg) compartment was compared during resolved and
persistent LCMV infection with respect to its size, phenotype and developmental origin. A
significant expansion of Treg was observed during persistent but not during resolved
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infection, while both populations exhibited comparable phenotypes and suppressive
capacities. Further investigations suggested the expansion of Treg not to result from the
conversion of conventional anti-viral CD4 T cells to the induced Treg lineage. This was
confirmed by a genome-wide transcriptional profiling and differential expression analysis of
anti-viral CD4 T cells from resolved and persistent LCMV infection which did not determine
a higher expression level of FoxP3 in the latter population. This analysis moreover suggested
anti-viral CD4 T cells from persistent infection to be regulated by the same co-inhibitory
pathways than already described for anti-viral CD8 T cells.
1.2. German summary
Chronische Virusinfektionen stellen eine grosse gesundheitliche Herausforderung dar, was
besonders auf Infektionen mit dem Humanen Immundefizienz Virus (HIV) und dem Hepatitis
C Virus (HCV) zutrifft. Eine zwingende Eigenschaft chronisch viraler Infektionen ist die
Unfähigkeit der anti-viralen adaptiven Immunität, ein Pathogen zu eliminieren. Dieses
Versagen ist eng mit dem zunehmenden Funktionalitätsverlust von T-Zellen verbunden,
welcher im Allgemeinen während chronischer Virusinfektionen beobachtet wird. Jüngste
wissenschaftliche Studien belegen, dass negative Immunregulation durch ko-inhibitorische
Signale zu einer Abschwächung der anti-viralen T-Zell Antwort und damit zur viralen
Persistenz beiträgt. Allerdings könnten ko-inhibitorische Signale ebenfalls eine protektive
Rolle spielen, indem sie übersteigerte anti-virale T-Zell Antworten mindern. Aus diesem
Grund ist es essentiell, die immunologischen Prozesse zu identifizieren, welche von
negativen regulatorischen Signalen während chronischer Virusinfektionen kontrolliert
werden, um das komplette Spektrum ihrer Funktionen zu verstehen.
Daher untersuchten wir in einem vorherrschenden Maus Modell für chronische virale
Infektionen den Schutz, welcher durch den ko-inhibitorischen programmed death 1
(PD-1)/programmed death ligand 1 (PD-L1) Signalweg vermittelt wird. Es zeigte sich, dass
PD-1 defizitäre Mäuse bei hohen systemischen Titern des Lymphozytären Choriomeningitis
Virus (LCVM) in der frühen Phase der Infektion einer sich schnell entwickelnden fatalen
Pathologie erlagen. Eine Unterbrechung des PD-1/PD-L1 Signalwegs führte dabei zu einer
signifikant verstärkten Funktionalität anti-viraler CD8 T-Zellen, die sich in Form von leicht
verbesserter Viruskontrolle aber verstärkter Leberpathologie manifestierte. Außerdem töteten
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PD-1 defizitäre CD8 T-Zellen in einem durch Perforin vermittelten Mechanismus verstärkt
LCMV infizierte vaskuläre Endothelzellen, welche sich nicht mehr durch die erhöhte
Produktion von PD-L1 gegen T-Zell-vermittelte Zytotoxizität schützen konnten. Die
zunehmende Apoptose von Endothelzellen kompromittierte infolgedessen die vaskuläre
Integrität, was eine deutlich erhöhte vaskuläre Permeabilität herbeiführte. Das daraus
resultierende Entweichen von Plasma führte zum Entstehen alveolärer Ödeme, während der
intravaskuläre Verlust von Flüssigkeit sich durch ein kritisches Absinken des Blutdrucks auf
die zirkuläre Homöostase auswirkte. Letztlich führte eine schwere progressive Hypotonie zu
tödlichem Kreislaufversagen.
Ein weiteres Projekt untersuchte einen zusätzlichen negativen immunregulatorischen
Mechanismus, welcher im Verdacht stand, zu der funktionalen Abschwächung anti-viraler
T-Zellen im Rahmen chronisch viraler Infektionen beizutragen. Die Population
regulatorischer T-Zellen wurde in Bezug auf Größe, Phänotyp und Ursprung während einer
aufgelösten und einer chronischen LCMV Infektion verglichen. Eine signifikante Expansion
regulatorischer T-Zellen konnte während der chronischen aber nicht während der aufgelösten
Infektion festgestellt werden, während beide Populationen vergleichbare Phänotypen und
Suppressionspotentiale aufwiesen. Zusätzliche Untersuchungen legten nahe, dass die
beobachtete
Expansion
regulatorischer
T-Zellen
nicht
aus
der
Differenzierung
konventioneller anti-viraler CD4 T-Zellen zu induzierten regulatorischen T-Zellen resultierte.
Dies wurde durch eine Genom-weite Transkriptionsanalyse sowie eine Analyse der
differentiellen Transkription in anti-viralen CD4 T-Zellen aus einer aufgelösten und einer
chronischen LCMV Infektion bestätigt, da die Analyse keine erhöhte Expression von FoxP3
in der letzteren Population feststellte. Zudem legten diese Ergebnisse nahe, dass anti-virale
CD4 T-Zellen im Rahmen einer chronischen Infektion durch die gleichen ko-inhibitorischen
Signalwege reguliert werden, wie es bereits für anti-virale CD8 T-Zellen beschrieben worden
ist.
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