Prof. Dr. Rolf M. Zinkernagel, co-examiner - ETH E
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DISS. ETH NO. 17280 Inductionand Tolerizationof CD8+ T cell responses in vivo A dissertationsubmitted to ETH ZÜRICH for the degree of Doctorof Natural Sciences presented by Anita Schildknecht dipl. mol. biol., University of Zürich born 28.11.1977 Citizen of Zürich (ZH), Switzerland accepted on the recommendationof Prof. Dr. Hans Hengartner,examiner Prof. Dr. Rolf M. Zinkernagel, co-examiner PD Dr. Maries F. van den 2007 Broek, co-examiner SUMMARY Summary crucially contribute to immune defense against intracellular pathogens through specific elimination of infected cells, thereby iimiting pathogen spread. But CD8+ T cells represent a potential danger for the organism if their response is CD8* T cells directed towards self-determinants, resulting in tissue-destruction or autoimmunity. induction of priming, Therefore, auto-reactive CD8+ T cells have to be silenced and acquisition of effector function and reactivation of memory CD8+ T cells has to be tightly regulated to inhibit self-damage. The majority of self-reactive T cells is eiiminated in the thymus through a process called negative selection. As negative selection is not complete, self-reactive, mature T cells appear in every healthy individual, which calls for peripheral tolerization mechanisms to keep these T cells in ample evidence now that antigen presented by resting, immature dendritic cells (DC) in a steady State Situation, i.e. in the absence of inflammation or check. There is infection, results in peripheral T cell tolerance. In this thesis, molecular and cellular mechanisms underlying priming, tolerance and reactivationof CD8+ T cells were investigated in vivo in laboratory mice. Obviously, a better knowledge of processes involved in the induction of immunity and tolerance has relevance for the design of vaccines against pathogens and tumors and will contribute to the understanding of autoimmunity. In the first chapter, expression and function of the tumor necrosis factor receptor (TNFR) family member CD70 on DCs was examined in the context of infections. We found that priming of specific CD8+ T cell responses crucially depended on CD70- mediated interactionswith DCs. In the second chapter, we analyzed to what extent the reactivationof memory CD8+T cell responses depends on DCs and whether the activation Status of antige n- presenting DCs has impact on the response. We show that DCs are pivotal for expansion and acquisition of effector function of memory CD8+ T cells, and that absence of DCs cannot be compensated by other potential antigen presenting cells (APC). Addätionally, an it was shown that reactivationof memory CD8+ T cells requires SUMMARY interaction with activated DCs, as 9 antigen presentation in the steady state resulted in expansion and decreased ex vivo effector function. In the third chapter a transgenic mouse model system was established that allows inducible neo-self antigen expression specifically in oligodendrocytesand Schwann cells, thus avoiding central tolerance, to investigate the fate of endogenous selfreactive CD8* T cells in the periphery. Nervous system-specific antigen expression resulted in induction of robust CD8* T cell tolerance and cross-presentation of the limited transgenic epitopes by DCs was found to be sufficient for tolerance induction. In the fourth chapter, we investigated in newiy generated transgenic mice whether absence of cytotoxic T lymphocytes (CTL) to early lymphocyticchoriomeningitis virus (LCMV)-derived proteins has an impact on virus clearance and on CTL responses to late antigens. Strikingly, a delay of 8-10 h in kinetics of epitope presentation resulted in heavily impaired clearanceand enhanced immunopathology. Supplementarydata on the potential role of B cells as APC for induction of CD8* T cell responses suggest that antigen expression in naive as well as activated B cells results in induction of tolerance of in vivo, naive CD8+ T cells under independent of the B cell activation State. physiological conditions ZUSAMMENFASSUNG 10 Zusammenfassung CD8+ T Zellen tragen wesentlich bei, indem sie durch spezifische Immunabwehrgegen intrazelluläre Pathogene Eliminierung von infizierten Zellen die Ausbreitung zur Pathogenen limitieren. CD8+ T Zellen stellen jedoch auch eine mögliche Gefahr für den Organismus dar, wenn ihre Antwort gegen Selbst- Determinanten gerichtet ist, was zu Gewebezerstörungoder Autoimmunität führen kann. Aus diesem Grund müssen autoreaktive CD8+ T Zellen ruhig gestellt werden, d.h. die Aktivierung und die Aneignung von Effektorfunktionen von naiven CD8+ Zellen sowie die Reaktivierung von von CD8+ Gedächtniszellen müssen strengstens reguliert Selbstzerstörung zu werden um, verhindern. Die Mehrheit der selbstreaktiven T Zellen wird im Thymus durch den Prozess der negativen Selektion zerstört. Weil negative Selektion jedoch nicht vollständig ist, kommen selbstreaktive, reife T Zeilen in jedem gesunden Individuum vor, was periphere Tolerisierungsmechanismen erfordert, um diese Zellen im Zaun zu halten. Es gibt genügend Beweise, dass Antigen- Präsentation von ruhenden, unreifen Dendritischen Zellen im einer Entzündung oder Normalzustand, d.h. in Abwesenheit Infektion, zu peripherer T Zell Toleranzführt. vorliegenden Arbeit wurden grundlegende molekulare und zelluläre Mechanismen für die Aktivierung, Toleranz und Reaktivierung von CD8+ T Zellen in In der vivo in Labormäusen untersucht. Es ist über die Prozesse, welche für die Induktion einer Immunantwort und Toleranz relevant sind, für die beitragen offensichtlich, dass verbessertesFachwissen Entwicklung von Impfstoffen gegen Pathogene und Tumore und helfen wird Autoimmunität besser zu verstehen. Expression und die Funktion des TumorNekrosefaktorrezeptor(TNFR)- Familienmitglieds CD70 auf Dendritischen Zellen im Zusammenhang mit Infektionen untersucht. Wir haben herausgefunden, dass spezifische CD8* T Zellantworten grundsätzlich von CD70- vermittelten Interaktionen Im ersten Teil wurde die mit Dendritischen Zeilen abhängig sind. Im zweiten Teil haben wir analysiert in welchem Ausmass die Reaktivierung CD8+ Gedächtniszellen von Dendritischen Zellen abhängig ist von und ob der 11 ZUSAMMENFASSUNG Aktivierungszustandvon Dendritischen Zellen die Antwort beeinflusst. Wir zeigten auf, dass Dendritische Zellen entscheidend sind für die Expansion und Aneignung von Effektorfunktionen von CD8+ Gedächtniszellen und dass die Abwesenheit von mögliche antigen präsentierende Zellen kompensiert werden kann. Zusätzlich wurde aufgezeigt, dass Antigenpräsentationim Normalzustand zu limitierter Expansion und zu verminderter ex vivo Effektorfunktion Dendritischen Zellen nicht durch andere führt. transgenes Mausmodellsystem entwickelt, weiches Im dritten Teil wurde ein induzierbare Neo- Selbstantigenexpressionspezifisch Schwann'schen Zellen erlaubt und somit zentrale Oligodendrozyten Toleranz umgeht, um in und das endogenen, selbstreaktiven CD8+ T Zellen in der Peripherie zu untersuchen. Nervenzelisystem-spezifische Antigenexpression führte zur Induktion stabiler CD8+ T Zell Toleranz, und Kreuzpräsentation der transgenen Epitope auf Verhalten von DendritischenZellen war ausreichend für Toleranzinduktion. Im vierten Teil wurde in Abwesenheit von neu generierten transgenen Mäusen untersucht, ob die zytotoxischen T Lymphozyten gegen frühe Proteine des LymphozytärenChoriomeningitis Virus (LCMV) die Viruseliminierung beeinträchtigt und ob zytotoxische T Zellantworten gegen späte Antigene beeinflusst werden. Auffallenderweise führt eine acht- bis zehnstündige Verspätung in der EpitopPräsentationskinetik zu dramatisch verschlechterter Viruseliminierung und verstärkter Immunpathologie. Zusätzliche Experimente über die Rolle von B Zellen als antigenpräsentierende Zellen für CD8+ T Zellen zeigen auf, dass Antigenexpression in ruhendensowohl als auch in aktivierten B Zellen unter Normalbedingungenin vivo zu Toleranz von CD8+ T Zellen führt.
