TLR 9 Activation in Dendritic Cells Enhances Salmonella Killing and Antigen Presentation via Involvement of the Reactive Oxygen Species

Synthetic CpG containing oligodeoxynucleotide Toll like receptor-9 agonist (CpG DNA) activates innate immunity and can stimulate antigen presentation against numerous intracellular pathogens. It was observed that Salmonella Typhimurium growth can be inhibited by the CpG DNA treatment in the murine dendritic cells. This inhibitory effect was mediated by an increased reactive oxygen species production. In addition, it was noted that CpG DNA treatment of dendritic cells during Salmonella infection leads to an increased antigen presentation. Further this increased antigen presentation was dependent on the enhanced reactive oxygen species production elicited by Toll like receptor-9 activation. With the help of an exogenous antigen it was shown that Salmonella antigen could also be cross-presented in a better way by CpG induction. These data collectively indicate that CpG DNA enhance the ability of murine dendritic cells to contain the growth of virulent Salmonella through reactive oxygen species dependent killing.

The basics and advances of immunomodulators and antigen presentation: a key to development of potent memory response against pathogens

Introduction: Immunomodulators are agents, which can modulate the immune response to specific antigens, while causing least toxicity to the host system. Being part of the modern vaccine formulations, these compounds have contributed remarkably to the field of therapeutics. Despite the successful record maintained by these agents, the requirement of novel immunomodulators keeps increasing due to the increasing severity of diseases. Hence, research regarding the same holds great importance. Areas covered: In this review, we discuss the role of immunomodulators in improving performance of various vaccines used for counteracting most threatening infectious diseases, mechanisms behind their action and criteria for development of novel immunomodulators. Expert opinion: Understanding the molecular mechanisms underlying immune response is a prerequisite for development of effective therapeutics as these are often exploited by pathogens for their own propagation. Keeping this in mind, the present research in the field of immunotherapy focuses on developing immunomodulators that would not only enhance the protection against pathogen, but also generate a long-term memory response. With the introduction of advanced formulations including combination of different kinds of immunomodulators, one can expect tremendous success in near future.

Phenotypic characteristics of human type II alveolar epithelial cells suitable for antigen presentation to T lymphocytes.

Type II alveolar epithelial cells (AECII) are well known for their role in the innate immune system. More recently, it was proposed that they could play a role in the antigen presentation to T lymphocytes but contradictory results have been published both concerning their surface expressed molecules and the T lymphocyte responses in mixed lymphocyte cultures. The use of either AECII cell line or fresh cells could explain the observed discrepancies. Thus, this study aimed at defining the most relevant model of accessory antigen presenting cells by carefully comparing the two models for their expression of surface molecules necessary for efficient antigen presentation.

Interference of mycobacterium tuberculosis with the endocytic/ antigen presentation pathways on macrophages and dendritic cells

Tese de doutoramento, Farmácia (Biologia Celular e Molecular), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

Effect of the unfolded protein response on MHC class I antigen presentation

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Enforcing dendritic cell vaccines by manipulating the MHC II antigen presentation pathway

Les vaccins à base de cellules dendritiques (DCs) constituent une avenue très populaire en immunothérapie du cancer. Alors que ces cellules peuvent présenter des peptides exogènes ajoutés au milieu, l’efficacité de chargement de ces peptides au le complexe majeur d'histocompatibilité (CMH) de classe II est limitée. En effet, la majorité des molécules du CMH II à la surface des DCs sont très stable et l’échange de peptide spontané est minime. Confinée aux vésicules endosomales, HLA-DM (DM) retire les peptides des molécules du CMH II en plus de leur accorder une conformation réceptive au chargement de peptides. Il est possible, cependant, de muter le signal de rétention de DM de façon à ce que la protéine s’accumule en surface. Nous avons émis l’hypothèse que ce mutant de DM (DMY) sera aussi fonctionnel à la surface que dans la voie endosomale et qu’il favorisera le chargement de peptides exogènes aux DCs. Nous avons utilisé un vecteur adénoviral pour exprimer DMY dans des DCs et avons montrer que la molécule augmente le chargement de peptides. L’augmentation du chargement peptidique par DMY est autant qualitatif que quantitatif. DMY améliore la réponse T auxiliaire (Th) du coté Th1, ce qui favorise l’immunité anti-cancer. Du côté qualitatif, le chargement de peptides résulte en des complexes peptide-CMHII (pCMH) d’une conformation supérieure (conformère). Ce conformère (Type A) est le préféré pour la vaccination et DMY édite avec succès les complexes pCMH à la surface en éliminant ceux de type B, lesquels sont indésirables. La fonction de DM est régulée par HLA-DO (DO). Ce dernier inhibe l’habilité de DM à échanger le peptide CLIP (peptide dérivée de la chaîne invariante) en fonction du pH, donc dans les endosomes tardifs. Mes résultats indiquent que la surexpression de DO influence la présentation des superantigènes (SAgs) dépendants de la nature du peptide. Il est probable que DO améliore indirectement la liaison de ces SAgs au pCMH dû à l’accumulation de complexe CLIP-CMH, d’autant plus qu’il neutralise la polarisation Th2 normalement observée par CLIP. Ensemble, ces résultats indiquent que DMY est un outil intéressant pour renforcer le chargement de peptides exogènes sur les DCs et ainsi générer des vaccins efficaces. Un effet inattendu de DO sur la présentation de certains SAgs a aussi été observé. Davantage de recherche est nécessaire afin de résoudre comment DMY et DO influence la polarisation des lymphocytes T auxiliaires. Cela conduira à une meilleure compréhension de la présentation antigénique et de son étroite collaboration avec le système immunitaire.

Molecular characterization of the contribution of autophagy to antigen presentation using quantitative proteomics

L’autophagie est une voie hautement conservée de dégradation lysosomale des constituants cellulaires qui est essentiel à l’homéostasie cellulaire et contribue à l’apprêtement et à la présentation des antigènes. Les rôles relativement récents de l'autophagie dans l'immunité innée et acquise sous-tendent de nouveaux paradigmes immunologiques pouvant faciliter le développement de nouvelles thérapies où la dérégulation de l’autophagie est associée à des maladies auto-immunes. Cependant, l'étude in vivo de la réponse autophagique est difficile en raison du nombre limité de méthodes d'analyse pouvant fournir une définition dynamique des protéines clés impliquées dans cette voie. En conséquence, nous avons développé un programme de recherche en protéomique intégrée afin d’identifier et de quantifier les proteines associées à l'autophagie et de déterminer les mécanismes moléculaires régissant les fonctions de l’autophagosome dans la présentation antigénique en utilisant une approche de biologie des systèmes. Pour étudier comment l'autophagie et la présentation antigénique sont activement régulés dans les macrophages, nous avons d'abord procédé à une étude protéomique à grande échelle sous différentes conditions connues pour stimuler l'autophagie, tels l’activation par les cytokines et l’infection virale. La cytokine tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha) est l'une des principales cytokines pro-inflammatoires qui intervient dans les réactions locales et systémiques afin de développer une réponse immune adaptative. La protéomique quantitative d'extraits membranaires de macrophages contrôles et stimulés avec le TNF-alpha a révélé que l'activation des macrophages a entrainé la dégradation de protéines mitochondriales et des changements d’abondance de plusieurs protéines impliquées dans le trafic vésiculaire et la réponse immunitaire. Nous avons constaté que la dégradation des protéines mitochondriales était sous le contrôle de la voie ATG5, et était spécifique au TNF-alpha. En outre, l’utilisation d’un nouveau système de présentation antigènique, nous a permi de constater que l'induction de la mitophagie par le TNF-alpha a entrainée l’apprêtement et la présentation d’antigènes mitochondriaux par des molécules du CMH de classe I, contribuant ainsi la variation du répertoire immunopeptidomique à la surface cellulaire. Ces résultats mettent en évidence un rôle insoupçonné du TNF-alpha dans la mitophagie et permet une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la présentation d’auto-antigènes par les molécules du CMH de classe I. Une interaction complexe existe également entre infection virale et l'autophagie. Récemment, notre laboratoire a fourni une première preuve suggérant que la macroautophagie peut contribuer à la présentation de protéines virales par les molécules du CMH de classe I lors de l’infection virale par l'herpès simplex virus de type 1 (HSV-1). Le virus HSV1 fait parti des virus humains les plus complexes et les plus répandues. Bien que la composition des particules virales a été étudiée précédemment, on connaît moins bien l'expression de l'ensemble du protéome viral lors de l’infection des cellules hôtes. Afin de caractériser les changements dynamiques de l’expression des protéines virales lors de l’infection, nous avons analysé par LC-MS/MS le protéome du HSV1 dans les macrophages infectés. Ces analyses nous ont permis d’identifier un total de 67 protéines virales structurales et non structurales (82% du protéome HSV1) en utilisant le spectromètre de masse LTQ-Orbitrap. Nous avons également identifié 90 nouveaux sites de phosphorylation et de dix nouveaux sites d’ubiquitylation sur différentes protéines virales. Suite à l’ubiquitylation, les protéines virales peuvent se localiser au noyau ou participer à des événements de fusion avec la membrane nucléaire, suggérant ainsi que cette modification pourrait influer le trafic vésiculaire des protéines virales. Le traitement avec des inhibiteurs de la réplication de l'ADN induit des changements sur l'abondance et la modification des protéines virales, mettant en évidence l'interdépendance des protéines virales au cours du cycle de vie du virus. Compte tenu de l'importance de la dynamique d'expression, de l’ubiquitylation et la phosphorylation sur la fonction des proteines virales, ces résultats ouvriront la voie vers de nouvelles études sur la biologie des virus de l'herpès. Fait intéressant, l'infection HSV1 dans les macrophages déclenche une nouvelle forme d'autophagie qui diffère remarquablement de la macroautophagie. Ce processus, appelé autophagie associée à l’enveloppe nucléaire (nuclear envelope derived autophagy, NEDA), conduit à la formation de vésicules membranaires contenant 4 couches lipidiques provenant de l'enveloppe nucléaire où on retrouve une grande proportion de certaines protéines virales, telle la glycoprotéine B. Les mécanismes régissant NEDA et leur importance lors de l’infection virale sont encore méconnus. En utilisant un essai de présentation antigénique, nous avons pu montrer que la voie NEDA est indépendante d’ATG5 et participe à l’apprêtement et la présentation d’antigènes viraux par le CMH de classe I. Pour comprendre l'implication de NEDA dans la présentation des antigènes, il est essentiel de caractériser le protéome des autophagosomes isolés à partir de macrophages infectés par HSV1. Aussi, nous avons développé une nouvelle approche de fractionnement basé sur l’isolation de lysosomes chargés de billes de latex, nous permettant ainsi d’obtenir des extraits cellulaires enrichis en autophagosomes. Le transfert des antigènes HSV1 dans les autophagosomes a été determine par protéomique quantitative. Les protéines provenant de l’enveloppe nucléaire ont été préférentiellement transférées dans les autophagosome lors de l'infection des macrophages par le HSV1. Les analyses protéomiques d’autophagosomes impliquant NEDA ou la macroautophagie ont permis de decouvrir des mécanismes jouant un rôle clé dans l’immunodominance de la glycoprotéine B lors de l'infection HSV1. Ces analyses ont également révélées que diverses voies autophagiques peuvent être induites pour favoriser la capture sélective de protéines virales, façonnant de façon dynamique la nature de la réponse immunitaire lors d'une infection. En conclusion, l'application des méthodes de protéomique quantitative a joué un rôle clé dans l'identification et la quantification des protéines ayant des rôles importants dans la régulation de l'autophagie chez les macrophages, et nous a permis d'identifier les changements qui se produisent lors de la formation des autophagosomes lors de maladies inflammatoires ou d’infection virale. En outre, notre approche de biologie des systèmes, qui combine la protéomique quantitative basée sur la spectrométrie de masse avec des essais fonctionnels tels la présentation antigénique, nous a permis d’acquérir de nouvelles connaissances sur les mécanismes moléculaires régissant les fonctions de l'autophagie lors de la présentation antigénique. Une meilleure compréhension de ces mécanismes permettra de réduire les effets nuisibles de l'immunodominance suite à l'infection virale ou lors du développement du cancer en mettant en place une réponse immunitaire appropriée.

Chemotherapeutic Agents in Noncytotoxic Concentrations Increase Antigen Presentation by Dendritic Cells via an IL-12-Dependent Mechanism

Antineoplastic chemotherapeutic agents may indirectly activate dendritic cells (DCs) by inducing the release of danger signals from dying tumor cells. Whereas the direct cytotoxic or inhibitory effect of conventional chemotherapy on DCs has been reported, modulation of DC function by chemotherapeutic agents in low noncytotoxic concentrations has not yet been investigated. We have tested the effects of different classes of antineoplastic chemotherapeutic agents used in low noncytotoxic concentrations on the Ag-presenting function of DCs. We revealed that paclitaxel, doxorubicin, mitomycin C, and methotrexate up-regulated the ability of DCs to present Ags to Ag-specific T cells. Stimulation of DC function was associated with the up-regulation of expression of Ag-processing machinery components and costimulatory molecules on DCs, as well as increased IL-12p70 expression. However, the ability of DCs treated with paclitaxel, methotrexate, doxorubicin, and vinblastine to increase Ag presentation to Ag-specific T cells was abolished in DCs generated from IL-12 knockout mice, indicating that up-regulation of Ag presentation by DCs is IL-12-dependent and mediated by the autocrine or paracrine mechanisms. At the same time, IL-12 knockout and wild-type DCs demonstrated similar capacity to up-regulate OVA presentation after their pretreatment with low concentrations of mitomycin C and vincristine, suggesting that these agents do not utilize IL-12-mediated pathways in DCs for stimulating Ag presentation. These findings reveal a new mechanism of immunopotentiating activity of chemotherapeutic agents-a direct immunostimulatory effect on DCs (chemomodulation)-and thus provide a strong rationale for further assessment of low-dose chemotherapy given with DC vaccines for cancer treatment. The Journal of Immunology, 2009, 183: 137-144.

Distinct localization of T cell Agrin during antigen presentation - evidence for the expression of Agrin receptor(s) in antigen-presenting cells

Agrin is over-expressed by activated and autoimmune T cells, and synergizes with the T cell receptor (TCR) to augment cell activation. In the present study, we show that Agrin accumulates to distinct areas of the plasma membrane and that cell activation causes its redistribution. During antigen presentation, Agrin primarily accumulates to the periphery of the mature immunological synapse, mostly in lamellipodia-like protrusions that wrap around the antigen-presenting cell and, conversely, anti-Agrin sera induced a significant redistribution of TCR at the plasma membrane. We also provide evidence for the expression of Agrin receptors in peripheral blood monocytes, dendritic cells and a fraction of B cells. Interestingly, interferon-a treatment, which induces the expression of Agrin in T cells, also augmented Agrin binding to monocytes. Stimulation of monocytes with recombinant Agrin induced the clustering of surface receptors, including major histocompatibility complex class II, activation of intracellular signalling cascades, as well as enhanced dsRNA-induced expression of pro-inflammatory cytokines interleukin-6 and tumour necrosis factor-a. Collectively, these results confirm the location of Agrin at the immunological synapse between T cells and antigen-presenting cells and justify further characterization of its receptors in the immune system.

Analysis of the influence of epitope flanking regions on MHC class I restricted antigen presentation

Peptides presented by MHC class I molecules for CTL recognition are derived mainly from cytosolic proteins. For antigen presentation on the cell surface, epitopes require correct processing by cytosolic and ER proteases, efficient TAP transport and MHC class I binding affinity. The efficiency of epitope generation depends not only on the epitope itself, but also on its flanking regions. In this project, the influence of the C-terminal region of the model epitope SIINFEKL (S8L) from chicken ovalbumin (aa 257-264) on antigen processing has been investigated. S8L is a well characterized epitope presented on the murine MHC class I molecule, H-2Kb. The Flp-In 293Kb cell line was transfected with different constructs each enabling the expression of the S8L sequence with different defined C-terminal flanking regions. The constructs differed at the two first C-terminal positions after the S8L epitope, so called P1’ and P2’. At these sites, all 20 amino acids were exchanged consecutively and tested for their influence on H-2Kb/S8L presentation on the cell surface of the Flp-In 293Kb cells. The detection of this complex was performed by immunostaining and flow cytometry. The prevailing assumption is that proteasomal cleavages are exclusively responsible for the generation of the final C-termini of CTL epitopes. Nevertheless, recent publications showed that TPPII (tripeptidyl peptidase II) is required for the generation of the correct C-terminus of the HLA-A3-restricted HIV epitope Nef(73-82). With this background, the dependence of the S8L generation on proteasomal cleavage of the designed constructs was characterized using proteasomal inhibitors. The results obtained indicate that it is crucial for proteasomal cleavage, which amino acid is flanking the C-terminus of an epitope. Furthermore, partially proteasome independent S8L generation from specific S8L-precursor peptides was observed. Hence, the possibility of other existing endo- or carboxy-peptidases in the cytosol that could be involved in the correct trimming of the C-terminus of antigenic peptides for MHC class I presentation was investigated, performing specific knockdowns and using inhibitors against the target peptidases. In parallel, a purification strategy to identify the novel peptidase was established. The purified peaks showing an endopeptidase activity were further analyzed by mass spectrometry and some potential peptidases (like e.g. Lon) were identified, which have to be further characterized.

ImmunoChip study implicates antigen presentation to T cells in narcolepsy

Recent advances in the identification of susceptibility genes and environmental exposures provide broad support for a post-infectious autoimmune basis for narcolepsy/hypocretin (orexin) deficiency. We genotyped loci associated with other autoimmune and inflammatory diseases in 1,886 individuals with hypocretin-deficient narcolepsy and 10,421 controls, all of European ancestry, using a custom genotyping array (ImmunoChip). Three loci located outside the Human Leukocyte Antigen (HLA) region on chromosome 6 were significantly associated with disease risk. In addition to a strong signal in the T cell receptor alpha (TRA@), variants in two additional narcolepsy loci, Cathepsin H (CTSH) and Tumor necrosis factor (ligand) superfamily member 4 (TNFSF4, also called OX40L), attained genome-wide significance. These findings underline the importance of antigen presentation by HLA Class II to T cells in the pathophysiology of this autoimmune disease.

Cathepsins B and D are dispensable for major histocompatibility complex class II-mediated antigen presentation

Antigen presentation by major histocompatibility complex (MHC) class II molecules requires the participation of different proteases in the endocytic route to degrade endocytosed antigens as well as the MHC class II-associated invariant chain (Ii). Thus far, only the cysteine protease cathepsin (Cat) S appears essential for complete destruction of Ii. The enzymes involved in degradation of the antigens themselves remain to be identified. Degradation of antigens in vitro and experiments using protease inhibitors have suggested that Cat B and Cat D, two major aspartyl and cysteine proteases, respectively, are involved in antigen degradation. We have analyzed the antigen-presenting properties of cells derived from mice deficient in either Cat B or Cat D. Although the absence of these proteases provoked a modest shift in the efficiency of presentation of some antigenic determinants, the overall capacity of Cat B−/− or Cat D−/− antigen-presenting cells was unaffected. Degradation of Ii proceeded normally in Cat B−/− splenocytes, as it did in Cat D−/− cells. We conclude that neither Cat B nor Cat D are essential for MHC class II-mediated antigen presentation.

An inhibitor of HIV-1 protease modulates proteasome activity, antigen presentation, and T cell responses

Inhibitors of the protease of HIV-1 have been used successfully for the treatment of HIV-1-infected patients and AIDS disease. We tested whether these protease inhibitory drugs exerted effects in addition to their antiviral activity. Here, we show in mice infected with lymphocytic choriomeningitis virus and treated with the HIV-1 protease inhibitor ritonavir a marked inhibition of antiviral cytotoxic T lymphocyte (CTL) activity and impaired major histocompatibility complex class I-restricted epitope presentation in the absence of direct effects on lymphocytic choriomeningitis virus replication. A potential molecular target was found: ritonavir selectively inhibited the chymotrypsin-like activity of the 20S proteasome. In view of the possible role of T cell-mediated immunopathology in AIDS pathogenesis, the two mechanisms of action (i.e., reduction of HIV replication and impairment of CTL responses) may complement each other beneficially. Thus, the surprising ability of ritonavir to block the presentation of antigen to CTLs may possibly contribute to therapy of HIV infections but potentially also to the therapy of virally induced immunopathology, autoimmune diseases, and transplantation reactions.

Role of B cells in antigen presentation of the hepatitis B core

The hepatitis B virus (HBV) nucleocapsid or core antigen (HBcAg) is extremely immunogenic during infection and after immunization. For example, during many chronic infections, HBcAg is the only antigen capable of eliciting an immune response, and nanogram amounts of HBcAg elicit antibody production in mice. Recent structural analysis has revealed a number of characteristics that may help explain this potent immunogenicity. Our analysis of how the HBcAg is presented to the immune system revealed that the HBcAg binds to specific membrane Ig (mIg) antigen receptors on a high frequency of resting, murine B cells sufficiently to induce B7.1 and B7.2 costimulatory molecules. This enables HBcAg-specific B cells from unprimed mice to take up, process, and present HBcAg to naive Th cells in vivo and to T cell hybridomas in vitro approximately 105 times more efficiently than classical macrophage or dendritic antigen-presenting cells (APC). These results reveal a structure–function relation for the HBcAg, confirm that B cells can function as primary APC, explain the enhanced immunogenicity of HBcAg, and may have relevance for the induction and/or maintenance of chronic HBV infection.