恒河猴CD1d基因的克隆及其组织表达差异性分析

目的:克隆非人灵长类疾病动物模型-恒河猴的CD1d基因并检测其在不同组织中的表达差异情况.方法:提取恒河猴血液及各组织的RNA, 以反转录得到的cDNA为模板, 用特异性引物扩增CD1d;以管家基因GAPDH为内参, 用半定量RT-PCR的方法对CD1d的组织表达差异性进行分析.结果:成功扩增了恒河猴CD1d基因的编码区序列;首次用半定量RT-PCR的方法检测了CD1d mRNA在恒河猴部分组织中的表达情况, 发现其表达水平存在明显的组织差异性, 其中, 在肝脏、脾脏和心脏中的表达水平较高, 在血液、小肠和肺中次之, 在脑中表达最少.结论:研究结果为今后表达恒河猴CD1d蛋白并制备其四聚体进而研究恒河猴NKT细胞在众多疾病中的作用奠定了基础;组织表达差异的研究结果提示其在相关疾病的发生发展过程中可能扮演着重要的角色, 具体作用还有待深入研究.

A single amino acid defines cross-species reactivity of tree shrew (Tupaia belangeri) CD1d to human invariant natural killer T (iNKT) cells

P>The non-classical major histocompatibility complex (MHC) class I molecule CD1d presents lipid antigens to invariant natural killer T (iNKT) cells, which are an important part of the innate immune system. CD1d/iNKT systems are highly conserved in evoluti

树鼩NKT细胞新型抗原递呈分子CD1d的分子克隆及初步分析

目前多数学者认为树鼩（Tree shrews）是灵长目攀居目树鼩科的一种小型哺乳动物。因其具有体型小、易饲养、价格低、新陈代谢和解剖结构与人类非常接近等优点，树鼩已经成为多种人类疾病研究的良好动物模型。树鼩作为乙型肝炎病毒（HBV）感染的动物模型已经被广泛应用。 自然杀伤性T细胞（Natrual killer T cells, NKT cells）可同时表达NK细胞和T细胞的表面标记，是CD1d限制性的特殊的淋巴细胞亚群，在机体的免疫反应中起重要作用。研究表明，在HBV感染及乙型肝炎的发病过程中，NKT细胞既有抑制和清除病毒的作用，也有加重肝炎及相关病症的负作用。因此，对NKT细胞的研究及恰当地调节将有助于理解和解决在研究乙肝防治中遇到的问题，但在树鼩中，至今尚无NKT细胞的相关报道。 目前公认的检测NKT细胞的手段是用加载了α-GalCer的CD1d四聚体检测。但至今尚无树鼩特异的相关抗体，给树鼩NKT细胞的研究造成很大障碍。因此，获得树鼩特异的CD1d四聚体是研究其NKT细胞特征和功能的前提。本论文作为其中一部分，目的是克隆树鼩CD1d编码区全长序列，为今后抗体的制备奠定基础。 本论文中，我们完成了相关工作并得到了以下结果：1、首次克隆得到了树鼩CD1d基因编码区的全长序列（1002bp），并预测了其氨基酸序列；2、通过比对分析得知其与灵长类的CD1d同源性较高，达到80％以上；同时，通过系统进化树分析，得知树鼩与灵长类亲缘关系较其它物种更近；3、首次分析了树鼩的CD1d mRNA在不同组织中的表达情况，发现树鼩的肝，肺中CD1d表达量较高，外周血和脾脏中也有少量表达。 总之，我们首次克隆得到了树鼩CD1d的编码区的全长序列，为今后制备CD1d四聚体进而研究树鼩的NKT细胞奠定了基础；同时首次分析了CD1d mRNA在树鼩的部分组织中的表达情况，结合以往其它物种中CD1d组织分布情况的检测结果，为树鼩中CD1d分子的研究提供了材料和数据基础。

Development of a bifunctional CD1d-anti-HER2 scFv fusion molecule to redirect the iNKT cell-mediated immune response to the tumor site

Abstract : Invariant natural killer T lymphocytes (iNKT) are a unique subpopulation of T lymphocytes recognizing glycolipid antigens in the context of the MHC class I-like molecule CD1d. Upon activation with the high affinity ligand α-galactosylceramide (αGalCer), iNKT cells rapidly produce large amounts of the pro-inflammatory cytokine interferon gamma (IFN-γ) and potently activate cells of the innate and adaptive immune response, such as dendritic cells (DCs), NK and T cells. In this context, iNKT cells have been shown to efficiently mediate antitumor activity, and recent research has focused on the manipulation of these cells for antitumor therapies. However, a major drawback of αGalCer as a free drug is that a single injection of this ligand leads to a short-lived iNKT cell activation followed by a long-term anergy, limiting its therapeutic use. In contrast, we demonstrate here that when αGalCer is loaded on a recombinant soluble CD1d molecule (αGalCer/sCD1d), repeated injections lead to a sustained iNKT and NK cell activation associated with IFN-γ secretion as well as with DC maturation. Most importantly, when the αGalCer/sCD1d is fused to an anti-HER2 scFv antibody fragment, potent inhibition of experimental lung metastasis and established subcutaneous tumors is obtained when systemic treatment is started two to seven days after the injection of HER2-expressing B16 melanoma cells, whereas at this time free αGalCer has no effect. The antitumor activity of the sCD1d-anti-HER2 fusion protein is associated with HER2-specific tumor localization and accumulation of iNKT, NK and T cells at the tumor site. Importantly, active T cell immunization combined with the sCD1d-anti-HER2 treatment leads to the accumulation of antigen-specific CD8 T cells exclusively in HER2-expressing tumors, resulting in potent tumor inhibition. In conclusion, sustained activation and tumor targeting of iNKT cells by recombinant αGalCer/sCD1d molecules thus may promote a combined innate and adaptive immune response at the tumor site that may prove to be effective in cancer immunotherapy. RESUME : Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines du complexe majeur d'histocompatibilité de classe I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. En revanche, l'étude présentée ici démontre que, si l'αGalCer est chargé sur des molécules récombinantes soluble CD1d (αGalCer/sCDld), des injections répétées aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si on fusionne la molécule αGalCer/sCD1d avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. De plus, une immunisation active combinée avec le traitement sCD1d-anti-HER2 aboutit à une accumulation des lymphocytes T CD8 spécifiques de l'antigène d'immunisation, ceci exclusivement dans des tumeurs qui expriment l'antigène HER2. Cette combinaison résulte dans une activité anti-tumeur accrue. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules recombinantes αGalCer/sCDld conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer. RESUME POUR UN LARGE PUBLIC : Le cancer est une cause majeure de décès dans le monde. Sur un total de 58 millions de décès enregistrés au niveau mondial en 2005, 7,6 millions (soit 13%) étaient dus au cancer. Les principaux traitements de nombreux cancers sont la chirurgie, en association avec la radiothérapie et la chimiothérapie. Néanmoins, ces traitements nuisent aussi aux cellules normales de notre corps et parfois, ils ne suffisent pas pour éliminer définitivement une tumeur. L'immunothérapie est l'une des nouvelles approches pour la lutte contre le cancer et elle vise à exploiter la spécificité du système immunitaire qui peut distinguer des cellules normales et tumorales. Une cellule exprimant un marqueur tumoral (antigène) peut être reconnue par le système immunitaire humoral (anticorps) et/ou cellulaire, induisant une réponse spécifique contre la tumeur. L'immunothérapie peut s'appuyer alors sur la perfusion d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes tumoraux, par exemple les anticorps dirigés contre les protéines oncogéniques Her-2/neu dans le cancer du sein. Ces anticorps ont le grand avantage de spécifiquement se localiser à la tumeur et d'induire la lyse ou d'inhiber la prolifération des cellules tumorales exprimant l'antigène. Aujourd'hui, six anticorps monoclonaux non-conjugés sont approuvés en clinique. Cependant l'efficacité de ces anticorps contre des tumeurs solides reste limitée et les traitements sont souvent combinés avec de la chimiothérapie. L'immunothérapie spécifique peut également être cellulaire et exploiter par immunisation active le développement de lymphocytes T cytotoxiques (CTL) capables de détruire spécifiquement les cellules malignes. De telles «vaccinations »sont actuellement testées en clinique, mais jusqu'à présent elles n'ont pas abouti aux résultats satisfaisants. Pour obtenir une réponse lymphocytaire T cytotoxique antitumorale, la cellule T doit reconnaître un antigène associé à la tumeur, présenté sous forme de peptide dans un complexe majeur d'histocompatibilité de classe I (CHM I). Cependant les cellules tumorales sont peu efficace dans la présentation d'antigène, car souvent elles se caractérisent par une diminution ou une absence d'expression des molécules d'histocompatibilité de classe I, et expriment peu ou pas de molécules d'adhésion et de cytokines costimulatrices. C'est en partie pourquoi, malgré l'induction de fortes réponses CTL spécifiquement dirigés contre des antigènes tumoraux, les régressions tumorales obtenus grâce à ces vaccinations sont relativement rares. Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines CMH I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. Notre groupe de recherche a donc eu l'idée de développer une nouvelle approche thérapeutique où la réponse immunitaire des cellules iNKT serait prolongée et redirigée vers la tumeur par des anticorps monoclonaux. Concrètement, nous avons produit des molécules récombinantes soluble CD1d (sCD1d) qui, si elles sont chargés avec l'αGalCer (αGalCer/sCDld), aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si la molécule αGalCer/sCD1d est fusionnée avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, la réponse immunitaire est redirigée à la tumeur pour autant que les cellules cancéreuses expriment l'antigène HER2. Les molécules αGalCer/sCDld ainsi présentées activent les lymphocytes iNKT. Avec cette stratégie, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées, même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules récombinantes αGalCer/sCD1d conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer.

HARNESSING iNKT CELLS WITH RECOMBINANT CD1d FUSION PROTEINS TO REDIRECT INNATE AND ADAPTIVE IMMUNITY TO THE TUMOR

Les thérapies du cancer, comme la radiothérapie et la chimiothérapie, sont couramment utilisées mais ont de nombreux effets secondaires. Ces thérapies invasives pour le patient nécessitent d'être améliorées et de nombreuses avancées ont été faites afin d'adapter et de personnaliser le traitement du cancer. L'immunothérapie a pour but de renforcer le système immunitaire du patient et de le rediriger de manière spécifique contre la tumeur. Dans notre projet, nous activons les lymphocytes Invariant Natural Killer T (iNKT) afin de mettre en place une immunothérapie innovatrice contre le cancer. Les cellules iNKT sont une unique sous-population de lymphocytes T qui ont la particularité de réunir les propriétés de l'immunité innée ainsi qu'adaptative. En effet, les cellules iNKT expriment à leur surface des molécules présentes aussi sur les cellules tueuses NK, caractéristique de l'immunité innée, ainsi qu'un récepteur de cellules T (TCR) qui représente l'immunité adaptative. Les cellules iNKT reconnaissent avec leur TCR des antigènes présentés par la molécule CD1d. Les antigènes sont des protéines, des polysaccharides ou des lipides reconnus par les cellules du système immunitaire ou les anticorps pour engendrer une réponse immunitaire. Dans le cas des cellules iNKT, l'alpha-galactosylceramide (αGC) est un antigène lipidique fréquemment utilisé dans les études cliniques comme puissant activateur. Après l'activation des cellules iNKT avec l'αGC, celles-ci produisent abondamment et rapidement des cytokines. Ces cytokines sont des molécules agissant comme des signaux activateurs d'autres cellules du système immunitaire telles que les cellules NK et les lymphocytes T. Cependant, les cellules iNKT deviennent anergiques après un seul traitement avec l'αGC c'est à dire qu'elles ne peuvent plus être réactivées, ce qui limite leur utilisation dans l'immunothérapie du cancer. Dans notre groupe, Stirnemann et al ont publié une molécule recombinante innovante, composée de la molécule CD1d soluble et chargée avec le ligand αGC (αGC/sCD1d). Cette protéine est capable d'activer les cellules iNKT tout en évitant l'anergie. Dans le système immunitaire, les anticorps sont indispensables pour combattre une infection bactérienne ou virale. En effet, les anticorps ont la capacité de reconnaître et lier spécifiquement un antigène et permettent l'élimination de la cellule qui exprime cet antigène. Dans le domaine de l'immunothérapie, les anticorps sont utilisés afin de cibler des antigènes présentés seulement par la tumeur. Ce procédé permet de réduire efficacement les effets secondaires lors du traitement du cancer. Nous avons donc fusionné la protéine recombinante αGC/CD1d à un fragment d'anticorps qui reconnaît un antigène spécifique des cellules tumorales. Dans une étude préclinique, nous avons démontré que la protéine αGC/sCD1d avec un fragment d'anticorps dirigé contre la tumeur engendre une meilleure activation des cellules iNKT et entraîne un effet anti-tumeur prolongé. Cet effet anti-tumeur est augmenté comparé à une protéine αGC/CD1d qui ne cible pas la tumeur. Nous avons aussi montré que l'activation des cellules iNKT avec la protéine αGC/sCD1d-anti-tumeur améliore l'effet anti- tumoral d'un vaccin pour le cancer. Lors d'expériences in vitro, la protéine αGC/sCD1d-anti- tumeur permet aussi d'activer les cellules humaines iNKT et ainsi tuer spécifiquement les cellules tumorales humaines. La protéine αGC/sCD1d-anti-tumeur représente une alternative thérapeutique prometteuse dans l'immunothérapie du cancer. - Les cellules Invariant Natural Killer T (iNKT), dont les effets anti-tumoraux ont été démontrés, sont de puissants activateurs des cellules Natural Killer (NK), des cellules dendritiques (DC) et des lymphocytes T. Cependant, une seule injection du ligand de haute affinité alpha-galactosylceramide (αGC) n'induit une forte activation des cellules iNKT que durant une courte période. Celle-ci est alors suivie d'une longue phase d'anergie, limitant ainsi leur utilisation pour la thérapie. Comme alternative prometteuse, nous avons montré que des injections répétées d'αGC chargé sur une protéine recombinante de CD1d soluble (αGC/sCD1d) chez la souris entraînent une activation prolongée des cellules iNKT, associée à une production continue de cytokine. De plus, le maintien de la réactivité des cellules iNKT permet de prolonger l'activité anti-tumorale lorsque la protéine αGC/sCD1d est fusionnée à un fragment d'anticorps (scFv) dirigé contre la tumeur. L'inhibition de la croissance tumorale n'est optimale que lorsque les souris sont traitées avec la protéine αGC/sCD1d-scFv ciblant la tumeur, la protéine αGC/sCD1d-scFv non-appropriée étant moins efficace. Dans le système humain, les protéines recombinantes αGC/sCD1d-anti-HER2 et anti-CEA sont capables d'activer et de faire proliférer des cellules iNKT à partir de PBMCs issues de donneurs sains. De plus, la protéine αGC/sCD1d-scFv a la capacité d'activer directement des clones iNKT humains en l'absence de cellules présentatrices d'antigènes (CPA), contrairement au ligand αGC libre. Mais surtout, la lyse des cellules tumorales par les iNKT humaines n'est obtenue que lorsqu'elles sont incubées avec la protéine αGC/sCD1d-scFv anti- tumeur. En outre, la redirection de la cytotoxicité des cellules iNKT vers la tumeur est supérieure à celle obtenue avec une stimulation par des CPA chargées avec l'αGC. Afin d'augmenter les effets anti-tumoraux, nous avons exploité la capacité des cellules iNKT à activer l'immunité adaptive. Pour ce faire, nous avons combiné l'immunothérapie NKT/CD1d avec un vaccin anti-tumoral composé d'un peptide OVA. Des effets synergiques ont été obtenus lorsque les traitements avec la protéine αGC/sCD1d-anti-HER2 étaient associés avec le CpG ODN comme adjuvant pour la vaccination avec le peptide OVA. Ces effets ont été observés à travers l'activation de nombreux lymphocytes T CD8+ spécifique de la tumeur, ainsi que par la forte expansion des cellules NK. Les réponses, innée et adaptive, élevées après le traitement avec la protéine αGC/sCD1d-anti-HER2 combinée au vaccin OVA/CpG ODN étaient associées à un fort ralentissement de la croissance des tumeurs B16- OVA-HER2. Cet effet anti-tumoral corrèle avec l'enrichissement des lymphocytes T CD8+ spécifiques observé à la tumeur. Afin d'étendre l'application des protéines αGC/sCD1d et d'améliorer leur efficacité, nous avons développé des fusions CD1d alternatives. Premièrement, une protéine αGC/sCD1d dimérique, qui permet d'augmenter l'avidité de la molécule CD1d pour les cellules iNKT. Dans un deuxième temps, nous avons fusionné la protéine αGC/sCD1d avec un scFv dirigé contre le récepteur 3 du facteur de croissance pour l'endothélium vasculaire (VEGFR-3), afin de cibler l'environnement de la tumeur. Dans l'ensemble, ces résultats démontrent que la thérapie médiée par la protéine recombinante αGC/sCD1d-scFv est une approche prometteuse pour rediriger l'immunité innée et adaptive vers le site tumoral. - Invariant Natural Killer T cells (iNKT) are potent activators of Natural Killer (NK), dendritic cells (DC) and T lymphocytes, and their anti-tumor activities have been well demonstrated. However, a single injection of the high affinity CD1d ligand alpha-galactosylceramide (αGC) leads to a strong but short-lived iNKT cell activation followed by a phase of long-term anergy, limiting the therapeutic use of this ligand. As a promising alternative, we have demonstrated that when αGC is loaded on recombinant soluble CD1d molecules (αGC/sCD1d), repeated injections in mice led to the sustained iNKT cell activation associated with continued cytokine secretion. Importantly, the retained reactivity of iNKT cell led to prolonged antitumor activity when the αGC/sCD1d was fused to an anti-tumor scFv fragments. Optimal inhibition of tumor growth was obtained only when mice were treated with the tumor-targeted αGC/CD1d-scFv fusion, whereas the irrelevant αGC/CD1d-scFv fusion was less efficient. When tested in a human system, the recombinant αGC/sCD1d-anti-HER2 and -anti-CEA fusion proteins were able to expand iNKT cells from PBMCs of healthy donors. Furthermore, the αGC/sCD1d-scFv fusion had the capacity to directly activate human iNKT cells clones without the presence of antigen-presenting cells (APCs), in contrast to the free αGC ligand. Most importantly, tumor cell killing by human iNKT cells was obtained only when co- incubated with the tumor targeted sCD1d-antitumor scFv, and their direct tumor cytotoxicity was superior to the bystander killing obtained with αGC-loaded APCs stimulation. To further enhance the anti-tumor effects, we exploited the ability of iNKT cells to transactivate the adaptive immunity, by combining the NKT/CD1d immunotherapy with a peptide cancer vaccine. Interestingly, synergistic effects were obtained when the αGC/sCD1d- anti-HER2 fusion treatment was combined with CpG ODN as adjuvant for the OVA peptide vaccine, as seen by higher numbers of activated antigen-specific CD8 T cells and NK cells, as compared to each regimen alone. The increased innate and adaptive immune responses upon combined tumor targeted sCD1d-scFv treatment and OVA/CpG vaccine were associated with a strong delay in B16-OVA-HER2 melanoma tumor growth, which correlated with an enrichment of antigen-specific CD8 cells at the tumor site. In order to extend the application of the CD1d fusion, we designed alternative CD1d fusion proteins. First, a dimeric αGC/sCD1d-Fc fusion, which permits to augment the avidity of the CD1d for iNKT cells and second, an αGC/sCD1d fused to an anti vascular endothelial growth factor receptor-3 (VEGFR-3) scFv, in order to target tumor stroma environment. Altogether, these results demonstrate that the iNKT-mediated immunotherapy via recombinant αGC/sCD1d-scFv fusion is a promising approach to redirect the innate and adaptive antitumor immune response to the tumor site.

CD1d-restricted NKT cells contribute to malarial splenomegaly and enhance parasite-specific antibody responses

CD1d-restricted NKT cells are a novel T cell lineage with unusual features. They co-express some NK cell receptors and recognize glycolipid antigens through an invariant T cell receptor (TCR) in the context of CD1d molecules. Upon activation through the TCR, NKT cells produce large amounts of IFN- and IL-4. It has been proposed that rapid cytokine output by activated NKT cells may induce bystander activation of other lymphoid lineages. The impact of CD1d-restricted NKT cell activation in the induction of B cell-mediated immune responses to infection is still unclear. We show here that CD1-restricted NKT cells contribute to malarial splenomegaly associated with expansion of the splenic B cell pool and enhance parasite-specific antibody formation in response to Plasmodium berghei infection. The increased B cell-mediated response correlates with the ability of NKT cells to promote Th2 immune responses. Additionally, antibody responses against the glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchored protein merozoite surface protein 1 (MSP-1) were found to be significantly lower in CD1-/- mice compared to wild-type animals. P. berghei-infected MHC class II (MHCII)-/- mice also generated antibodies against MSP-1, suggesting that antibody production against GPI-anchored antigens in response to malaria infection can arisefrom both MHCII-dependent and independent pathways.

Natural variations at position 93 of the invariant Vα24-Jα18 α chain of human iNKT-cell TCRs strongly impact on CD1d binding

Human invariant natural killer T (NKT) cell TCRs bind to CD1d via an "invariant" Vα24-Jα18 chain (iNKTα) paired to semi-invariant Vβ11 chains (iNKTβ). Single-amino acid variations at position 93 (p93) of iNKTα, immediately upstream of the "invariant" CDR3α region, have been reported in a substantial proportion of human iNKT-cell clones (4-30%). Although p93, a serine in most human iNKT-cell TCRs, makes no contact with CD1d, it could affect CD1d binding by altering the conformation of the crucial CDR3α loop. By generating recombinant refolded iNKT-cell TCRs, we show that natural single-nucleotide variations in iNKTα, translating to serine, threonine, asparagine or isoleucine at p93, exert a powerful effect on CD1d binding, with up to 28-fold differences in affinity between these variants. This effect was observed with CD1d loaded with either the artificial α-galactosylceramide antigens KRN7000 or OCH, or the endogenous glycolipid β-galactosylceramide, and its importance for autoreactive recognition of endogenous lipids was demonstrated by the binding of variant iNKT-cell TCR tetramers to cell surface expressed CD1d. The serine-containing variant showed the strongest CD1d binding, offering an explanation for its predominance in vivo. Complementary molecular dynamics modeling studies were consistent with an impact of p93 on the conformation of the CDR3α loop.

Structure and binding kinetics of three different human CD1d-alpha-galactosylceramide-specific T cell receptors

Invariant human TCR Valpha24-Jalpha18+/Vbeta11+ NKT cells (iNKT) are restricted by CD1d-alpha-glycosylceramides. We analyzed crystal structures and binding characteristics for an iNKT TCR plus two CD1d-alpha-GalCer-specific Vbeta11+ TCRs that use different TCR Valpha chains. The results were similar to those previously reported for MHC-peptide-specific TCRs, illustrating the versatility of the TCR platform. Docking TCR and CD1d-alpha-GalCer structures provided plausible insights into their interaction. The model supports a diagonal orientation of TCR on CD1d and suggests that complementarity determining region (CDR)3alpha, CDR3beta, and CDR1beta interact with ligands presented by CD1d, whereas CDR2beta binds to the CD1d alpha1 helix. This docking provides an explanation for the dominant usage of Vbeta11 and Vbeta8.2 chains by human and mouse iNKT cells, respectively, for recognition of CD1d-alpha-GalCer.

The role of CD1d in adipogenesis

Atherosclerosis-associated coronary heart disease is the number one cause of death in the western society, and often triggered by metabolic disorders, such as hyperlipidemia, hypertension, obesity, and diabetes. The CD1 molecules are a group of evolutionarily conservative transmembrane proteins that have recently emerged as novel lipid-binding and transporting molecules. The current study was aimed at illustrating the role of CD1d in regulation of lipid metabolism and adipogenesis. In stably transfected smooth muscle cells where CD1d is overexpressed via a pCMV promoter, high levels of binding of the oxysterol 7-ketocholesterol was found. Adipogenic treatment induces the cells to transdifferentiate into an adipocyte-like morphology. This adipocyte morphology of CD1d transfected SMCs strongly resembles that of the pre-adipocytes 3T3-L1 cells grown in the same adipogenic media. Adipogenic treatment of CD1d transfected 3T3-L1 cells led to an increased accumulation of lipids compared to mock transfected cells. Induction of adipogenic gene expression and activation, such as PPARγ and lipoprotein lipase (LPL), was achieved in adipogenically treated smooth muscle cells as well as 3T3-L1 cells with overexpression of CD1d. For determination of the role of CD1d in regulation of adipogenesis, a CD1d transgenic mouse strain was created using the CD1d-smooth muscle promoter construct. Compared to wild type control mice matched in age and sex, the transgenic mice show an age-dependent increase in abdominal and visceral fat tissue. Histopathological examination demonstrated marked enlargement of adipocytes in the transgenic fat tissue which otherwise remained a normal fat tissue structure. Immunohistochemical analysis of CD1d expression in the fat tissue revealed much stronger membrane CD1d immunostaining in the transgenic tissue than the wild type fat tissue. Under normal chow diets, CD1d-transgenic mice also developed fatty livers. In conclusion, CD1d serves as a regulator of lipid metabolism, which may transducer signals from oxysterols to induce expression of genes important in lipogenesis. These experimental results point to a novel mechanism by which CD1d mediates lipid metabolism in adipose tissue and contributes to the development of obesity. ^

Ligation of intestinal epithelial CD1d induces bioactive IL-10: Critical role of the cytoplasmic tail in autocrine signaling

The intestinal epithelium is anatomically positioned to serve as the critical interface between the lumen and the mucosal immune system. In addition to MHC class I and II antigens, intestinal epithelia constitutively express the nonclassical MHC molecule CD1d, a transmembrane molecule with a short cytoplasmic tail expressed as a β2-microglobulin-associated 48-kDa glycoprotein and novel β2-microglobulin-independent 37-kDa nonglycosylated protein on intestinal epithelia. At present, it is not known whether extracellular ligands can signal intestinal epithelial CD1d. To define signaling of CD1d cytoplasmic tail, retrovirus-mediated gene transfer was used to generate stable cell lines expressing wild-type CD1d or a chimeric molecule (extracellular CD1d and cytoplasmic CD1a), and surface CD1d was triggered by antibody crosslinking. Although wild-type CD1d was readily activated (tyrosine phosphorylation), no demonstrable signal was evident in cell lines expressing the chimeric molecule. Subsequent studies revealed that anti-CD1d crosslinking specifically induces epithelial IL-10 mRNA and protein and is blocked by the tyrosine kinase inhibitor genistein. Further studies addressing epithelial-derived IL-10 revealed that anti-CD1d crosslinking attenuates IFN-γ signaling and that such attenuation is reversed by addition of functionally inhibitory IL-10 antibodies. These results define signaling through surface CD1d, and, importantly, they demonstrate that this pathway may serve to dampen epithelial proinflammatory signals.

The CD1d natural killer T-cell antigen presentation pathway is highly conserved between humans and rhesus macaques

Natural killer T (NKT) cells play an important role in controlling cancers, infectious diseases and autoimmune diseases. Although the rhesus macaque is a useful primate model for many human diseases such as infectious and autoimmune diseases, little is known about their NKT cells. We analyzed Valpha24TCR+ T cells from rhesus macaque peripheral blood mononuclear cells stimulated with aalpha-galactosylceramide (a-GalCer) and interleukin-2. We found that rhesus macaques possess Va24TCR+ T cells, suggesting that recognition of alpha-GalCer is highly conserved between rhesus macaques and humans. The amino acid sequences of the V-J junction for the Valpha24TCR of rhesus macaque and human NKT cells are highly conserved (93% similarity), and the CD1d alpha1-alpha2 domains of both species are highly homologous (95.6%). These findings indicate that the rhesus macaque is a useful primate model for understanding the contribution of NKT cells to the control of human diseases.

NKT cells from normal and tumor-bearing human livers are phenotypically and functionally distinct from murine NKT cells

A major group of murine NK T (NKT) cells express an invariant Vα14Jα18 TCR α-chain specific for glycolipid Ags presented by CD1d. Murine Vα14Jα18+ account for 30–50% of hepatic T cells and have potent antitumor activities. We have enumerated and characterized their human counterparts, Vα24Vβ11+ NKT cells, freshly isolated from histologically normal and tumor-bearing livers. In contrast to mice, human NKT cells are found in small numbers in healthy liver (0.5% of CD3+ cells) and blood (0.02%). In contrast to those in blood, most hepatic Vα24+ NKT cells express the Vβ11 chain. They include CD4+, CD8+, and CD4−CD8− cells, and many express the NK cell markers CD56, CD161, and/or CD69. Importantly, human hepatic Vα24+ T cells are potent producers of IFN-γ and TNF-α, but not IL-2 or IL-4, when stimulated pharmacologically or with the NKT cell ligand, α-galactosylceramide. Vα24+Vβ11+ cell numbers are reduced in tumor-bearing compared with healthy liver (0.1 vs 0.5%; p < 0.04). However, hepatic cells from cancer patients and healthy donors release similar amounts of IFN-γ in response to α-galactosylceramide. These data indicate that hepatic NKT cell repertoires are phenotypically and functionally distinct in humans and mice. Depletions of hepatic NKT cell subpopulations may underlie the susceptibility to metastatic liver disease.

CD1 expression and CD1-restricted T cell activity in normal and tumour-bearing human liver

CD1d-restricted natural killer T (NKT) cells expressing invariant Valpha14Jalpha18 T cell receptor alpha-chains are abundant in murine liver and are implicated in the control of malignancy, infection and autoimmunity. Invariant NKT cells have potent anti-metastatic effects in mice and phase I clinical trials involving their homologues in humans are ongoing. However, invariant NKT cells are less abundant in human liver ( approximately 0.5% of hepatic T cells) than in murine liver (up to 50%) and it is not known if other hepatic T cells are CD1-restricted. We have examined expression of CD1a, CD1b, CD1c and CD1d mRNA and protein in human liver and evaluated the reactivity of mononuclear cells (MNC) from histologically normal and tumour-bearing human liver specimens against these CD1 isoforms. Messenger RNA for all CD1 isotypes was detectable in all liver samples. CD1c and CD1d were expressed at the protein level by hepatic MNC. CD1d, only, was detectable at the cell surface, but CD1c and CD1d were found at an intracellular location in significant numbers of liver MNC. CD1b was not expressed by MNC from healthy livers but was detectable within MNC in all tumour samples tested. Hepatic T cells exhibited reactivity against C1R cells expressing transfected CD1c and CD1d, but neither CD1a nor CD1b. These cells secreted interferon-gamma (IFN-gamma) but not interleukin-4 (IL-4) upon stimulation. In contrast, similar numbers of peripheral T cells released 13- and 16-fold less IFN-gamma in response to CD1c and CD1d, respectively. CD1c and CD1d expression and T cell reactivity were not altered in tumour-bearing liver specimens compared to histologically normal livers. These data suggest that, in addition to invariant CD1d-restricted NKT cells, autoreactive T cells that recognise CD1c and CD1d and release inflammatory cytokines are abundant in human liver.

Diverse populations of T cells with NK cell receptors accumulate in the human intestine in health and in colorectal cancer

T cells expressing NK cell receptors (NKR) display rapid MHC-unrestricted cytotoxicity and potent cytokine secretion and are thought to play roles in immunity against tumors. We have quantified and characterized NKR+ T cells freshly isolated from epithelial and lamina propria layers of duodenum and colon from 16 individuals with no evidence of gastrointestinal disease and from tumor and uninvolved tissue from 19 patients with colorectal cancer. NKR+ T cell subpopulations were differentially distributed in different intestinal compartments, and CD161+ T cells accounted for over one half of T cells at all locations tested. Most intestinal CD161+ T cells expressed alpha beta TCR and either CD4 or CD8. Significant proportions expressed HLA-DR,CD69 and Fas ligand. Upon stimulation in vitro, CD161+ T cells produced IFN-gamma and TNF-alpha but not IL-4. NKT cells expressing the Valpha24Vbeta11 TCR, which recognizes CD1d,were virtually absent from the intestine, but colonic cells produced IFN-gamma in response to the NKT cell agonist ligand alpha-galactosylceramide. NKR+ T cells were not expanded in colonic tumors compared to adjacent uninvolved tissue. The predominance, heterogeneity and differential distribution of NKR+ T cells at different intestinal locations suggests that they are central to intestinal immunity.