Improving T cell-induced response to subunit vaccines:opportunities for a proteomic systems approach

Prophylactic vaccines are an effective strategy to prevent development of many infectious diseases. With new and re-emerging infections posing increasing risks to food stocks and the health of the population in general, there is a need to improve the rationale of vaccine development. One key challenge lies in development of an effective T cell-induced response to subunit vaccines at specific sites and in different populations. Objectives: In this review, we consider how a proteomic systems-based approach can be used to identify putative novel vaccine targets, may be adopted to characterise subunit vaccines and adjuvants fully. Key findings: Despite the extensive potential for proteomics to aid our understanding of subunit vaccine nature, little work has been reported on identifying MHC 1-binding peptides for subunit vaccines generating T cell responses in the literature to date. Summary: In combination with predictive and structural biology approaches to mapping antigen presentation, proteomics offers a powerful and as yet un-tapped addition to the armoury of vaccine discovery to predict T-cell subset responses and improve vaccine design strategies.

Antineoplastic Cytotoxicity and Immune Adjuvancy of a Recombinant Oncolytic Poliovirus

Our group has pioneered the development of a live-attenuated poliovirus, called PVSRIPO, for the purpose of targeting cancer. Despite clinical progress, the cancer selective cytotoxicity and immunotherapeutic potential of PVSRIPO has not yet been mechanistically dissected. Defining such mechanisms may inform its clinical application.

Herein I describe the discovery of a mechanism by which the MAP-Kinase Interacting Kinases (MNKs) regulate PVSRIPO cytotoxicity in cancer. In doing so, I delineate a novel, intricate network connecting the MNK and mTOR signaling pathway that regulates activity of a splicing kinase called the Ser-Arg Rich Protein Kinase (SRPK), and define SRPK as an impediment to IRES mediated translation. Moreover, I demonstrate that MNK regulates mTORC1 associations that determine its substrate proximity and thus, activity. In a collaborative effort, we found that PVSRIPO oncolysis produces antigen specific, cytolytic anti-tumor immunity in an in vitro human system and that much of the observed adjuvancy is due to the direct infection of dendritic cells (DCs) by the virus itself; implicating PVSRIPO as a potent adjuvant. In summary, oncogenic signaling in part through MNK leads to cancer specific cytotoxicity by PVSRIPO that engages an inflammatory environment conducive to DC activation and antigen specific T cell antigen immunity.

IL-10-producing Regulatory B Cell Development in Human Autoimmune Disease

B cell abnormalities contribute to the development and progress of autoimmune disease. Traditionally, the role of B cells in autoimmune disease was thought to be predominantly limited to the production of autoantibodies. Nevertheless, in addition to autoantibody production, B cells have other functions potentially relevant to autoimmunity. Such functions include antigen presentation to and activation of T cells, expression of costimulatory molecules and cytokine production. Recently, the ability of B cells to negatively regulate cellular immune responses and inflammation has been described and the concept of “regulatory B cells” has emerged. A variety of cytokines produced by regulatory B cell subsets have been reported with interleukin-10 (IL-10) being the most studied. IL-10-producing regulatory B cells predominantly localize within a rare CD1dhiCD5+ B cell subset in mice and the CD24hiCD27+ B cell subset in adult humans. This specific IL-10-producing subset of regulatory B cells have been named “B10 cells” to highlight that the regulatory function of these rare B cells is primarily mediated by IL-10, and to distinguish them from other regulatory B cell subsets that regulate immune responses through different mechanisms. B10 cells have been studies in a variety of animal models with autoimmune disease and clinical settings of human autoimmunity. There are many unsolved questions related to B10 cells including their surface phenotype, their origin and development in vivo, and their role in autoimmunity.

In Chapter 3 of this dissertation, the role of the B cell receptor (BCR) in B10 cell development is highlighted. First, the BCR repertoire of mouse peritoneal cavity B10 cells is examined by single cell sequencing; peritoneal cavity B10 cells have clonally diverse germline BCRs that are predominantly unmutated. Second, mouse B10 cells are shown to have higher frequencies of λ+ BCRs compared to non-B10 cells which may indicate the involvement of BCR light chain editing early in the process of B10 cell development in vivo. Third, human peripheral blood B10 cells are examined and are also found to express higher frequencies of λ chains compared to non-b10 cells. Therefore, B10 cell BCRs are clonally diverse and enriched for unmutated germline sequences and λ light chains.

In Chapter 4 of this dissertation, B10 cells are examined in the healthy developing human across the entire age range of infancy, childhood and adolescence, and in a large cohort of children with autoimmunity. The study of B10 cells in the developing human documents a massive transient expansion during middle childhood when up to 30% of blood B cells were competent to produce IL-10. The surface phenotype of pediatric B10 cells was variable and reflective of overall B cell development. B10 cells down-regulated CD4+ T cell interferon-gamma (IFN-γ) production through IL-10-dependent pathways and IFN-γ inhibited whereas interleukin-21 (IL-21) promoted B cell IL-10 competency in vitro. Children with autoimmunity had a contracted B10 cell compartment, along with increased IFN-γ and decreased IL-21 serum levels compared to age-matched healthy controls. The decreased B10 cell frequencies and numbers in children with autoimmunity may be partially explained by the differential regulation of B10 cell development by IFN-γ and IL-21 and alterations in serum cytokine levels. The age-related changes of the B10 cell compartment during normal human development provide new insights into immune tolerance mechanisms involved in inflammation and autoimmunity.

These studies collectively demonstrate that BCR signals are the most important early determinant of B10 cell development in vivo, that human B10 cells are not a surface phenotype defined developmental B cell subset but a functionally defined regulatory B cell subset that regulates CD4+ T IFN-γ production through IL-10-dependent pathways and that human B10 cell development can be regulated by soluble factors in vivo such as the cytokine milieu. The findings of these studies provide new insights into immune tolerance mechanisms involved in human autoimmunity and the potent effects of IL-21 on human B cell IL-10 competence in vitro open new horizons in the development of autologous B10 cell-based therapies as an approach to treat human autoimmune disease in the future.

Isolation and Validation of Anti-B7-H4 scFvs from an Ovarian Cancer scFv Yeast-Display Library.

B7-H4 (VTCN1, B7x, B7s) is an inhibitory modulator of T-cell response implicated in antigen tolerization. As such, B7-H4 is an immune checkpoint of potential therapeutic interest. To generate anti-B7-H4 targeting reagents, we isolated antibodies by differential cell screening of a yeast-display library of recombinant antibodies (scFvs) derived from ovarian cancer patients and we screened for functional scFvs capable to interfere with B7-H4-mediated inhibition of antitumor responses. We found one antibody binding to B7-H4 that could restore antitumor T cell responses. This chapter gives an overview of the methods we developed to isolate a functional anti-B7-H4 antibody fragment.

Rôles de deux corécepteurs impliqués dans le maintien des cellules T mémoires CD8+ et la maturation des cellules dendritiques

La reconnaissance d’un antigène présenté par les cellules présentatrices d’antigène induit la prolifération et la différenciation des lymphocytes T naïfs en lymphocytes T effecteurs et mémoires. Cette reconnaissance se fait par l’interaction du récepteur des cellules T (TCR) des lymphocytes T et le complexe CMH-peptide présent à la surface des DC. Cependant, des signaux additionnels sont requis, une meilleure activation des lymphocytes T implique des corécepteurs présents à la surface de ces deux types cellulaires. Après l’élimination de l’antigène, la plupart des lymphocytes T effecteurs vont mourir. Une petite population de lymphocytes T va persister pour se différencier en lymphocytes T mémoires capables de protéger l’organisme contre une réinfection. Les signaux qui contrôlent le maintien des lymphocytes T mémoires sont encore mal compris. Pour comprendre le rôle de la molécule de costimulation 4-1BB dans le maintien des lymphocytes T CD8 mémoires, nous avons émis l’hypothèse que l’état de phosphorylation de la protéine adaptatrice TRAF1, qui se lie à 4-1BB, module le maintien des lymphocytes T CD8 mémoires. Ainsi, nous avons montré par des expériences de spectrométrie de masse que TRAF1 s’associe préférentiellement à TBK1 lorsqu’elle n’est pas phosphorylée. Nous avons aussi montré que la présence de TRAF1 est requise pour stabiliser TBK1 au récepteur 4-1BB après stimulation des lymphocytes T. Par ailleurs, les lymphocytes T CD8 OT-I TRAF1-/- reconstituées avec un mutant phospho-déficient de TRAF1 (S139A) et ensuite différenciées en lymphocytes T mémoires in vitro induisent une activation de la voie de signalisation NF-ĸB contrairement à ceux exprimant la forme phospho-mimétique de TRAF1 (S139D). Ces premières études démontrent l’importance de l’état de phosphorylation de TRAF1 en aval de 4-1BB dans les cellules T. Dans la seconde partie, nous avons évalué le rôle d’un autre corécepteur; la neuropiline 1, dans la maturation des DC. A cet effet, nous avons émis l’hypothèse que l’interaction de la neuropiline 1 et ses ligands contribuerait à la fonction des DC. Nous avons démontré que l’absence de la neuropiline 1 n’a pas d’effet sur la maturation au LPS des DC. Cependant, la présence du VEGF (un ligand de Nrp-1) inhibe la maturation des DC dérivées de la moelle osseuse. Notre étude a démontré que VEGF inhibe l’expression des molécules de costimulation, la sécrétion des cytokines pro inflammatoires et la signalisation TLR4 principalement les voies MAP Kinase et NF-ĸB. Contrairement aux résultats avec les cellules WT, VEGF n’est pas capable d’affecter la maturation, la sécrétion des cytokines et la signalisation TLR4 des DC Nrp1-Lyz où la neuropiline 1 est délétée. Ainsi, nos résultats ont démontré que VEGF inhibe la maturation des DC de façon Nrp1-dépendante. Enfin, l’analyse des molécules partenaires de la neuropiline 1 montre que Nrp1, VEGF et TLR4 se retrouvent dans le même complexe. Nos résultats démontrent que VEGF, en présence de la neuropiline 1 est capable d’interagir avec TLR4 pour inhiber la maturation des DC. Toutefois, en absence de la neuropiline1, VEGF n’est pas capable de recruter TLR4 pour réduire l’expression des molécules de costimulation. Ces études sur les corécepteurs pourraient être importantes dans l’élaboration de nouvelles approches vaccinales.

Rôles de deux corécepteurs impliqués dans le maintien des cellules T mémoires CD8+ et la maturation des cellules dendritiques

La reconnaissance d’un antigène présenté par les cellules présentatrices d’antigène induit la prolifération et la différenciation des lymphocytes T naïfs en lymphocytes T effecteurs et mémoires. Cette reconnaissance se fait par l’interaction du récepteur des cellules T (TCR) des lymphocytes T et le complexe CMH-peptide présent à la surface des DC. Cependant, des signaux additionnels sont requis, une meilleure activation des lymphocytes T implique des corécepteurs présents à la surface de ces deux types cellulaires. Après l’élimination de l’antigène, la plupart des lymphocytes T effecteurs vont mourir. Une petite population de lymphocytes T va persister pour se différencier en lymphocytes T mémoires capables de protéger l’organisme contre une réinfection. Les signaux qui contrôlent le maintien des lymphocytes T mémoires sont encore mal compris. Pour comprendre le rôle de la molécule de costimulation 4-1BB dans le maintien des lymphocytes T CD8 mémoires, nous avons émis l’hypothèse que l’état de phosphorylation de la protéine adaptatrice TRAF1, qui se lie à 4-1BB, module le maintien des lymphocytes T CD8 mémoires. Ainsi, nous avons montré par des expériences de spectrométrie de masse que TRAF1 s’associe préférentiellement à TBK1 lorsqu’elle n’est pas phosphorylée. Nous avons aussi montré que la présence de TRAF1 est requise pour stabiliser TBK1 au récepteur 4-1BB après stimulation des lymphocytes T. Par ailleurs, les lymphocytes T CD8 OT-I TRAF1-/- reconstituées avec un mutant phospho-déficient de TRAF1 (S139A) et ensuite différenciées en lymphocytes T mémoires in vitro induisent une activation de la voie de signalisation NF-ĸB contrairement à ceux exprimant la forme phospho-mimétique de TRAF1 (S139D). Ces premières études démontrent l’importance de l’état de phosphorylation de TRAF1 en aval de 4-1BB dans les cellules T. Dans la seconde partie, nous avons évalué le rôle d’un autre corécepteur; la neuropiline 1, dans la maturation des DC. A cet effet, nous avons émis l’hypothèse que l’interaction de la neuropiline 1 et ses ligands contribuerait à la fonction des DC. Nous avons démontré que l’absence de la neuropiline 1 n’a pas d’effet sur la maturation au LPS des DC. Cependant, la présence du VEGF (un ligand de Nrp-1) inhibe la maturation des DC dérivées de la moelle osseuse. Notre étude a démontré que VEGF inhibe l’expression des molécules de costimulation, la sécrétion des cytokines pro inflammatoires et la signalisation TLR4 principalement les voies MAP Kinase et NF-ĸB. Contrairement aux résultats avec les cellules WT, VEGF n’est pas capable d’affecter la maturation, la sécrétion des cytokines et la signalisation TLR4 des DC Nrp1-Lyz où la neuropiline 1 est délétée. Ainsi, nos résultats ont démontré que VEGF inhibe la maturation des DC de façon Nrp1-dépendante. Enfin, l’analyse des molécules partenaires de la neuropiline 1 montre que Nrp1, VEGF et TLR4 se retrouvent dans le même complexe. Nos résultats démontrent que VEGF, en présence de la neuropiline 1 est capable d’interagir avec TLR4 pour inhiber la maturation des DC. Toutefois, en absence de la neuropiline1, VEGF n’est pas capable de recruter TLR4 pour réduire l’expression des molécules de costimulation. Ces études sur les corécepteurs pourraient être importantes dans l’élaboration de nouvelles approches vaccinales.

Análise proteômica de células não fagocíticas na fase inicial da infecção por trypanosoma cruzi

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Medicina, Programa de Pós-Graduação em Patologia Molecular, 2015.

Effet de Streptococcus Suis sur la capacité de présentation antigénique de cellules dendritiques

Streptococcus suis est un important pathogène porcin et humain, causant méningites et septicémies. Des études suggèrent que S. suis dispose de facteurs de virulence, notamment sa capsule polysaccharidique (CPS), qui lui permettent de moduler les fonctions des cellules dendritiques (DCs), situées à l’interface entre l’immunité innée et adaptative. Les difficultés à développer un vaccin efficace suggèrent aussi une altération de la voie T dépendante. L’objectif général du projet était d’évaluer l’effet de S. suis sur l’activation des cellules T CD4+ ainsi que sur la capacité de présentation antigénique des DCs. Nous avons étudié dans un modèle murin in vivo la réponse T CD4+ mémoire lors d’infections primaire et secondaire. Une faible réponse mémoire centrale a été obtenue, suggérant que la réponse adaptative générée contre S. suis est limitée. Étant donné l’importance du complexe majeur d’histocompatibilité (MHC) de classe II dans la présentation antigénique, nous avons évalué in vitro et in vivo l’expression de ces molécules chez les DCs. Une modulation de l’expression du MHC-II par S. suis a été observée. L’analyse de la transcription de gènes impliqués dans la régulation transcriptionnelle et post-transcriptionnelle du MHC-II nous permet de suggérer que S. suis régule à la baisse la synthèse de nouvelles molécules et favorise leur dégradation lysosomale. Cette stratégie, dans laquelle la CPS ne jouerait qu’un rôle partiel, permettrait à S. suis d’échapper à la réponse adaptative T dépendante. Les résultats de cette étude fourniront de nouvelles perspectives dans la compréhension de la réponse adaptative lors de l’infection par S. suis.

Effet de Streptococcus Suis sur la capacité de présentation antigénique de cellules dendritiques

Streptococcus suis est un important pathogène porcin et humain, causant méningites et septicémies. Des études suggèrent que S. suis dispose de facteurs de virulence, notamment sa capsule polysaccharidique (CPS), qui lui permettent de moduler les fonctions des cellules dendritiques (DCs), situées à l’interface entre l’immunité innée et adaptative. Les difficultés à développer un vaccin efficace suggèrent aussi une altération de la voie T dépendante. L’objectif général du projet était d’évaluer l’effet de S. suis sur l’activation des cellules T CD4+ ainsi que sur la capacité de présentation antigénique des DCs. Nous avons étudié dans un modèle murin in vivo la réponse T CD4+ mémoire lors d’infections primaire et secondaire. Une faible réponse mémoire centrale a été obtenue, suggérant que la réponse adaptative générée contre S. suis est limitée. Étant donné l’importance du complexe majeur d’histocompatibilité (MHC) de classe II dans la présentation antigénique, nous avons évalué in vitro et in vivo l’expression de ces molécules chez les DCs. Une modulation de l’expression du MHC-II par S. suis a été observée. L’analyse de la transcription de gènes impliqués dans la régulation transcriptionnelle et post-transcriptionnelle du MHC-II nous permet de suggérer que S. suis régule à la baisse la synthèse de nouvelles molécules et favorise leur dégradation lysosomale. Cette stratégie, dans laquelle la CPS ne jouerait qu’un rôle partiel, permettrait à S. suis d’échapper à la réponse adaptative T dépendante. Les résultats de cette étude fourniront de nouvelles perspectives dans la compréhension de la réponse adaptative lors de l’infection par S. suis.

Follicular dendritic cell disruption as a novel mechanism of virus-induced immunosuppression

Arboviruses (Arthropod-borne viruses) cause acute diseases that are increasingly affecting both human and animal health. Currently, there is a critical lack of understanding about the nature of arbovirus-host interactions in the lymph nodes (LNs), the place where the adaptive immune response is initiated and shaped. In this study, we used bluetongue virus (BTV) and its natural sheep host, to characterise the early events of an arbovirus infection with particular focus on the LNs. Our findings reveal a previously uncharacterized mechanism used by an arbovirus to manipulate host immunity. This study shows that BTV, similarly to other antigens delivered through the skin, is transported rapidly via the lymph to the peripheral lymph nodes. Here, BTV infects and disrupts the stromal network of marginal reticular cells and follicular dendritic cells composing the scaffolding of the follicular area. These cells contribute to antigen presentation and affinity maturation of B-cells for the production of antibodies. Consequently, we observed a loss of germinal centre structure, which hinders B-cell proliferation. This process results in a delayed production of high affinity and virus neutralizing antibodies that is directly related to the virulence of the BTV strain used and the severity of disease. Moreover the humoral immune response to a different antigen is also hampered in BTV-infected animals. Our data show that an arbovirus can evade the host antiviral responses by inducing an acute immunosuppression. Although transient, this immunosuppression occurs at the critical early stages of infection when a delayed host humoral immune response likely affects virus systemic dissemination and the clinical outcome of disease.

The Role of Direct Presentation by Donor Dendritic Cells in Rejection of Minor Histocompatibility Antigen-Mismatched Skin and Hematopoietic Cell Grafts

Background. The success of transplantation is hampered by rejection of the graft by alloreactive T cells. Donor dendritic cells (DC) have been shown to be required for direct priming of immune responses to antigens from major histocompatibility complex-mismatched grafts. However, for immune responses to major histocompatibility complex-matched, minor histocompatibility (H) antigen mismatched grafts, the magnitude of the T-cell response to directly presented antigens is reduced, and the indirect pathway is more important. Therefore, we aimed to investigate the requirement for donor DC to directly present antigen from minor H antigen mismatched skin and hematopoietic grafts.

A helminth cathelicidin-like protein suppresses antigen processing and presentation in macrophages via inhibition of lysosomal vATPase

We previously reported the identification of a novel family of immunomodulatory proteins, termed helminth defense molecules (HDMs), that are secreted by medically important trematode parasites. Since HDMs share biochemical, structural, and functional characteristics with mammalian cathelicidin-like host defense peptides (HDPs), we proposed that HDMs modulate the immune response via molecular mimicry of host molecules. In the present study, we report the mechanism by which HDMs influence the function of macrophages. We show that the HDM secreted by Fasciola hepatica (FhHDM-1) binds to macrophage plasma membrane lipid rafts via selective interaction with phospholipids and/or cholesterol before being internalized by endocytosis. Following internalization, FhHDM-1 is rapidly processed by lysosomal cathepsin L to release a short C-terminal peptide (containing a conserved amphipathic helix that is a key to HDM function), which then prevents the acidification of the endolysosomal compartments by inhibiting vacuolar ATPase activity. The resulting endolysosomal alkalization impedes macrophage antigen processing and prevents the transport of peptides to the cell surface in conjunction with MHC class II for presentation to CD4(+) T cells. Thus, we have elucidated a novel mechanism by which helminth pathogens alter innate immune cell function to assist their survival in the host.-Robinson, M. W., Alvarado, R., To, J., Hutchinson, A. T., Dowdell, S. N., Lund, M., Turnbull, L., Whitchurch, C. B., O'Brien, B. A., Dalton, J. P., Donnelly, S. A helminth cathelicidin-like protein suppresses antigen processing and presentation in macrophages via inhibition of lysosomal vATPase.

The central repeat domain 1 of Kaposi's sarcoma-associated herpesvirus (KSHV) latency associated-nuclear antigen 1 (LANA1) prevents cis MHC class I peptide presentation

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Antigen Processing and Presentation in Multiple Sclerosis

CD4(+) T cells play a central role in the pathogenesis of multiple sclerosis (MS). Generation, activation and effector function of these cells crucially depends on their interaction with MHC II-peptide complexes displayed by antigen presenting cells (APC). Processing and presentation of self antigens by different APC therefore influences the disease course at all stages. Selection by thymic APC leads to the generation of autoreactive T cells, which can be activated by peripheral APC. Reactivation by central nervous system APC leads to the initiation of the inflammatory response resulting in demyelination. In this review we will focus on how MHC class II antigenic epitopes are created by different APC from the thymus, the periphery and from the brain, and will discuss the relevance of the balance between creation and destruction of such epitopes in the context of MS. A solid understanding of these processes offers the possibility for designing future therapeutic strategies.