Modeling of the TCR-MHC-peptide complex.

The methodology for generating a homology model of the T1 TCR-PbCS-K(d) class I major histocompatibility complex (MHC) class I complex is presented. The resulting model provides a qualitative explanation of the effect of over 50 different mutations in the region of the complementarity determining region (CDR) loops of the T cell receptor (TCR), the peptide and the MHC's alpha(1)/alpha(2) helices. The peptide is modified by an azido benzoic acid photoreactive group, which is part of the epitope recognized by the TCR. The construction of the model makes use of closely related homologs (the A6 TCR-Tax-HLA A2 complex, the 2C TCR, the 14.3.d TCR Vbeta chain, the 1934.4 TCR Valpha chain, and the H-2 K(b)-ovalbumine peptide), ab initio sampling of CDR loops conformations and experimental data to select from the set of possibilities. The model shows a complex arrangement of the CDR3alpha, CDR1beta, CDR2beta and CDR3beta loops that leads to the highly specific recognition of the photoreactive group. The protocol can be applied systematically to a series of related sequences, permitting the analysis at the structural level of the large TCR repertoire specific for a given peptide-MHC complex.

Analysis of CD4+ and CD8+ T cells by defined MHC-peptide complexes

MHC class II-peptide multimers are important tools for the detection, enumeration and isolation of antigen-specific CD4+ Τ cells. However, their erratic and often poor performance impeded their broad application and thus in-depth analysis of key aspects of antigen-specific CD4+ Τ cell responses. In the first part of this thesis we demonstrate that a major cause for poor MHC class II tetramer staining performance is incomplete peptide loading on MHC molecules. We observed that peptide binding affinity for "empty" MHC class II molecules poorly correlates with peptide loading efficacy. Addition of a His-tag or desthiobiotin (DTB) at the peptide N-terminus allowed us to isolate "immunopure" MHC class II-peptide monomers by affinity chromatography; this significantly, often dramatically, improved tetramer staining of antigen-specific CD4+ Τ cells. Insertion of a photosensitive amino acid between the tag and the peptide, permitted removal of the tag from "immunopure" MHC class II-peptide complex by UV irradiation, and hence elimination of its potential interference with TCR and/or MHC binding. Moreover, to improve loading of self and tumor antigen- derived peptides onto "empty" MHC II molecules, we first loaded these with a photocleavable variant of the influenza A hemagglutinin peptide HA306-318 and subsequently exchanged it with a poorly loading peptide (e.g. NY-ESO-1119-143) upon photolysis of the conditional ligand. Finally, we established a novel type of MHC class II multimers built on reversible chelate formation between 2xHis-tagged MHC molecules and a fluorescent nitrilotriacetic acid (NTA)-containing scaffold. Staining of antigen-specific CD4+ Τ cells with "NTAmers" is fully reversible and allows gentle cell sorting. In the second part of the thesis we investigated the role of the CD8α transmembrane domain (TMD) for CD8 coreceptor function. The sequence of the CD8α TMD, but not the CD8β TMD, is highly conserved and homodimerizes efficiently. We replaced the CD8α TMD with the one of the interleukin-2 receptor a chain (CD8αTac) and thus ablated CD8α TMD interactions. We observed that ΤΙ Τ cell hybridomas expressing CD8αTacβ exhibited severely impaired intracellular calcium flux, IL-2 responses and Kd/PbCS(ABA) P255A tetramer binding. By means of fluorescence resonance energy transfer experiments (FRET) we established that CD8αTacβ associated with TCR:CD3 considerably less efficiently than CD8αβ, both in the presence and the absence of Kd/PbCS(ABA) complexes. Moreover, we observed that CD8αTacβ partitioned substantially less in lipid rafts, and related to this, associated less efficiently with p56Lck (Lck), a Src kinase that plays key roles in TCR proximal signaling. Our results support the view that the CD8α TMD promotes the formation of CD8αβP-CD8αβ dimers on cell surfaces. Because these contain two CD8β chains and that CD8β, unlike CD8α, mediates association of CD8 with TCR:CD3 as well as with lipid rafts and hence with Lck, we propose that the CD8αTMD plays an important and hitherto unrecognized role for CD8 coreceptor function, namely by promoting CD8αβ dimer formation. We discuss what implications this might have on TCR oligomerization and TCR signaling. - Les multimères de complexes MHC classe II-peptide sont des outils importants pour la détection, le dénombrement et l'isolation des cellules Τ CD4+ spécifiques pour un antigène d'intérêt. Cependant, leur performance erratique et souvent inadéquate a empêché leur utilisation généralisée, limitant ainsi l'analyse des aspects clés des réponses des lymphocytes Τ CD4+. Dans la première partie de cette thèse, nous montrons que la cause principale de la faible efficacité des multimères de complexes MHC classe II-peptide est le chargement incomplet des molécules MHC par des peptides. Nous montrons également que l'affinité du peptide pour la molécule MHC classe II "vide" n'est pas nécessairement liée au degré du chargement. Grâce à l'introduction d'une étiquette d'histidines (His-tag) ou d'une molécule de desthiobiotine à l'extrémité N-terminale du peptide, des monomères MHC classe II- peptide dits "immunopures" ont pu être isolés par chromatographic d'affinité. Ceci a permis d'améliorer significativement et souvent de façon spectaculaire, le marquage des cellules Τ CD4+ spécifiques pour un antigène d'intérêt. L'insertion d'un acide aminé photosensible entre l'étiquette et le peptide a permis la suppression de l'étiquette du complexe MHC classe- Il peptide "immunopure" par irradiation aux UV, éliminant ainsi de potentielles interférences de liaison au TCR et/ou au MHC. De plus, afin d'améliorer le chargement des molécules MHC classe II "vides" avec des peptides dérivés d'auto-antigènes ou d'antigènes tumoraux, nous avons tout d'abord chargé les molécules MHC "vides" avec un analogue peptidique photoclivable issu du peptide HA306-318 de l'hémagglutinine de la grippe de type A, puis, sous condition de photolyse, nous l'avons échangé avec de peptides à chargement faible (p.ex. NY-ESO-1119-143). Finalement, nous avons construit un nouveau type de multimère réversible, appelé "NTAmère", basé sur la formation chélatante reversible entre les molécules MHC-peptide étiquettés par 2xHis et un support fluorescent contenant des acides nitrilotriacetiques (NTA). Le marquage des cellules Τ CD4+ spécifiques pour un antigène d'intérêt avec les "NTAmères" est pleinement réversible et permet également un tri cellulaire plus doux. Dans la deuxième partie de cette thèse nous avons étudié le rôle du domaine transmembranaire (TMD) du CD8α pour la fonction coréceptrice du CD8. La séquence du TMD du CD8α, mais pas celle du TMD du CD8β, est hautement conservée et permet une homodimérisation efficace. Nous avons remplacé le TMD du CD8α avec celui de la chaîne α du récepteur à l'IL-2 (CD8αTac), éliminant ainsi les interactions du TMD du CD8α. Nous avons montré que les cellules des hybridomes Τ T1 exprimant le CD8αTacβ présentaient une atteinte sévère du flux du calcium intracellulaire, des réponses d'IL-2 et de la liaison des tétramères Kd/PbCS(ABA) P255A. Grâce aux expériences de transfert d'énergie entre molécules fluorescentes (FRET), nous avons montré que l'association du CD8αTacβ avec le TCR:CD3 est considérablement moins efficace qu'avec le CD8αβ, et ceci aussi bien en présence qu'en absence de complexes Kd/PbCS(ABA). De plus, nous avons observé que le CD8αTacβ se distribuait beaucoup moins bien dans les radeaux lipidiques, engendrant ainsi, une association moins efficace avec p56Lck (Lck), une kinase de la famille Src qui joue un rôle clé dans la signalisation proximale du TCR. Nos résultats soutiennent l'hypothèse que le TMD du CD8αβ favorise la formation des dimères de CD8αβ à la surface des cellules. Parce que ces derniers contiennent deux chaînes CD8β et que CD8β, contrairement à CD8α, favorise l'association du CD8 au TCR:CD3 aussi bien qu'aux radeaux lipidiques et par conséquent à Lck, nous proposons que le TMD du CD8α joue un rôle important, jusqu'alors inconnu, pour la fonction coreceptrice du CD8, en encourageant la formation des dimères CD8αβ. Nous discutons des implications possibles sur l'oligomerisation du TCR et la signalisation du TCR.

Development and evaluation of antibody-MHC/peptide conjugates as a new form of cancer immunotherapy

Summary One of the major goals of cancer immunotherapy is the induction of a specific and effective antitumor cytotoxic T lymphocyte (CTL) response. However, the downregulation of Class I Major Histocompatibility Complexes (MHC) expression and the low level of tumor peptide presentation on tumor cell surface, ás well as the low immunogenicity of tumor specific antigens, limit the effectiveness of anti-tumor CTL responses. On the other hand, monoclonal antibodies, which bind with high affinity to tumor cell surface markers, are powerful tumor targeting tools. However, their capacity to .kill cancer cells is limited and mAb cancer treatments usually require the addition of different form of chemotherapy. The new cancer immunotherapy strategy described herein combines the advantage of the high tumor targeting capacity of monoclonal antibodies (mAb) with the powerful cytotoxicity of CD8 T lymphocytes directed against highly antigenic peptide-MHC complexes. Monoclonal antibody Fab fragments directed against a cell surface tumor associated antigen (TAA) are chemically coupled to soluble MHC class I complexes carrying a highly antigenic peptide. Antibody guided targeting and oligomerization of numerous antigenic class IMHC/peptide complexes on tumor cell surfaces can redirect the cytotoxicity of peptide-specific CD8 T cells towards target cancer cells. After the description of the production of murine anti-tumor xMHC/peptide conjugates in the first part of this thesis, the therapeutic potential of such conjugates were sequentially investigated in different syngeneic tumor mouse models. As a first proof of principle, transgenic OT-1 mice and later CEA transgenic C57BL/6 (B6) mice, adoptively transferred with OT-1 spleen cells and immunized with ovalbumin, were used as a model of high frequency of ova peptide specific T cells. In these mice, growth inhibition and regression of palpable colon carcinoma expressing CEA, were obtained by systemic injection of anti-CEA Fab/H-2Kb/ova peptide conjugates. Next, LCMV virus and influenza virus infection of B6 mice were used as viral models to redirect natural antiviral CTL responses to tumors via conjugates loaded with viral peptides. We showed that in mice infected with the LCMV virus, subcutaneous CEA-expressing tumor cells were inhibited by the H2Db/GP33 restricted anti-viral CTL response when preincubated before grafting with anti-CEA Fab-H-2Db/GP33 peptide conjugates. In mice infected with the influenza virus, lung metastases expressing the HER2 antigen were inhibited by the H-2Db/NP366 restricted CTLs response when preincubated before injection with anti-Her2 Fab-H-2Db/NP366 peptide conjugates. In the last chapter, the stability of the peptide in the anti-CEA Fab-H-2Db/GP33 conjugates was improved by the covalent photocross-link of the GP33 peptide in the H-2Db MHC groove. Thus, LCMV immune mice could reject CEA expressing tumors when treated with systemic injections of anti-CEA FabH-2Db/GP33 cross-linked conjugates. These results are encouraging for the potential application of this strategy in clinic. Such conjugates could be used alone in patients boosted by the relevant virus, or used in combination with existing T cell based ìmmunotherapy. Résumé Une des principales approches utilisées dans l'immunothérapie contre le cancer consiste en l'induction d'une réponse T cytotoxique (CTL) spécifiquement dirigée contre la tumeur. Cependant, le faible niveau d'expression des complexes majeurs d'histocompatibilité de classe I (CMH I) et de présentation des peptides tumoraux à la surface des cellules cancéreuses ainsi que la faible immunogenicité des antigens tumoraux, limitent l'efficacité de la réponse CTL. D'autre part,. l'injection d'anticorps monoclonaux (mAb), se liant avec une haute affinité aux marqueurs de surface des cellules tumorales, a fourni des résultats cliniques encourageant. Cependant l'efficacité de ces mAbs contre des tumeur solides reste limitée et necessite souvent l'addition de chimiotherapie. La nouvelle stratégie thérapeutique décrite dans ce travail associe le fort pouvoir de localisation des anticorps monoclonaux et le fort pouvoir cytotoxique des lymphocytes T CD8+. Des fragments Fab d'anticorps monoclonaux, dirigés contre des antigènes surexprimés à la surface de cellules tumorales, ont été chimiquement couplés à des CMH I solubles, portant un peptide fortement antigénique. Le ciblage et l'oligomérisation à la surface des cellules tumorales de nombreux CMH I présentant un peptide antigénique, va réorienter la cytotoxicité des cellules T CD8+ spécifiques du peptide présenté, vers les cellules tumorales cibles. Après une description de la production de conjugé anti-tumeur x CMH Upeptide dans la première partie de cette thèse, le potentiel thérapeutique de tels conjugés a été successivement étudiés in vivo dans différents modèles de tumeur syngénéiques. Tout d'abord, des souris OT-1 transgéniques, puis des souris C57BL/6 (B6) transférées avec des cellules de rate OT-1 puis immunisées avec l'ovalbumine, ont été employées comme modèle de haute fréquence de cellules T CD8+ spécifiques du peptide ova. Chez ces souris, l'inhibition de la croissance et la régression de nodules palpables de carcinomes exprimant l'antigène caccino embryonaire (ACE), ont été obtenues par l'injection systémique de conjugés anti-ACE Fab/H-2Kb/ova. Par la suite, l'infection de souris B6 par le virus LCMV et par le virus de la grippe, ont été utilisés comme modèles viraux pour redirigées des réponses anti-virales naturelles vers les tumeurs, en utilisant des conjugés chargés avec des peptides viraux. Nous avons montré que .chez les souris infectées par le LCMV, la croissance de carcinome sous-cutané est empêchée par la réponse anti-virale, spécifique du complexe H2Db/GP33, lorsque les cellules tumorales greffées sont pré-incubées avec des conjugés anti-CEA Fab-H-2Db/GP33. Dans le cas de souris infectées par le virus de la grippe, la métastatisation de mélanomes pulmonaires exprimant l'antigène HER-2 est inhibée par la réponse anti-virale spécifique du complexe H-2Db/NP366, après pré-incubation des cellules tumorales avec des conjugés anti-Her2 FabxH-2Db/NP366. Dans le dernier chapitre, la liaison covalente du peptide GP33 dans le complexe H-2Db a amélioré la stabilité des conjugés correspondants et a permis le traitement systémique de souris greffées avec des tumeurs exprimant l'ACE et infectées par le LCMV. L'ensemble de ces résultats sont encourageant pour l'application de cette strategie en clinique. De tels conjugués pourraient être employés seuls ou en combinaison avec des protocols d'immunisation peptidique anti-tumoral. Résumé pour un large public Dans les pays industrialisés, le cancer se situe au deuxième rang des causes de mortalité après les maladies cardiovasculaires. Les principaux traitement de nombreux cancers sont la chirurgie, en association avec la radiothérapie et la chimiothérapie. L'immunothérapie est l'une des nouvelles approches mises en oeuvre pour la lutte contre le cancer. Elle peut être humorale, et 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 proliferation des cellules tumorales exprimant l'antigène. Certains sont utilisés en clinique pour le traitement de lymphomes, de carcinomes de l'ovaire et du sein ou encore de carcinomes metastatiques du côlon. Cependant l'efficacité de ces anticorps contre des tumeurs solides reste limitée et les traitements exigent souvent d'être combiner avec de la chimiothérapie. L'immunothérapie spécifique peut également être cellulaire et reposer sur une démarche de type vaccinal, consistant à générer des lymphocytes T cytotoxiques (cytotoxic T lymphocytes :CTL) capables de détruire spécifiquement les cellules malignes. 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. Or les cellules tumorales ne presentent pas efficacement les peptides antigèniques, car elles se caractérisent par une diminution ou une absence d'expression des antigènes d'histocompatibilité de classe I, des molécules d'adhésion et des cytokines costimulatrices, et par une faible expression des antigènes associés aux tumeurs. C'est en partie pourquoi, malgré l'induction de fortes réponses CTL specifiquement dirigés contre des antigens tumoraux, les régressions tumorales obtenus grace à ces vaccinations sont relativement rares. Alors que chez les personnes atteintes du cancer on observe l'instauration d'une tolérance immunitaire vis-à-vis de la tumeur, à l'inverse, notre systeme immunitaire reste parfaitement capable de combattre des infection virales classiques, tels que la grippe, qui font aussi appel à une réponse T cytotoxique. Notre groupe de recherche a donc eu l'idee de développer une nouvelle approche thérapeutique où une réponse immunitaire anti-virale très efficace serait redirigée vers les tumeurs par des anticorps monoclonaux. Concrètement, nous avons chimiquement couplés des fragments d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes surexprimés à la surface de cellules tumorales, à des CMH I portant un peptide viral antigénique. Les cellules tumorales, ciblées par le fragment anticorps et couvertes d' antigènes viraux présentés par des molécules de CMH I, peuvent ainsi tromper les lymphocytes cytotoxiques anti-viraux qui vont détruire les cellules tumorales comme si elles étaient infectées par le virus. Suite à des résultats prometteurs obtenus in vitro avec différents conjugués anticorps-CMH humain de type HLA.A2/peptide Flu, le but du projet était de tester in vivo des conjugués anticorps-CMH I murins sur des modèles expérimentaux de souris. Tout d'abord, des souris transgéniques pour un recepteur T specifique du peptide ova, puis des transferts adoptifs de ces cellules T specifiques dans des souris immunocompétentes, ont été choisi comme modèle de haute fréquence des cellules T spécifiques, et ont permi de valider le principe de la strategie in vivo. Puis, deux modèles viraux ont été elaboré avec le virus LCMV et le virus Influenza, pour réorienter des réponses antivirales naturelles vers les tumeurs grâce à des conjugés chargés avec des peptides viraux. Nous avons montré la grande capacité de nos conjugués à rediriger des réponses cytotoxiques vers les tumeurs et inhiber la croissance de tumeurs syngénéiques sous cutanés et pulmonaires. Ces résultats d'inhibition tumorales obtenus dans des souris immunocompétentes, grâce à l'injection de conjugués anticorps xCMH/peptide et réorientant deux réponses antivirales différentes vers deux modèles tumoraux syngeneiques, sont encourageant pour l'application de cette nouvelle stratégie en clinique.

Functional avidity of tumor antigen-specific CTL recognition directly correlates with the stability of MHC/peptide multimer binding to TCR.

Avidity of Ag recognition by tumor-specific T cells is one of the main parameters that determines the potency of a tumor rejection Ag. In this study we show that the relative efficiency of staining of tumor Ag-specific T lymphocytes with the corresponding fluorescent MHC class I/peptide multimeric complexes can considerably vary with staining conditions and does not necessarily correlate with avidity of Ag recognition. Instead, we found a clear correlation between avidity of Ag recognition and the stability of MHC class I/peptide multimeric complexes interaction with TCR as measured in dissociation kinetic experiments. These findings are relevant for both identification and isolation of tumor-reactive CTL.

In vivo targeting of an anti-tumor antibody coupled to antigenic MHC class I complexes induces specific growth inhibition and regression of established syngeneic tumor grafts.

The concept of antibody-mediated targeting of antigenic MHC/peptide complexes on tumor cells in order to sensitize them to T-lymphocyte cytotoxicity represents an attractive new immunotherapy strategy. In vitro experiments have shown that an antibody chemically conjugated or fused to monomeric MHC/peptide can be oligomerized on the surface of tumor cells, rendering them susceptible to efficient lysis by MHC-peptide restricted specific T-cell clones. However, this strategy has not yet been tested entirely in vivo in immunocompetent animals. To this aim, we took advantage of OT-1 mice which have a transgenic T-cell receptor specific for the ovalbumin (ova) immunodominant peptide (257-264) expressed in the context of the MHC class I H-2K(b). We prepared and characterized conjugates between the Fab' fragment from a high-affinity monoclonal antibody to carcinoembryonic antigen (CEA) and the H-2K(b) /ova peptide complex. First, we showed in OT-1 mice that the grafting and growth of a syngeneic colon carcinoma line transfected with CEA could be specifically inhibited by systemic injections of the conjugate. Next, using CEA transgenic C57BL/6 mice adoptively transferred with OT-1 spleen cells and immunized with ovalbumin, we demonstrated that systemic injections of the anti-CEA-H-2K(b) /ova conjugate could induce specific growth inhibition and regression of well-established, palpable subcutaneous grafts from the syngeneic CEA-transfected colon carcinoma line. These results, obtained in a well-characterized syngeneic carcinoma model, demonstrate that the antibody-MHC/peptide strategy can function in vivo. Further preclinical experimental studies, using an anti-viral T-cell response, will be performed before this new form of immunotherapy can be considered for clinical use.

Monitoring of NY-ESO-1 specific CD4+ T cells using molecularly defined MHC class II/His-tag-peptide tetramers.

MHC-peptide tetramers have become essential tools for T-cell analysis, but few MHC class II tetramers incorporating peptides from human tumor and self-antigens have been developed. Among limiting factors are the high polymorphism of class II molecules and the low binding capacity of the peptides. Here, we report the generation of molecularly defined tetramers using His-tagged peptides and isolation of folded MHC/peptide monomers by affinity purification. Using this strategy we generated tetramers of DR52b (DRB3*0202), an allele expressed by approximately half of Caucasians, incorporating an epitope from the tumor antigen NY-ESO-1. Molecularly defined tetramers avidly and stably bound to specific CD4(+) T cells with negligible background on nonspecific cells. Using molecularly defined DR52b/NY-ESO-1 tetramers, we could demonstrate that in DR52b(+) cancer patients immunized with a recombinant NY-ESO-1 vaccine, vaccine-induced tetramer-positive cells represent ex vivo in average 1:5,000 circulating CD4(+) T cells, include central and transitional memory polyfunctional populations, and do not include CD4(+)CD25(+)CD127(-) regulatory T cells. This approach may significantly accelerate the development of reliable MHC class II tetramers to monitor immune responses to tumor and self-antigens.

Precursors of functional MHC class I- or class II-restricted CD8alphaalpha(+) T cells are positively selected in the thymus by agonist self-peptides.

The origin and specificity of alphabeta TCR(+) T cells that express CD8alphaalpha have been controversial issues. Here we provide direct evidence that precursors of functional CD8alphaalpha T cells are positively selected in the thymus in the presence of agonist self-peptides. Like conventional positive selection, this agonist selection process requires functional TCR alpha-CPM, whereas it is independent of CD8beta expression. Furthermore, CD8alphaalpha expression on mature, agonist-selected T cells does not imply selection by MHC class I, and CD8alphaalpha(+) T cells can be either class I or class II restricted. Our data define a distinct agonist-dependent, positive selection process in the thymus, and they suggest a function for CD8alphaalpha distinct from the conventional TCR coreceptor function of CD8alphabeta or CD4.

Cis association of Ly49A with MHC class I restricts natural killer cell inhibition.

Natural killer (NK) cell function is negatively regulated by inhibitory receptors interacting with major histocompatibility complex class I molecules expressed on target cells. Here we show that the inhibitory Ly49A NK cell receptor not only binds to its H-2D(d) ligand expressed on potential target cells (in trans) but also is constitutively associated with H-2D(d) in cis (on the same cell). Cis association and trans interaction occur through the same binding site. Consequently, cis association restricts the number of Ly49A receptors available for binding of H-2D(d) on target cells and reduces NK cell inhibition through Ly49A. By lowering the threshold at which NK cell activation exceeds NK cell inhibition, cis interaction allows optimal discrimination of normal and abnormal host cells.

Th2 lymphoproliferative disorder of LatY136F mutant mice unfolds independently of TCR-MHC engagement and is insensitive to the action of Foxp3+ regulatory T cells.

Mutant mice where tyrosine 136 of linker for activation of T cells (LAT) was replaced with a phenylalanine (Lat(Y136F) mice) develop a fast-onset lymphoproliferative disorder involving polyclonal CD4 T cells that produce massive amounts of Th2 cytokines and trigger severe inflammation and autoantibodies. We analyzed whether the Lat(Y136F) pathology constitutes a bona fide autoimmune disorder dependent on TCR specificity. Using adoptive transfer experiments, we demonstrated that the expansion and uncontrolled Th2-effector function of Lat(Y136F) CD4 cells are not triggered by an MHC class II-driven, autoreactive process. Using Foxp3EGFP reporter mice, we further showed that nonfunctional Foxp3(+) regulatory T cells are present in Lat(Y136F) mice and that pathogenic Lat(Y136F) CD4 T cells were capable of escaping the control of infused wild-type Foxp3(+) regulatory T cells. These results argue against a scenario where the Lat(Y136F) pathology is primarily due to a lack of functional Foxp3(+) regulatory T cells and suggest that a defect intrinsic to Lat(Y136F) CD4 T cells leads to a state of TCR-independent hyperactivity. This abnormal status confers Lat(Y136F) CD4 T cells with the ability to trigger the production of Abs and of autoantibodies in a TCR-independent, quasi-mitogenic fashion. Therefore, despite the presence of autoantibodies causative of severe systemic disease, the pathological conditions observed in Lat(Y136F) mice unfold in an Ag-independent manner and thus do not qualify as a genuine autoimmune disorder.

A Role for cis Interaction between the Inhibitory Ly49A receptor and MHC class I for natural killer cell education.

Natural killer (NK) cells show enhanced functional competence when they express inhibitory receptors specific for inherited major histocompatibility complex class I (MHC-I) molecules. Current models imply that NK cell education requires an interaction of inhibitory receptors with MHC-I expressed on other cells. However, the inhibitory Ly49A receptor can also bind MHC-I ligand on the NK cell itself (in cis). Here we describe a Ly49A variant, which can engage MHC-I expressed on other cells but not in cis. Even though this variant inhibited NK cell effector function, it failed to educate NK cells. The association with MHC-I in cis sequestered wild-type Ly49A, and this was found to relieve NK cells from a suppressive effect of unengaged Ly49A. These data explain how inhibitory MHC-I receptors can facilitate NK cell activation. They dissociate classical inhibitory from educating functions of Ly49A and suggest that cis interaction of Ly49A is necessary for NK cell education.

Soluble MHC-peptide complexes containing long rigid linkers abolish CTL-mediated cytotoxicity.

Soluble MHC-peptide (pMHC) complexes induce intracellular calcium mobilization, diverse phosphorylation events, and death of CD8+ CTL, given that they are at least dimeric and co-engage CD8. By testing dimeric, tetrameric, and octameric pMHC complexes containing spacers of different lengths, we show that their ability to activate CTL decreases as the distance between their subunit MHC complexes increases. Remarkably, pMHC complexes containing long rigid polyproline spacers (> or =80 A) inhibit target cell killing by cloned S14 CTL in a dose- and valence-dependent manner. Long octameric pMHC complexes abolished target cell lysis, even very strong lysis, at nanomolar concentrations. By contrast, an altered peptide ligand antagonist was only weakly inhibitory and only at high concentrations. Long D(b)-gp33 complexes strongly and specifically inhibited the D(b)-restricted lymphocytic choriomeningitis virus CTL response in vitro and in vivo. We show that complications related to transfer of peptide from soluble to cell-associated MHC molecules can be circumvented by using covalent pMHC complexes. Long pMHC complexes efficiently inhibited CTL target cell conjugate formation by interfering with TCR-mediated activation of LFA-1. Such reagents provide a new and powerful means to inhibit Ag-specific CTL responses and hence should be useful to blunt autoimmune disorders such as diabetes type I.

Isolation and characterization of major histocompatibility complex (MHC) class II B genes in the Barn owl (Aves: Tyto alba)

We isolated major histocompatibility complex class II B (MHCIIB) genes in the Barn owl (Tyto alba). A PCR-based approach combined with primer walking on genomic and complementary DNA as well as Southern blot analyses revealed the presence of two MHCIIB genes, both being expressed in spleen, liver, and blood. Characteristic structural features of MHCIIB genes as well as their expression and high non-synonymous substitution rates in the region involved in antigen binding suggest that both genes are functional. MHC organization in the Barn owl is simple compared to passerine species that show multiple duplications, and resembles the minimal essential MHC of chicken.

Molecular modeling of peptide-MHC class I complexes : applications to peptide based immunotherapy

Summary The specific CD8+ T cell immune response against tumors relies on the recognition by the T cell receptor (TCR) on cytotoxic T lymphocytes (CTL) of antigenic peptides bound to the class I major histocompatibility complex (MHC) molecule. Such tumor associated antigenic peptides are the focus of tumor immunotherapy with peptide vaccines. The strategy for obtaining an improved immune response often involves the design of modified tumor associated antigenic peptides. Such modifications aim at creating higher affinity and/or degradation resistant peptides and require precise structures of the peptide-MHC class I complex. In addition, the modified peptide must be cross-recognized by CTLs specific for the parental peptide, i.e. preserve the structure of the epitope. Detailed structural information on the modified peptide in complex with MHC is necessary for such predictions. In this thesis, the main focus is the development of theoretical in silico methods for prediction of both structure and cross-reactivity of peptide-MHC class I complexes. Applications of these methods in the context of immunotherapy are also presented. First, a theoretical method for structure prediction of peptide-MHC class I complexes is developed and validated. The approach is based on a molecular dynamics protocol to sample the conformational space of the peptide in its MHC environment. The sampled conformers are evaluated using conformational free energy calculations. The method, which is evaluated for its ability to reproduce 41 X-ray crystallographic structures of different peptide-MHC class I complexes, shows an overall prediction success of 83%. Importantly, in the clinically highly relevant subset of peptide-HLAA*0201 complexes, the prediction success is 100%. Based on these structure predictions, a theoretical approach for prediction of cross-reactivity is developed and validated. This method involves the generation of quantitative structure-activity relationships using three-dimensional molecular descriptors and a genetic neural network. The generated relationships are highly predictive as proved by high cross-validated correlation coefficients (0.78-0.79). Together, the here developed theoretical methods open the door for efficient rational design of improved peptides to be used in immunotherapy. Résumé La réponse immunitaire spécifique contre des tumeurs dépend de la reconnaissance par les récepteurs des cellules T CD8+ de peptides antigéniques présentés par les complexes majeurs d'histocompatibilité (CMH) de classe I. Ces peptides sont utilisés comme cible dans l'immunothérapie par vaccins peptidiques. Afin d'augmenter la réponse immunitaire, les peptides sont modifiés de façon à améliorer l'affinité et/ou la résistance à la dégradation. Ceci nécessite de connaître la structure tridimensionnelle des complexes peptide-CMH. De plus, les peptides modifiés doivent être reconnus par des cellules T spécifiques du peptide natif. La structure de l'épitope doit donc être préservée et des structures détaillées des complexes peptide-CMH sont nécessaires. Dans cette thèse, le thème central est le développement des méthodes computationnelles de prédiction des structures des complexes peptide-CMH classe I et de la reconnaissance croisée. Des applications de ces méthodes de prédiction à l'immunothérapie sont également présentées. Premièrement, une méthode théorique de prédiction des structures des complexes peptide-CMH classe I est développée et validée. Cette méthode est basée sur un échantillonnage de l'espace conformationnel du peptide dans le contexte du récepteur CMH classe I par dynamique moléculaire. Les conformations sont évaluées par leurs énergies libres conformationnelles. La méthode est validée par sa capacité à reproduire 41 structures des complexes peptide-CMH classe I obtenues par cristallographie aux rayons X. Le succès prédictif général est de 83%. Pour le sous-groupe HLA-A*0201 de complexes de grande importance pour l'immunothérapie, ce succès est de 100%. Deuxièmement, à partir de ces structures prédites in silico, une méthode théorique de prédiction de la reconnaissance croisée est développée et validée. Celle-ci consiste à générer des relations structure-activité quantitatives en utilisant des descripteurs moléculaires tridimensionnels et un réseau de neurones couplé à un algorithme génétique. Les relations générées montrent une capacité de prédiction remarquable avec des valeurs de coefficients de corrélation de validation croisée élevées (0.78-0.79). Les méthodes théoriques développées dans le cadre de cette thèse ouvrent la voie du design de vaccins peptidiques améliorés.

The course of malaria in mice: major histocompatibility complex (MHC) effects, but no general MHC heterozygote advantage in single-strain infections.

A general MHC-heterozygote advantage in parasite-infected organisms is often assumed, although there is little experimental evidence for this. We tested the response of MHC-congenic mice (F2 segregants) to malaria and found the course of infection to be significantly influenced by MHC haplotype, parasite strain, and host gender. However, the MHC heterozygotes did worse than expected from the average response of the homozygotes.