Développement de méthodes analytiques pour la protéomique et l'identification de peptides MHC I issus de cellules leucémiques

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L'expression de la protéine de l'hémochromatose HFE est modulée par les lymphocytes T activés et inhibe la présentation antigénique par MHC I

La présentation antigénique par le complexe majeur d’histocompatibilité (MHC) I est un processus ubiquitaire permettant la présentation de protéines endogènes qui reflètent l'état de la cellule à la surface cellulaire aux lymphocytes T CD8+ dans le contexte de la surveillance et la réponse immunitaires. Ainsi, l'expression des molécules du MHC I classiques est induite en réponse aux stimuli inflammatoires afin de favoriser la reconnaissance immunitaire et l'élimination des pathogènes. HFE est une molécule du MHC Ib non-classique qui sert de régulateur négatif de l'absorption du fer. HFE est associé au développement de l'hémochromatose héréditaire (HH), maladie associée au métabolisme du fer mais souvent accompagnée de défauts immunitaires. Ainsi, nous avons en premier lieu étudié l'impact de HFE sur la présentation antigénique par MHC I, afin d'expliquer en partie les défauts immunitaires liés à l'HH associée à HFEC282Y. Puis, compte tenu de l'impact de l'inflammation sur l'expression des molécules du MHC I classiques, nous avons étudié la régulation de l'expression de HFE en réponse aux stimuli inflammatoires induits par les cellules du sang périphérique mononucléées (PBMC). Nous avons mis au point un système d’expression antigénique dans lequel nous contrôlons l’expression de MHC I, de HFE et d’un antigène pour lequel nous avons généré des lymphocytes T CD8+ spécifiques. Nos résultats démontrent que la forme sauvage de HFE (HFEWT), contrairement à sa forme mutée (HFEC282Y), inhibe la reconnaissance de complexes MHC I/peptide (pMHC). Nous avons également démontré que l'inhibition de la reconnaissance est maintenue, indépendamment des niveaux d'expression de MHC I à la surface, d'une compétition pour la β2-microglobuline, de la capacité de HFE d'interagir avec le récepteur de la transferrine, de l'origine de l'antigène ou de l'affinité de celui-ci. Par ailleurs, nous avons identifié les domaines α1-2 de HFEWT comme étant responsables de l'inhibition de la reconnaissance antigénique. Par contre, la reconnaissance de peptides chargés de manière externe sur les molécules du MHC I présentes à la surface n'a démontré aucune inhibition en présence de HFEWT, suggérant que HFEWT pourrait affecter la reconnaissance en interférant avec le processus d'apprêtement antigénique intracellulaire. À l’inverse, nous avons souhaité déterminer si les lymphocytes T activés pouvaient influencer les niveaux d'expression de HFE. En termes de régulation de l'expression de HFE, nous avons établi que HFE est exprimé dans les tissus sains chez l'humain et induit chez les lignées de cancers du colon, du sein, du poumon, du rein et du mélanome. Par ailleurs, en co-cultivant des lymphocytes T activés avec ces lignées tumorales, nous avons démontré que l'expression de HFE est fortement inhibée dans toutes ces lignées tumorales lorsqu'exposées à des lymphocytes T activés. Finalement, la modulation de l'expression de HFE est indépendante du contact cellulaire et semble médiée en partie par le GM-CSF, l'IFN-γ et le TNF. En somme, ces résultats suggèrent que les lymphocytes T de l'hôte modulent l'expression de HFE dans le microenvironnement inflammatoire, ce qui pourrait promouvoir la reconnaissance des antigènes présentés sur les molécules du MHC I présentées aux lymphocytes T CD8+ antigène-spécifiques. De plus, ces études soulèvent la possibilité d'un nouveau rôle physiologique de HFEWT dans la voie de présentation antigénique par MHC I, qui pourrait moduler l'immunogénicité des antigènes et la réponse immunitaire cellulaire chez l'hôte.

Studying MHC I-dependent CD8 + T cell responses in the model of murine cutaneous leishmaniasis

Der Ausheilung von Infektionen mit Leishmania major liegt die Sekretion von IFN- von sowohl CD4+ als auch CD8+ T Zellen zugrunde.rnAktuell konnte in der Literatur nur ein Epitop aus dem parasitären LACK Protein für eine effektive CD4+ T Zell-vermittelte Immunantwort beschrieben werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand daher darin, mögliche MHC I abhängige CD8+ T Zell Antworten zu untersuchen. rnFür diesen Ansatz wurde als erstes der Effekt einer Vakzinierung mit LACK Protein fusioniert an die Protein-Transduktionsdomäne des HIV-1 (TAT) analysiert. Die Effektivität von TAT-LACK gegenüber CD8+ T Zellen wurde mittels in vivo Protein-Vakzinierung von resistenten C57BL/6 Mäusen in Depletions-Experimenten gezeigt.rnDie Prozessierung von Proteinen vor der Präsentation immunogener Peptide gegenüber T Zellen ist unbedingt erforderlich. Daher wurde in dieser Arbeit die Rolle des IFN--induzierbaren Immunoproteasoms bei der Prozessierung von parasitären Proteinen und Präsentation von Peptiden gebunden an MHC I Moleküle durch in vivo und in vitro Experimente untersucht. Es konnte in dieser Arbeit eine Immunoproteasom-unabhängige Prozessierung aufgezeigt werden.rnWeiterhin wurde Parasitenlysat (SLA) von sowohl Promastigoten als auch Amastigoten fraktioniert. In weiterführenden Experimenten können diese Fraktionen auf immunodominante Proteine/Peptide hin untersucht werden. rnLetztlich wurden Epitop-Vorhersagen für CD8+ T Zellen mittels computergestützer Software von beiden parasitären Lebensformen durchgeführt. 300 dieser Epitope wurden synthetisiert und werden in weiterführenden Experimenten zur Charakterisierung immunogener Eigenschaften weiter verwendet. rnIn ihrer Gesamtheit trägt die vorliegende Arbeit wesentlich zum Verständnis über die komplexen Mechanismen der Prozessierung und letztendlich zur Identifikation von möglichen CD8+ T Zell Epitopen bei. Ein detailiertes Verständnis der Prozessierung von CD8+ T Zell Epitopen von Leishmania major über den MHC Klasse I Weg ist von höchster Bedeutung. Die Charakterisierung sowie die Identifikation dieser Peptide wird einen maßgeblichen Einfluss auf die weiteren Entwicklungen von Vakzinen gegen diesen bedeutenden human-pathogenen Parasiten mit sich bringen. rn

Isolierung und Charakterisierung der ER-residenten Aminopeptidase ERMP1 und Untersuchung ihrer Funktion in der Prozessierung MHC I restringierter CTL Epitope

Die effiziente Generierung von Peptid-Epitopen aus zelleigenen oder viralen Proteinen für die Präsentation auf „Major Histocompatibility Complex I“ (MHC I) Molekülen ist essentiell für die Aktivierung des adaptiven Immunsystems und die Effektorfunktion der CD8+ zytotoxischen T-Zellen (CTLs). CTLs erkennen diese Peptide in Kontext mit MHC I Molekülen über ihren spezifischen T-Zellrezeptor (TCR). Die Generierung dieser Epitope ist das Resultat eines komplexen proteolytischen Prozesses, der im Zytosol und im endoplasmatischen Retikulum (ER) stattfindet. Im Zytosol generiert das Proteasom N-terminal verlängerte Epitop-Vorläufer. Diese werden durch weitere zytosolische Proteasen abgebaut, es sei denn, sie werden durch den „transporter associated with antigen processing“ (TAP) in das ER transportiert. Dort werden sie durch Aminopeptidasen getrimmt, um den Bindungsvoraussetzungen der MHC I Moleküle zu genügen. Im murinen System ist die „ER aminopeptidase associated with antigen processing“ (ERAAP) die bislang einzige beschriebene Aminopeptidase, die dieses N-terminale Trimming von CTL Epitopen vermitteln kann. Das Profil der proteolytischen Aktivität in angereichertem murinen ER kann jedoch nicht allein durch die Aktivität von ERAAP erklärt werden, was auf die Anwesenheit weiterer Aminopeptidasen mit einer potentiellen Funktion in der Antigenprozessierung hinweist. In dieser Arbeit konnte die immunologisch bislang noch nicht beschriebene Aminopeptidase ERMP1 (endoplasmic reticulum metallopeptidase 1) im murinen ER identifiziert werden. Nach Aufreinigung muriner Mikrosomen und anschließender Anionenaustausch-Chromatographie wurden die gesammelten Fraktionen mit fluorogenen Substraten auf Aminopeptidase-Aktivität getestet. Durch massenspektrometrische Analyse konnten in den beobachteten Peaks die schon beschriebenen Aminopeptidasen ERAAP, die „insulin regulated aminopeptidase“ IRAP und die immunologisch bislang nicht beschriebene Aminopeptidase ERMP1 identifiziert werden. Durch Fluoreszenzmikroskopie konnte die intrazelluläre Lokalisation von ERMP1 im ER durch Kolokalisation mit TAP verifiziert werden. Wie viele Komponenten des MHC I Prozessierungsweges wird auch die Expression von ERMP1 durch IFN-γ stimuliert. Dies macht ERMP1 zu einer potentiellen zweiten trimmenden Aminopeptidase im murinen ER. Überexpression von ERMP1 hat einen allelspezifischen Einfluss auf die globale MHC I Präsentation auf der Zelloberfläche und durch Überexpression und shRNA vermitteltes gene silencing konnte außerdem ein epitopspezifischer Effekt nachgewiesen werden. Da N-terminales Trimming durch ERAAP mit der Evasion von Tumoren und veränderter Immundominanz assoziiert wird, ist die detaillierte Charakterisierung der Aminopeptidase ERMP1 ein wichtiger Schritt zum Verständnis der MHC I Antigen-Prozessierung und der Generierung von CTL Epitopen im ER.

MHC class I and II expression in juvenile dermatomyositis skeletal muscle

Objective To assess MHC I and II expressions in muscle fibres of juvenile dermatomyositis (JDM) and compare with the expression in polymyositis (PM), dermatomyositis (DM) and dystrophy. Patients and methods Forty-eight JDM patients and 17 controls (8 PM, 5 DM and 4 dystrophy) were studied. The mean age at disease onset was 7.1 +/- 3.0 years and the mean duration of weakness before biopsy was 9.4 +/- 12.9 months. Routine histochemistry and immunohistochemistry (StreptABComplex/HRP) for MHC I and II (Dakopatts) were performed on serial frozen muscle sections in all patients. Mann-Whitney, Kruskal Wallis, chi-square and Fisher`s exact statistical methods were used. Results MHC I expression was positive in 47 (97.9%) JDM cases. This expression was observed independent of time of disease corticotherapy previous to muscle biopsy and to the grading of inflammation observed in clinical, laboratorial and histological parameters. The expression of MHC I was similar on JDM, PM and DM, and lower in dystrophy. On the other hand, MHC II expression was positive in just 28.2% of JDM cases was correlated to histological features as inflammatory infiltrate, increased connective tissue and VAS for global degree of abnormality (p < 0.05). MCH II expression was similar in DM/PM and lower in JDM and dystrophy, and it was based on the frequency of positive staining rather than to the degree of the MCH II expression. Conclusions MHC I expression in muscle fibres is a premature and late marker of JDM patient independent to corticotherapy, and MHC II expression was lower in JDM than in PM and DM.

Major histocompatibility complex (MHC) class II but not MHC class I molecules are required for efficient control of Strongyloides venezuelensis infection in mice

P>Strongyloides stercoralis is an intestinal nematode capable of chronic, persistent infection and hyperinfection of the host; this can lead to dissemination, mainly in immunosuppressive states, in which the infection can become severe and result in the death of the host. In this study, we investigated the immune response against Strongyloides venezuelensis infection in major histocompatibility complex (MHC) class I or class II deficient mice. We found that MHC II(-/-) animals were more susceptible to S. venezuelensis infection as a result of the presence of an elevated number of eggs in the faeces and a delay in the elimination of adult worms compared with wild-type (WT) and MHC I(-/-) mice. Histopathological analysis revealed that MHC II(-/-) mice had a mild inflammatory infiltration in the small intestine with a reduction in tissue eosinophilia. These mice also presented a significantly lower frequency of eosinophils and mononuclear cells in the blood, together with reduced T helper type 2 (Th2) cytokines in small intestine homogenates and sera compared with WT and MHC I(-/-) animals. Additionally, levels of parasite-specific immunoglobulin M (IgM), IgA, IgE, total IgG and IgG1 were also significantly reduced in the sera of MHC II(-/-) infected mice, while a non-significant increase in the level of IgG2a was found in comparison to WT or MHC I(-/-) infected mice. Together, these data demonstrate that expression of MHC class II but not class I molecules is required to induce a predominantly Th2 response and to achieve efficient control of S. venezuelensis infection in mice.

Immunolocalization and pathological alterations following Strongyloides venezuelensis infection in the lungs and the intestine of MHC class I or II deficient mice

The present study, investigated the mechanisms involved in the immune responses of Major Histocompatibility Complex class I or class II knockout mice, following Strongyloides venezuelensis infection. Wild-type C57BL/6 (WT), MHC II(-/-) and MHC I(-/-) mice were individually inoculated with 3000 larvae (U) of S. venezuelensis and sacrificed on days 1, 3, 5, 8, 13 and 21 post-infection (p.i.). Samples of blood, lungs and small intestines were collected. The tissue samples were stained with hematoxylineosin for the pathological analysis. The presence of the parasite was demonstrated by immunoperoxidase analysis. MHC II(-/-) mice presented a significantly higher number of adult worms recovered from the small intestine on day 5 p.i. and presented elevated numbers of eggs in the feces. The infection by S. venezuelensis was completely eliminated 13 days after infection in WT as well as in MHC I(-/-) mice. In MHC II(-/-) mice, eggs and adult worms were still found on day 21 p.i., however, there was a significant reduction in their numbers. In the lung, the parasite was observed in MHC I(-/-) on day 1 p.i. and in MHC II(-/-) mice on days 1 and 5 p.i. In the small intestine of WT mice, a larger number of parasites were observed on day 8 p.i. and their absence was observed after day 13 p.i. Through immunohistochemistry analysis, the parasite was detected in the duodenum of WT on days 5 and 8 p.i., and in knockout mice on days 5, 8 and 13 p.i.; as well as in posterior portions of the small intestine in MHC I(-/-) and MHC II(-/-) on day 13 p.i., a finding which was not observed in WT mice. We concluded that immunohistochemistry analysis contributed to a more adequate understanding of the parasite localization in immunodeficient hosts and that the findings aid in the interpretation of immunopathogenesis in Strongyloides infection. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Education of Murine NK Cells Requires Both cis and trans Recognition of MHC Class I Molecules.

Although NK cells use invariant receptors to identify diseased cells, they nevertheless adapt to their environment, including the presence of certain MHC class I (MHC-I) molecules. This NK cell education, which is mediated by inhibitory receptors specific for MHC-I molecules, changes the responsiveness of activating NK cell receptors (licensing) and modifies the repertoire of MHC-I receptors used by NK cells. The fact that certain MHC-I receptors have the unusual capacity to recognize MHC-I molecules expressed by other cells (trans) and by the NK cell itself (cis) has raised the question regarding possible contributions of the two types of interactions to NK cell education. Although the analysis of an MHC-I receptor variant suggested a role for cis interaction for NK cell licensing, adoptive NK cell transfer experiments supported a key role for trans recognition. To reconcile some of these findings, we have analyzed the impact of cell type-specific deletion of an MHC-I molecule and of a novel MHC-I receptor variant on the education of murine NK cells when these mature under steady-state conditions in vivo. We find that MHC-I expression by NK cells (cis) and by T cells (trans), and MHC-I recognition in cis and in trans, are both needed for NK cell licensing. Unexpectedly, modifications of the MHC-I receptor repertoire are chiefly dependent on cis binding, which provides additional support for an essential role for this unconventional type of interaction for NK cell education. These data suggest that two separate functions of MHC-I receptors are needed to adapt NK cells to self-MHC-I.

Inhibitory receptors specific for MHC class I educate murine NK cells but not CD8αα intestinal intraepithelial T lymphocytes.

The engagement of inhibitory receptors specific for major histocompatibility complex class I (MHC-I) molecules educates natural killer (NK) cells, meaning the improvement of the response of activation receptors to subsequent stimulation. It is not known whether inhibitory MHC-I receptors educate only NK cells or whether they improve the responsiveness of all cell types, which express them. To address this issue, we analyzed the expression of inhibitory MHC-I receptors on intestinal intraepithelial lymphocytes (iIELs) and show that T-cell receptor (TCR)-αβ CD8αα iIELs express multiple inhibitory receptors specific for MHC-I molecules, including CD94/NKG2A, Ly49A, and Ly49G2. However, the presence of MHC-I ligand for these receptors did not improve the response of iIELs to activation via the TCR. The absence of iIEL education by MHC-I receptors was not related to a lack of inhibitory function of these receptors in iIELs and a failure of these receptors to couple to the TCR. Thus, unlike NK cells, iIELs do not undergo an MHC-I-guided education process. These data suggest that education is an NK cell-specific function of inhibitory MHC-I receptors.

Distinct conformations of Ly49 natural killer cell receptors mediate MHC class I recognition in trans and cis.

Certain cell-surface receptors engage ligands expressed on juxtaposed cells and ligands on the same cell. The structural basis for trans versus cis binding is not known. Here, we showed that Ly49 natural killer (NK) cell receptors bound two MHC class I (MHC-I) molecules in trans when the two ligand-binding domains were backfolded onto the long stalk region. In contrast, dissociation of the ligand-binding domains from the stalk and their reorientation relative to the NK cell membrane allowed monovalent binding of MHC-I in cis. The distinct conformations (backfolded and extended) define the structural basis for cis-trans binding by Ly49 receptors and explain the divergent functional consequences of cis versus trans interactions. Further analyses identified specific stalk segments that were not required for MHC-I binding in trans but were essential for inhibitory receptor function. These data identify multiple distinct roles of stalk regions for receptor function.

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.

NLRC5 deficiency selectively impairs MHC class I- dependent lymphocyte killing by cytotoxic T cells.

Nucleotide-binding oligomerization domain-like receptors (NLRs) are intracellular proteins involved in innate-driven inflammatory responses. The function of the family member NLR caspase recruitment domain containing protein 5 (NLRC5) remains a matter of debate, particularly with respect to NF-κB activation, type I IFN, and MHC I expression. To address the role of NLRC5, we generated Nlrc5-deficient mice (Nlrc5(Δ/Δ)). In this article we show that these animals exhibit slightly decreased CD8(+) T cell percentages, a phenotype compatible with deregulated MHC I expression. Of interest, NLRC5 ablation only mildly affected MHC I expression on APCs and, accordingly, Nlrc5(Δ/Δ) macrophages efficiently primed CD8(+) T cells. In contrast, NLRC5 deficiency dramatically impaired basal expression of MHC I in T, NKT, and NK lymphocytes. NLRC5 was sufficient to induce MHC I expression in a human lymphoid cell line, requiring both caspase recruitment and LRR domains. Moreover, endogenous NLRC5 localized to the nucleus and occupied the proximal promoter region of H-2 genes. Consistent with downregulated MHC I expression, the elimination of Nlrc5(Δ/Δ) lymphocytes by cytotoxic T cells was markedly reduced and, in addition, we observed low NLRC5 expression in several murine and human lymphoid-derived tumor cell lines. Hence, loss of NLRC5 expression represents an advantage for evading CD8(+) T cell-mediated elimination by downmodulation of MHC I levels-a mechanism that may be exploited by transformed cells. Our data show that NLRC5 acts as a key transcriptional regulator of MHC I in lymphocytes and support an essential role for NLRs in directing not only innate but also adaptive immune responses.

Interactions of Ly49 family receptors with MHC class I ligands in trans and cis.

The Ly49A NK cell receptor interacts with MHC class I (MHC-I) molecules on target cells and negatively regulates NK cell-mediated target cell lysis. We have recently shown that the MHC-I ligand-binding capacity of the Ly49A NK cell receptor is controlled by the NK cells' own MHC-I. To see whether this property was unique to Ly49A, we have investigated the binding of soluble MHC-I multimers to the Ly49 family receptors expressed in MHC-I-deficient and -sufficient C57BL/6 mice. In this study, we confirm the binding of classical MHC-I to the inhibitory Ly49A, C and I receptors, and demonstrate that detectable MHC-I binding to MHC-I-deficient NK cells is exclusively mediated by these three receptors. We did not detect significant multimer binding to stably transfected or NK cell-expressed Ly49D, E, F, G, and H receptors. Yet, we identified the more distantly related Ly49B and Ly49Q, which are not expressed by NK cells, as two novel MHC-I receptors in mice. Furthermore, we show using MHC-I-sufficient mice that the NK cells' own MHC-I significantly masks the Ly49A and Ly49C, but not the Ly49I receptor. Nevertheless, Ly49I was partly masked on transfected tumor cells, suggesting that the structure of Ly49I is compatible in principal with cis binding of MHC-I. Finally, masking of Ly49Q by cis MHC-I was minor, whereas masking of Ly49B was not detected. These data significantly extend the MHC-I specificity of Ly49 family receptors and show that the accessibility of most, but not all, MHC-I-binding Ly49 receptors is modulated by the expression of MHC-I in cis.

Systems biology of the human MHC class I immunopeptidome

Le système de différenciation entre le « soi » et le « non-soi » des vertébrés permet la détection et le rejet de pathogènes et de cellules allogéniques. Il requiert la surveillance de petits peptides présentés à la surface cellulaire par les molécules du complexe majeur d’histocompatibilité de classe I (CMH I). Les molécules du CMH I sont des hétérodimères composés par une chaîne lourde encodée par des gènes du CMH et une chaîne légère encodée par le gène β2-microglobuline. L’ensemble des peptides est appelé l’immunopeptidome du CMH I. Nous avons utilisé des approches en biologie de systèmes pour définir la composition et l’origine cellulaire de l’immunopeptidome du CMH I présenté par des cellules B lymphoblastoïdes dérivés de deux pairs de fratries avec un CMH I identique. Nous avons découvert que l’immunopeptidome du CMH I est spécifique à l’individu et au type cellulaire, qu’il dérive préférentiellement de transcrits abondants, est enrichi en transcrits possédant d’éléments de reconnaissance par les petits ARNs, mais qu’il ne montre aucun biais ni vers les régions génétiques invariables ni vers les régions polymorphiques. Nous avons également développé une nouvelle méthode qui combine la spectrométrie de masse, le séquençage de nouvelle génération et la bioinformatique pour l’identification à grand échelle de peptides du CMH I, dont ceux résultants de polymorphismes nucléotidiques simples non-synonymes (PNS-ns), appelés antigènes mineurs d’histocompatibilité (AMHs), qui sont les cibles de réponses allo-immunitaires. La comparaison de l’origine génomique de l’immunopeptidome de soeurs avec un CMH I identique a révélé que 0,5% des PNS-ns étaient représentés dans l’immunopeptidome et que 0,3% des peptides du CMH I seraient immunogéniques envers une des deux soeurs. En résumé, nous avons découvert des nouveaux facteurs qui modèlent l’immunopeptidome du CMH I et nous présentons une nouvelle stratégie pour l’indentification de ces peptides, laquelle pourrait accélérer énormément le développement d’immunothérapies ciblant les AMHs.