Application of the pMHC Array to Characterise Tumour Antigen Specific T Cell Populations in Leukaemia Patients at Disease Diagnosis

Immunotherapy treatments for cancer are becoming increasingly successful, however to further improve our understanding of the T-cell recognition involved in effective responses and to encourage moves towards the development of personalised treatments for leukaemia immunotherapy, precise antigenic targets in individual patients have been identified. Cellular arrays using peptide-MHC (pMHC) tetramers allow the simultaneous detection of different antigen specific T-cell populations naturally circulating in patients and normal donors. We have developed the pMHC array to detect CD8+ T-cell populations in leukaemia patients that recognise epitopes within viral antigens (cytomegalovirus (CMV) and influenza (Flu)) and leukaemia antigens (including Per Arnt Sim domain 1 (PASD1), MelanA, Wilms' Tumour (WT1) and tyrosinase). We show that the pMHC array is at least as sensitive as flow cytometry and has the potential to rapidly identify more than 40 specific T-cell populations in a small sample of T-cells (0.8-1.4 x 106). Fourteen of the twenty-six acute myeloid leukaemia (AML) patients analysed had T cells that recognised tumour antigen epitopes, and eight of these recognised PASD1 epitopes. Other tumour epitopes recognised were MelanA (n = 3), tyrosinase (n = 3) and WT1126-134 (n = 1). One of the seven acute lymphocytic leukaemia (ALL) patients analysed had T cells that recognised the MUC1950-958 epitope. In the future the pMHC array may be used provide point of care T-cell analyses, predict patient response to conventional therapy and direct personalised immunotherapy for patients.

Toward an atomistic understanding of the immune synapse:large-scale molecular dynamics simulation of a membrane-embedded TCR-pMHC-CD4 complex

T-cell activation requires interaction of T-cell receptors (TCR) with peptide epitopes bound by major histocompatibility complex (MHC) proteins. This interaction occurs at a special cell-cell junction known as the immune or immunological synapse. Fluorescence microscopy has shown that the interplay among one agonist peptide-MHC (pMHC), one TCR and one CD4 provides the minimum complexity needed to trigger transient calcium signalling. We describe a computational approach to the study of the immune synapse. Using molecular dynamics simulation, we report here on a study of the smallest viable model, a TCR-pMHC-CD4 complex in a membrane environment. The computed structural and thermodynamic properties are in fair agreement with experiment. A number of biomolecules participate in the formation of the immunological synapse. Multi-scale molecular dynamics simulations may be the best opportunity we have to reach a full understanding of this remarkable supra-macromolecular event at a cell-cell junction.

CD8 kinetically promotes ligand binding to the T-cell antigen receptor.

The mechanism of CD8 cooperation with the TCR in antigen recognition was studied on live T cells. Fluorescence correlation measurements yielded evidence of the presence of two TCR and CD8 subpopulations with different lateral diffusion rate constants. Independently, evidence for two subpopulations was derived from the experimentally observed two distinct association phases of cognate peptide bound to class I MHC (pMHC) tetramers and the T cells. The fast phase rate constant ((1.7 +/- 0.2) x 10(5) M(-1) s(-1)) was independent of examined cell type or MHC-bound peptides' structure. Its value was much faster than that of the association of soluble pMHC and TCR ((7.0 +/- 0.3) x 10(3) M(-1) s(-1)), and close to that of the association of soluble pMHC with CD8 ((1-2) x 10(5) M(-1) s(-1)). The fast binding phase disappeared when CD8-pMHC interaction was blocked by a CD8-specific mAb. The latter rate constant was slowed down approximately 10-fold after cells treatment with methyl-beta-cyclodextrin. These results suggest that the most efficient pMHC-cell association route corresponds to a fast tetramer binding to a colocalized CD8-TCR subpopulation, which apparently resides within membrane rafts: the reaction starts by pMHC association with the CD8. This markedly faster step significantly increases the probability of pMHC-TCR encounters and thereby promotes pMHC association with CD8-proximal TCR. The slow binding phase is assigned to pMHC association with a noncolocalized CD8-TCR subpopulation. Taken together with results of cytotoxicity assays, our data suggest that the colocalized, raft-associated CD8-TCR subpopulation is the one capable of inducing T-cell activation.

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.

Polimorfismo dos genes IGF2, PMCH e RORC em bovinos Nelore e cruzados: variabilidade e relação com características da carcaça e da carne

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Mechanismen der Antigenpräsentation bei der Induktion der CD8-T-Zellantwort gegen das murine Cytomegalovirus

Die Kontrolle der Cytomegalovirus(CMV)-Infektion durch CD8 T-Zellen ist abhängig von der effizienten MHC-Klasse-I-Präsentation viraler Peptide auf der Zelloberfläche. Um die Erkennung infizierter Zellen zu unterdrücken, interferieren während der Early (E)-Phase der murinen CMV (mCMV)-Infektion virale Immunevasine mit dem intrazellulären Transport von Peptid-MHC-I (pMHC-I) Komplexen. Den Immunevasinen gelingt es allerdings nicht, ein Priming mCMV-spezifischer CD8 T-Zellen zu verhindern. Daher wurde angenommen, dass die Initiation der antiviralen CD8 T-Zellantwort primär auf der Cross-Präsentation viraler Peptide auf nicht-infizierten, professionellen Antigen-präsentierenden Zellen (profAPC) beruht und damit unabhängig von viralen Immunevasionsmechanismen ist.rnIm Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde mittels BAC-Mutagenese eine mCMV-Rekombinante generiert, um die direkte Präsentation viraler Peptide durch die zusätzliche Expression des zentralen Immunevasins m152 bereits in der Immediate Early (IE)-Phase verstärkt zu unterdrücken. Wie erwartet reduzierte die verstärkte m152-Expression sowohl in der IE- als auch in der E-Phase die pMHC-I-Präsentation in vitro. Dies führte überraschenderweise nach Infektion immunkompetenter BALB/c-Mäuse (Haplotyp H-2d) zu einer verminderten CD8 T-Zellantwort und damit zur Verschlechterung der Kontrolle der Infektion im drainierenden Lymphknoten. Diese Beobachtungen weisen erstmals auf einen wichtigen Beitrag der direkten Antigenpräsentation bei der Initiation der mCMV-spezifischen CD8 T-Zellantwort im immunkompetenten Wirt hin. Zusätzlich konnte auch nach mCMV-Infektion von Cross-Präsentations-defizienten Mäusen (Haplotyp H-2b) eine antivirale CD8 T-Zellantwort initiiert werden. Diese Beobachtung bestätigt, dass durch direkte Antigenpräsentation auf infizierten profAPC trotz viraler Immunevasionsmechanismen eine CD8 T-Zellantwort induziert werden kann. Allerdings wurde weder die antivirale CD8 T-Zellantwort noch die Kontrolle der Infektion im Haplotyp H-2b durch die verstärkte m152-Expression moduliert.rnIn einem weiteren Teil der Arbeit konnte im klinisch relevanten Modellsystem der mCMV-Infektion von Knochenmarktransplantations (KMT)-Rezipienten (Haplotyp H-2d) gezeigt werden, dass die verstärkte m152-Expression die Rekrutierung IE1-spezifischer CD8 T-Zellen in die infizierte Lunge unterdrückt. Dies konnte sowohl früh nach Infektion, als auch während der viralen Latenz nachgewiesen werden. Zusätzlich war die Rekrutierung IE1-spezifischer CD8 T-Zellen in die Lunge deutlich vermindert in Ld--Rezipienten von Ld+-hämatopoetischen Zellen, die das IE1-präsentierende MHC-I-Molekül Ld nicht auf den nicht-hämatopoetischen Gewebszellen exprimieren. Diese Beobachtungen zeigen, dass die Rekrutierung antiviraler CD8 T-Zellen in ein peripheres Organ von der direkten Antigenpräsentation auf nicht-hämatopoetischen, infizierten Gewebszellen bestimmt wird.rnIn der vorliegenden Arbeit konnte somit erstmals gezeigt werden, dass trotz viraler Immunevasionsmechanismen nach mCMV-Infektion des immunkompetenten Wirtes und des KMT-Rezipienten die antivirale CD8 T-Zellantwort von der direkten Antigenpräsentation bestimmt wird.

Molekulare Grundlagen der Immunkontrolle des murinen Cytomegalovirus in Gegenwart viruskodierter Immunevasine

Die Kontrolle der Infektion mit dem humanen Cytomegalovirus (HCMV) wird primär durch antivirale CD8 T-Zellen vermittelt. Während der Koevolution zwischen Virus und Wirt wurden Immunevasionsmechanismen entwickelt, die direkt die Expression der Peptid-MHC-Klasse-I-Komplexe an der Zelloberfläche beeinflussen und es dem Virus ermöglichen, der Immunkontrolle des Wirtes zu entkommen. Da HCMV und das murine CMV (mCMV) zum Teil analoge Strategien zur Modulation des MHC-Klasse-I-Antigen-Präsentationswegs entwickelt haben, wurde in der vorliegenden Arbeit auf das experimentelle Modell mit mCMV zurückgegriffen. Die für die Immunevasion verantwortlichen Genprodukte m04/gp34, m06/gp48 und m152/gp40 werden aufgrund ihres regulatorischen Einflusses auf die Antigenpräsentation als vRAPs (viral regulators of antigen presentation) bezeichnet. Diese interferieren mit dem Transport Peptid-beladener MHC-Klasse-I-Moleküle und reduzieren in ihrer konzertierten Wirkung die Präsentation viraler Peptide an der Zelloberfläche.rnDie Transplantation hämatopoietischer Zellen nach Immunoablation stellt eine etablierte Therapieform bei malignen hämatologischen Erkrankungen dar. Zwischen Immunoablation und der Rekonstitution des Immunsystems sind die Empfänger der transferierten Zellen stark immunsupprimiert und anfällig für eine CMV-Erkrankung bei Reaktivierung des Virus. Neben der Gabe antiviraler Medikamente ist der adoptive Transfer antiviraler CD8 T-Zellen eine vielversprechende Therapiemöglichkeit, um reaktivierende CMV zu kontrollieren, bis das körpereigene Immunsystem wieder funktionsfähig ist. Obwohl im murinen Modell sehr wohl etabliert, stellen im humanen System die eingeschränkte Wirkung und die Notwendigkeit der konsequenten Gabe hoher Zellzahlen gewisse logistische Schwierigkeiten dar, welche die Methode bisher von der klinischen Routine ausschließen.rnDas murine Modell sagte eine Rolle von IFN-γ voraus, da Depletion dieses Zytokins zu einer verminderten Schutzwirkung gegen die mCMV-Infektion führt.rnIm ersten Teil dieser Arbeit sollte ein möglicher inhibitorischer Effekt von m04 auf m152 untersucht werden, der bei der Rekombinanten Δm06W beobachtet wurde. Mit neu generierten Viren (Δm06L1+2) konnte dieser Effekt allerdings nicht bestätigt werden. Bei Δm06W fehlte jedoch eine höher N-glykosylierte Isoform des m152-Proteins. Um zu untersuchen, ob die N-Glykosylierung von m152 für seine Funktion notwendig ist, wurde ein rekombinantes Virus generiert, das in Folge einer Deletion aller 3 N-Glykosylierungssequenzen nur eine nicht-glykosylierte Isoform des m152-Proteins bilden kann. In Übereinstimmung mit der zwischenzeitlich publizierten Kristallstruktur das Komplexes von m152 und dem Liganden RAE-1 des aktivierenden NK-Zellrezeptors NKG2D konnte erstmals gezeigt werden, dass die Funktionen von m152 in der adaptiven und in der angeborenen Immunität auch von der nicht N-glykosylierten Isoform wahrgenommen werden können.rnIm zweiten Teil der Arbeit sollte mit Hilfe eines Sets an vRAP Deletionsmutanten der Einfluss von IFN γ auf die einzeln oder in Kombination exprimierten vRAPs untersucht werden. Es zeigte sich, dass Vorbehandlung der Zellen mit IFN-γ die Antigenprozessierung nach Infektion stark erhöht und die vRAPs dann nicht mehr in der Lage sind, die Präsentation aller Peptid-beladener MHC-Klasse-I-Komplexe zu verhindern. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass vorher nicht-schützende CD8 T-Zellen Schutz vermitteln können, wenn das Gewebe der Rezipienten konstitutiv mit IFN-γ versorgt wird. Die zusätzliche Gabe von IFN-γ stellt daher eine vielversprechende Möglichkeit dar, den adoptiven Transfer als Therapie in der klinischen Routine einzusetzen.

αβ T cell receptor interactions with syngeneic and allogeneic ligands: Affinity measurements and crystallization

Cellular immunity is mediated by the interaction of an αβ T cell receptor (TCR) with a peptide presented within the context of a major histocompatibility complex (MHC) molecule. Alloreactive T cells have αβ TCRs that can recognize both self- and foreign peptide–MHC (pMHC) complexes, implying that the TCR has significant complementarity with different pMHC. To characterize the molecular basis for alloreactive TCR recognition of pMHC, we have produced a soluble, recombinant form of an alloreactive αβ T cell receptor in Drosophila melanogaster cells. This recombinant TCR, 2C, is expressed as a correctly paired αβ heterodimer, with the chains covalently connected via a disulfide bond in the C-terminal region. The native conformation of the 2C TCR was probed by surface plasmon resonance (SPR) analysis by using conformation-specific monoclonal antibodies, as well as syngeneic and allogeneic pMHC ligands. The 2C interaction with H-2Kb-dEV8, H-2Kbm3-dEV8, H-2Kb-SIYR, and H-2Ld-p2Ca spans a range of affinities from Kd = 10−4 to 10−6M for the syngeneic (H-2Kb) and allogeneic (H-2Kbm3, H-2Ld) ligands. In general, the syngeneic ligands bind with weaker affinities than the allogeneic ligands, consistent with current threshold models of thymic selection and T cell activation. Crystallization of the 2C TCR required proteolytic trimming of the C-terminal residues of the α and β chains. X-ray quality crystals of complexes of 2C with H-2Kb-dEV8, H-2Kbm3-dEV8 and H-2Kb-SIYR have been grown.

Kinetics and thermodynamics of T cell receptor– autoantigen interactions in murine experimental autoimmune encephalomyelitis

In the current study, cellular and molecular approaches have been used to analyze the biophysical nature of T cell receptor (TCR)–peptide MHC (pMHC) interactions for two autoreactive TCRs. These two TCRs recognize the N-terminal epitope of myelin basic protein (MBP1–11) bound to the MHC class II protein, I-Au, and are associated with murine experimental autoimmune encephalomyelitis. Mice transgenic for the TCRs have been generated and characterized in other laboratories. These analyses indicate that the mice either develop encephalomyelitis spontaneously (172.10 TCR) or only if immunized with autoantigen in adjuvant (1934.4 TCR). Here, we show that the 172.10 TCR binds MBP1–11:I-Au with a 4–5-fold higher affinity than the 1934.4 TCR. Consistent with the higher affinity, 172.10 T hybridoma cells are significantly more responsive to autoantigen than 1934.4 cells. The interaction of the 172.10 TCR with cognate ligand is more entropically unfavorable than that of the 1934.4 TCR, indicating that the 172.10 TCR undergoes greater conformational rearrangements upon ligand binding. The studies therefore suggest a correlation between the strength and plasticity of a TCR–pMHC interaction and the frequency of spontaneous disease in the corresponding TCR transgenic mice. The comparative analysis of these two TCRs has implications for understanding autoreactive T cell recognition and activation.

Light sheet fluorescence microscopy for in situ cell interaction analysis in mouse lymph nodes.

Reactive lymph nodes (LNs) are sites where pMHC-loaded dendritic cells (DCs) interact with rare cognate T cells, leading to their clonal expansion. While DC interactions with T cell subsets critically shape the ensuing immune response, surprisingly little is known on their spatial orchestration at physiologically T cell low precursor frequencies. Light sheet fluorescence microscopy and one of its implementations, selective plane illumination microscopy (SPIM), is a powerful method to obtain precise spatial information of entire organs of 0.5-10mm diameter, the size range of murine LNs. Yet, its usefulness for immunological research has thus far not been comprehensively explored. Here, we have tested and defined protocols that preserve fluorescent protein function during lymphoid tissue clearing required for SPIM. Reconstructions of SPIM-generated 3D data sets revealed that calibrated numbers of adoptively transferred T cells and DCs are successfully detected at a single cell level within optically cleared murine LNs. Finally, we define parameters to quantify specific interactions between antigen-specific T cells and pMHC-bearing DCs in murine LNs. In sum, our studies describe the successful application of light sheet fluorescence microscopy to immunologically relevant tissues.

Development of recommendations to improve controls operability. Final report.

National Highway Traffic Safety Administration, Washington, D.C.

Preliminary human factors guidelines for automated highway system designers. Volume I: guidelines for AHS designers.

Federal Highway Administration, Washington, D.C.

Human factors criteria for vehicle controls and displays. Appendix D. Final report.

National Highway Traffic Safety Administration, Washington, D.C.

MHC class I bound to an immunodominant Theileria parva epitope demonstrates unconventional presentation to T cell receptors

T cell receptor (TCR) recognition of peptide-MHC class I (pMHC) complexes is a crucial event in the adaptive immune response to pathogens. Peptide epitopes often display a strong dominance hierarchy, resulting in focusing of the response on a limited number of the most dominant epitopes. Such T cell responses may be additionally restricted by particular MHC alleles in preference to others. We have studied this poorly understood phenomenon using Theileria parva, a protozoan parasite that causes an often fatal lymphoproliferative disease in cattle. Despite its antigenic complexity, CD8+ T cell responses induced by infection with the parasite show profound immunodominance, as exemplified by the Tp1(214-224) epitope presented by the common and functionally important MHC class I allele N*01301. We present a high-resolution crystal structure of this pMHC complex, demonstrating that the peptide is presented in a distinctive raised conformation. Functional studies using CD8+ T cell clones show that this impacts significantly on TCR recognition. The unconventional structure is generated by a hydrophobic ridge within the MHC peptide binding groove, found in a set of cattle MHC alleles. Extremely rare in all other species, this feature is seen in a small group of mouse MHC class I molecules. The data generated in this analysis contribute to our understanding of the structural basis for T cell-dependent immune responses, providing insight into what determines a highly immunogenic p-MHC complex, and hence can be of value in prediction of antigenic epitopes and vaccine design.

Contact time periods in immunological synapse

This paper resolves the long standing debate as to the proper time scale τ of the onset of the immunological synapse bond, the noncovalent chemical bond defining the immune pathways involving T cells and antigen presenting cells. Results from our model calculations show τ to be of the order of seconds instead of minutes. Close to the linearly stable regime, we show that in between the two critical spatial thresholds defined by the integrin:ligand pair (Δ2∼ 40-45 nm) and the T-cell receptor TCR:peptide-major-histocompatibility-complex pMHC bond (Δ1∼ 14-15 nm), τ grows monotonically with increasing coreceptor bond length separation δ (= Δ2-Δ1∼ 26-30 nm) while τ decays with Δ1 for fixed Δ2. The nonuniversal δ-dependent power-law structure of the probability density function further explains why only the TCR:pMHC bond is a likely candidate to form a stable synapse.