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Einfluss der sauren Sphingomyelinase auf anti-virale T-Zellantworten im Masernvirus-Infektionsmodell
(2017)
Die saure Sphingomyelinase (Asm), ein Enzym des Sphingolipidmetabolismus,
spaltet Sphingomyelin zu Ceramid und Phosopocholin. Aktiviert wird die Asm unter
anderem durch Stimulation des CD28 Rezeptors. CD28 Signale werden auch für die
Aktivierung von konventionellen T-Zellen (Tconv) und für die Kostimulation benötigt
und sind essentiell für die Differenzierung von regulatorischen T-Zellen (Treg) im
Thymus und deren Erhalt in der Peripherie. Wir konnten zeigen, dass sich Tconv und
Treg Zellen hinsichtlich der Asm unterscheiden. Treg haben eine höhere "basale"
Asm Aktivität, widergespiegelt im höheren Ceramidgehalt und haben eine niedrigere
Lipidordnung als Tconv Zellen. Die Abwesenheit der Asm in defizienten Mäusen
bewirkt einen relativen Anstieg der Treg-Frequenz innerhalb der CD4+ T-Zellen.
Außerdem führt die Asm-Defizienz in Treg Zellen zu einer erhöhten Umsatzrate des
immunsupprimierenden Moleküls CTLA-4 und zu einer verstärkten Suppressivität
von Treg Zellen aus Asm-/- Mäusen gegenüber Wildtyp Zellen. Ein Anstieg in der
Treg-Frequenz, äquivalent zur genetischen Defizienz, kann auch durch Inhibition der
Asm, d. h. durch Wirkstoffe wie Amitriptylin und Desipramin erreicht werden. Es
konnte gezeigt werden, dass die Inhibitorbehandlung die absolute Anzahl der Tconv
Zellen selektiv verringert, da Treg Zellen gegenüber dem Asm Inhibitor-induzierten
Zelltod resistenter sind. Mechanistisch erklärbar sind die Unterschiede gegenüber
den proapoptotischen Inhibitoreffekten zwischen Tconv und Treg Zellen dadurch,
dass Treg Zellen durch die Anwesenheit von IL-2 geschützt sind. In Abwesenheit von
IL-2 sterben die Treg Zellen ebenfalls. Die gezielte Veränderung des Verhältnisses
von Treg zu Tconv durch den Einsatz von Asm-inhibitorischen Medikamenten kann
hilfreich bei der therapeutischen Behandlung von inflammatorischen- und
Autoimmunerkrankungen sein.
Inwiefern die Asm für die Funktion von T-Zellen in der anti-viralen Immunantwort
entscheidend ist, wurde im Masernvirus-Infektionsmodell näher untersucht. In Asm-/-
Mäusen und Amitriptylin-behandelten Mäusen konnte gezeigt werden, dass in
Abwesenheit der Asm die Kontrolle der Masernvirusinfektion verschlechtert ist. Treg
sind auch hier von entscheidender Bedeutung, da die Asm-abhängige, verstärkte
Masernvirusinfektion bei Fehlen der Asm nur in Gegenwart von Treg auftritt. In der
akuten Phase gibt es in Asm-/- Mäusen weniger masernvirusspezifische T-Zellen und dadurch eine verringerte Beseitigung der Viruslast. In der chronischen Phase ist die
Anzahl masernvirusspezifischer T-Zellen zwischen WT und Asm-/- Mäusen
vergleichbar. In Letzteren ist allerdings die Anzahl und Frequenz von T-Zellen im
Gehirn infizierter Mäuse noch deutlich erhöht, was die verstärkte Maserninfektion
widerspiegelt.
Zusammenfassend zeigt sich, dass die Asm die Funktion von Treg moduliert und
einen Einfluss auf das Verhältnis von Tconv und Treg zueinander hat. Im
Masernvirus-Infektionsmodell kann die Veränderung des Tconv zu Treg
Verhältnisses in Abwesenheit der Asm ursächlich für die verringerte Viruskontrolle
sein. Die Asm Inhibitor-induzierte Treg-Aktivierung und die Beeinflussung des Treg
zu Tconv Verhältnisses können wiederum für therapeutische Zwecke genutzt
werden, wie beispielsweise bei Multipler Sklerose und Rheumatoider Arthritis.
Hintergrund: Die der Pathogenese von Morbus Parkinson (PD, Parkinson’s disease) zugrunde liegenden Mechanismen sind bis heute nur unvollständig verstanden. Insbesondere ist unklar, durch welche ursächlichen Faktoren Parkinson ausgelöst wird. Bei der HIV-Infektion treten bei vielen Patienten neurologische Störungen auf (HIV-Associated Neurological Disorders, HAND), die in der klinischen Symptomatik und der Lokalisation der betroffenen Gehirnareale dem Morbus Parkinson ähneln. Möglicherweise könnte eine Fehlregulation der Immunantwort eine Rolle als Auslöser beider Erkrankungen spielen. In dieser Arbeit wurde die Autoimmunantwort von PD- und HAND-Patienten und gesunden Kontrollen gegen verschiedene Gehirnhomogenate untersucht, die während der Parkinsonerkrankung in unterschiedlichem Ausmaß geschädigt werden. Das Autoimmun-Signal wurde quantifiziert und prominente Autoantigene wurden identifiziert.
Methoden: In dieser Arbeit wurde ein Western-Blot-basiertes Verfahren zum Nachweis von Autoantikörpern gegen Gehirngewebe entwickelt. Dieses Verfahren wurde nach Optimierung mit Plasmaproben von gesunden Kontrollen, PD-Patienten und Patienten mit HIV-Infektion insbesondere an einer Gruppe von 40 Parkinson-Patienten (Durchschnittsalter 65 Jahre, 45 % weiblich) und 40 alters- und geschlechtsgemachten Kontrollen (Durchschnittsalter 62 Jahre, 50 % weiblich) angewendet und die humorale Autoimmunität gegen verschiedene Gehirnareale untersucht. Dazu wurden die verschiedenen Areale (dorsaler Motornucleus des Glossopharynx- und Vagusnervs (dm), Substantia nigra (SN), anteromedialer temporaler Mesocortex (MC), high order sensorische Assoziations- und präfrontale Felder (HC), first oder sensorische Assoziations- und prämotorische Felder, primäre sensorische und motorische Felder (FC)) von post-mortem Gehirnen homogenisiert, auf SDS-Gradienten-Gelen elektrophoretisch aufgetrennt und auf Nitrocellulose geblottet. Die Membranen wurden mit den Plasmen inkubiert und gebundene Autoantikörper immunologisch detektiert. Die Signale wurden qualitativ und quantitativ ausgewertet. Mit Hilfe einer zweidimensionalen Elektrophorese und anschließender Immunfärbung wurden prominente Autoantigene durch Massenspektroskopie identifiziert.
Ergebnisse: Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Assay lässt sich die humorale Autoimmunantwort gegen Gehirngewebe semiquantitativ bestimmen. In allen untersuchten Proben konnten verschiedene Autoantikörper gegen unterschiedliche Antigene nachgewiesen werden. Der Gesamt-IgG-Gehalt der Plasmen unterscheidet sich weder zwischen PD-Patienten und gesunden Kontrollen, noch zwischen Männern und Frauen signifikant. Weibliche PD-Patienten zeigen signifikant stärkere Signale gegen dm als männliche (p = 0.02, Mann-Whitney-U-Test), der wiederum in jedem Patienten - unabhängig vom Geschlecht - von den untersuchten Hirnarealen signifikant stärker autoimmunologisch erkannt wird, als die übrigen Hirnareale (p < 0.0001, Friedman-ANOVA). In jedem Hirnareal wurden drei Banden besonders häufig erkannt (45, 40 und 37 kDa), jede davon am stärksten im dm (p < 0.0001, Friedman-ANOVA). Die Einzelanalysen der Signalintensitäten zeigt, dass PD-Patienten signifikant weniger Autoreaktivität gegen die 45 kDa-Bande in der SN (p = 0.056), im MC (p = 0.0277) und im FC (p = 0.0188) zeigen, als Kontrollen. Weitere Analysen zeigen, dass männliche PD-Patienten hochsignifikant weniger das 45 kDa-Protein im SN (p < 0.0001), MC (p = 0.0042) und FC (p = 0.0088) erkennen als Kontrollen, wohingegen bei den weiblichen Kontroll- und PD-Plasmen kein Unterschied festzustellen war. Ein weiteres Protein bei 160 kDa wird signifikant unterschiedlich stark in allen Gehirnarealen erkannt (p < 0.0001, Friedman-ANOVA), wobei die stärkste Immunreaktivität gegen FC besteht.
Basierend auf dem Nachweis der 45 kDa-Bande aus der SN ergibt sich eine Odds Ratio für das Merkmal Parkinson von 3.38 (CI 1.11 – 10.30). Bei Männern ist diese Odds Ratio sogar 53.12 (CI 2.79 - 1012), bei Frauen 0.44 (CI 0.09 – 2.09). Die Sensitivität dieses Tests liegt bei Männern bei 1 (CI 0.84 – 1), die Spezifität bei 4.41 (0.31 – 0.78). Die negativ prädiktiven Werte liegen in allen Gruppen über 99.15 %. Die Identifizierung der Proteine mittels Massenspektroskopie ergab, dass es sich bei den 37 – 45 kDa Banden um Isoformen oder posttranslational modifizierte Formen des GFAP (glial fibrillary acidic protein), einem Bestandteil von Neurofilamenten v.a. in Astrozyten handelt. Außerdem wurde Fructose-Bisphosphate Aldolase A und Aspartat-Aminotransferase (mitochondriale Isoform 1 Vorläufer), beides Proteine des Kohlenhydrat-Stoffwechsels und der Glykolyse, als weitere Proteine mit ebenfalls 45 kDa identifiziert. Bei dem identifizierten Protein mit dem Molekulargewicht von 160 kDa handelt es sich wahrscheinlich um Dihydropyrimidinase-related protein 2, wie GFAP ebenfalls bei der Bildung des Zytoskeletts beteiligt.
Diskussion: Autoantikörper gegen Gehirnantigene sind ein physiologisches Phänomen, das unabhängig von dem Vorliegen einer neurologischen Erkrankung besteht. Gehirnareale, die bei Parkinson besonders stark geschädigt werden, werden von dieser humoralen Autoimmunantwort besonders stark erkannt. Eine vorübergehende Permeabilisierung der Blut-Hirn-Schranke durch Infektion oder Trauma könnte den Zutritt der Autoantikörper zum Gehirn erlauben und so autoreaktive Prozesse in Gang setzen und zum Untergang dopaminerger Neuronen führen. Bei den identifizierten Proteinen handelt es sich um grundlegende Bestandteile eukaryotischer Zellen, was die Hypothese eines Art Beseitigungsmechanismus der Autoantikörper und damit die Aufgabe der Aufrechterhaltung der Homöostase darstellen könnte. Bei männlichen PD Patienten wird die 45 kDa Bande signifikant weniger stark von Auto-IgGs erkannt; dieser Mechanismus könnte somit in den männlichen PD-Patienten vermindert sein. Als Folge wäre die Ablagerung von Zelltrümmern im Gehirn vorstellbar, die dann auch langfristig eine Angriffsfläche für Autoimmunprozesse mit dem Verlust dopaminerger Neuronen bieten könnte.
Cytotoxic T lymphocytes are effector CD8\(^{+}\) T cells that eradicate infected and malignant cells. Here we show that the transcription factor NFATc1 controls the cytotoxicity of mouse cytotoxic T lymphocytes. Activation of Nfatc1\(^{-/-}\) cytotoxic T lymphocytes showed a defective cytoskeleton organization and recruitment of cytosolic organelles to immunological synapses. These cells have reduced cytotoxicity against tumor cells, and mice with NFATc1-deficient T cells are defective in controlling Listeria infection. Transcriptome analysis shows diminished RNA levels of numerous genes in Nfatc1\(^{-/-}\) CD8\(^{+}\) T cells, including Tbx21, Gzmb and genes encoding cytokines and chemokines, and genes controlling glycolysis. Nfatc1\(^{-/-}\), but not Nfatc2\(^{-/-}\) CD8\(^{+}\) T cells have an impaired metabolic switch to glycolysis, which can be restored by IL-2. Genome-wide ChIP-seq shows that NFATc1 binds many genes that control cytotoxic T lymphocyte activity. Together these data indicate that NFATc1 is an important regulator of cytotoxic T lymphocyte effector functions.
Background
Herpesviruses can infect a wide range of animal species. Herpes simplex virus 1 (HSV-1) is one of the eight herpesviruses that can infect humans and is prevalent worldwide. Herpesviruses have evolved multiple ways to adapt the infected cells to their needs, but knowledge about these transcriptional and post-transcriptional modifications is sparse.
Results
Here, we show that HSV-1 induces the expression of about 1000 antisense transcripts from the human host cell genome. A subset of these is also activated by the closely related varicella zoster virus. Antisense transcripts originate either at gene promoters or within the gene body, and they show different susceptibility to the inhibition of early and immediate early viral gene expression. Overexpression of the major viral transcription factor ICP4 is sufficient to turn on a subset of antisense transcripts. Histone marks around transcription start sites of HSV-1-induced and constitutively transcribed antisense transcripts are highly similar, indicating that the genetic loci are already poised to transcribe these novel RNAs. Furthermore, an antisense transcript overlapping with the BBC3 gene (also known as PUMA) transcriptionally silences this potent inducer of apoptosis in cis.
Conclusions
We show for the first time that a virus induces widespread antisense transcription of the host cell genome. We provide evidence that HSV-1 uses this to downregulate a strong inducer of apoptosis. Our findings open new perspectives on global and specific alterations of host cell transcription by viruses.
Background
The Wiskott–Aldrich syndrome protein (WASp) family of actin-nucleating factors are present in the cytoplasm and in the nucleus. The role of nuclear WASp for T cell development remains incompletely defined.
Methods
We performed WASp chromatin immunoprecipitation and deep sequencing (ChIP-seq) in thymocytes and spleen CD4\(^+\) T cells.
Results
WASp was enriched at genic and intergenic regions and associated with the transcription start sites of protein-coding genes. Thymocytes and spleen CD4\(^+\) T cells showed 15 common WASp-interacting genes, including the gene encoding T cell factor (TCF)12. WASp KO thymocytes had reduced nuclear TCF12 whereas thymocytes expressing constitutively active WASp\(^{L272P}\) and WASp\(^{I296T}\) had increased nuclear TCF12, suggesting that regulated WASp activity controlled nuclear TCF12. We identify a putative DNA element enriched in WASp ChIP-seq samples identical to a TCF1-binding site and we show that WASp directly interacted with TCF1 in the nucleus.
Conclusions
These data place nuclear WASp in proximity with TCF1 and TCF12, essential factors for T cell development.
Acute graft-versus-host disease (aGvHD) is a major cause of morbidity and mortality after allogeneic hematopoietic stem cell plus T cell transplantation (allo-HSCT). In this study, we investigated the requirement for CD28 co-stimulation of donor CD4\(^{+}\) conventional (CD4\(^{+}\)CD25\(^{-}\)Foxp3\(^{-}\), Tconv) and regulatory (CD4\(^{+}\)CD25\(^{+}\)Foxp3\(^{+}\), Treg) T cells in aGvHD using tamoxifen-inducible CD28 knockout (iCD28KO) or wild-type (wt) littermates as donors of CD4\(^{+}\) Tconv and Treg. In the highly inflammatory C57BL/6 into BALB/c allo-HSCT transplantation model, CD28 depletion on donor CD4\(^{+}\) Tconv reduced clinical signs of aGvHD, but did not significantly prolong survival of the recipient mice. Selective depletion of CD28 on donor Treg did not abrogate protection of recipient mice from aGvHD until about day 20 after allo-HSCT. Later, however, the pool of CD28-depleted Treg drastically declined as compared to wt Treg. Consequently, only wt, but not CD28-deficient, Treg were able to continuously suppress aGvHD and induce long-term survival of the recipient mice. To our knowledge, this is the first study that specifically evaluates the impact of CD28 expression on donor Treg in aGvHD. Moreover, the delayed kinetics of aGvHD lethality after transplantation of iCD28KO Treg provides a novel animal model for similar disease courses found in patients after allo-HSCT.
Aspergillus fumigatus is the main cause of invasive fungal infections occurring almost exclusively in immunocompromised patients. An improved understanding of the initial innate immune response is key to the development of better diagnostic tools and new treatment options. Mice are commonly used to study immune defense mechanisms during the infection of the mammalian host with A. fumigatus. However, little is known about functional differences between the human and murine immune response against this fungal pathogen. Thus, we performed a comparative functional analysis of human and murine dendritic cells (DCs), macrophages, and polymorphonuclear cells (PMNs) using standardized and reproducible working conditions, laboratory protocols, and readout assays. A. fumigatus did not provoke identical responses in murine and human immune cells but rather initiated relatively specific responses. While human DCs showed a significantly stronger upregulation of their maturation markers and major histocompatibility complex molecules and phagocytosed A. fumigatus more efficiently compared to their murine counterparts, murine PMNs and macrophages exhibited a significantly stronger release of reactive oxygen species after exposure to A. fumigatus. For all studied cell types, human and murine samples differed in their cytokine response to conidia or germ tubes of A. fumigatus. Furthermore, Dectin-1 showed inverse expression patterns on human and murine DCs after fungal stimulation. These specific differences should be carefully considered and highlight potential limitations in the transferability of murine host–pathogen interaction studies.
Pancreatic cancer (PC) remains one of the most challenging solid tumors to treat with a high unmet medical need as patients poorly respond to standard-of-care-therapies. Prominent desmoplastic reaction involving cancer-associated fibroblasts (CAFs) and the immune cells in the tumor microenvironment (TME) and their cross-talk play a significant role in tumor immune escape and progression. To identify the key cellular mechanisms induce an immunosuppressive tumor microenvironment, we established 3D co-culture model with pancreatic cancer cells, CAFs, monocyte as well as T cells.
Using this model, we analysed the influence of tumor cells and fibroblasts on monocytes and their immune suppressive phenotype. Phenotypic characterization of the monocytes after 3D co-culture with tumor/fibroblast spheroids was performed by analysing the expression of defined cell surface markers and soluble factors. Functionality of these monocytes and their ability to influence T cell phenotype and proliferation was investigated.
3D co-culture of monocytes with pancreatic cancer cells and fibroblasts induced the production of immunosuppressive cytokines which are known to promote polarization of M2 like macrophages and myeloid derived suppressive cells (MDSCs). These co-culture spheroid polarized monocyte derived macrophages (MDMs) were poorly differentiated and had an M2 phenotype. The immunosuppressive function of these co-culture spheroids polarized MDMs was demonstrated by their ability to inhibit autologous CD4+ and CD8+ T cell activation and proliferation in vitro, which we could partially reverse by 3D co-culture spheroid treatment with therapeutic molecules that are able to re-activate spheroid polarized MDMs or block immune suppressive factors such as Arginase-I.
In conclusion, we generated a physiologically relevant 3D co-culture model, which can be used as a promising tool to study complex cell-cell interactions between different cell types within the tumor microenvironment and to support drug screening and development. In future, research focused on better understanding of resistance mechanisms to existing cancer immunotherapies will help to develop new therapeutic strategies in order to combat cancer.
Background:
The foamy viral genome encodes four central purine-rich elements localized in the integrase-coding region of pol. Previously, we have shown that the first two of these RNA elements (A and B) are required for protease dimerization and activation. The D element functions as internal polypurine tract during reverse transcription. Peters et al., described the third element (C) as essential for gag expression suggesting that it might serve as an RNA export element for the unspliced genomic transcript.
Results:
Here, we analysed env splicing and demonstrate that the described C element composed of three GAA repeats known to bind SR proteins regulates env splicing, thus balancing the amount of gag/pol mRNAs. Deletion of the C element effectively promotes a splice site switch from a newly identified env splice acceptor to the intrinsically strong downstream localised env 3′ splice acceptor permitting complete splicing of almost all LTR derived transcripts. We provide evidence that repression of this env splice acceptor is a prerequisite for gag expression. This repression is achieved by the C element, resulting in impaired branch point recognition and SF1/mBBP binding. Separating the branch point from the overlapping purine-rich C element, by insertion of only 20 nucleotides, liberated repression and fully restored splicing to the intrinsically strong env 3′ splice site. This indicated that the cis-acting element might repress splicing by blocking the recognition of essential splice site signals.
Conclusions:
The foamy viral purine-rich C element regulates splicing by suppressing the branch point recognition of the strongest env splice acceptor. It is essential for the formation of unspliced gag and singly spliced pol transcripts.
Opportunistic infections with the saprophytic yeast Candida albicans are a major cause of morbidity in immunocompromised patients. While the interaction of cells and molecules of innate immunity with C. albicans has been studied to great depth, comparatively little is known about the modulation of adaptive immunity by C. albicans. In particular, direct interaction of proteins secreted by C. albicans with CD4\(^{+}\) T cells has not been studied in detail. In a first screening approach, we identified the pH-regulated antigen 1 (Pra1) as a molecule capable of directly binding to mouse CD4\(^{+}\) T cells in vitro. Binding of Pra1 to the T cell surface was enhanced by extracellular Zn\(^{2+}\) ions which Pra1 is known to scavenge from the host in order to supply the fungus with Zn\(^{2+}\). In vitro stimulation assays using highly purified mouse CD4\(^{+}\) T cells showed that Pra1 increased proliferation of CD4\(^{+}\) T cells in the presence of plate-bound anti-CD3 monoclonal antibody. In contrast, secretion of effector cytokines such as IFNγ and TNF by CD4\(^{+}\) T cells upon anti-CD3/ anti-CD28 mAb as well as cognate antigen stimulation was reduced in the presence of Pra1. By secreting Pra1 C. albicans, thus, directly modulates and partially controls CD4\(^{+}\) T cell responses as shown in our in vitro assays.