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Mohr, Anne-Wiebe (2017): Untersuchungen zur Präsentation von endogenen Antigenen auf MHC-Klasse-I- und MHC-Klasse-II-Molekülen. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie
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Abstract

Grundlage für die Entstehung adaptiver Immunantworten ist die Präsentation von Antigenen auf MHC-Klasse-I- und MHC-Klasse-II-Molekülen. Die hierfür verantwortlichen Antigen-Prozessierungswege sind weitgehend aufgeklärt, jedoch ist die molekulare Basis der Antigen-Auswahl noch immer unverstanden. Neuere Untersuchungen verschiedener Arbeitsgruppen zeigten, dass Antigene, die über endogene Präsentationswege auf MHC-Moleküle geladen werden, vornehmlich von neusynthetisierten und nicht von maturen Proteinen abstammen. Wie und welcher Teil der neusynthetisierten Translationsprodukte ausgewählt und in die Antigenpräsentationswege dirigiert wird und ob biochemische Charakteristika der Antigene die Auswahl beeinflussen, ist noch ungeklärt. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Postulate und Hypothesen zur Antigen-Auswahl und -Präsentation untersucht: (1) der Beitrag von Defective Ribosomal Products (DRiP) sowie (2) prä-mRNA-Translationsprodukten zum Antigenpool und (3) der Einfluss von Antigen-mRNA-Stabilität. Desweiteren wurden (4) der Einfluss biochemischer Eigenschaften, sowie Größe der Antigene auf die Präsentation und (5) die Beteiligung verschiedener Autophagie-Komponenten und des mTOR-Signalwegs in der Antigenpräsentation studiert. Um die DRiP-Hypothese zu überprüfen, wurde die Präsentation des Modellantigens Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) und der instabilen Variante CFTR∆F508 auf MHC-Klasse-I-Molekülen untersucht. Nach Expression in Zielzellen wurden Antigene aus beiden Proteinen mit ähnlicher Effizienz präsentiert und die Behandlung mit CFTR-Faltungsmodulatoren, die zu erhöhten Proteinspiegeln führte, hatte keinen Einfluss auf die T-Zellerkennung. Für dieses Modellantigen konnten somit keine Anhaltspunkte für einen Beitrag von DRiP zum Antigenpool gefunden werden. Die Bedeutung von prä-mRNA-Translationsprodukten als Antigenquelle wurde durch den Vergleich der Präsentation von Exon- und Intron-kodierten T-Zellepitopen untersucht. Eine T-Zellerkennung Intron-kodierter Epitope erfolgte nur nach Mutation der Spleiß-Stellen und der dadurch bedingten Translation von Intronsequenzen. Neben fehlenden Evidenzen für einen bedeutenden Beitrag von prä-mRNA-Translationsprodukten zum Antigenpool lieferten diese und weitere Untersuchungen auch keine Hinweise auf einen Einfluss der Antigenmenge und der Antigen-mRNA-Stabilität auf die Antigenpräsentation. Untersuchungen zur endogenen Präsentation eines Modellantigens auf MHC-Klasse-II-Molekülen ergaben, dass sowohl die Länge des Polypeptids als auch seine Aminosäuresequenz einen großen Einfluss auf die Autophagie-abhängige Präsentation des Antigens haben. Durch Verwendung verschiedener chemischer Inhibitoren wurden Hinweise auf eine mTOR-unabhängige Regulation dieses Präsentationswegs erhalten.

Abstract

Basis for the development of adaptive immune response is the presentation of antigens on MHC class I and II molecules. While the pathways involved in antigen processing have been extensively studied, the molecular basis for the selection of antigens still remains unknown. Recent results from different labs showed that antigens loaded on MHC molecules via endogenous presentation pathways are mainly derived from newly synthesized and not from mature proteins. How and which fraction of the newly synthesized translation products is selected and channeled into presentation pathways and whether biochemical characteristics of antigens influence the selection, is still unclear. In this study, different theories and hypotheses regarding antigen selection and presentation were analyzed: (1) the contribution of Defective Ribosomal Products (DRiP) and (2) pre-mRNA translation products to the antigen pool, (3) the influence of mRNA stability and (4) biochemical properties as well as size of polypeptides on antigen presentation, and (5) the involvement of different components of autophagy and of the mTOR signaling pathway in antigen presentation. In order to examine the DRiP hypothesis, the presentation of the model antigen Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) and the instable CFTR∆F508 variant on MHC class I molecules was analyzed. Following expression in target cells, antigens from both proteins were presented with similar efficiency and treatment with CFTR folding modulators, which resulted in increased protein levels, had no effect on T-cell recognition. Thus, no evidence for a significant contribution of DRiP to the antigenic pool was obtained for this model antigen. The relevance of pre-mRNA translational products in antigen presentation was investigated by comparing T-cell recognition of epitopes derived from exon sequences to those derived from intron sequences. T cells recognized intronic epitopes only if the splicing sites were mutated and, consequently, when intron sequences became part of the open reading frame. Besides challenging the relevance of pre-mRNA translational products for the antigenic pool, these and additional experiments also demonstrated that the abundance of the antigenic protein, or the stability of the antigen mRNA, does not correlate with efficiency of antigen presentation. Analysis of endogenous presentation of a model antigen on MHC class II molecules demonstrated that size and amino acid composition of the antigenic polypeptide has a major effect on autophagy-dependent antigen presentation. By using different chemical inhibitors, a mTOR-independent regulation of this antigen presentation pathway was revealed.