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TCR functional avidity defines the size of the clonal Treg cell conversion niche
TCR functional avidity defines the size of the clonal Treg cell conversion niche
A characteristic of the adaptive immune system is the random composition of the antigen receptor repertoire. This potentially allows recognition of any pathogen. Yet statistically, autoreactive immune cells are also generated which, when not removed, can lead to autoimmunity. Therefore, tolerance induction is of major importance to prevent autoimmune diseases e.g., multiples sclerosis. For CD4+ T cells, tolerance induction operates via two fundamentally different mechanisms: autoreactive T cells are either eliminated via apoptosis (negative selection/ clonal deletion) or are converted into regulatory T cells (Treg) (clonal diversion). By repertoire comparisons of mice that are tolerant or non-tolerant to myelin proteolipid protein (PLP) (a potential target molecule for multiple sclerosis), the Klein lab identified four representative T cell receptors (TCR) that behave either as PLP dependent deleters or PLP dependent Treg converters. The aim of this thesis was to investigate if TCR intrinsic binding parameters specify the cell fate decision between negative selection and clonal diversion. TCR functional avidity was assessed by peptide stimulation assays. Furthermore, TCR binding kinetics were characterised using PLP1-tetramer staining capacity and dissociation half-lives. To investigate the molecular interactions in more details, we established cornerstones to measure isolated TCR affinities by surface plasmon resonance spectroscopy (SPR) and TCR in situ 2D interactions kinetics by a Förster resonance energy transfer (FRET) based approach. Our findings support a model in which tolerance induction is mediated by TCR functional avidity. Negative selection was associated with high functional avidity above a certain threshold. For Treg cell induction below this threshold, we found a positive correlation between TCR functional avidity and Treg cell induction efficiency. Therefore, we propose a model where Treg cell conversion depends on a “niche” formed by thymic antigen presenting cells (APC) presenting the selecting antigen at stochastically distributed surface densities. T cells of high functional avidity are more efficiently converted into Treg cells because they can also be activated by APCs with a low antigen density resulting in an absolute larger “niche” size., Eine Besonderheit des adaptiven Immunsystems ist das zufällig generierte Repertoire an Antigenrezeptoren. Dies ermöglicht es, potenziell alle Pathogene erkennen zu können. Statistisch entstehen dabei aber auch Rezeptoren, die gegen körpereigene Antigene gerichtet sind. Diese können zu Autoimmunität führen, wenn sie nicht entfernt werden. Aus diesem Grund ist ein Mechanismus zur Toleranzinduktion entscheidend, um die Entstehung von Autoimmunerkrankungen wie z.B. Multiple Sklerose zu verhindern. Für CD4+ T-Zellen stehen hierfür zwei fundamental unterschiedliche Mechanismen zur Verfügung: autoreaktive T-Zellen werden entweder mittels Apoptose eliminiert (negative Selektion/ klonale Deletion) oder so umprogrammiert, dass sie sich in regulatorische T-Zellen (Treg) differenzieren (klonale Diversion). Mittels Repertoire-Analysen in Mäusen, die entweder tolerant oder nicht tolerant gegen Proteolipid-Protein (PLP) (ein potenzielles Zielprotein für Multiple Sklerose) sind, hat die Arbeitsgruppe von Prof. Klein vier repräsentative T Zell-Rezeptoren identifiziert, die entweder PLP abhängig entfernt werden oder in regulatorische T-Zellen umgewandelt werden. Ziel dieser Arbeit war es zu überprüfen, ob T-Zell-Rezeptor-intrinsische Bindungsparameter das Toleranzverhalten zwischen negativer Selektion und klonaler Diversion beeinflussen. Funktionale T-Zell-Rezeptor-Avidität wurde mittels Peptidstimulationsuntersuchungen analysiert. Des Weiteren wurde die Interaktionskinetik der T-Zell-Rezeptoren durch das Färbeverhalten mit einem PLP1-Tetramer und deren Dissoziationshalbwertszeiten charakterisiert. Um die molekulare Interaktion noch genauer zu untersuchen, haben wir darüber hinaus Grundlagen gelegt, um einerseits die Affinität von isolierten T-Zell-Rezeptoren mittels Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) zu messen und andererseits 2D Interaktionskinetiken von T-Zell-Rezeptor in situ mittels eines Verfahrens basierend auf Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) zu bestimmen. Die Ergebnisse unserer Arbeit unterstützen ein Modell, in dem die zentrale Toleranzinduktion durch die funktionale T-Zell-Rezeptor Avidität kontrolliert wird. T Zell-Rezeptoren mit einer hohen funktionalen T-Zell-Rezeptor Avidität über einem Schwellenwert werden negativ selektioniert. Unterhalb dieses Schwellenwertes haben wir eine positive Korrelation zwischen T-Zell-Rezeptor Avidität und Effizienz der Treg Zell Induktion gefunden. Aus diesem Grund schlagen wir ein Model vor, in dem die Treg Zell Konversion von einer „Nische“ abhängt. Diese wird durch antigenpräsentierende Zellen im Thymus gebildet, die auf ihrer Zelloberfläche eine stochastisch verteile Dichte an selektionierenden Antigenen präsentieren. T-Zellen mit einer hohen funktionalen Avidität werden effizienter in Treg Zellen konvertiert, da sie bereits durch antigenpräsentierende Zellen mit einer geringen Antigendichte aktiviert werden, was zu einer größeren absoluten Treg Konversions-„Nische“ führt.
central tolerance, thymus, PLP, Treg conversion, Treg induction, Treg niche, T cell receptor, TCR affinity, 2D interaction kinetics, kinetic signalling model, TCR function avidity
Urmann, Emanuel
2022
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Urmann, Emanuel (2022): TCR functional avidity defines the size of the clonal Treg cell conversion niche. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

A characteristic of the adaptive immune system is the random composition of the antigen receptor repertoire. This potentially allows recognition of any pathogen. Yet statistically, autoreactive immune cells are also generated which, when not removed, can lead to autoimmunity. Therefore, tolerance induction is of major importance to prevent autoimmune diseases e.g., multiples sclerosis. For CD4+ T cells, tolerance induction operates via two fundamentally different mechanisms: autoreactive T cells are either eliminated via apoptosis (negative selection/ clonal deletion) or are converted into regulatory T cells (Treg) (clonal diversion). By repertoire comparisons of mice that are tolerant or non-tolerant to myelin proteolipid protein (PLP) (a potential target molecule for multiple sclerosis), the Klein lab identified four representative T cell receptors (TCR) that behave either as PLP dependent deleters or PLP dependent Treg converters. The aim of this thesis was to investigate if TCR intrinsic binding parameters specify the cell fate decision between negative selection and clonal diversion. TCR functional avidity was assessed by peptide stimulation assays. Furthermore, TCR binding kinetics were characterised using PLP1-tetramer staining capacity and dissociation half-lives. To investigate the molecular interactions in more details, we established cornerstones to measure isolated TCR affinities by surface plasmon resonance spectroscopy (SPR) and TCR in situ 2D interactions kinetics by a Förster resonance energy transfer (FRET) based approach. Our findings support a model in which tolerance induction is mediated by TCR functional avidity. Negative selection was associated with high functional avidity above a certain threshold. For Treg cell induction below this threshold, we found a positive correlation between TCR functional avidity and Treg cell induction efficiency. Therefore, we propose a model where Treg cell conversion depends on a “niche” formed by thymic antigen presenting cells (APC) presenting the selecting antigen at stochastically distributed surface densities. T cells of high functional avidity are more efficiently converted into Treg cells because they can also be activated by APCs with a low antigen density resulting in an absolute larger “niche” size.

Abstract

Eine Besonderheit des adaptiven Immunsystems ist das zufällig generierte Repertoire an Antigenrezeptoren. Dies ermöglicht es, potenziell alle Pathogene erkennen zu können. Statistisch entstehen dabei aber auch Rezeptoren, die gegen körpereigene Antigene gerichtet sind. Diese können zu Autoimmunität führen, wenn sie nicht entfernt werden. Aus diesem Grund ist ein Mechanismus zur Toleranzinduktion entscheidend, um die Entstehung von Autoimmunerkrankungen wie z.B. Multiple Sklerose zu verhindern. Für CD4+ T-Zellen stehen hierfür zwei fundamental unterschiedliche Mechanismen zur Verfügung: autoreaktive T-Zellen werden entweder mittels Apoptose eliminiert (negative Selektion/ klonale Deletion) oder so umprogrammiert, dass sie sich in regulatorische T-Zellen (Treg) differenzieren (klonale Diversion). Mittels Repertoire-Analysen in Mäusen, die entweder tolerant oder nicht tolerant gegen Proteolipid-Protein (PLP) (ein potenzielles Zielprotein für Multiple Sklerose) sind, hat die Arbeitsgruppe von Prof. Klein vier repräsentative T Zell-Rezeptoren identifiziert, die entweder PLP abhängig entfernt werden oder in regulatorische T-Zellen umgewandelt werden. Ziel dieser Arbeit war es zu überprüfen, ob T-Zell-Rezeptor-intrinsische Bindungsparameter das Toleranzverhalten zwischen negativer Selektion und klonaler Diversion beeinflussen. Funktionale T-Zell-Rezeptor-Avidität wurde mittels Peptidstimulationsuntersuchungen analysiert. Des Weiteren wurde die Interaktionskinetik der T-Zell-Rezeptoren durch das Färbeverhalten mit einem PLP1-Tetramer und deren Dissoziationshalbwertszeiten charakterisiert. Um die molekulare Interaktion noch genauer zu untersuchen, haben wir darüber hinaus Grundlagen gelegt, um einerseits die Affinität von isolierten T-Zell-Rezeptoren mittels Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) zu messen und andererseits 2D Interaktionskinetiken von T-Zell-Rezeptor in situ mittels eines Verfahrens basierend auf Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) zu bestimmen. Die Ergebnisse unserer Arbeit unterstützen ein Modell, in dem die zentrale Toleranzinduktion durch die funktionale T-Zell-Rezeptor Avidität kontrolliert wird. T Zell-Rezeptoren mit einer hohen funktionalen T-Zell-Rezeptor Avidität über einem Schwellenwert werden negativ selektioniert. Unterhalb dieses Schwellenwertes haben wir eine positive Korrelation zwischen T-Zell-Rezeptor Avidität und Effizienz der Treg Zell Induktion gefunden. Aus diesem Grund schlagen wir ein Model vor, in dem die Treg Zell Konversion von einer „Nische“ abhängt. Diese wird durch antigenpräsentierende Zellen im Thymus gebildet, die auf ihrer Zelloberfläche eine stochastisch verteile Dichte an selektionierenden Antigenen präsentieren. T-Zellen mit einer hohen funktionalen Avidität werden effizienter in Treg Zellen konvertiert, da sie bereits durch antigenpräsentierende Zellen mit einer geringen Antigendichte aktiviert werden, was zu einer größeren absoluten Treg Konversions-„Nische“ führt.