Die Ätiologie und Pathogenese autoimmuner Lebererkrankungen sind nur unvollständig verstanden. Bei der primär sklerosierenden Cholangitis bzw. bei der autoimmunen Hepatitis sind Cholangiozyten der größeren Gallengänge und Hepatozyten die Zielzellen der Autoimmunreaktion in der Leber. Mausmodelle sind zur Analyse initialer pathophysiologischer Prozesse notwendig und tragen zum besseren Verständnis der immunologischen Vorgänge in der Leber bei. Mit Hilfe transgener Mauslinien, die das Modellantigen Ovalbumin gewebespezifisch in den Cholangiozyten (ASBT-OVA) oder in den Hepatozyten (TF-OVA) exprimieren, sowie adoptiven Transfers antigenspezifischer CD4+ und CD8+ T-Zellen wurden Untersuchungen zur Antigenpräsentation, T-Zell-Aktivierung und Toleranzinduktion in der Leber durchgeführt. Die Expression von Ovalbumin in Cholangiozyten resultierte in einer Aktivierung der CD8+ T-Zellen in der Leber und den Lymphknoten. Im Gegensatz dazu ignorierten naive CD4+ T-Zellen das Antigen und wurden nicht aktiviert. Die Expression von Ovalbumin in Hepatozyten resultierte in einer vollständigen Aktivierung der CD8+ T-Zellen zu Effektorzellen über Kreuzpräsentation durch professionelle antigenpräsentierende Zellen (APZ) in der Leber. Diese Aktivierung war transient und selbst-limitiert. Die Induktion von CD4+Foxp3+ regulatorischen T-Zellen trug entscheidend zur Limitierung der induzierten Autoimmunität und Kontrolle der Expansion von antigenspezifischen CD8+ T-Zellen bei. Naive CD4+ T-Zellen benötigten die Aktivierung durch APZ in einem anderen Organ, bevor sie in die Leber relokalisierten und wiesen keinen Effektorphänotyp auf. Beide Modelle repräsentieren nicht die chronische Eigenschaft humaner autoimmuner Lebererkrankungen, ermöglichen jedoch Untersuchungen zum besseren Verständnis der Rolle verschiedener T-Zell-Populationen in der Pathogenese autoimmuner Lebererkrankungen sowie der Antigenpräsentation und Aktivierung von T-Zellen durch hepatisches Antigen. / Aetiology and pathogenesis of autoimmune liver diseases are still incompletely understood. Cholangiocytes of the larger bile ducts and hepatocytes are the target structures of autoimmune reactions in the liver in primary sclerosing cholangitis and autoimmune hepatitis, respectively. Mouse models are necessary to analyse initial pathophysiological processes and contribute to a better understanding of immunological processes in the liver. With the help of transgenic mouse strains, in which the model antigen ovalbumin is expressed specifically in the cholangiocytes (ASBT-OVA) or in hepatocytes (TF-OVA), as well as the adoptive transfer of antigen specific CD4+ and CD8+ T cells, antigen presentation, T cell activation and tolerance induction in the liver, were analyzed. Expression of ovalbumin in cholangiocytes resulted in activation of CD8+ T cells in the liver and lymph nodes. In contrary, naïve antigen specific CD4+ T cells ignored the antigen expressed by cholangiocytes and were not activated. Expression of ovalbumin in hepatocytes resulted in complete activation of CD8+ T cells to become effector cells by crosspresentation depending on professional antigen presenting cells (APCs) in the liver. This activation was transient and self-limiting. Induction of CD4+Foxp3+ regulatory T cells played a crucial role in limiting autoimmunity and controlling the expansion of antigen specific CD8+ T cells in the liver. By contrast, naïve CD4+ T cells required activation by professional APCs in a different organ before relocating to the liver and did not display an effector phenotype. Both models do not represent the chronic characteristics of human autoimmune liver diseases, but help to gain a better understanding regarding the role of specific T cell populations in the pathogenesis of autoimmune liver diseases, as well as regarding antigen presentation and activation of T cells by hepatic antigen.

Konventionelle CD8 T-Zellen im intestinalen Epithel unterscheiden sich von T-Zellen gleicher Spezifität in anderen Organen. In dieser Arbeit sollten Mechanismen identifiziert werden, welche die Migration dieser T-Zellen in intestinale Gewebe bestimmen und/oder welche die funktionelle Adaption der T-Zellen an die mukosale Umgebung beeinflussen. Hierfür wurden Mäuse mit einem rekombinanten Listeria monocytogenes Stamm (LmOVA) infiziert, OVA-spezifische CD8 T-Zellen aus der Milz und dem intestinalem Epithel isoliert, und die mRNA-Expressionsprofile dieser Zellen mittels einer Mikroarray-Analyse verglichen. Eine Gruppe von NK-Rezeptoren zeigte auf OVA-spezifischen CD8 T-Zellen aus der intestinalen Mukosa eine geringere Expression. Dieser Unterschied war nach einer oralen Infektion wesentlich stärker ausgeprägt, als nach einer intravenösen Infektion. Die Präsenz der natürlichen Darmflora hatte nur einen sehr geringen Einfluss auf diese organspezifisch unterschiedliche NK-Rezeptor-Expression. Untersuchungen in transgenen CD4dnTGFbetaRII Mäusen wiesen auf TGFbeta als ein entscheidendes Element für die niedrigere NK-Rezeptor-Expression auf T-Zellen in der Darmmukosa hin. Die zweite Fragestellung war die, ob nach einer Lm-Infektion die primäre Aktivierung naiver CD8 T-Zellen und die Re-Aktivierung von Gedächtnis-T-Zellen auch außerhalb sekundärer lymphoider Organe stattfinden kann. Hierfür wurden Mäuse mit der immunmodulatorischen Substanz FTY720 behandelt und splenektomiert. Eine FTY720-Behandlung beeinträchtigte nach iv und nach ig Infektion weder die Ausbreitung der Lm, noch die Fähigkeit der Mäuse zu einer Elimination der Bakterien. Orale Infektionen sowie höher dosierte iv Infektionen führten auch in FTY720-behandelten und zusätzlich splenektomierten Mäusen zu einer T-Zell-Akkumulation und Proliferation in nicht-lymphoiden Organen. Nach einer niedrig dosierten iv Lm-Infektion wurden dagegen in FTY720-behandelten und splenektomierten Mäusen keine OVA-spezifischen T-Zell-Antworten ausgelöst. Insbesondere die Milz schien hier für die T-Zell Aktivierung und Proliferation erforderlich zu sein. Auch für eine Sekundärantwort nach einer iv Infektion mit LmOVA waren lymphoide Gewebe für die Ausbildung einer effektiven T-Zell-Antwort essentiell. / Conventional CD8 T cells in the intestinal epithelium differ from T cells with identical antigen specificity in other organs. One aim of this study was, to identify mechanisms, which determine gut-tropism of these T cells or which influence the functional adaptation of these cells to the mucosal environment. For this purpose, mice were infected with a recombinant Listeria monocytogenes strain (LmOVA). OVA-specific CD8 T cells were isolated from spleen and intestinal epithelium and the mRNA-expression profiles of these cells were compared in a microarray-analysis. One group of NK-receptors were substantially less expressed on Lm-specific CD8 T cells from the intestinal mucosa than on corresponding cells from the spleen. This difference was much more pronounced following oral infection than following iv infection. The presence of the natural gut-flora only slightly influenced the organ-specific NK-receptor expression in CD8 T cells. Experiments with transgenic CD4dnTGFbetaRII mice point to TGFbeta as a decisive factor for the low NK-receptor expression on T cells from the gut mucosa. In the second part of this study it was investigated, whether, following Lm infection, priming of naive CD8 T cells and re-activation of memory T cells could occur outside of secondary lymphoid organs. Mice were treated with the immunomodulatory drug FTY720 and splenectomized. Treatment with FTY720 did neither diminish bacterial dissemination into spleen, liver and MLN, nor impaired the ability of the mice to control the bacteria and to eradicate them from these organs. Oral infection and high dose iv infection led to T cell accumulation and proliferation in nonlymphoid organs of FTY720-treated and additionally splenectomized mice. Following low dose iv infection with LmOVA, no OVA-specific T cell responses were induced in FTY720-treated and additionally splenectomized mice. Especially the spleen seemed to be important for T cell activation and proliferation under these conditions. Also following a secondary iv infection with LmOVA, lymphoid tissues were essential for the generation of an effective T cell response.

T Zellen können in zwei Hauptpopulationen mit unterschiedlichen Aufgaben unterschieden werden. CD4+ T Zellen exprimieren im Zuge ihrer Aktivierung CD40L, welches ein zentraler kostimulatorischer Rezeptor zur Induktion von B-Zell basierter humoraler Immunität, APC Aktivierung und einer effizienten Effektor CD8+ T Zell Entwicklung ist („Helfer-Funktion“). Im Gegensatz dazu sind die zytotoxischen CD8+ T Zellen dazu vorbestimmt, infizierte oder maligne Zellen direkt abzutöten. Jedoch wurde eine Fraktion von CD8+ T Zellen identifiziert, die nach Aktivierung CD40L exprimiert. Bisher ist nicht verstanden, wie in solchen CD8+ T Zellen a) die CD40L Expression reguliert ist, b) wann und wie die Fähigkeit CD40L zu exprimieren implementiert wird und c) was die Folgen für das Immunsystem sind. In dieser Arbeit konnten wir zeigen, dass sowohl in CD4+ als auch in CD8+ T Zellen die CD40L Expression durch DNA-Methylierung regulatorischer Regionen des CD40LG Lokus reguliert wird. Die Demethylierung zentraler Elemente wird im Thymus implementiert, manifestiert sich mit der T-Zell Reifung und geht mit einer zunehmenden Stabilität der CD40L Expression einher. Erhöhte Expression von CD5 und NUR77 in CD40L+ CD8+ SP Thymozyten weisen auf eine positive Selektion mit hoher Affinität gegen Selbst-peptide während der Reifung im Thymus hin, welche das weitere Schicksal der CD40L exprimierenden CD8+ T Zellen beeinflusst. Naive CD40L+ CD8+ T Zellen besitzen ein anderes TCR Repertoire als CD40L- CD8+ T Zellen und reifen im Zuge ihrer Aktivierung bevorzugt zu Gedächtniszellen mit Zytokin- und Chemokinrezeptorprofilen von Tc2, Tc17 und Tc22 Zellen heran. Mit ihrem nicht-zytotoxischen Phänotyp und ihrer Genexpressionsignatur ähneln diese Zellen stark Helfer-CD4+ T Zellen und können von den klassisch zytotoxischen Tc1 und Tc17+1 Zellen durch ihre IL-6R und fehlende SLAMF7 Expression sowie der Expression von Markern die auf eine Fähigkeit in die Haut zu wandern schließen lassen, unterschieden werden. Zusammenfassend zeigen wir hier, dass naive CD8+ T Zellen von den frühsten Entwicklungsstadien im Thymus an nicht homogen sind und die Fähigkeiten über CD40L Expression eine Helferfunktion auszuüben beziehungsweise über die Sekretion zytolytischer Moleküle Zielzellen abzutöten unabhängig vom CD4+ or CD8+ T-Zell Status sind. Zellen mit Zytokin- und Genexpressionsignaturen, die mit denen der CD8+ Helfer-T Zellen übereinstimmen, wurden von uns und anderen in Geweben (Haut, Lunge) identifiziert und tragen zu den verschiedensten autoinflammatorischen Erkrankungen bei. Diese Arbeit insinuiert daher die Notwendigkeit einer grundlegenen Neubewertung der CD8+ T Zell Fähigkeiten und Funktionen in Immunantworten. / The T cell compartment consists of two major subsets with diverse assignments. CD4+ T cells express CD40L upon activation, a central co-stimulatory receptor to induce B cell mediated humoral immunity, activate APCs and prime efficient effector CD8+ T cell development (“helper function”). In contrast, cytotoxic CD8+ T cells are predetermined to kill infected or malignant cells directly. However, a fraction of CD8+ T cells expressing CD40L upon activation was identified. So far, it is not understood in CD8+ T cells a) how CD40L expression is regulated, b) when and how the ability of CD40L expression is implemented and c) what are the implications for the immune system. In this thesis, we found that CD40L expression is regulated by DNA-methylation of regulatory regions of the CD40LG locus in CD4+ as well as CD8+ T cells. The de-methylation of central elements is implemented in the thymus and increases with T cell maturation reflected by enhanced stability of CD40L expression. Elevated CD5 and NUR77 expression of CD40L+ CD8+ SP thymocytes suggests that high affine detection of self-peptides during positive selection in the thymus implements CD40L expression ability and predetermines the fate of the CD40L imprinted CD8+ T cells. CD40L+ naïve CD8+ T cells differ in their TCR repertoire from their CD40L- counterparts and preferentially mature into memory cell subsets with cytokine and chemokine receptor profiles of Tc2, Tc17 and Tc22 cells. With their non-cytotoxic phenotype and gene expression signatures, the CD40L+ memory CD8+ T cell subsets Tc2, Tc17 and Tc22 widely resemble helper CD4+ T cells and can be distinguished from classical cytotoxic Tc1 and Tc17+1 cells by their IL-6R and absent SLAMF7 expression and their skin migratory phenotype. Altogether, we demonstrate that from the earliest developmental stages in thymus onwards naive CD8+ T cells are not homogenous and the abilites to provide “CD40L based help” or “cytotoxicity mediated killing” are independent of the CD4+ or CD8+ T cell status. Cells with helper-type CD8+ T cell cytokine and gene-expression signatures were found at barrier sites (skin, lung) by us and others where they contribute to multiple autoinflammatory diseases. Therefore, this work insinuates the need to revisite CD8+ T cell capablities and function in immune responses.

Immunologische Toleranz ist eine elementare Eigenschaft des Immunsystems, die primär durch die klonale Deletion autoreaktiver T-Zellen im Thymus gewährleistet wird. Neben diesem als zentrale Toleranz bezeichneten Mechanismus, verfügt ein Organismus gleichzeitig über periphere Toleranzmechanismen wie Ignoranz, Anergie und regulatorische T-Zellen. Trotz dieser Kontrollmechanismen können in bestimmten Situationen autoreaktive CD4+ und CD8+ T-Zellen aktiviert werden und meistens zu örtlich und zeitlich begrenzten Autoimmunreaktionen führen. Ursache hierfür kann die hormonelle Regulation oder das gewebespezifische Vorkommen eines Selbsttantigens sein. Am Beispiel von HSP60-kreuzreaktiven CD8+ T-Zellen konnte gezeigt werden, dass der Transfer dieser T-Zellen in Tiere zu einer Entzündung des Dünndarms aber nicht des Dickdarms führt, obwohl das Selbstantigen im letzteren wesentlich stärker exprimiert wird. Die Gewebespezifität der Autoimmunpathologie konnte durch die in den Organen unterschiedliche, proteasomale Antigenprozessierung, erklärt werden. Proteinbiochemische und immunologische Analysen ergaben, dass sich die 20S Proteasomen verschiedener Organe strukturell und funktionell deutlich unterscheiden und somit jedes Gewebe ein individuelles Repertoire von MHC-Klasse I restringierten Peptiden präsentiert. Damit wurde ein weiterer Mechanismus entdeckt, durch den Reaktivität von protektiven und pathologischen CD8+ T-Zellen kontrolliert wird. / Immunological tolerance which is primarily mediated by the clonal deletion of autoreactive T cells in the thymus is a key feature of the immune system. Besides this central tolerance, several mechanisms act also in the periphery including ignorance, anergy and regulatory T cells. Despite all these checkpoints, autoreactive CD4+ and CD8+ T cells may still be activated causing local and time restricted autoimmune-reactions. This may refer primarily to self-antigens which are hormonally regulated or tissue-specifically expressed. Adoptive transfer of crossreactive, hsp60-specific CD8+ T cells into mice induced an local inflammation of the small intestine but not the colon despite elevated expression of hsp60 in the latter organ. The pathology could be explained by the finding that the proteasomal antigen processing varies between different organs. Biochemical and immunological analyses revealed that 20S proteasomes of different organs vary in their structural and functional properties indicating that every tissue displays an individual and distinct repertoire of MHC class I peptides. This represents a new mechanism by which the activity of protective and pathological CD8+ T cell responses may be controlled.

CD8+ T Zellen unterstützen die Beseitigung von Pathogenen und sind somit entscheidend bei der Bekämpfung von Infektionen. Neben der Antigendosis und dem inflammatorischen Zytokinemilieu hat auch die Stimulation durch den TZR einen entscheidenden Einfluss auf die CD8+ T Zellantwort. Das transkriptionelle Programm, die finale Größe und Dauer der klonalen Expansion und der Start der Kontraktionsphase werden durch die TZR-Signalstärke bestimmt. Schwache TZR-Stimulation führt zu einer verminderten Expansion und vermittelt eine frühzeitige Kontraktionsphase, die eine Entwicklung von Gedächtniszellen auf den Kosten der Effektorzellen favorisiert. IRF4 wird nach TZR-Ligand-Interaktion in CD8+ T-Zellen hoch reguliert. Seine Expressionskinetik ist stark von der TZR-Signalstärke der Aktivierung abhängig, übersetzt diese und sorgt für die Umsetzung in ein entsprechendes transkriptionelles und differentielles Programm. In dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass die IRF4-Defizienz in CD8+ T-Zellen zu einem verfrühten Abbruch der Expansion und zu einem vorzeitigen Beginn der Kontraktion führt, die durch den FAS-vermittelten Tod-induzierenden Signalweg initiiert wird. Außerdem präsentieren IRF4-defiziente CD8+ T-Zellen vermehrt Phosphatidylserine an ihrer Oberfläche und Komplementdeposition, beides begünstigt die Erkennung und Aufnahme durch Phagozyten. Diese Ergebnisse weisen zudem stark darauf hin, dass durch die fehlende Expression von IRF4 in CD8+ T Zellen, ein schwaches TZR-Signal übermittelt wird, unabhängig von der tatsächlichen Stärke und Dauer des aktivierenden Signals, dass zu einer Verkürzung der Expansionsphase führt und eine verfrühte Kontraktionsphase der Effektorzellen auslöst. Diese Arbeit erweitert schon bekanntes Wissen um IRF4 als Schlüsselregulator für die Differenzierung und Funktionalität der ag-spezifischen CD8+ T-Zellen, da es den Beginn der Kontraktionsphase diktiert mittels Aktivierung von verschiedenen Apoptose- und Phagocytose Signalwegen. / CD8+ T cells promote pathogen clearance and play a crucial role in controlling infections. Besides antigen dose and inflammatory cytokine milieu, the TCR stimulation contributes to the programming of the CD8+ T cell response. A distinct developmental program, the final magnitude and duration of clonal expansion, as well as the timing of the onset of T cell contraction, are determined by the TCR signaling strength. Weak TCR stimulation results in a diminished magnitude of expansion and accelerates the onset of contraction, as it favors the development of memory cells at the expense of effector cells. IRF4 is a transcription factor, that is upregulated in CD8+ T cells following TCR stimulation. Furthermore, its expression kinetic is highly dependent on the TCR signaling strength, which initiated activation. Therefore, it translates the strength of the activating signal and transmits it into a proper transcriptional and developmental program. This study provides unique evidence that the absence of IRF4 expression in CD8+ T cells leads to a hasted termination of clonal expansion and a premature contraction, initiated by the FAS-mediated cell death pathway. Moreover, IRF4-deficient CD8+ T cells exposed phosphatidylserine on their cell surface and showed complement deposition, both facilitating their recognition and uptake by phagocytes. The findings of this study additionally strongly indicate that IRF4 deficiency mimics weak TCR engagement and in turn transmits every TCR signal, independent of its actually affinity and duration, into a developmental program, that give rise to an early memory formation and results in a premature onset of effector CD8+ T cell contraction. This data extend previous knowledge of IRF4 being essential for the differentiation and functionality of ag-specific effector CD8+ T cells, as it furthermore dictates the onset of CD8+ T cell contraction via the activation of several death and phagocytosis inducing pathways.

Das Proteasomsystem ist die Hauptquelle von Peptiden für die MHC Klasse I Antigen-Präsentation. In Vertebraten kann dieses durch die Expression verschiedener Subtypen des 20S Proteasoms moduliert werden. Die häufigsten Subtypen sind konstitutive Proteasomen (c20S) mit den katalytischen Untereinheiten beta1, beta2 und beta5 und Immunoproteasomen (i20S) mit den Immunountereinheiten beta1i, beta2i und beta5i. Die Expression von i20S optimiert in der Regel die MHC Klasse I Antigen-Präsentation, indem die Bildung von Peptiden mit hoher Affinität zu MHC I Molekülen verstärkt wird. Die Bildung von i20S wird momentan durch ein Modell der kooperativen Assemblierung erklärt, das auf der präferentiellen Interaktion zwischen den Immunountereinheiten beruht. In dieser Arbeit wurde die Assemblierung von 20S Proteasomen in beta5i defizienten Mäusen nach Infektion mit Listeria monocytogenes analysiert. In diesem Modell konnte keine präferentielle Interaktion zwischen den Untereinheiten festgestellt werden. Stattdessen zeigen die Ergebnisse, daß die Integration von konstitutiven oder Immunountereinheiten durch direkte Kompetition reguliert wird. Des Weiteren wurde während der Infektion eine beta5i-abhängige Zunahme der zellulären Proteasommenge festgestellt und somit ein neuer Mechanismus zur Regulation des zellulären Proteasomgehaltes entdeckt. Funktionell führt die beta5i-Defizienz zu einer verringerten MHC I Expression auf antigenpräsentierenden Zellen und zu einer verminderten Prozessierung des bakteriellen Antigens LLO296-304. Bei der Analyse der LLO296-304 spezifischen CD8 T Zell Antwort konnte jedoch kein Unterschied zwischen Wildtyp- und beta5i defizienten Mäusen festgestellt werden .Die Kontrolle der Infektion in den beta5i defizienten Mäusen ist jedoch in der Leber verzögert. Dies deutet darauf hin, dass die Erkennung und Elimination infizierter Zellen durch cytotoxische CD8 T Zellen auf Grund der geringeren MHC Klasse I Präsentation bakterieller Antigene behindert wird. / The proteasome-system is the main source of peptides for MHC class I antigen presentation. In vertebrates this system can be modulated by the expression of different subtypes of the 20S proteasome. The most common subtypes are constitutive proteasomes (c20S) with the catalytic subunits beta1, beta2 and beta5 and immunoproteasomes (i20S) with the immunosubunits beta1i, beta2i and beta5i. Expression of i20S generally optimizes MHC class I antigen presentation by increasing the generation of peptides with high affinity to MHC class I molecules. Currently, the formation of i20S is explained by a model of cooperative proteasome assembly, which is based on preferential interactions among the immunosubunits. Here, the assembly of 20S proteasomes was analysed in beta5i deficient mice during an ongoing infection with Listeria monocytogenes. In this model, no preferential interactions among constitutive subunits or immunosubunits could be determined. Instead, the results show that the integration of constitutive subunits or immunosubunits is regulated by direct competition. Further, a beta5i-dependent increase in cellular proteasome quantity was observed following infection. This reveals a novel mechanism for the regulation of cellular proteasome quantity, which is based on the differential expression of beta5i. Functionally, the deficiency in beta5i results in a reduced MHC class I cell surface expression on professional antigen presenting cells and a drastically diminished processing of the bacterial antigen LLO296-304. However, the analyses of LLO296-304 specific CD8 T cells did not reveal differences in the frequencies of these T cells between wild-type and beta5i deficient mice. Still, the control of infection in the liver of beta5i deficient mice was delayed. This phenotype suggests that the recognition and elimination of infected target cells by cytotoxic CD8 T cells is constrained due to the lowered MHC class I presentation of bacterial antigens.