Viruses have evolved a multitude of mechanisms, which allow immune evasion in both initial and persistent infection. Understanding the intricacies of these pathways is essential to our future ability to combat primary and reactive viral infections. The murine gamma-2 herpesvirus 68 (γHV68) encodes a protein mK3, which targets Major Histocompatibility Complex (MHC) class I heavy chains for ubiquitin-dependent proteasome degradation. MK3 is able to target and ubiquitinate MHC class I by binding to Endoplasmic Reticulum (ER) resident proteins tapasin, Transporter associated with antigen processing (TAP) 1 and TAP2 that are subunits in the complex known as the peptide-loading complex (PLC). The aforementioned characteristics of mK3 make this novel protein an excellent vehicle to study MHC class I assembly, immune evasion, and ER associated degradation (ERAD). Deepening our understanding of class I assembly and viral immune evasion will impact both the fields of immunology and virology. The homology between γHV68 and many of the human γ-herpesviruses makes this an indispensable model to clarify mechanisms that can then be applied to a broader spectrum of viruses. ERAD, an emerging field of study, is known to play a key role in numerous cellular housekeeping pathways as well as a number of disease states. Illuminating the mechanisms implicated in the mK3-mediated ubiquitination of MHC class I, specifically requirements for substrate recognition and degradation, will yield an increased understanding of cellular pathways involved in ERAD. The studies in this dissertation aim to expand our understanding of the relationship between mK3 and adapter proteins TAP/tapasin as well as mK3 and mK3-targeted substrates. The results show that TAP/tapasin act as adapter proteins by recruiting substrates for mK3. Further, mK3 ubiquitinates TAP/tapasin-associated substrates as long as the substrates have a tail greater than 6aa in length and the tail possesses an ubiquitin acceptor residue (lysine, serine or threonine). These studies also confirm that location of a protein within the PLC will determine the substrate’s susceptibility to mK3-mediated degradation. In the field of ubiquitin ligases and ERAD, these studies lend support to the concept of adapter mediated substrate recruitment.

Natural killer (NK) cells are lymphocytes of the innate immune system that play a major role in the destruction of both tumours and virally-infected cells. The cytotoxicity of NK cells is tightly controlled by signals received through activating and inhibitory receptors. NK cells express a variety of inhibitory receptors such as Ly49 receptors. Ly49 receptors bind to class I MHC molecules that expressed on normal cells. Using Ly49-deficient (NKCKD) mice we show that Ly49-KD NK cells successfully recognize and kill influenza virus-infected cells and that NKCKD mice exhibit better survival than wild-type mice. Moreover, influenza virus infection has a propensity to upregulate cell surface expression of MHC-I on murine lung epithelial cells in vivo. Significantly, we demonstrate increased lung damage of WT-mice versus NKCKD mice after influenza virus infection as determined by histological analyses. This data indicated that absence of Ly49 inhibitory NK receptors greatly enhances survival of infected mice.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Präsentationsfunktion der LEW-Ratten-MHC-Klasse-II-Moleküle RT1B und RT1D für verschiedene Super- und Peptidantigene sowie die Generierung gemischter MHC-Klasse-II-Isotypen in der LEW-Ratte untersucht. Sag sind Proteine bakterieller und viraler Herkunft und führen nach Bindung an MHC-Klasse-II-Moleküle durch Interaktion mit dem TZR-Vb-Teil zu einer von der TZR-Spezifität unabhängigen Aktivierung von T-Zellen, die bis zu 30 % der Gesamt-T-Zellpopulation eines Organismus erfassen kann. Die dadurch bedingte Mediatorenfreisetzung aus T- oder konsekutiv aktivierten Zellen ist einerseits für die Entwicklung bestimmter akuter Krankheitsbilder wie des toxischen Schocksyndroms, Gastroenteritiden u. a. verantwortlich, kann aber auch potentiell zu einer Aktivierung autoreaktiver T-Zellen und der Entstehung von Autoimmunkrankheiten beitragen. Zur Untersuchung der LEW-MHC-Klasse-II-Charakteristika wurden zunächst mittels retroviralen Gentransfers RT1B- und RT1D-Gene in L929-Zellen übertragen und die Oberflächenexpression durch die mAK Ox6 und 14-4-4S nachgewiesen. Anschließend erfolgte der Nachweis einer Sag-Präsentation durch Stimulation des LEW-Vb8.2-TZH 53/4 durch die bakteriellen Sag SEB, SEC1-3, MAS und YPM und von aus Lymphknoten isolierten LEW-T-Zellen durch SEC1, MAS und YPM, die beide mit der durch eine HLA-DR1-positive Zelllinie getragenen Aktivierung verglichen wurden. Beide Experimente ergaben für die Sag des primär humanpathogen Staph. aureus eine weitaus stärkere Reaktivität in Anwesenheit humaner gegenüber LEW-MHC-Klasse-II-Molekülen bei RT1B-dominierter Antwort innerhalb der präsentatorischen Rattenmoleküle. Für SEB ergaben sich zusätzlich Hinweise auf eine MHC-Klasse-II-unabhängige Aktivierung. Das von Yersinia pseudotuberculosis produzierte Sag YPM wurde ebenfalls wesentlich besser von humanen als LEW-MHC-Klasse-II-Molekülen präsentiert, zeigte allerdings nur geringe Unterschiede zwischen RT1B und RT1D. Für das aus Nagern isolierte Sag von Mykoplasma arthritidis MAS konnte eine präferentielle Bindung an RT1D mit HLA-DR1-ähnlicher Stimulationskapazität nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurden die generierten Zelllinien auf Präsentation der definierten Antigene L.casein und gpMBP gegenüber reaktiven TZH getestet. Dabei konnte die RT1D-restringierte Antwort von Klon19 auf L.casein und die RT1B-restringierte Antwort von 53/4 auf gpMBP bestätigt werden. Ebenfalls wurden die erstellten Transfektanten mit einem viralen Sag der Maus, dem vSag7-Gen des mtv7, transfiziert und auf Stimulation des TZH RG17 und von LEW-Lymphozyten getestet. Dabei zeigte sich eine geringe Reaktivität gegenüber den erstellten Transfektanten, die RT1B-dominiert war. Gleichzeitig ergaben sich in der Auswertung Hinweise für einen vSag7-Transfer von MHC-Klasse-II-negativen Produzenten auf MHC-Klasse-II-positive Rattenzellen, die durch weitere Experimente inklusive eines In-vivo-Tests bestätigt werden konnten. In der Generierung gemischter Isotypen aus MHC-Klasse-II-Einzelkettengenen der LEW-Ratte konnte gezeigt werde, dass die Übertragung der RT1DaBb-Genkombination mit Hilfe eines retroviralen Gentransfers auf P80- und L929-Zellen nicht zu einer sicher detektierbaren Oberflächenexpression führte, auch nicht bei Koübertragung der invarianten Kette der Maus. Durch einen Western Blot unter reduzierenden Bedingungen konnte eine bezüglich Molekulargewicht und Quantität zu einem regulären RT1B-Molekül differente RT1Bb-Einzelkette in der Kombination RT1DaBb nachgewiesen werden. / In the work at hand the presenting function of LEW rat MHC class II molecules RT1B and RT1D for various superantigens and antigens as well as the generation of mixed MHC class II isotypes in the LEW rat have been investigated. Superantigens are proteins of bacterial and viral origin, which lead to a TCR-specificity-independent activation of up to 30 % of the individual's T-cell population by interacting with the Vb part of the T-cell receptor after having bound to an MHC class II molecule. The release of mediators by T- and consecutively activated cells causes on the one hand development of acute diseases like toxic shock syndrome, gastroenteritis and other, but can also potentially activate autoreactive T-cells and lead to autoimmune diseases. In order to examine characteristics of LEW MHC class II molecules, first RT1B and RT1D chain genes were transferred into L929 cells via a retroviral transfection system and surface expression was demonstrated by using the monoclonal antibodies Ox6 and 14-4-4S. Successively, superantigen presentation was verified by stimulation of the LEW Vb8.2+ T-cell hybridoma 53/4 by bacterial superantigens SEB, SEC1-3, MAS and YPM and of LEW T-cells isolated from lymph nodes by SEC1, MAS and YPM. Both results were compared to activation in context of an HLA-DR1+ cell line. Experiments showed a much higher reactivity for the superantigens of human pathogen staph. aureus in presence of human versus LEW MHC class II molecules and an RT1B dominated answer amongst LEW presentatory molecules. Additionally, clues for MHC class II independent activation were found in case of SEB. The superantigen of yersinia pseudotuberculosis YPM was also much better presented by human than LEW MHC class II molecules while showing little differences between RT1B and RT1D. MAS bound preferentially to RT1D and equal stimulative capacity compared to HLA-DR1 could be detected. Accessorily, generated cell lines were analysed for presentation of peptide antigens L.casein and gpMBP towards reactive T-cell hybridomas, in which RT1D-restricted answer of Klon19 to L.casein and RT1B-restricted answer of 53/4 to gpMBP could be confirmed. Also generated cell lines were transfected with a viral mouse superantigen, the vsag7 gene of mtv7, and tested for stimulation of the RG17 T-cell hybridoma and LEW lymphocytes. Low reactivity towards transfected cell lines was detected, which was dominated by RT1B. Additionally, evidence for a transfer of vsag7 from MHC class II- producers to MHC class II+ rat cells could be found, which was enhanced by additional experiments including in vivo testing. Attempting to create mixed isotypes consisting of LEW rat MHC class II chains, it was demonstrated, that transferring the gene combination RT1DaBb via retroviral gene transfer into P80 and L929 cell lines resulted in no certain surface expression, also not under cotransfection of these cells with mouse invariant chain. Using western blot method under reducing conditions, a RT1Bb single chain different to the one of the regular RT1B molecule concerning molecular weight and quantitiy could be detected in the combination RT1DaBb.

Die endogene Präsentation von intrazellulären Antigenen auf Major-Histokompatibilitätskomplex Klasse-II (MHC-II) -Molekülen ist von entscheidender Bedeutung für eine Reihe von immunologischen Prozessen. Die mechanistischen Grundlagen dieses Präsentationsweges sind aber noch weitgehend unverstanden. Ziel dieser Arbeit war es, einen Beitrag zum molekularen Verständnis der Abläufe zu leisten, die an der endogenen Präsentation nukleärer Antigene auf MHC-II-Molekülen beteiligt sind. Dazu sollte am Beispiel des nukleär lokalisierten Modellantigens Neomycin-Phosphotransferase II (NucNeoR) sowie des viralen Kernantigens Epstein-Barr-virus nuclear antigen 3C (EBNA3C) und entsprechender antigenspezifischer MHC-II-restringierter CD4+ T-Zellen die verantwortlichen Präsentationswege in professionell und nicht-professionell antigenpräsentierenden Zellen untersucht werden. In beiden Zellsystemen wurde NucNeoR über einen endogenen Präsentationsweg und nicht über die Freisetzung und Wiederaufnahme als exogenes Protein auf MHC-II-Molekülen präsentiert. Durch die Verwendung chemischer Inhibitoren konnte eine Beteiligung der Autophagie an der endogenen Antigenpräsentation nachgewiesen werden. Da Autophagie ausschließlich im Zytoplasma stattfindet, wurde nach möglichen Eintrittspforten für nukleäre Proteine in diesen Abbauweg gesucht. Für die Autophagie-abhängige Präsentation von NucNeoR war weder ein CRM1-vermittelter aktiver Export des Antigens aus dem Kern ins Zytoplasma, noch eine Auflösung der Kernmembran im Rahmen der Zellteilung und der dadurch bedingten Durchmischung nukleärer und zytoplasmatischer Bestandteile notwendig. Mit Hilfe eines konditionalen Antigenexpressionsystems und der Auftrennung antigenexprimierender Zellen nach Zellzyklusphasen konnte eine verstärkte Antigenpräsentation in der G1/0-Phase nachgewiesen werden, die mit fortschreitendem Zellzyklus immer mehr abnahm. Die Antigenpräsentation korrelierte dabei mit der ebenfalls im Laufe des Zellzyklus abnehmenden Transkriptions- bzw. Translationsrate des Antigens, aber nicht mit der absoluten Menge an Antigen in den Zellen. Bei abgeschalteter Antigentranskription dagegen korrelierte die Antigenpräsentation mit der MHC-II-Oberflächenexpression, die von der G1/0- bis hin zur G2/M-Phase kontinuierlich zunahm. Eine ähnliche Korrelation von Antigentranskription/ Antigentranslation und Autophagie-abhängiger Antigenpräsentation wurde auch für EBNA3C und die zytoplasmatisch lokalisierte NeoR-Variante beobachtet. Diese Ergebnisse identifizieren die Autophagie-abhängige Präsentation neusynthetisierter Proteine als den verantwortlichen molekularen Mechanismus für die endogene Präsentation der untersuchten nukleären Antigene auf MHC-II-Molekülen. Durch die Kopplung von Translation und autophagischem Abbau erlangen Proteine unabhängig von ihrer subzellulären Lokalisation Zugang zu diesem Präsentationsweg und erweitern so das Spektrum der intrazellulären Antigene, die einer CD4+ T-Zellüberwachung unterliegen. / The endogenous presentation of intracellular antigens on major histocompatibility complex class II (MHC-II) molecules plays an important role in adaptive immune responses, but the underlying molecular mechanisms are not well understood. The aim of this study was to gain insight into the endogenous presentation pathways for nuclear antigens on MHC-II molecules. By using antigen-specific CD4+ T cell clones, MHC-II presentation of the nuclear antigens neomycin phosphotransferase II (NucNeoR) and Epstein-Barr virus nuclear antigen 3C (EBNA3C) was studied in professional and non-professional antigen presenting cells (APC). Both types of APC presented peptides derived from these nuclear proteins on MHC-II molecules by an endogenous presentation pathway and not by release and reuptake as exogenous protein. Inhibition of autophagy drastically reduced endogenous antigen presentation, indicating that nuclear proteins enter the MHC-II processing and loading compartment through autophagic vesicles. Because autophagocytosis occurs in the cytoplasm, potential entry routes for nuclear proteins into this pathway were investigated. Endogenous presentation of NucNeoR on MHC-II molecules by autophagy did neither involve the CRM1-mediated export of the nuclear protein into the cytoplasm, nor the redistribution of nuclear and cytoplasmic components following the dissolution of the nuclear envelope during mitosis. Conditional antigen expression and cell cycle phase separation of antigen-expressing cells revealed that antigen presentation was maximal in cells in G1/0 and then gradually decreased as cells progressed in the cell cycle. This reduction in antigen presentation correlated with a cell cycle-dependent decrease in antigen transcription/translation, but not with the total amount of antigen present in these cells. By contrast, when antigen expression was turned off, antigen presentation correlated with MHC-II surface expression, which increased from G1/0- to G2/M-phase. A similar correlation between antigen presentation and antigen transcription/translation was also observed for the antigens EBNA3C and the cytosolic variant of neomycin phosphotransferase II (NeoR). These results identify autophagocytosis of newly-synthesized proteins as the molecular mechanism mediating endogenous presentation of nuclear and cytosolic antigens on MHC-II molecules. By coupling protein translation and autophagocytosis, newly-synthesized proteins gain access to the endogenous MHC-II presentation pathway irrespective of their subcellular localisation and thereby broaden the spectrum of intracellular antigens that are presented to CD4+ T cells.

T-Lymphozyten des Empfängers können über den direkten oder indirekten Weg der Allo-Antigenerkennung Spender-MHC-Moleküle (Allo-Antigene) erkennen. Hieraufhin werden diese aktiviert und können anschließend eine Transplantatabstoßung auslösen. In der Klinik wird die Transplantatabstoßung durch den Einsatz von Immunsuppressiva verhindert. Ein großer Nachteil ist, dass sich die Immunsuppression auf sämtliche T-Lymphozyten gleichsam auswirkt - unabhängig von ihrer Spezifität. Somit sind nicht nur T-Lymphozyten betroffen, die Allo-Antigene erkennen, sondern auch solche, die für die Abwehr von Infektionen notwendig sind bzw. die Entstehung von Malignomen verhindern. Dies korreliert mit klinischen Beobachtungen, wonach organtransplantierte Patienten ein höheres Risiko aufweisen, an schweren Infektionen oder Neoplasien zu erkranken. Wünschenswert wäre somit eine selektive Suppression ausschließlich der an der Abstoßung beteiligten T-Lymphozyten. In dieser Arbeit wurde die biologische Funktion von zwei synthetischen Allopeptid-Antigenen, RT1.B2 und RT1.D2, untersucht. Die Peptide, die mit bestimmten Sequenzen von MHC-Klasse II-Molekülen des Spenders identisch sind, aktivieren über den indirekten Weg der Allo-Antigenerkennung alloreaktive T-Lymphozyten des Empfängers. RT1.D2 erwies sich dabei als das immunogenere Peptid. Wurden die Empfänger vor Transplantation mit diesen Peptiden immunisiert, so verkürzte sich die Transplantatfunktionszeit um 2 Tage. Nicht-immunisierte Empfängertiere wiesen eine Transplantatfunktionszeit von 5,3 +/- 0,5 Tage auf, nach Immunisierung mit RT1.B2 bzw. RT1.D2 verringerte sich die Transplantatfunktionszeit auf 3,5 bzw. 3,3 Tage. Die Verkürzung der Transplantatfunktionszeit durch Immunisierung mit Allopeptiden wurde auch nach einer kurzfristigen Immunsuppression mit CsA beobachtet. Im Gegensatz dazu führte eine Verlängerung der Immunsuppression auf 30 Tage nach Transplantation zu einer Verlängerung der Transplantatfunktionszeit, wenn zuvor mit dem Allopeptid RT1.B2 immunisiert wurde. Das Konzept dieser Arbeit war, die prä- und intraoperative Applikation von Allopeptiden, die nachweislich an der Transplantatabstoßung durch Induktion alloreaktiver T-Lymphozyten beteiligt sind, mit einer niedrig-dosierten Immunsuppression zu kombinieren, die alleine nicht in der Lage ist, die spät-akute Abstoßung des Dünndarmtransplantates zu verhindern, um somit gezielt die alloreaktiven T-Lymphozyten zu eliminieren. Dies gelang nach Applikation des weniger immunogenen Allopeptides RT1.B2 in Kombination mit niedrig dosiertem CsA: Nahezu die Hälfte der so behandelten Tiere wies nach Dünndarmtransplantation eine Transplantatlangzeitfunktion auf. Histologische Untersuchungen der Transplantate zeigten keine bzw. allenfalls leichte Veränderungen im Sinne einer chronischen Transplantatabstoßung. Auf zellulärer Ebene konnten in derartig behandelten Tieren mittels indirektem Proliferationsassay an Tag 40 nach Transplantation keine RT1.B2-reaktiven T-Lymphozyten mehr nachgewiesen werden. Die Ergebnisse der Arbeit deuten darauf hin, dass die Kombination aus Immunisierung mit dem Peptid RT1.B2 und einer niedrig dosierten Immunsuppression zu einer selektiven Immunsuppression führt, bei der die RT1.B2-spezifischen T-Lymphozyten inhibiert bzw. depletiert werden. / T-lymphocytes of the recipient recognize major histocompatibility complex molecules of the donor (alloantigens) via the direct or the indirect pathway of allorecognition. Consequently, these are being activated and, hence, may initiate graft rejection. In clinical practice rejection is prevented by administration of immunosuppressive drugs. As a major drawback, immunosuppression acts on all kinds of T cells, independently from their specificity. Thus, not only T cells which recognize alloantigens are affected but also those which are mandatory for resistance to infections or prevention of oncogenesis. Such correlates with clinical observations whereas organ transplanted patients show an enhanced risk of severe infections or neoplasms. Therefore, a selective suppression exclusively of those T Cells involved in graft rejection would be desirable. In this study, the biological function of two synthetic allopeptide antigens, RT1.B2 und RT1.D2, has been investigated. These peptides which are identical with certain sequences of MHC class II-molecules of the donor activate alloreactive T-lymphocytes of the recipient via the indirect pathway of allorecognition. In this connection, RT1.D2 proved to be the more potent immunogenic peptide. In case recipients were immunized with these peptides prior to transplantation, the period of transplantat function shortened by 2 days. Non-immunized recipient animals showed a period of transplant function of 5.3 +/- 0.5 days whereas after immunization with RT1.B2 resp. RT1.D2, the period of transplant function cut down to 3.5 resp. 3.3 days. The shortening of the period of transplant function by immunization with allopeptides has been observed also after brief immunosuppression with CsA. In contrast, a prolongation of the period of immunosuppression to 30 days after transplantation resulted in an extension of the period of transplant function in case of prior immunization with the allopeptide RT1.B2. Concept of this study has been to combine with a low dosage immunosuppression (which by itself would not suffice to prevent the late-acute rejection of the small bowel graft) the pre- and intraoperative application of allopeptides, which have demonstrated to be involved in transplant rejection by induction of alloreactive T-lymphocytes, to eliminate specifically these alloreactive T-lymphocytes. That was achieved by application of the less immunogenic allopeptide RT1.B2 in combination with low dosage CsA. Almost half of the animals treated that way have shown long-term transplant function after small bowel transplantation. Histological investigations of the grafts did not show any (respectively – if at all – slight) alterations in terms of chronic transplant rejection. At cellular level, no RT1.B2-reactive T-lymphocytes could be detected any more by means of an indirect proliferation assay at day 40 after transplantation. The results of this study suggest that a combination of both immunization with the peptide RT1.B2 and low-dose immunosuppression results in a selective immunosuppression whereas specifically the RT1.B2-specific T-lymphocytes are inhibited resp. depleted.

Der MHC der Lewis.1F-Ratte (RT1f) stimuliert die präferentielle Expansion von CD8-T-Zellen, die das V-Segment 8.2 (AV8S2) der TCR-alpha-Kette verwenden. Sowohl als Folge der positiven thymischen Selektion in der Lewis.1F-Ratte (LEW.1F) wie auch bei der RT1f-Alloerkennung. Es war Ziel dieser Arbeit, das MHC Kl. I-Molekül der LEW.1F-Ratte, das diese präferentielle Expansion von AV8S2-Zellen induziert, zu klonieren sowie die Kontaktpunkte der Interaktion zwischen dem MHC-Molekül und AV8S2 zu kartieren. Über RT-PCR wurde ein MHC-I-Gen der LEW.1F-Ratte (RT1.Af) isoliert, sequenziert und zusammen mit einem anderen MHC-I-Gen aus der LEW.1F-Ratte (A2f) analysiert, das von einer Arbeitsgruppe aus Babraham (Cambridge, UK) gefunden worden war. Durch einen Nukleotidsequenz-Vergleich von Af und A2f mit bekannten Ratte-MHC-I-Genen konnte gezeigt werden, daß die Sequenzen beider charakteristisch für Ratte-MHC-I-Gene sind. Beide Moleküle wurden stabil in L-Zellen, rCD80-transfizierte P815-Zellen und T-Zellhybridomen (THO35/1) exprimiert. Die serologische Charakterisierung mit 19 RT1f-reaktiven Alloantikörpern ergab, daß sich die LEW.1F-Serologie alleine durch Af erklären läßt. In einem Zytotoxizitätstest mit LEW.1F-reaktiven zytotoxischen T-Lymphozyten, wurde Af spezifisch erkannt, A2f dagegen nicht. Serologie und Zytotoxizitätstest zeigen, daß die RT1f-spezifische Alloerkennung das Af-Molekül fokussiert, A2f unbedeutend scheint. Möglicherweise, da dieses Molekül in der LEW.1F-Ratte nur schwach exprimiert ist. Die Interaktion von Af und A2f mit AV8S2-Zellen wurde mittels einer MLR (gemischte Lymphozytenreaktion) in der Alloerkennung untersucht: Af, nicht aber A2f, stimuliert die präferentielle Expansion AV8S2-positiver CD8-T-Zellen in der Alloreaktion. Somit ist Af als das Molekül identifiziert, daß die Überselektion von AV8S2-Zellen vermutlich auch in der thymischen Repertoire-Selektion induziert. Zur Kartierung der Af/AV8S2-Interaktion wurden Hybridmoleküle aus Aa und Af gentechnisch hergestellt: Aa und Af unterscheiden sich extrazellulär nur in sieben Aminosäuren, die konzentriert auf zwei Regionen des MHC-Moleküls liegen: "Region I" (AS 62, 63, 65, 69, 70) und "Region II" (167, 169). Aa stimuliert keine präferentielle AV8S2-Zell-Expansion, daher muß die charakteristische Kombination dieser sieben Aminosäuren für die präferentielle Interaktion mit AV8S2-positiven CD8-T-Zellen ausschlaggebend sein. Durch MLRs mit Hybrid-exprimierenden Stimulatorzellen wurde gezeigt, daß beide Regionen zur präferentiellen Expansion AV8S2-exprimierender CD8-T-Zellen beitragen. Durch den Vergleich mit anderen Daten unseres Labors konnte dargelegt werden, daß die beta-Kette zur präferentiellen Interaktion von AV8S2-Zellen mit Af keinen spezifischen Beitrag leistet. Ebenso unbeteiligt ist die Komplementarität-bestimmende Region 2 (CDR2) der alpha-Kette. Die charakteristischen Sequenzen von CDR1alpha und CDR3alpha dagegen sind für die präferentielle Expansion von AV8S2-positiven CD8-T-Zellen durch Af essentiell. / It was shown previously that RT1f (the MHC of the LEW.1F rat) preferentially expands AV8S2 (V-segment 8.2 of the TCR-alpha chain) expressing T-cells in positive thymic selection in the LEW.1F rat (overselection) as well as AV8S2 cells alloreactive to RT1f. As the preferential AV8S2 expansion was only detected in the CD8 T-cells, a MHC class I molecule of the LEW.1F rat was postulated to be responsible for the overselection. In this thesis the MHC I molecule of the LEW.1F rat promoting preferential expansion of AV8S2 CD8 T-cells in allorecognition was identified. To this end a MHC I molecule of the LEW.1F rat, Af, was cloned and sequenced. Together with A2f, another MHC I molecule of the LEW.1F rat, cloned and sequenced by a group from Babraham/UK, Af was expressed in various cell lines and hybridomas. The two molecules were tested for recognition by RT1f-reactive antibodies and cytotoxic T-lymphocytes. By these criteria Af was defined as a MHC class I molecule of the LEW.1F rat whereas A2f was not. The ability to overselect AV8S2 CD8 T-cells was examined by MLR (mixed lymphocyte reaction). Preferential interaction of this TCR segment with Af but not A2f has therefore been demonstrated. Thus Af is the molecule preferentially expanding AV8S2 cells. To identify the Af/AV8S2-contact points hybrids between Aa and Af were generated: Extracellularly, Aa differs from Af in only seven aminoacids, which are clustered in two different regions (region I and II). Yet Aa is not able to promote preferential expansion of AV8S2 CD8 T-cells. Therefore the specific combination of the seven aminoacids differing between the two molecules are crucial in the observed preferential AV8S2 reactivity of Af. In generating hybrids differing in these regions, equal contributions of both regions for recognition by AV8S2 RT1f-reactive CD8 T-cells could be demonstrated. By theoretical implication the Af/AV8S2 interaction points could be narrowed down further: On the side of the MHC, solely the presumably directly TCR-contacted MHC aminoacids 62, 65, 69 and 167 are likely to be involved in AV8S2-cell expansion. On TCR side, the beta-chain is not involved in specific Af interaction. Only complementarity determining regions 1 and 3 of the TCR-alpha chain are essential for preferential interaction with Af by AV8S2 positive CD8 T-cells.

MHC Klasse II Moleküle präsentieren Peptidantigene für die Überwachung durch CD4+ T Zellen an der Zelloberfläche. Um Sicherzustellen, dass diese Peptidliganden möglichst genau die intrazelluläre Proteinzusammensetzung widerspiegeln, hat sich im Verlauf der Evolution ein komplexer Prozessierungsweg entwickelt, welcher möglichst stabile Peptid/MHC Komplexe an die Zelloberfläche liefert. MHC Moleküle, welche ihren Liganden verloren haben, konvertieren zudem spontan in einen ‚nichtrezeptiven’ Zustand, was als zusätzlicher Sicherheitsmechanismus dient. Diese Studie zeigt jedoch, dass Aminosäureseitenketten kurzer Peptide diesen Sicherheitsmechanismus umgehen können indem sie katalytisch einen reversiblen Ligandenaustausch auslösen. Die katalytische Aktivität von Dipeptiden, wie z.B. Tyr-Arg (YR), war dabei stereospezifisch und konnte durch zusätzliche Modifikationen verstärkt werden, welche das konservierte H-Brückennetzwerk der so genannten P1-Tasche des MHC Moleküls adressierten. Die Dipeptide verstärkten dabei sowohl die Antigenbeladung als auch den Ligandenaustausch, wobei deren relative Aktivität genau mit den bekanten Ankerpräferenzen der P1 Tasche korrelierte. Letzteres weist somit auf eine direkte Interaktion der katalytischen Seitenkette des Dipeptides mit dieser Tasche hin. Der Verstärkungseffekt war auch in CD4+ T Zellassays zu beobachten, bei denen der alleleselektive Einfluss der Dipeptide direkt in eine deutliche Erhöhung der Sensitivität der antigenspezifischen T Zellantwort führte. Durch weitere molekulardynamische Berechnungen konnte die Hypothese unterstützt werden, dass die Besetzung der P1 Tasche durch Aminosäureseitenketten einen Kollaps der leeren Bindungstasche zum ‚nichtrezeptiven’ Zustand verhindert. Während der Antigenpräsentation könnte P1 somit unmittelbar als ‚Sensor’ für die Beladung mit Peptiden dienen. Diese Annahme konnte experimentell durch spektroskopische Untersuchungen unter Verwendung des ANS-Farbstoffes (8-Anilino-1-Naphtalensulfonsäure) sowie durch Messung der intrinsischen Tryptophanfluoreszenz bestätigt werden. Darüber hinaus konnten konformationsspezifische Antikörper, welche bislang lediglich mit unbeladenen MHC Molekülen in Verbindung gebracht wurden, hier als spezifische Sonden für den nichtrezeptiven Zustand definiert werden. Als mögliche Risikofaktoren könnten katalytische kurze Peptide eine Rolle bei der Auslösung von Autoimmunerkrankungen spielen. In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass sie die Beladung von Glutenantigenen auf das Zöliakie-assozierte HLA-DQ2 Molekül verstärken können. Zumindest in vitro konnte ihre Anwesenheit deshalb auch die antigenspezifische Antwort von CD4+ T Zellen verstärken, welche zuvor von Zöliakiepatienten isoliert worden waren. Auf der einen Seite könnten diese Peptide als ‚MHC-loading enhancer’ (MLE) deshalb als mögliche Risikofaktoren die Ausbildung entzündlicher (Auto-) Immunerkrankungen beschleunigen. Auf der anderen Seite könnten sie jedoch auch als ‚drug-like’ Vakzinadditiv zur Verbesserung von Immuntherapien führen. / MHC class II molecules present antigenic peptides on the cell surface for the surveillance by CD4+ T cells. To ensure that these ligands accurately reflect the content of the intracellular MHC loading compartment, a complex processing pathway has evolved that delivers only stable peptide/MHC complexes to the surface. As additional safeguard mechanism, MHC molecules quickly acquire a ‘non-receptive’ state once they have lost their ligand. This study shows that amino acid side chains of short peptides can bypass these safety mechanisms by triggering the reversible ligand-exchange. The catalytic activity of dipeptides such as Tyr-Arg (YR) is stereo-specific and could be enhanced by modifications addressing the conserved H-bond network near the P1 pocket of the MHC molecule. It enhanced both antigen-loading and ligand-release and strictly correlated with reported anchor preferences of P1, the specific target site for the catalytic side chain of the dipeptide. The effect was evident also in CD4+ T cell assays, where the allele-selective influence of the dipeptides translated into increased sensitivities of the antigen-specific immune response. The hypothesis that occupation of P1 prevents the ‘closure’ of the ‘empty’ peptide binding site into the ‘non-receptive’ state was further supported by molecular dynamic calculations. During antigen processing and presentation P1 may therefore function as important ‘sensor’ for peptide-load. Spectroscopic studies using ANS dye (8-aninilino-1-napthalenesulfonic acid) and intrinsic tryptophan fluorescence data, confirm the postulate by providing direct evidence for the conformational transitions. Moreover conformation specific antibodies previously described to be specific for ‘empty’ MHC could be shown to be a ‘probe’ for ‘receptive conformation’. As potent risk factors short peptides may be involved in the induction of autoimmune diseases. It could be shown here that they could enhance the loading of gluten derived antigen on celiac disease linked-HLA-DQ2 allele. At least in vitro the effect could enhance gluten specific CD4+ T cell response on T cell clones obtained from celiac disease patients. Thus, on one hand short peptides might work as ‘MHC loading enhancer’ (MLE) in the precipitation of inflammatory-‘autoimmune’ disorder, on the other hand they might be used as drug like vaccine ‘additive’ in various therapeutic settings.

Type 2 (Th2) immune responses are required for immune defence against helminths, but can also have pathogenic effects in allergic conditions. This thesis examined two factors which may influence Th2 immunity at a cellular and molecular level: cross-talk between Natural Killer (NK) cells and dendritic cells (DCs) and the cell surface organisation of DCs. Cross-talk between NK cells and DCs is well-established to impact Th1 responses against tumours and infection; however the influence of this interaction during Th2 inflammation is unknown. To investigate this, human monocyte-derived DCs were stimulated in vitro with different pathogen-associated molecules; LPS or Poly(I:C) which polarise a Th1 response, or soluble egg antigen (SEA) from the helminth worm Schistosoma mansoni, a potent Th2-inducing antigen. These cells were then combined with autologous NK cells. Confocal microscopy showed polarisation of the NK cell microtubule organising centre (MTOC) and accumulation of LFA-1 at contacts between NK cells and immature or Th2-polarising DCs, but not Th1-polarising DCs, indicative of the assembly of an activating immune synapse. NK cells did not lyse DCs treated with LPS or Poly(I:C), but degranulated to and lysed both immature DCs and Th2 polarising DCs. Antibody blockade of NK cell activating receptors NKp30 and DNAM-1 prevented this lysis. Furthermore, depletion of NK cells in mice which were then transferred with Th2 polarising DCs led to an enhanced Th2 recall response. Thus, these data indicate a previously unrecognised role of NK cell cytotoxicity in restricting the pool of DCs involved in Th2 immune responses. Secondly, this thesis investigated the nanoscale organisation of MHC-II on the surface of Th1 and Th2 polarising DCs using ground state depletion super-resolution microscopy. MHC-II was relatively homogenously distributed across the membrane with no significant changes in clustering between immature, Th1 and Th2 polarising DCs. In contrast, imaging CD74, which can mediate internalisation of MHC-II, revealed increased expression and a more homogenous distribution of this receptor on the surface of Th2-polarising DCs compared to Th1-polarising DCs. These data suggest that changes in the clustering of CD74 could modulate MHC-II surface expression during Th2 responses. Overall, the results in this thesis indicate that both molecular and cellular level modulation of DC function contribute to the development of Th2 responses.

Infectious disease is a major issue facing the livestock industry. Further understanding of the role of genetic factors in the observed phenotypic variability of the immune response to pathogens and vaccination could assist in designing improved preventative measures such as more efficacious vaccines and targeted breeding strategies to select for disease resistance. Major candidate genes for controlling immune responsiveness are located within the major histocompatibility complex (MHC). The highly polymorphic classical MHC genes are key determinants in the strength and type of immune response. However, it has proved difficult to establish genotyping approaches to define functionally relevant allelic variations for outbred species such as cattle, not least because the peptide binding clefts (PBC) of classical MHC molecules are highly polymorphic, and the genes within the MHC complex are closely linked. The overall aim of this project was to investigate the role of MHC genes in immune responsiveness in approximately 200 F2 and backcross Holstein-Charolais cattle. These animals were generated as part of the Roslin Bovine Genome (RoBoGen) herd, established through a quantitative trait loci (QTL) project, in which a number of phenotypic traits including immune traits were measured. The immune traits included responses to a Foot-and-mouth disease virus (FMDV) peptide, and vaccines against bovine respiratory syncytial virus (BRSV), para-influenza virus 3 (PIV-3) and bovine herpes virus-1 (BHV-1), as well as T cell response to Staphylococcus aureus. The immune phenotypes measured included IgG and interferon- (IFN- ) levels and T cell proliferation. The cattle MHC region, known as bovine leukocyte antigens (BoLA), resides on bovine chromosome 23. The BoLA region contains approximately 200 genes most of which are immune-related. Class II gene polymorphisms were considered to be the most likely to influence the immune traits measured, and the project primarily focused on the best defined gene, BoLA-DRB3. A sequence-based typing technique was successfully improved to facilitate genotyping of the PBC of BoLA-DRB3 in all generations of the RoBoGen herd (approximately 400 animals) and identified 24 distinct alleles. The sequence information obtained also enabled further analysis of the role of defined ‘pockets’ within the PBC, which directly determine peptide binding affinity. All datasets were statistically analysed using a residual maximum likelihood (REML) model and it was shown that several of the DRB3 alleles within the RoBoGen herd had highly significant (p<0.05) associations with the immune response to the FMDV peptide. In addition DRB3 alleles were identified which had significant associations with the response to the respiratory pathogen vaccinations and exposure to S. aureus. The pocket analysis also enabled the identification of several amino acid positions within the PBC which were significantly associated with the immune response traits. In order to explore whether DQ Class II gene polymorphisms also played a role in the variability of responses and whether BoLA Class I-Class II haplotypes could be discerned, microarrays which utilized allele specific oligonucleotides for BoLA Class I and Class II DQ genes were employed. In addition, to investigate whether the number of DQ gene pairs per chromosome influenced the responses, a quantitative polymerase chain reaction (qPCR) assay to determine DQA gene dosage was developed. However, due to the extremely complex nature of the BoLA region both, techniques would require improving to be used for large-scale studies. Nonetheless, information about haplotypes was determined from the microarray results and the qPCR technique lays the foundations for future development to investigate DQ gene dosage. The MHC region in cattle is very complex due the high level of polymorphisms and gene duplications. It is likely that many genes play a role in the immune response to both pathogens and vaccines. However, from the evidence presented here, polymorphisms in the PBC of BoLA-DRB3, particularly within the pockets, are significantly associated with variation in immune response to many different antigens and this information could be exploited in the design of vaccines or breeding cattle for improved disease resistance.

Scrub typhus, caused by the obligate intracellular bacterium Orientia tsutsugamushi, afflicts one million people annually. Despite being a global health threat, little is known about O. tsutsugamushi pathogenesis. Here, we demonstrate that O. tsutsugamushi modulates the ER and ER-associated processes as mechanisms of nutritional virulence and immune evasion. To obtain amino acids to fuel replication, O. tsutsugamushi simultaneously induces ER stress and the unfolded protein response (UPR) while inhibiting ER-associated degradation (ERAD) during early infection time points. During exponential growth, the bacterium releases the ER bottleneck, resulting in generation of ERAD-derived amino acids that it parasitized for replication. The O. tsutsugamushi effector, Ank4, is linked to this process, as it impedes ERAD when ectopically expressed. O. tsutsugamushi expression of ank4 peaks during the ERAD inhibition window, but is absent when the pathway is restored. These data reveal a novel mechanism of nutritional virulence, whereby an obligate intracellular pathogen coordinates the modulation of multiple ER-associated processes. Like other intracellular pathogens, O. tsutsugamushi inhibits expression of MHC-I, but it does so in a novel manner by degrading the master regulator of MHC-I, NLRC5. This impedes production of the MHC-I components, human leukocyte antigen A and Beta-2 microglobulin. The NLRC5-reduction mechanism recapitulates across diverse cell types, but the degree and duration of inhibition is cell type-specific. NLRC5 modulation and MHC-I inhibition are linked to another O. tsutsugamushi Ank, Ank5. NLRC5 is a putative interacting partner of Ank5. Moreover, NLRC5 and MHC-I levels are reduced in cells ectopically expressing Ank5. To our knowledge, these are the first examples of a pathogen modulating NLRC5 to negatively regulate MHC-I expression and of a bacterial effector interacting with NLRC5. As we learn more about the bacterium’s ability to regulate its host cell, a unifying theme has emerged: modulation of the ER and ER-associated pathways. These projects reveal two novel mechanisms of O. tsutsugamushi pathogenesis, strategies to acquire the amino acids needed for replication and to decrease MHC-I antigen presentation by the host cell. These insights help in understanding how O. tsutsugamushi and potentially other related pathogens co-opt host cell processes to cause disease.