Thesis (MScMed)--Stellenbosch University, 2008. / ENGLISH ABSTRACT: Introduction: Flow cytometry has progressively replaced many traditional laboratory tests due to its greater accuracy, sensitivity and rapidity in the routine clinical settings especially clinical trails. It is a powerful tool for the measuring of chemical (the fluorochrome we add) and physical (size and complexity) characteristics of individual cells. As these instruments became major diagnostic and prognostic tools, the need for more advanced quality control, standardized procedures and proficiency testing programs increased as these instrumentations and their methodology evolve. Minor instrument settings can affect the reliability, reproducibility and sensitivity of the cytometer and should be monitored and documented in order to ensure identical conditions of measurement on a daily basis. This can be accomplished by following an Internal Quality Assurance (IQA) and/ or External Quality Assurance (EQA) program. Currently there are no such programs available in South Africa and poorer Africa countries. HIV is a global concern and the laboratories and clinics in these places are in need of such IQA programs to ensure quality of their instrumentation and accurate patient results. Quality assurance programs such as CD Chex® and UK Nequas are available but due to bad sample transport, leave the receiving laboratories with nightmares. It would be best if there was a laboratory in South Africa that could provide the surrounding laboratories with stabilized whole blood samples that can be utilized as IQA. The transport of these samples can be more efficient due to shorter distance and thus the temperature variations limited. Aims and Objectives: The aim of Chapter one is to familiarize the reader with general terminology and concepts of immunology. Chapter two describes in detail the impact stabilized whole blood had on clinical immunology concerning Quality Control and Quality Assurance. The objective of this study is to stabilize whole blood with a shelf life of greater than 30 days to serve as reference control material for South African Immunophenotyping. It is further an objective to use these in-house stabilized control samples for poorer African countries as Internal Quality Assurance reference material. It is a still further objective to stimulate various lymphocyte subsets to express activation antigens and then stabilize these cells for more specialized immunological test and can serve as a QC for those required samples. Study design: In Chapter three, the method currently used to stabilize whole blood was modified. The stability of different concentrations of a first stabilizing agent (Chromium Chloride hexahydrate) was investigated. Incubation periods and concentrations of paraformaldehyde as second stabilizing agent were investigated. Blood samples from healthy individuals (n=10) were stabilized and monitored for the routine HIV phenotypic surface antigens over a period of 40 days. These samples (n=10) were compared on the Becton Dickinson Biosciences (BD) FACSCalibur™ versus BD FACSCount™ instrumentation. Blood samples (n=3) were stabilized and monitored to identify phenotypic cell surface molecules for as long as possible. They were quantified on both flow cytrometric instruments. In addition, these stabilized samples (n=3) were investigated as control blood for calibration purposes on the BD FACSCount™ instrument. In Chapter four, lymphocytes were isolated and activated with various stimuli to express sufficient activation antigens such as CD25, CD69, HLA-DR and CD40 Ligand on the T helper cell surfaces. These activated antigens were analyzed on the BD FACSCalibur™ and further stabilized to serve as possible IQA samples in future. Results: In Chapter three, the ten individual stabilized samples had non-significant P values (P > 0.05) for CD3, CD4 and CD8 percentages and absolute values comparing day 3 until day 40. Comparing the BD FACSCalibur™ versus BD FACSCount™, resulted in a R2 = 0.9848 for CD4 absolute values and a R2 = 0.9636 for CD8 absolute values. Stabilized blood samples (n=3) were monitored for routine HIV phenotypic markers until day 84. The cells populations were easily identifiable and could be quantified on both BD FACSCalibur™ and BD FACSCount™ instruments. In Chapter four; for the activation study purposes, activated T helper lymphocytes expressed approximately 25 to 35% CD40 Ligand cell surface molecules. The stimulant of choice was Ionomycin at a 4μM concentration. Cells were incubated for four hours at 37 degree Celsius in a 5% CO2 environment. For CD69 surface expression, 6 hour incubation was optimum. The stimulus of choice in this case was 4μM Ionomycin which induced 84.21% CD69 expression in the test samples. For CD25 expression; 6 hour incubation with PHA resulted in approximately 43% of CD25 expression. For HLA-DR surface expression; 6 hour incubation with PHA resulted in approximately 43.32% of HLA-DR expression. Activated lymphocytes expressing CD40 Ligand showed stability until day 23. Activated Lymphocytes expressing CD69, CD25 and HLA-DR were stabilized in the same manner and stability could be achieved until day 16. Conclusion: This thesis was related to the preparation of control samples (IQA) designed to simulate whole blood having defined properties in clinical laboratory situations. In future kits can be developed with a low, medium and high control sample for the various immunological phenotypic determinants. Another kit can be compiled where various activation markers can be identified, quantified with a “zero”, low and high control. These whole blood IQA kits and “activation IQA kits” can be implemented for training of newly qualified staff, competency testing of staff, method development, software testing, panel settings and instrument setting testing. Control samples ideally must have a number of properties in order to be effective. For instance stability during storage times, preferably lasting more than a few weeks, reproducibility and ease of handling. These will provide the information on day-to-day variation of the technique or equipment which will enhance accuracy and improve patient care. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Inleiding: Vloeisitometrie tegnologie het verskeie tradisionele laboratorium toetse vervang as gevolg van beter akuraadheid, sensitiwiteit en vinniger beskikbaarheid van resultate in ‘n kliniese omgewing, veral kliniese proewe. Vloeisitometrie is ‘n kragtige tegniek om chemiese (fluorokroom byvoeging) en fisiese (sel grote en kompleksiteit) karakter eienskappe van individuele selle te meet. Met die toename in gebruik en gewildheid van hiedie instrumente, neem die behoefde toe vir gevorderde kwaliteit kontroles, gestandardiseerde prosedures, met profesionele toets programme tesame met metode ontwikkeling. Klein verstellings aan instrument parameters beinvloed die betroubaarheid, herhaalbaarheid en sensitiwiteit van ‘n sitometer en moet gemonitor (en dokumenteer) word om identiese kondisies van leesings op ‘n daaglikse basis te verseker. Dit kan bereik word deur in te skakel met ‘n interne kwaliteits versekerings program [IQA: “Internal Quality Control”] en/of ‘n eksterne kwaliteits versekerings program [EQA: “External Quality Control”] te volg. Op die oomblik is daar geen sulke kwaliteits versekerings programme in Suid Afrika en/of in die verarmende Afrika lande beskikbaar nie. MIV is ‘n wêreldwye bekommernis en laboratoriums en klinieke in hierdie gedeeltes van die land verlang ‘n dringende behoefdte vir sulke “IQA” programme om kwaliteit van instrumentasie en akkurate pasiënt resultate te verseker wat tot beter behandeling van pasiënte lei. Kwaliteit versekerings programme soos “CD Chex®” en “UK Nequas” is beskikbaar, maar baie probleme met verwysing na monster integriteit as gevolg van tydsame vervoer en aflewering kondisies word hiermee geassosieër. Die behoefte het ontstaan vir ‘n laboratorium in Suid Afrika wat direk die omliggende laboratoriums, hospitale en klinieke kan voorsien met gestabiliseerde blood monsters wat gebruik kan word as “IQA”. Die vervoer en aflewerings kondisies van hierdie monsters sal aansienlik verbeter as gevolg van die korter aflewerings afstand wat direk die beperkte temperatuur wisseling beinvloed. Doel van studie: Die doelwit van hoofstuk een is om vir die leser ‘n inleiding te gee tot terminologie en konsepte van immunologie en die immune sisteem. Hoofstuk twee beskyf die impak wat gestabiliseerde heelbloed het op die kliniese immunologie met betrekking tot kwaliteit beheer en kwaliteit versekering. Die doelwit van hierdie studie is om heelbloed te stabiliseer sodat die rakleeftyd meer as 30 dae is en sodoende as verwysings-materiaal kontroles vir Suid Afrikaanse immunofenotipering kan dien. Dit is ‘n verdere doelwit om hierdie tuis-gestabiliseerde kontrole monsters te gebruik as “IQA” verwysings materiaal in verarmende Afrika lande. Die doelwit van hoofstuk vier is om limfosiete te stimuleer om verskeie aktiverings merkers uit te druk op hul selmembrane en dan te stabiliseer en dié te gebruik as Kwaliteits Kontroles vir die meer gespesialiseerde immunologiese toetse. Studie ontwerp: Hoofstuk drie beskryf ‘n aangepaste en verbeterde metode van heel bloed stabiliseering. Stabiliteit word ondersoek in ‘n verskyndenheid konsentrasies van ‘n primêre stabiliseerings agent (chromium chloried heksahidraat) en inkubasie periodes met paraformaldehied as tweede stabiliseerings agent word deeglik gedokumenteer. Bloedmonsters van gesonde indiwidië (n=10) was gestabiliseer en gemonitor vir roetine MIV membraanoppervlak antigene oor ‘n periode van 40 dae. Hierdie monsters (n=10) was gelees en geanaliseer op ‘n BD FACSCalibur™ en vergelyk met ‘n BD FACSCount™ vloeisitometer instrument. Drie gestabiliseerde heelbloed monsters (n=3) was gemonitor vir ‘n periode vir so lank moontlik die fenotipiese selmembraan molekules identifiseerbaar was en die kwantiteit bepaalbaar was. Hierdie drie monsters was gemeet op beide instrumente. As ‘n addisionele doelwit, was hierdie drie gestabiliseerde monsters ondersoek om as moontlike kalibrasie materiaal (verteenwoordig ‘n normale bloedmonster) te dien vir die BD FACSCount™ instrument in die oggende voor pasiënt monsters gelees kan word. In hoofstuk vier was limfosiete geϊsoleer en geaktiveer met ‘n verskyndenheid stimulante om optimale aktiveerings-antigene uit te druk op T helper selmembrane (byvoorbeeld CD25, CD69, HLA-DR en CD40 Ligand). Hierdie geaktiveerde monsters was geanaliseer op die BD FACSCalibur™ en daarna gestabiliseer. Na stabilisasie van die geaktiveerde limfosiet monsters was dit gemonitor oor ‘n tydperk so lank moontlik data plotte leesbaar en selpopulasies identifiseerbaar was. Hierdie monsters kan dien as ‘n moontlike “IQA” toets stel vir ‘n meer gespesialiseerde immunologiese aktiveerings kontrole doeleindes. Resultate: In hoofstuk drie; tien individiële gestabiliseerde heelbloed monsters het gedui op geen-beduidende P waardes (P > 0.05) vir CD3, CD4 en CD8 persentasies en absolute waardes; gemeet vanaf DAG 3 vergelykbaar tot-en-met DAG 40. Met korrelasie statistiek en vergelyking van die BD FACSCalibur™ met die FACSCount™ instrumente, is die volgende opgemerk; R2 = 0.9848 vir die CD4 absolute waardes en ‘n R2 = 0.9636 vir die CD8 absolute waardes. Drie gestabiliseerde monsters (n=3) was gemonitor vir MIV roetine fenotipeering tot en met DAG 84. Die selpopulasies was duidelik identifiseerbaar en die kwantitatief meetbaar op albei instrumente (BD FACSCalibur™ en BD FACSCount™). Hoofstuk vier: geaktiveerde T helper lymphosiete het 25 – 35% membraan CD40 Ligand uitgedruk op hul selmembrane. Die stimulant van keuse was ionomysien teen ‘n optimale konsentrasie van 4μM. Die optimale inkubasie tydperk was vier ure by 37°C in 5% CO2 kondisie. Ses uur inkubasie in 4μM ionomysien by 37°C in ‘n 5% CO2 omgewing was optimal vir die CD69 selmembraan uitdrukking en het 84.21% opgelewer. Vir CD25 selmembraan uitdrukking was die selle vir ses ure met phietoheamagglutinin (PHA) gestimuleer by 37°C in 5% CO2 kondisie en het 43% CD25 selmembraan uitdrukking opgelewer. HLA-DR selmembraan uitdrukking: selle was vir ses ure saam met PHA by 37°C in 5% CO2 kondisie inkubeer en het 43.32% opgelewer. CD40 Ligand aktivering/gestabiliseerde limfosiete het tot en met dag 23 stabiliteit getoon. Die ligand was duidelik identifiseerbaar en kwantifiseerbaar. Geaktiveerde lymphosiete wat CD69, CD25 en HLA-DR selmembraan merkers uitdruk het na die stabiliseerings proses stabiliteit getoon tot-en-met dag 16. Gevolgtrekking: Die doel van hierdie studie was om verwysingskontroles voor te berei sodat dit vars heelbloed naboots met uitkenbare eienskappe vir kliniese situasies. ‘n Toets kontrolestel met verwysings materiaal vir drie vlakke (byvoorbeeld ‘n lae, medium en hoë kontrole) absolute selwaardes en persentasies kan voorberei word vir roetine immunologiese fenotiperings merkers (CD3/CD4/CD8/CD45). Meer gespesialiseerde kontrolestelle vir meer spesifieke doeleindes kan opgemaak word wat ‘n verskydenheid van limfosiet aktiveringsmerkers bevat met byvoorbeeld ‘n “nul”, lae en hoë verwysings kontrole daarin. Hierdie heelbloed kan dien as “aktiveerde interne kwaliteits verwysings materiaal” en kan gebruik word om nuut aangestelde laboratorium werkers en nuut gekwalifiseerde studente op te lei. Hierdie verwysings materiaal / kontroles kan aangewend word vir bevoegdheids doeleindes (byvoorbeeld vir SANAS akkreditasie doeleindes), vir metode ontwikkeling, vir sagteware toetsing, vir paneel opstelling en instrument verstellings doeleindes. Die kontroles moet ‘n verskydenheid eienskappe bevat om effektief te wees. Byvoorbeeld, stabiliteit tydens storing, gewenslik meer as ‘n paar weke, herhaalbaar en maklik handteerbaar. Hierdie kontroles sal inligting voorsien op ‘n daaglikse basis tydens wisseling van tegnieke of instrumentasie wat akuraatheid beinvloed en op die ou-end direk pasiënt versorging bevoordeel.

Les voies de signalisation des MAP kinases (MAPK) conventionnelles jouent des rôles essentiels pendant le développement des lymphocytes T (LT) ainsi que lors de leur activation suite à la reconnaissance antigénique. En raison de ses différences structurelles ainsi que de son mode de régulation, ERK3 fait partie des MAPK dites non-conventionnelles. Encore aujourd’hui, les événements menant à l’activation de ERK3, ses substrats ou partenaires ainsi que sa fonction physiologique demeurent peu caractérisés. Nous avons entrepris dans cette thèse d’étudier le rôle de ERK3 lors du développement et de l’activation des LT en utilisant un modèle de souris déficient pour l’expression de ERK3. Nous avons premièrement établi que ERK3 est exprimée chez les thymocytes. Ensuite, nous avons évalué le développement thymique chez la souris ERK3-déficiente et nous avons observé une diminution significative de la cellularité aux étapes DN1, DP et SP CD4+ du développement des LT. La création de chimères hématopoïétiques ERK3-déficientes nous a permis de démontrer que la diminution du nombre de cellules observée aux étapes DN1 et DP est autonome aux thymocytes alors que le phénotype observé à l’étape SP CD4+ est dépendant de l’abolition simultanée de ERK3 dans l’épithélium thymique et dans les thymocytes. Une étude plus approfondie de l’étape DP nous a permis de démontrer qu’en absence de ERK3, les cellules DP meurent plus abondamment et accumulent des cassures doubles brins (DSB) dans leur ADN. De plus, nous avons démontré que ces cassures dans l’ADN sont réalisées par les enzymes RAG et qu’en absence de ces dernières, la cellularité thymique est presque rétablie chez la souris ERK3-déficiente. Ces résultats suggèrent que ERK3 est impliquée dans un mécanisme essentiel à la régulation des DSB pendant le réarrangement V(D)J de la chaîne  du récepteur des cellules T (RCT). Dans le deuxième article présenté dans cette thèse, nous avons montré que ERK3 est exprimé chez les LT périphériques, mais seulement suite à leur activation via le RCT. Une fois activés in vitro les LT ERK3-déficients présentent une diminution marquée de leur prolifération et dans la production de cytokines. De plus, les LT ERK3-déficients survivent de façon équivalente aux LT normaux, mais étonnamment, ils expriment des niveaux plus faibles de la molécule anti-apoptotique Bcl-2. Ces résultats suggèrent que la prolifération réduite des LT ERK3-déficients est la conséquence d’une altération majeure de leur activation. Ainsi, nos résultats établissent que ERK3 est une MAPK qui joue des rôles essentiels et uniques dans le développement thymique et dans l’activation des lymphocytes T périphériques. Grâce à ces travaux, nous attribuons pour la toute première fois une fonction in vivo pour ERK3 au cours de deux différentes étapes de la vie d’un LT. / Classical MAP kinases (MAPK) play essential roles during T cell development and activation. ERK3 is a member of the MAPK family for which no physiological function has been described yet. Also, ERK3 is an atypical MAPK since its structure and mode of regulation are different from the conventional MAPK. Even today, the events leading to ERK3 activation and its substrates or partners are still largely unknown. We have studied in this thesis the role of ERK3 during T cell development and activation by using a mouse model in which ERK3 is not expressed. First, we have established that ERK3 is expressed in thymocytes. Next, we have evaluated thymic development in ERK3-deficient mice and we have observed a significant decrease in cell number at DN1, DP and CD4SP stages of T cell development. ERK3-deficient hematopoietic chimeras revealed that the DN1 and DP phenotype are T-cell autonomous, while abrogation of CD4SP development requires ERK3-deficiency in both thymocytes and thymic epithelium. By investigating further the DP stage, we have shown that ERK3-deficient DP thymocytes are more prone to apoptosis and also accumulate DNA double-strand breaks (DSBs). Moreover, we have shown that the increase DSBs are the direct consequence of RAG activity and that abolition of RAG almost restored thymic cellularity in ERK3-deficient mice. These results suggest that ERK3 is involved in an essential mechanism of DBSs regulation during TCR recombination. In the second article presented in this thesis, we have shown that ERK3 is expressed in peripheral T cell, but only when their TCR is activated. Also, ERK3-deficient T cells presented a strong reduction in proliferation and cytokine secretion following in vitro stimulation. Moreover, activated T cells lacking ERK3 are not more prone to death and surprisingly, they are unable to up-regulate the expression of the anti-apoptotic molecule Bcl-2 following TCR stimulation. These results suggest that the reduced proliferation of ERK3-deficient T cells is a consequence of their defective activation. Collectively, our results unveil essential and unsuspected roles for ERK3 in T cell development and activation. With this study, we establish for the first time an in vivo function for the atypical MAPK ERK3 in two different stages during T cell life.

La reconnaissance d'antigènes par le TCR active des protéines tyrosine kinases qui phosphorylent d'autres substrats intracellulaires dont LAT. Ceci engendre l'activation de molécules telles que PKCθ et CARMA-1. La mutation LatY136F associe des TCR "estropiés" dans le développement de cellules T effectrices générant des désordres lymphoprolifératifs. Nous avons essayé de comprendre les gènes aggravant ou empêchant cette lymphoprolifération en utilisant la mutagénèse ENU. Nous avons identifié une mutation appelée Basilic empêchant le déroulement de la pathologie LatY136F. Basilic est une mutation du gène Rltpr qui constitue une phénocopie de Cd28-/- sur fond sauvage et sur fond LatY136F. Rltpr est un une nouvelle protéine ayant de multiples domaines, qui appartient à la famille CARMIL et qui est exprimée dans les cellules T et B. L'objectif de ce travail était d'élucider les mécanismes au cours desquels CD28 et Rltpr coopèrent avec le TCR pour différencier des cellules T naïves en cellules T effectrices. Ce travail visait aussi à caractériser Rltpr, dont la structure/fonction et l'interactome sont encore inconnus. En utilisant des techniques de microscopie confocale, nous avons montré que la localisation et le recrutement de Rltpr et de RltprBas à la synapse immunologique sont tous deux CD28-dépendants. Les deux molécules colocalisent avec CD28 tout au long du processus d'activation. En outre, Rltpr est essentiel pour la translocation à la synapse de PKCθ et CARMA-1, qui sont induits lors de la co-stimulation par CD28. Ces résultats permettent une meilleure compréhension du fin réglage du système immunitaire adaptatif qui est mis en place lors de l'activation. / TCR recognition of antigens triggers the activation of protein tyrosine kinases that phosphorylate other intracellular substrates including LAT. LAT phosphorylation leads to the activation of PKCθ and CARMA-1. The point mutation LatY136F associates TCRs with crippled signaling abilities to the development of effector T cells generating lymphoproliferative disorders (LPDs). We tried to shed light on genes exacerbating or preventing the LatY136F LPD by using an ENU mutagenesis screening. We identified one point mutation called Basilic that prevents the unfolding of the LatY136F pathology. Basilic is a point mutation of the Rltpr gene and is a phenocopy of a Cd28-/- mutation both on a wild-type and on a LatY136F background. Rltpr is a newly-discovered, multidomain protein belonging to the CARMIL family that is expressed in T and B cells. The objective of the present work was to elucidate the mechanisms during which CD28 and Rltpr cooperate withthe TCR to differentiate naïve into effector T cells. I also aimed at characterizing the Rltpr molecule, whosestructure/function and interactome are still largely unknown. Using confocal microscopy in collaborationwith Takashi Saito's group and Christoph Wülfing we showed that the localization and the recruitment ofboth Rltpr and RltprBas at the immune synapse are CD28-dependent. The two molecules colocalize with CD28all along the activation process. Moreover, Rltpr is essential for the synapse translocation of PKCθ andCARMA-1, which are induced upon CD28 costimulation. Those results allow a better understanding of theadaptive immune system fine tuning upon activation.

Im ersten Teil dieser Dissertation wurde der Einfluss des mitochondrialen Proteins TCAIM (T cell activation inhibitor, mitochondrial) auf die T-Zellaktivierung untersucht. Hierzu wurde eine transgene Mauslinie mit einem T-zellspezifischen knock-in (KI) von Tcaim in den Rosa26 Lokus generiert. Die Tcaim-Überexpression beeinflusste die Fission und Umverteilung von Mitochondrien und reduzierte die T-Zellrezeptor (TZR)-induzierte Bildung mitochondrialer, radikaler Sauerstoffspezies. In vitro stimulierte CD4+ Tcaim KI T-Zellen zeigten eine geringere Aktivierung, Proliferation und IL-2 Sekretion als Kontrollzellen. T-Zellen aus Tcaim KI Mäusen, die in Rag-1 knock-out Mäuse transferiert wurden, waren nicht fähig ein allogenes Haut-Transplantat abzustoßen und behielten einen naiven Phänotyp. Diese Ergebnisse zeigen, dass TCAIM als mitochondriales Protein wichtige Schritte in der Zellaktivierung und der Bildung von Gedächtnis-T-Zellen beeinflusst. Der zweite Teil der Dissertation beschäftigte sich mit dem Einfluss der CD44-Oberflächenexpression auf die Differenzierung von T-Helfer (TH)-Zellen. Eine hohe CD44-Expression unterscheidet Effektor- von naiven T-Zellen. Durch die allogene Stimulation von CD4+ T-Zellen bildeten sich drei verschiedene Populationen: CD44+, CD44++ und CD44+++. Sowohl in vitro als auch in vivo generierte alloreaktive TH17-Zellen wurden in der CD44+++ Population, TH1-Zellen hingegen in der CD44++ Population, detektiert. Es wurde beschrieben, dass sowohl eine geringe TZR- als auch eine geringe CD28-Stimulation eher die Bildung von TH17- als TH1-Zellen unterstützen. Unter genau diesen Bedingungen kann CD44 als kostimulatorisches Molekül die Signaltransduktion verstärken. Tatsächlich zeigten allogenreaktive CD44+++ TH-Zellen eine höhere ZAP-70-Phosphorylierung als CD44++ TH-Zellen. Diese Ergebnisse unterstützen die Annahme, dass CD44 durch die Verstärkung der Signaltransduktion die TH17-Differenzierung fördern kann. / Within the first part of this thesis, the influence of the mitochondrial Protein TCAIM (T cell activation inhibitor, mitochondrial) on T cell activation was investigated. Tcaim expression correlated negatively with the rejection of allografts and it is down-regulated during T cell activation. To study effects of TCAIM during T cell activation, we generated a T cell-specific mouse strain with a Tcaim knock-in (KI) targeted to the Rosa26 locus. Tcaim overexpression changed the mitochondrial morphology and reduced the T cell receptor (TCR)-induced mitochondrial reactive oxygen species production. In vitro activation of Tcaim KI CD4+ T cells resulted in a decreased activation, proliferation and cytokine release. Importantly, Rag-1 knock-out mice, reconstituted with Tcaim KI T cells, tolerated allogeneic skin grafts. Thus, by regulating TCR-induced mitochondrial distribution and ROS production, TCAIM controls important steps during T cell activation and memory formation. The second part dealt with the influence of CD44 surface expression level for T helper cell (Th cell) differentiation. By association with lymphocyte-specific protein kinase (LCK) it can enhance T cell signaling. Allogeneic stimulation of CD4+ T cells resulted in the formation of three distinguishable populations: CD44+, CD44++ and CD44+++. In vitro and in vivo generated allo-reactive TH17 cells were mainly CD44+++. This is in contrast to TH1 cells which were dominantly CD44++. Titration experiments revealed that low TCR- and co-stimulation supports TH17 rather than TH1 development. Under exactly these conditions it was reported that CD44 can act as co-stimulatory molecule and replace CD28. Indeed, CD44+++CD4+ T cells contained already more phosphorylated ZAP-70 as compared to CD44++ cells. Our results support the notion that CD44 enhances TCR signaling strength by delivering LCK, which is required to support TH17 development.

Die initialen immunologischen Prozesse, die zur Entwicklung autoimmuner Lebererkrankungen führen, sind weitgehend unbekannt. Deshalb wurden in dieser Arbeit die Antigenpräsentation, die Migration sowie der Phänotyp in vivo aktivierter CD8 T-Zellen in der Leber anhand eines Mausmodells der autoimmunen Hepatitis untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass hepatische dendritische Zellen an der Entstehung von CD8 Effektor-T-Zellen und an der Inflammation der Leber beteiligt sind. Kupffer-Zellen dagegen nehmen im autoimmunen Kontext in der Leber eine tolerogene Funktion ein. Die in vivo in der Leber aktivierten CD8 T-Zellen zeigten spezifische Oberflächenmarker und ein ungewöhnliches Migrationsverhalten. So wurde zum einen mit Neuropilin-1 ein weitgehend unbekannter Oberflächenmarker identifiziert, zum anderen spricht die Expression von bekannten Markern, die den Aktivierungsstatus der CD8 T-Zellen definieren, für einen hybriden Phänotyp. Sie besitzen sowohl Charakteristika von naiven CD8 T-Zellen als auch von Effektorzellen, eine Eigenschaft, die auch bei zentralen Gedächtniszellen gefunden wird. In der Leber aktivierte CD8 T-Zellen können nicht nur proinflammatorische Zytokine ausschütten und somit eine Inflammation in der Leber auslösen, sondern sind außerdem in der Lage durch Lymphknoten zu zirkulieren. Dagegen ist ihnen der Zugang zum Darm verwehrt, womit eine direkte regulatorische Funktion im Darm ausgeschlossen werden kann. Obwohl auf in der Leber aktivierten CD8 T-Zellen spezifische Adhäsionsmoleküle identifiziert wurden, existiert keine exklusive gewebespezifische Migration in die Leber, wie sie etwa für im Darm aktivierte CD8 T-Zellen nachgewiesen wurde. Im darmassoziierten lymphatischen Gewebe aktivierte CD8 T-Zellen akkumulieren in der Leber und tragen möglicherweise zur Schädigung der Leber im Rahmen chronisch entzündlicher Darmerkrankungen bei. Diese Arbeit trägt somit zum besseren Verständnis der Entstehung autoimmuner Prozesse in der Leber bei. / Initial immunological processes leading to autoimmune liver diseases are largely unknown. Therefore this thesis analyzed the antigen presentation, the migration as well as the phenotype of in vivo activated CD8 T cells in the liver by employing a mouse model for autoimmune hepatitis. It was shown that hepatic dendritic cells are effective antigen-presenting cells, which contribute to the induction of functional effector CD8 T cells in the liver and hepatitis. In contrast, Kupffer cells have a tolerogenic role during autoimmune processes in the liver. CD8 T cells that were in vivo activated in the liver display specific surface markers and unusual migration patterns. On the one hand an unusual surface molecule Neuropilin-1 was identified, on the other hand expression of well-known markers defining the activation-status of CD8 T cells suggests a hybrid phenotype. They reflect aspects of naive and effector T cells, characteristics also found on central memory T cells. Liver-primed CD8 T cells do not only produce pro-inflammatory cytokines leading to hepatitis, but they also retain their ability to circulate through lymph nodes. However, they have no access to the gut, which suggests that a direct regulatory function in the gut can be excluded. Although specific adhesion molecules on CD8 T cells activated in the liver were identified, no exclusive tissue-specific migration into the liver exists, as was shown for CD8 T cells primed in the gut. CD8 T cells activated in the gut-associated lymphoid tissue accumulate in the liver, in principle enabling them to induce liver pathology in the context of inflammatory bowel disease. Thus, the here described findings contribute to the understanding of initial immunological processes in autoimmune liver diseases.

Glukokortikoide (GK) zählen zu den effizientesten Medikamenten bei der Behandlung akuter und chronischer Entzündungskrankheiten. Ihr Einsatz ist häufig durch das Auftreten zahlreicher und teilweise irreversibler Nebenwirkungen beeinträchtigt. Aus diesem Grund wurden neue Glukokortikoid-Rezeptor-Liganden, wie die nicht-steroidalen selektiven Glukokortikoid-Rezeptor-Agonisten (SEGRAs), die eine potente anti-entzündliche Wirkung bei gleichzeitig vermindertem Nebenwirkungspotential aufweisen sollen, entwickelt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die SEGRA-Substanz BAY1155975 hinsichtlich ihrer hemmenden Wirkung auf die CD28-kostimulierte Aktivierung primärer humaner T-Zellpopulationen mit der von klassischen GK, wie z.B. Prednisolon, verglichen. In humanen Gedächtnis/Effektor- CD4+ T-Zellen wies die höchste Konzentration von BAY1155975 im Vergleich zu Prednisolon eine statistisch signifikant größere Hemmung der CD28-kostimulierten Sekretion von Effektorzytokinen (IFN-gamma, TNF-alpha, IL17 und IL22) auf. Proliferation, Apoptose und die Expression verschiedener Aktivierungsmarker wurden dagegen durch BAY1155975 und Prednisolon gleichermaßen reguliert. Es wird eine stärkere Hemmung des Kalzium-Kalzineurin-NFAT Signalweges durch BAY1155975 in diesen Zellen vermutet. In vivo zeigten BAY1155975 und Prednisolon eine ähnlich starke Hemmung der T-Zell-vermittelten Hautentzündung im DNFB-induzierten Kontaktallergiemodell in Mäusen, wenn die Behandlung der Mäuse mit den Substanzen vor dem Challenge erfolgte. Bei einer Substanzbehandlung der Mäuse während der Sensibilisierung wurde die Hautentzündung dagegen deutlich stärker durch BAY1155975 als durch Prednisolon gehemmt. Zusammenfassend geben die Ergebnisse dieser Arbeit einen Hinweis auf eine stärkere Hemmung der T-Zellsensibilisierung und der Effektorzytokinsekretion durch die SEGRA Substanz BAY1155975 im Vergleich zum klassischen GK Prednisolon. / Glucocorticoids (GCs) are the most effective therapeutic agents for the treatment of acute and chronic inflammatory diseases. Their use is often accompanied with numerous and sometimes irreversible side-effects. Therefore, new glucocorticoid receptor (GR) ligands with should have potent anti inflammatory efficacy but a reduced side-effect profile have been developed. Non steroidal selective glucocorticoid receptor agonists (SEGRAs) represent a new class of GR ligands with an improved therapeutic index. In this study, we compared the SEGRA, BAY1155975, and the classical GC, prednisolone, regarding their suppressive effect on CD28-costimulated activation of human primary T cell subpopulations. In human memory/effector CD4+ T cells, BAY1155975 at the highest concentration exhibited a significantly stronger inhibition of CD28-costimulated effector cytokine secretion (IFN-gamma, TNF-alpha, IL17 and IL22) in comparison to prednisolone. Interestingly, proliferation, apoptosis and expression of activation markers were similarly regulated by BAY1155975 and prednisolone. Further studies on different signal transduction pathways suggested that BAY1155975 stronger inhibited the calcium-calcineurin-NFAT pathway than prednisolone in these cells. In vivo BAY1155975 and prednisolone showed comparable efficacy in inhibition of T cell dependent skin inflammation in DNFB-induced contact hypersensitivity models in mice, when mice were treated before hapten challenge. In contrast, when mice were treated around hapten sensitization markedly stronger inhibition of skin inflammation was observed for BAY1155975 than prednisolone. In summary, the data of this study give evidence for a stronger inhibition of T cell sensitization and effector cytokine secretion by the SEGRA, BAY1155975, in comparison to the classical GC, prednisolone.

Das Ergebnis einer T-Zellmediierten Immunantwort ist von der Signalvermittlung durch kostimulatorische Moleküle abhängig. Diese kostimulatorischen Moleküle sind - neben dem spezifischen Antigen - notwendig für eine vollständige T-Zellaktivierung, die es der T-Zelle erlaubt zu proliferieren, neue Oberflächenantigene zu exprimieren und Zytokine zu sezernieren. Ohne das kostimulatorische Signal wird die T-Zelle anerg oder sogar apoptotisch, eine effektive Immunantwort ist dann nicht möglich. Die vorliegende Dissertationsschrift enthält die initiale Beschreibung eines neuen kostimulatorischen Moleküls, eine umfangreiche Charakterisierung seiner Expression in vitro, sowie seiner Funktion. Das Molekül "ICOS" (ICOS steht für inducible costimulator) ist ein T-Zellspezifisches Molekül und weist eine große Homologie zu dem Prototyp eines kostimulatorischen Moleküls, dem CD28 Molekül auf. Die Experimente, die zur Charakterisierung der Induktionsbedingungen des ICOS Moleküls durchgeführt wurden, zeigen, daß die Expression des ICOS Moleküls sehr schnell nach T-Zellaktivierung induziert wird, die Expressionsstärke innerhalb von Stunden stark heraufreguliert wird und die Expression lange (mindestens 96h) auf der T-Zelloberfläche zu detektieren ist. Ein Vergleich mit anderen aktivierungsabhängigen T-Zelloberflächenmolekülen zeigt eine ICOS-spezifische Zeitkinetik der Expression, die durch verschiedene T-Zellstimuli zu induzieren ist. Eine optimale Expression des Moleküls ist zwei-signalabhängig und durch Cyclosporin A blockierbar. Bezüglich der Funktion von ICOS wurde die Wirkung der Kostimulation via ICOS auf eine Reihe von kritischen Parametern der T-Zellaktivierung analysiert. Durch die Kostimulation mit einem ICOS-spezifischen Antikörper wird konzentrationsabhängig die T-Zellproliferation induziert, unabhängig davon, ob das ersten Signal via CD3 oder via einen löslichen Stimulus, wie PHA erfolgte. Die ICOS Kostimulation bewirkt die Hochregulation von typischen T-Zellaktivierungsantigenen und sie induziert oder verstärkt die Sekretion zahlreicher Lymphokine. Die verstärkende Wirkung auf alle diese Parameter der T-Zellaktivierung führt schließlich dazu, daß die über ICOS kostimulierten Zellen in der Lage sind T-Zellhilfe für B-Zellen zu leisten, so daß diese Immunglobuline sezernieren. Wurde versucht, die direkte Interaktion des ICOS Moleküls mit seinem potentiellen Liganden bei der T-Zellinduzierten Immunglobulinsekretion durch den mAk F44 zu blockieren, so zeigte sich kein Effekt. Bei Langzeitkostimulation via ICOS zeigte sich allerdings, daß die Kostimulation durch das ICOS Molekül auch in der Lage ist, die T-Zellaktivierung negativ zu beeinflussen: Die Langzeitstimulation via ICOS erzeugt eine deutliche Proliferationsdepression und einen Viabilitätsverlust der T-Zellen. Insgesamt lassen diese Ergebnisse den vorsichtigen Schluß zu, daß das ICOS Molekül eine wichtige Rolle an der Schnittstelle zwischen Expansion und Effektorfunktion einerseits und Depression der T-Zellen andererseits spielt. / The outcome of T-cell resonses after T-cell encounter with specific antigens is modulated by co-stimulatory signals, which are required for both lymphocyte activation and development of adaptive immunity. Here I report the initial characterization of a novel co-stimulatory molecule which enhances all basic T-cell functions and displays a unique induction and expression pattern. ICOS (for inducible co-stimulator) is a T-cellspecific activation antigen with high homology to CD28, the prototype of a co-stimulatory molecule. Analysis of induction requirements for ICOS expression revealed a two-signal dependency and cyclosporine A sensitivity. ICOS' expression kinetics are unique when compared with other early T-cell activation antigens. ICOS is induced very quickly on the T-cell surface and is rapidly upregulated following T-cell activation. The surface expression of ICOS is surprisingly prolonged - lasting at least 96 hours - considering its rapid induction kinetics. Stimulation via an ICOS-specific monoclonal antibody enhances all basic T-cell functions such as proliferation, upregulation of molecules that medicate cell-cell interaction, secretion of lymphokines and effective help for antibody secreting B-cells. Costimulation via ICOS is effective regardless of the route of action of the first signal (immobilized or soluble). Blockade of the ICOS interaction with its presumed ligand on B-cells does not inhibit immunoglobulin production by these B-cells, though. Finally long-term stimulation experiments reveal a possible negative role for ICOS in regulating T-cell responses. These results indicate that ICOS is a major regulator of the adaptive immune system determining the healthy balance of negative and positive signaling during T-cell activation and differentiation.

Les voies de signalisation des MAP kinases (MAPK) conventionnelles jouent des rôles essentiels pendant le développement des lymphocytes T (LT) ainsi que lors de leur activation suite à la reconnaissance antigénique. En raison de ses différences structurelles ainsi que de son mode de régulation, ERK3 fait partie des MAPK dites non-conventionnelles. Encore aujourd’hui, les événements menant à l’activation de ERK3, ses substrats ou partenaires ainsi que sa fonction physiologique demeurent peu caractérisés. Nous avons entrepris dans cette thèse d’étudier le rôle de ERK3 lors du développement et de l’activation des LT en utilisant un modèle de souris déficient pour l’expression de ERK3. Nous avons premièrement établi que ERK3 est exprimée chez les thymocytes. Ensuite, nous avons évalué le développement thymique chez la souris ERK3-déficiente et nous avons observé une diminution significative de la cellularité aux étapes DN1, DP et SP CD4+ du développement des LT. La création de chimères hématopoïétiques ERK3-déficientes nous a permis de démontrer que la diminution du nombre de cellules observée aux étapes DN1 et DP est autonome aux thymocytes alors que le phénotype observé à l’étape SP CD4+ est dépendant de l’abolition simultanée de ERK3 dans l’épithélium thymique et dans les thymocytes. Une étude plus approfondie de l’étape DP nous a permis de démontrer qu’en absence de ERK3, les cellules DP meurent plus abondamment et accumulent des cassures doubles brins (DSB) dans leur ADN. De plus, nous avons démontré que ces cassures dans l’ADN sont réalisées par les enzymes RAG et qu’en absence de ces dernières, la cellularité thymique est presque rétablie chez la souris ERK3-déficiente. Ces résultats suggèrent que ERK3 est impliquée dans un mécanisme essentiel à la régulation des DSB pendant le réarrangement V(D)J de la chaîne  du récepteur des cellules T (RCT). Dans le deuxième article présenté dans cette thèse, nous avons montré que ERK3 est exprimé chez les LT périphériques, mais seulement suite à leur activation via le RCT. Une fois activés in vitro les LT ERK3-déficients présentent une diminution marquée de leur prolifération et dans la production de cytokines. De plus, les LT ERK3-déficients survivent de façon équivalente aux LT normaux, mais étonnamment, ils expriment des niveaux plus faibles de la molécule anti-apoptotique Bcl-2. Ces résultats suggèrent que la prolifération réduite des LT ERK3-déficients est la conséquence d’une altération majeure de leur activation. Ainsi, nos résultats établissent que ERK3 est une MAPK qui joue des rôles essentiels et uniques dans le développement thymique et dans l’activation des lymphocytes T périphériques. Grâce à ces travaux, nous attribuons pour la toute première fois une fonction in vivo pour ERK3 au cours de deux différentes étapes de la vie d’un LT. / Classical MAP kinases (MAPK) play essential roles during T cell development and activation. ERK3 is a member of the MAPK family for which no physiological function has been described yet. Also, ERK3 is an atypical MAPK since its structure and mode of regulation are different from the conventional MAPK. Even today, the events leading to ERK3 activation and its substrates or partners are still largely unknown. We have studied in this thesis the role of ERK3 during T cell development and activation by using a mouse model in which ERK3 is not expressed. First, we have established that ERK3 is expressed in thymocytes. Next, we have evaluated thymic development in ERK3-deficient mice and we have observed a significant decrease in cell number at DN1, DP and CD4SP stages of T cell development. ERK3-deficient hematopoietic chimeras revealed that the DN1 and DP phenotype are T-cell autonomous, while abrogation of CD4SP development requires ERK3-deficiency in both thymocytes and thymic epithelium. By investigating further the DP stage, we have shown that ERK3-deficient DP thymocytes are more prone to apoptosis and also accumulate DNA double-strand breaks (DSBs). Moreover, we have shown that the increase DSBs are the direct consequence of RAG activity and that abolition of RAG almost restored thymic cellularity in ERK3-deficient mice. These results suggest that ERK3 is involved in an essential mechanism of DBSs regulation during TCR recombination. In the second article presented in this thesis, we have shown that ERK3 is expressed in peripheral T cell, but only when their TCR is activated. Also, ERK3-deficient T cells presented a strong reduction in proliferation and cytokine secretion following in vitro stimulation. Moreover, activated T cells lacking ERK3 are not more prone to death and surprisingly, they are unable to up-regulate the expression of the anti-apoptotic molecule Bcl-2 following TCR stimulation. These results suggest that the reduced proliferation of ERK3-deficient T cells is a consequence of their defective activation. Collectively, our results unveil essential and unsuspected roles for ERK3 in T cell development and activation. With this study, we establish for the first time an in vivo function for the atypical MAPK ERK3 in two different stages during T cell life.

Cytomegalovirus (CMV)-specific T cells expand with CMV reactivation and are probably prerequisite for control and protection. Given the critical role STAT5A phosphorylation (pSTAT5A) in T cell proliferation, this study presents a simple and sensitive flow cytometric-based pSTAT5A assay to quickly identify CMV-specific T cell proliferation. We determined pSTAT5A in T cells treated with CMV-specific peptide mix (pp65 + IE1 peptides) from 20 healthy adult subjects and three immunodeficient patients with CARMIL-2 mutation. After stimulation, the percentage of pSTAT5A+ T cells in CMV-seropositive (CMV+) subjects significantly increased from 3.0% ± 1.9% (unstimulated) to 11.4% ± 5.9% (stimulated) for 24 h. After 7 days of stimulation, the percentage of expanded T cells amounted to 26% ± 17.2%. Conversely, the percentage of pSTAT5A+ T cells and T cell proliferation from CMV-seronegative (CMV−) subjects hardly changed (from 3.0% ± 1.3% to 3.7% ± 1.8% and from 4.3% ± 2.1% to 5.7% ± 1.7%, respectively). We analyzed the correlation between the percentage of pSTAT5A+ T cells versus (1) CMV-IgG concentrations versus (2) the percentage of expanded T cells and versus (3) the percentage of initial CMV-specific T cells. In immunodeficient patients with CARMIL-2 mutation, CMV-specific pSTAT5A and T cell proliferation were completely deficient. In conclusion, flow cytometric-based pSTAT5A assay represents an appropriate tool to quickly identify CMV-specific T cell proliferation and helps to understand dysfunctions in controlling other pathogens. Flow cytometric-based pSTAT5A assay may be a useful test in clinical practice and merits further validation in large studies.

CD2 is a transmembrane molecule and a “non-canonical” member of the signaling lymphocyte activation molecule (SLAM) family of receptors that is expressed on T cells and NK cells. Its ligands, mouse CD48 and human CD58, are widely expressed on hematopoietic cells including antigen-presenting cells (APCs) and T cells. Previous studies indicated that CD2 promotes T-cell receptor (TCR) signaling when it is engaged by its ligands displayed on APCs. However, the supporting experimental data were rather controversial, and there is no general agreement about the role of CD2 in T cell activation. To study the function of CD2 and its ligands in T cells, we examined T cell functions in newly generated mouse strains lacking CD2 or CD48 in the C57BL/6 background. Compared to wild-type (WT) mice, T cells from CD2-deficient (“knock-out”; KO) mice had severe activation defects. Surprisingly, expression of CD48 on T cells, not on APCs, was also necessary for optimal T cell responses. We found evidence of CD2 interacted with CD48 in cis on T cells and observed their co-localization by confocal microscopy and fluorescence resonance energy transfer (FRET). The only exception was CD2-dependent cytotoxicity, which required CD48 both on T cells and on APCs. Mechanistic studies using mass spectrometry and structure-function analyses revealed that the cis interactions between CD2 and CD48 on T cells boosted TCR signaling, an effect that correlated with the capacity of CD2 to recruit the kinase Lck. Similarly, our further study revealed that the cis interactions between CD2 and CD58 on human T cells were also necessary for maximal TCR signaling and T cell activation. Taken together, our studies provide clear evidence that cis interactions between CD2 and its ligands on T cells are important in TCR signaling and T cell activation. Modulation of these cis interactions can be a promising approach to suppress or enhance T cell activation in a therapeutic setting. / CD2 est une molécule transmembranaire et un membre “ non-canonique ” de la famille de la famille SLAM (« signaling lymphocyte activation molecule ») exprimée à la surface des lymphocytes T et des cellules NK (« natural killer »). Les ligands de CD2, CD48 chez la souris et CD58 chez l’humain, sont exprimés de manière ubiquitaire sur les cellules hématopoïétiques, y compris sur les cellules présentatrices d’antigène (CPA) et lymphocytes T. Des études antérieures ont indiqué que CD2 est impliqué dans la signalisation des récepteurs TCR (« T-cell receptor ») en réponse à son engagement par CD48 sur le CPA; cependant, les données expérimentales qui supportent ce modèle sont plutôt contradictoires et aucun accord n’a été trouvé sur les rôle de CD2 dans l’activation de lymphocytes T. Pour étudier la fonction de CD2 et ses ligands, nous avons examiné les fonctions des lymphocytes T chez des souches de souris dépourvues de CD2 ou CD48 nouvellement générées à partir du “fond génétique” C57BL/6. Par rapport aux souris de type sauvage (WT; « wild-type »), les lymphocytes T de souris CD2-déficientes (« knock-out »; KO) présentent des sévères défauts d’activation. Il est intéressant de noter que l’expression de CD48 sur les lymphocytes T, mais non sur les CPA, était aussi nécessaire pour les réponses des lymphocytes T. Nous avons également démontré que CD2 interagit en cis avec CD48 sur les cellules T et avons observé leur co-localisation par microscopie confocale et FRET (« fluorescence resonance energy transfer) ». La seule exception était la cytotoxicité CD2- dépendante, qui nécessitait l’expression de CD48 à la fois sur les lymphocytes T et sur les CPA. L’étude des mécanismes par la spectrométrie de masse et les analyses structurefonction ont démontré que les interactions en cis entre CD2 et CD48 permettent de stimuler la signalisation du TCR, ce qui corrèle avec la capacité de CD2 à recruter la kinase Lck. De manière similaire, notre étude plus approfondie a démontré que les interactions en cis entre CD2 et CD58 sur les lymphocytes T humains sont nécessaires pour la signalisation maximale du TCR et l’activation cellulaire T. L’ensemble de nos études ont mis en évidence que les interactions en cis entre CD2 et ses ligands sur les lymphocytes T jouent un rôle important dans la signalisation du TCR et l’activation de ces cellules. La modulation de ces interaction en cis pourrait être une approche potentielle pour augmenter ou interférer avec l’activation des lymphocytes T dans un contexte thérapeutique.