La maladie de Parkinson est une maladie neurodégénérative causée par la destruction des neurones dopaminergiques. La cause sous-jacente de cette perte neuronale est inconnue. La maladie de Parkinson peut se développer tôt dans la vie (forme juvénile autour de 40 ans) ou sporadiquement (après l’âge de 60 ans).PINK1 (PTEN-induced putative kinase 1) et Parkin sont des gènes liés à la forme juvénile de la maladie de Parkinson. Ils influencent la réponse inflammatoire et la dysfonction mitochondriale. PINK1 et Parkin ont été impliqués dans la régulation négative de la présentation de protéines mitochondriales (MitAP). Ces protéines répriment la présentation de protéines mitochondriales sur les molécules du complexe majeur d'histocompatibilité de classe I (CMH I) à la suite d’un stress. MitAP est dépendant de la formation de vésicules mitochondriales (MDVs). La formation des MDVs est dépendante des protéines de trafic telles que de Snx9, Rab9, et Rab7. La diminution des niveaux d’expression de ces protéines induit une inhibition de MitAP. L'instabilité mitochondriale augmente également la fuite d'ADN mitochondrial dans le cytosol (à travers un mécanisme inconnu), ce qui entraîne l'activation du capteur d'ADN cytosolique tel que cGAS / STING. L’implication de MitAP dans l’auto-immunité a été démontrée. En effet, les souris PINK1 KO infectées par une bactérie intestinale Gram négatif, développe des lymphocytes T autoréactifs spécifiques aux antigènes mitochondriaux et des symptômes de type Parkinson. Des données récentes ont par ailleurs appuyé cette hypothèse en démontrant la présence de lymphocytes T autoréactifs spécifiques de l’alpha-synucléine, une protéine dont le dysfonctionnement est fortement associé à la maladie. Ainsi, nous avons émis l’hypothèse que les patients qui souffrent de la maladie de Parkinson ont un niveau plus élevé de MitAP. L’augmentation de MitAP, notamment au niveau des cellules présentatrices d’antigènes (CPA), entraînerait une autoréactivité mitochondriale et aussi une dérégulation inflammatoire causée par une augmentation de la production de MDVs. Cette production accrue de MDV entraînerait une augmentation des fuites d'ADN mitochondrial détecté par la voie cGAS/STING et induirait l’augmentation de la production de cytokines pro-inflammatoires impliquées dans la polarisation des lymphocytes T vers un phénotype auto-immun. Ici, nous montrons que les patients possèdent dans le sang, des lymphocytes T autoréactifs spécifiques aux antigènes mitochondriaux et que ces cellules expriment spécifiquement l’IL-17 (un marqueur des lymphocytes Th17 et Tc17, des types de lymphocytes qui est sont fortement liés aux maladies auto-immunes). Par ailleurs, nous montrons qu’en absence de PINK1, le traitement par endotoxine bactérienne (LPS) ou par la bactérie EPEC (Enteropathogenic Escherichia coli) des CPA a comme conséquence une surproduction d’un ensemble de cytokines pro-inflammatoires. Ces cytokines (IL-6, IL-23 et IL-1β) sont impliquées dans la polarisation des cellules Th17. Nous démontrons également que les CPA PINK1 KO traitées par le LPS induisent une polarisation biaisée des lymphocytes T vers un phénotype Th17. Nous démontrons également, dans une lignée de CPA déficientes pour des gènes associés à la biogenèse des MDVs, des niveaux d’expression réduits de cytokines pro-inflammatoires après infection par l’EPEC ou traitement avec le LPS. Ces données soulignent l’importance de la voie MitAP dans la pathophysiologie de la maladie Parkinson à travers la régulation de l’auto-immunité et de l’inflammation. / Parkinson's disease (PD) is a neurodegenerative disease caused by the destruction of dopamine neurons, yet, the underlying cause of this neuronal loss is still unknown. Parkinson's disease can be juvenile or early onset (before age 40) and sporadically (after the age of 60). PINK1 (PTEN-induced putative kinase 1) and Parkin are genes implicated in the juvenile form of PD that have also been shown to influence inflammatory responses and mitochondrial dysfunction. PINK1 and Parkin negatively regulate mitochondrial antigen presentation (MitAP). These proteins suppress the presentation of mitochondrial proteins on Major Histocompatibility Complex (MHC) Class I following stress. MitAP is dependent on the formation of mitochondrial vesicles (MDVs). These MDVs utilize traffic proteins such as Snx9, Rab9, and Rab7. Decreased levels of expression of any of these proteins inhibit MitAP. Mitochondrial instability also increases mitochondrial DNA leakage into the cytosol (through and unknown mechanism) resulting in activation of cytosolic DNA sensors like cGAS/STING. MitAP's implication in autoimmunity has been demonstrated in PINK1 KO mice infected with gram-negative intestinal bacteria resulting in auto-reactive T-cells specific to mitochondrial antigens and Parkinson's-like symptoms. In PD patients, auto-reactive T cells specific for alpha-synuclein, a protein whose dysfunction is associated with PD, have been found, suggesting that auto-reactive T-cells are present in PD. Thus, we hypothesized that PD patients would have increased levels of MitAP in antigen presenting cells (APCs) resulting in mitochondrial self-responsiveness as well as an inflammatory deregulation. This increased production of MDVs would result in an increase mtDNA leakage and ultimately be detected by the cGAS/STING pathway inducing the production of proinflammatory cytokines. Ultimately, these proinflammatory cytokines would induce the polarization of T-cells towards an autoimmune phenotype (Th17). Here, we show that APCs deficient in genes associated with MDVs biogenesis have reduced expression levels of pro-inflammatory cytokines after infection with Enteropathogenic Escherichia coli (EPEC) or the bacterial endotoxin LPS. We determine that in the absence of STING there is a strong inhibition of MitAP and cytokine expression in raw 264.7 macrophages after LPS treatment. Furthermore, we validate that in the absence of PINK1, LPS or EPEC treated BMDCs overproduce a set of pro-inflammatory cytokines (IL-6, IL-23 and IL-1β) that induce a biased polarization of T-cells to a Th17 phenotype. Finally, we observed mitochondrial antigen specific T-cells expressing IL-17 (a marker of Th17 and Tc17 lymphocytes, the types of lymphocytes that are strongly related to autoimmune diseases) in PD patients. This data highlights the importance of the MitAP pathway in the pathophysiology of Parkinson's disease through the regulation of autoimmunity and inflammation.

Die Entwicklung von Autoimmunerkrankungen wird durch eine Vielzahl verschiedener Faktoren verursacht, darunter gewisse Umwelteinflüsse, genetische Veranlagungen oder Virusinfektionen. So vielfältig die Ursprünge von Autoimmunerkrankungen sind, so divers sind die daraus resultierenden Erkrankungen, wodurch die Entwicklung zuverlässiger Therapien erschwert wird. Obwohl verschiedene Behandlungsmöglichkeiten existieren, welche die Symptome bei Autoimmunerkrankungen wie neuroinflammatorischer Multipler Sklerose (MS) mildern können, z.B. mit monoklonalen Antikörpern (mAk), wirken die meisten Medikamente breit und unspezifisch. Dies beeinträchtigt die Funktionalität des Immunsystems, was wiederum zu einem höheren Risiko für bakterielle und virale Infektionen, maligne Erkrankungen oder sekundäre Autoimmunität führen kann. Andere Therapieansätze untersuchen daher Möglichkeiten einer Antigen-abhängigen Immuntoleranz-Induktion. Allerdings befinden sich diese noch in den frühen Entwicklungsphasen und deren klinische Wirksamkeit muss noch bewiesen werden. Alternativ hat es sich in der onkologischen Immuntherapie als erfolgreich erwiesen, entweder natürliche oder gentechnisch veränderte Immunzellen zu aktivieren. Bisher wurden humane T-Zellen, welche mit Hilfe chimärer Antigenrezeptoren (CAR) mit ausgewählter Spezifität ausgestattet sind, sehr erfolgreich in der Klinik gegen Tumorerkrankungen genutzt. Basierend auf diesen klinischen Erfolgen stellt sich die Frage, ob CAR T-Zellen auch zur Behandlung von Autoimmunerkrankungen eingesetzt werden können. Herkömmlichen CAR T-Zellen mangelt es jedoch sowohl an Flexibilität als auch an Kontrollierbarkeit, da sie mit einem CAR gegen ein einzelnes Antigen ausgestattet sind und in Gegenwart des Zielantigens dauerhaft aktiviert und nicht kontrollierbar sind. Um Limitationen konventioneller CARs zu überwinden, wurden universelle Adapter-CARs (UniCARs, RevCARs) in der Gruppe von Prof. Bachmann entwickelt. Die modulare UniCAR-Plattform besteht aus universell einsetzbaren UniCAR T-Zellen und anpassbaren antigenspezifischen Zielmodulen (TMs). Die Bindungseinheit des UniCAR basiert auf einem mAk mit Spezifität gegen ein Peptidepitop, das Teil des TMs ist und welches spezifisch an Zielantigene auf Tumorzellen bindet. Das TM fungiert als Adaptermolekül, das eine Vernetzung der UniCAR T-Zelle mit der Zielzelle herstellt. Nach der Vernetzung mit der Zielzelle über das TM wird die UniCAR T-Zelle aktiviert, so dass die Zielzelle eliminiert wird. Eine vor Kurzem vorgenommene Modifikation der extrazellulären UniCAR-Domäne führte zu der Reverse CAR (RevCAR)-Plattform, welche die Spezifität und Sicherheit noch weiter erhöhen sowie tonische Signale konventioneller CARs reduzieren soll. Dabei wurde die extrazelluläre mAk-basierte UniCAR-Domäne mit dem Peptidepitop des TM ausgetauscht. Eines der am besten untersuchten Autoantigene bei neuroinflammatorischen Erkrankungen ist das Myelin-Oligodendrozyten-Glykoprotein (MOG). Dieses Protein befindet sich ausschließlich im zentralen Nervensystem an der abaxonalen Membran der nervenschützenden Myelinscheide. Obwohl neuroinflammatorische Erkrankungen wie MS hauptsächlich durch T-Zellen verursacht werden, wurden bei MS-Patienten auch Autoantikörper gegen MOG nachgewiesen, was auf die Beteiligung autoreaktiver B-Zellen an der Verschlimmerung der Krankheit hinweist. Diese Ergebnisse werden durch die wirksame Behandlung von MS-Patienten mit anti-CD20-mAks belegt. In dieser Arbeit wurde MOG als erstes Modell-Zielantigen für das Retargeting von CAR-modifizierten T-Zellen gegen anti-MOG-Ak-exprimierende humane Zellen verwendet. Ziel dieser Arbeit war neue TMs basierend auf der extrazellulären Domäne des MOG Antigens zu entwickeln, die dazu dienen, UniCAR oder RevCAR T-Zellen zur Eliminierung von anti-MOG Ak-exprimierenden Zielzellen zu aktivieren. Zur Bestimmung des optimalen MOG-Antigen TM-Formats wurden für die UniCAR-Plattform ein monovalentes (25 kDa) und ein bivalentes MOG-Antigen TM (50 kDa) entwickelt. Die Wirksamkeit des UniCAR-Systems wurde in vitro demonstriert. Es konnte dabei gezeigt werden, dass beide TMs bereits nach einer kurzen Inkubationszeit von 8 Stunden eine TM-spezifische Lyse Anti-MOG scFv-exprimierender menschlicher Zelllinien durch UniCAR-T-Zellen vermitteln. Darüber hinaus war es möglich, das zytotoxische Potential der UniCAR-T-Zellen durch die Dosierung der TMs zu kontrollieren. Um zu überprüfen, ob der Effekt basierend auf der UniCAR-Platform gegen anti-MOG scFv-exprimierende Zielzellen noch gesteigert werden kann, wurde ein monovalentes MOG-Antigen RevTM für die RevCAR-Plattform entwickelt. In Kombination mit RevCAR-T-Zellen übertraf die Anwendung des RevTM beide UniCAR TMs hinsichtlich Bindungsaffinität und dosisabhängiger Zytotoxizität gegen zwei anti-MOG scFv-exprimierende Zelllinien in vitro. Außerdem war die Freisetzung proinflammatorischer und T-Zellwachstum-fördernder Zytokine im Vergleich zu UniCAR T-Zellen höher und ausgeprägter. Weiterhin wurde die Funktionalität des RevCAR-Systems gegen anti-MOG-scFv-exprimierende Zielzellen in vivo bewiesen. Zusammenfassend kann geschlussfolgert werden, dass die modularen Adapter-CAR T-Zell-Plattformen neben der Krebsimmuntherapie auch bemerkenswertes Potential für die Behandlung von MOG-assoziierten Autoimmunerkrankungen hat. Damit konnte ein erster Grundstein dafür gelegt werden, CAR T-Zellen auf die Anwendung in Autoimmunerkrankungen zu übertragen, um zukünftig gezielt fehlerhafte Immunzellen zu beseitigen, die nachweislich zur Verschlimmerung von Autoimmunerkrankungen beitragen.:Table of contents I List of abbreviations VI 1 Introduction 1 1.1 The human immune system 2 1.2 B cells and antibodies 3 1.2.1 Antibody structure 3 1.2.2 Tolerance induction 4 1.2.3 B cell activation 5 1.2.4 B cell functions in autoimmune diseases 6 1.3 Multiple sclerosis – an example for neuroinflammatory demyelination diseases 8 1.3.1.1 Disease phenotypes 9 1.3.1.2 Immunopathogenesis 9 1.3.2 Autoantigen myelin oligodendrocyte glycoprotein 11 1.4 Immunotherapy 14 1.4.1 Monoclonal antibody therapy 14 1.4.2 Chimeric antigen receptor therapy 16 1.4.2.1 UniCAR and RevCAR T cell system 18 1.4.2.2 CAR T cells in autoimmune diseases 22 1.5 Objectives 23 2 Materials and Methods 25 2.1 Materials 25 2.1.1 Consumables 25 2.1.2 Devices and software 27 2.1.3 Chemicals and reagents 32 2.1.4 Buffers and solutions 36 2.1.5 Enzymes and enzyme buffers 38 2.1.6 Kit systems 39 2.1.7 Plasmid vectors 39 2.1.8 Oligonucleotides 41 2.1.9 Antibodies 41 2.1.10 Basic media, additives, and recombinant proteins 43 2.1.11 Composition of culture media 44 2.1.12 Bacterial strain 46 2.1.13 Cell lines 46 2.1.14 Mouse strain 47 2.2 Methods 47 2.2.1 Molecular biological and microbiology methods 47 2.2.1.1 DNA digestion with restriction enzymes 47 2.2.1.2 Dephosphorylation of vectors 48 2.2.1.3 Agarose gel electrophoresis 48 2.2.1.4 Isolation and purification of DNA fragments from agarose gels 48 2.2.1.5 Ligation of DNA fragments 49 2.2.1.6 Heat-shock transformation of competent E. colis 49 2.2.1.7 Plasmid mini preparation 49 2.2.1.8 Plasmid midi preparation 50 2.2.1.9 Determination of DNA concentration 50 2.2.1.10 DNA sequencing 50 2.2.2 Cell biology methods 50 2.2.2.1 Cultivation of eukaryotic cells 50 2.2.2.2 Freezing and thawing cultured cells 51 2.2.2.3 Determination of cell number 52 2.2.2.4 Lentiviral transduction of eukaryotic cells 52 2.2.2.5 Immunofluorescence labeling 54 2.2.2.6 Flow cytometry and analysis of flow cytometry data 55 2.2.2.7 Isolation of human peripheral blood mononuclear cells 57 2.2.2.8 Isolation of T cells from PBMCs with magnetic-activated cell sorting 58 2.2.2.9 Stimulation of isolated human T cells 58 2.2.2.10 Engraftment of T cells with chimeric antigen receptors 59 2.2.3 Methods of protein biochemistry 59 2.2.3.1 Isolation of target module constructs 59 2.2.3.2 Dialysis of purified target module constructs 60 2.2.3.3 Discontinuous Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis 60 2.2.3.4 Determination of concentration and immunochemical detection of target module constructs 62 2.2.3.5 Determination of binding affinities of target modules using enzyme-linked immunosorbent assay 63 2.2.4 In vitro functional studies 64 2.2.4.1 T cell activation and exhaustion assay 65 2.2.4.2 Luciferase assay (cytotoxicity assay) 65 2.2.4.3 Determination of cytokine concentration 65 2.2.5 In vivo functionality studies 66 2.2.5.1 Evaluation of tumor killing in vivo 66 2.2.5.2 Optical imaging of luciferase-expressing tumors in vivo 67 2.2.6 Statistical evaluation 67 3 Results 68 3.1 Design and generation of novel MOG target modules 68 3.1.1 MOG target module constructs 68 3.1.2 Expression of target modules 69 3.2 Establishment of scFv MOG-presenting cell models 72 3.3 Binding properties of MOG target modules 74 3.3.1 Determination of binding affinity between anti-MOG antibody and MOG target modules with enzyme-linked immunosorbent assay 74 3.3.2 Determination of binding affinity between anti-MOG receptor-expressing cell lines and MOG target modules with flow cytometry 75 3.4 Generation of human CAR-expressing T cells and binding of MOG target modules 80 3.4.1.1 Genetic modification of human T cells for UniCAR expression 81 3.4.1.2 Genetic modification of human T cells for RevCAR expression 83 3.5 Redirection of UniCAR T cells in vitro 85 3.5.1 Activation of redirected UniCAR T cells 85 3.5.2 Cytokine profile of redirected UniCAR T cells 87 3.5.3 Elimination of scFv MOG-positive target cells by UniCAR T cells 89 3.5.3.1 Time-dependent retargeting of scFv MOG-positive target cells by UniCAR T cells 89 3.5.3.2 Efficacy of UniCAR target modules 91 3.6 Redirection of RevCAR T cells in vitro 92 3.6.1 Activation of redirected RevCAR T cells 92 3.6.2 Cytokine profile of redirected RevCAR T cells 95 3.6.3 Elimination of scFv MOG-positive target cells by RevCAR T cells 99 3.6.3.1 Time-dependent retargeting of scFv MOG-positive target cells using RevCAR T cells 99 3.6.3.2 Efficacy of RevCAR target module 101 3.7 Investigation of RevCAR T cell-mediated cytotoxicity in vivo 103 4 Discussion 105 4.1 Structure and purification of MOG target modules 106 4.2 Expression and purification of target modules 107 4.3 Binding properties of MOG target modules 107 4.4 In vitro cytotoxic potential of UniCAR and RevCAR T cells redirected by MOG target modules 110 4.4.1 Target module-specific redirection of UniCAR T cells to scFv MOG-expressing target cells 110 4.4.2 Target module-specific redirection of RevCAR T cells to scFv MOG-expressing target cells 112 4.5 Future prospective 116 5 Summary 119 6 Zusammenfassung 121 7 References 124 List of figures 145 List of tables 147 Acknowledgement 148