Cardiovascular diseases (CVD), subsuming atherosclerosis of the coronary arteries and subsequent myocardial infarction, are the leading cause of death in the European Union (over 4 million deaths annually), with devastating individual and economic consequences. Recent studies revealed that T cells play a crucial role in post-MI inflammation, healing and remodelling processes. Nevertheless, the specificity profile of adaptive immune responses in the infarcted myocardium has not yet been differentiated. The experiments portrayed in this thesis sought to assess whether post-MI CD4+ T cell responses in mice are triggered by heart specific antigens, and eventually identify relevant epitopes. We were able to create a murine antigen atlas including a list of 206 epitopes for I-Ab and 193 epitopes for I-Ad presented on MHC-II in the context of MI. We sought to consecutively test this panel by in vitro T cell proliferation and antigen recall assays ex vivo. The elispot assay was used as a readout for antigen-specific stimulation by measurement of IL-2 and IFN-γ production, currently the most sensitive approach available to detect even small counts of antigen producing cells. Splenocytes as well as lymphocytes from mediastinal lymph nodes were purified from animals 7 days or 56 days after EMI conducted by ligation of the left anterior descending artery. We were able to provide evidence that post-MI T cell responses in Balb/c mice are triggered by heart-specific antigens and that MYHCA, especially MYHCA614-628, is relevant for that response. Moreover, a significant specific T cell response after MI in C57BL/6J mice was observed for α actin, cardiac muscle 1 [ACTC1], myosin-binding protein C3 [MYBPC3] and myosin heavy chain α [MYHCA] derived heart specific antigens. Generally, the epitopes of interest for Balb/c as well as C57BL/6J could be further investigated and may eventually be modulated in the future. / Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD) sowie der häufig folgende Myokardinfarkt sind die häufigsten Todesursachen in der Europäischen Union (über 4 Millionen Todesfälle pro Jahr) mit verheerenden individuellen und wirtschaftlichen Folgen. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass T-Zellen eine entscheidende Rolle bei Entzündungs-, Heilungs- und Umbauprozessen nach einem Myokardinfarkt spielen. Das Spezifitätsprofil adaptiver Immunantworten im infarzierten Myokard konnte bisher jedoch noch nicht differenziert werden. Die in dieser Arbeit dargestellten Experimente gingen der Frage nach, ob CD4+ T-Zellantworten nach einem Myokardinfarkt in Mäusen durch herzspezifische Antigene ausgelöst werden und ob hieraus relevante Epitope identifiziert werden können. Uns gelang es, einen Maus-Antigen-Atlas zu erstellen, der eine Zusammenstellung von 206 Epitopen für I-Ab und 193 Epitope für I-Ad enthält, welche auf MHC-II im Rahmen des Myokardinfarkts präsentiert werden. Dieses Panel wurde nacheinander durch In-vitro-T-Zell-Proliferations- und Antigen-Recall-Assays ex vivo getestet. Der Elispot-Assay wurde als sensitivster verfügbare Ansatz zur Quantifizierung der antigen-spezifischen Stimulation durch Messung der IL-2- und IFN-γ-Produktion verwendet. Splenozyten sowie Lymphozyten aus mediastinalen Lymphknoten der Mäuse wurden 7 Tage bzw. 56 Tage nach einem experimentellen Myokardinfarkt, welcher durch Ligation der RIVA Arterie durchgeführt wurde, aufgereinigt. Wir konnten nachweisen, dass Post-MI-T-Zellantworten in Balb/c Mäusen durch herzspezifische Antigene ausgelöst werden, und dass MYHCA, insbesondere MYHCA614-628, für diese Antwort relevant ist. Darüber hinaus konnte eine signifikante spezifische T-Zell-Antwort nach Myokardinfarkt in C57BL/6J Mäusen auf aus Alpha-Actin des Herzmuskels 1 [ACTC1], Myosin-bindendes Protein C vom Herztyp [MYBPC3] und der schweren Kette des Myosins α [MYHCA] generierten herzspezifischen Antigenen gezeigt werden.

Changes in cis- and trans-regulatory elements are among the prime sources of genetic and phenotypical variation at species level. The introduction of cis- and trans- regulatory variation has played important roles in driving diversity, phenotypical differentiation, and evolution of humans. Therefore, variation that occurs on cis- and trans- regulatory elements becomes imperative to better understanding of human genetic diversity and its evolution. In this research, around 3360 gene regulatory factors (GRF) from the human genome were catalogued. This catalog includes genes that code for proteins that perform gene regulatory activities such DNA-depending transcription, RNA polymerase II transcription cofactor and co-repressor activity, chromatin binding and remodeling, among other 218 regulatory functions. This GRF catalog allowed us to initially explore how some GRF genes have evolved in humans, archaic humans (Neandertal and Denisovan) and non-human primate species. We discussed the likely phenotypical and medical effects that evolutionary changes in GRF genes may have introduced into the human genome; for instance, traits associated to speech and language capabilities, genomic recombination hotspots, diseases, among others. By using genome-wide datasets, we additionally looked for GRFs likely to be candidates for positive selection in three human populations: Utah Residents with Northern and Western Ancestry (CEU), Han Chinese in Beijing (CHB), and Yoruba in Ibadan (YRI). As result, we produced a set of candidates that gathers genes that may have contributed in shaping the phenotypical diversity currently observed in these populations; for instance, by introducing regulatory diversity at population-specific level. We additionally identified six GRF classes enriched for genes located in regions that are likely candidates for positive selection at population specific level. We found that out of the 41 DNA-binding GRF classes classified so far, six groups exhibited enrichment for genes located on regions that may have been under positive selection: C2H2 zinc finger, KRAB-ZNF zinc finger, Homeo domain, Tryptophan cluster, Fork head/winged helix and, and High-mobility HMG domain. We additionally identified three KRAB-ZNF gene clusters, in the chromosomes one, three, and 16, for the Asian population that exhibit regions with extended haplotype homozygosity EHH (larger than 100 kb). This EHH suggests that these regions have undergone positive selection in CHB population. Finally, considering that a representative fraction of the phenotypic diversity observed between humans and its closely related species are likely explained by changes in cis-regulatory elements (CREs), we investigated putative binding sites for the transcription factor GABPa. Using ChIP-Seq data generated from a human cell line (HEK293T), 11,619 putative GABPa CREs were found, Out of which 224 are putative human-specific. To experimentally validate the transcriptional activity of these human-specific CREs, reporter gene essays and knock-down experiments were performed. Our results supported the functionality of these human-specific GABPa CREs and suggest that at least 1,215 genes are primary targets of GABPa. Finally, further analyses depict scenarios that put together transcriptional regulation by GABPa and the evolution of particular human traits; for instance, cognitive abilities, breast morphology, lipids and glucose metabolic pathways, among others.

Die Regulation von Effektor-T-Zellen ist ein wichtiger Mechanismus zur Kontrolle organspezifischer Entzündungen. Dabei sind regulatorische T-Zellen (Treg) maßgeblich an der Aufrechterhaltung peripherer Immuntoleranz und parenchymaler Immunhomöostase beteiligt. Eine neue Population von humanen, natürlich vorkommenden Treg Zellen wurde durch ihre konstitutive Expression des immuntolerogenen Moleküls HLA-G identifiziert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden die Mechanismen, durch die CD4+ HLA-Gpos Treg Zellen ihre Zielzellen (autologe HLA-Gneg T-Zellen) modulieren, aufgeklärt. Unter Verwendung eines Suppressionsansatzes in Abwesenheit von antigenpräsentierenden Zellen (APC) wurden T-T-Zell-Interaktionen, die die Proliferation von HLA-Gneg T-Zellen hemmen, demonstriert. Diese Suppression, die durch die Stimulierung des T-Zell-Rezeptors auf HLA-Gpos Treg Zellen verstärkt wurde, war unabhängig vom Zell-Zell-Kontakt. Die HLA-Gneg T-Zellen erlangten nach Entfernung der HLA-Gpos Treg Zellen und einer erneuten Stimulierung ihrer T-Zell- Rezeptoren ihre Fähigkeit zur Proliferation wieder. Dies wies auf die Umkehrbarkeit dieser Suppression hin. Darüber hinaus war die HLA-Gpos Treg-vermittelte Suppression entscheidend von der IL-10- Sekretion, nicht jedoch von TGF-β abhängig. Zusammengefasst beschreibt dieser Teil der Arbeit eine detaillierte Charakterisierung der Mechanismen, wie HLA-Gpos Treg HLA-Gneg TZellen supprimieren. Das tiefere Verständnis der Wirkmechanismen von HLA-Gpos Treg könnte in therapeutischen Strategien verwendet werden, in denen die regulatorische Funktion der T-Zell-Suppression verstärkt oder moduliert werden soll. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die potenzielle Rolle von HLA-Gpos Treg bei der Multiplen Sklerose (MS) untersucht, einer klassischen Autoimmunerkrankung des Zentralnervensystems (ZNS). Im Gegensatz zu Vergleichspatienten mit nicht-entzündlichen Erkrankungen konnte im Liquor von MS Patienten eine erhöhte Anzahl von HLA-Gpos Treg gefunden werden. Diese aus dem Liquor isolierten HLA-Gpos Treg wiesen phänotypische Merkmale von zentralen Gedächtnis-T-Zellen (CD45RA- CD27+) auf, exprimierten den Aktivierungsmarker ICOS sowie deutlich höhere Level des Chemokinrezeptors (CCR) CCR5 und agierten als starke Suppressoren der autologen CD4+ T-Zellproliferation. Durch Verwendung eines in vitro Modells der humanen Bluthirnschranke konnte demonstriert werden, dass HLA-Gpos Treg eine starke Neigung zur Migration haben, die durch die CCR5- Liganden MIP1α und RANTES, nicht jedoch durch MIP3β (Ligand von CCR7) unterstützt wird. Diese Chemokin-induzierte Migration von HLA-Gpos Treg war auch mit einer Steigerung der suppressiven Kapazität nach Zelltransmigration assoziiert. Im Gegensatz zu CD4+CD25+, FoxP3-exprimierenden Treg zeigten HLA-Gpos Treg von MS-Patienten keine beeinträchtigte Funktionalität. Dies deutet auf eine selektive Rekrutierung von HLA-Gpos Treg zu Entzündungsherden im ZNS und ihre Beteiligung an der Bekämpfung der destruktiven Entzündung hin. Die Ergebnisse dieser Studien tragen zum weitergehenden Verständnis der Rolle und Funktion HLA-Gpos Treg Zellen bei und stellen somit ein wichtiges pathophysiologisches Beispiel „gutartiger“ T-Zell-Entzündung während der ZNS Autoimmunität dar, das sowohl aus pathophysiologischer als auch therapeutischer Sicht interessant ist. / Regulation of effector T cells is an important mechanism to control organ-specific inflammation. Thereby regulatory T cells (Treg cells) are essential for maintaining peripheral immune tolerance and for establishing parenchyma immune homeostasis. A novel population of natural human Treg characterized by the constitutive expression of the immune-tolerogenic human HLA-G molecule has been identified. In the first part of the study, we elucidated the mechanism(s) by which CD4+ HLA-Gpos Treg modulates their cellular targets namely autologous HLA-G negative responder T cells (HLAGneg Tresp). Using a suppression system free of antigen-presenting cells (APC), we demonstrate a T-T cell interaction resulting in suppression of HLA-Gneg Tresp. We could also show that this suppression was independent of cell-cell contact. Importantly, stimulus of T cell receptor (TCR) on HLA-Gpos Treg facilitated their suppressive capacity. We also observed that removal of HLA-Gpos Treg from the established co-cultures could restore the ability of HLA-Gneg Tresp to proliferate upon TCR re-stimulation, indicating that the suppression was reversible. Further, HLA-Gpos Treg–mediated suppression was critically depending on the secretion of IL-10 but not TGF-β. Taken together, this part of the work provides an in-depth characterization of the mechanisms of how HLA-Gpos Treg suppresses T responder cells in direct T-T interactions. Understanding the suppressive mechanism used by HLA-Gpos Treg may help to develop therapeutic strategies to modulate regulatory arms of T-cell suppression. In the second part of this study, the potential role of HLA-Gpos Treg in the pathophysiological process of Multiple Sclerosis (MS), a prototypic autoimmune inflammatory central nervous system (CNS), has been investigated. We found that HLA-Gpos Treg are enriched in the cerebrospinal fluid (CSF) from MS patients, but not in non-inflammatory controls. CSFderived HLA-Gpos Treg showed predominance of central memory (CD45RA-CD27+) phenotype, exhibited markers of activation (ICOS), and had significantly higher expression of the inflammatory chemokine receptor CCR5. Importantly, these cells demonstrated as potent suppressors to autologous CD4+ T-cell proliferation. Using an in vitro model of human blood brain barrier, we showed that HLA-Gpos Treg have a strong propensity to migrate, which could be facilitated by MIP1α and RANTES (ligands of CCR5) but not MIP3β (a ligand of CCR7). The HLA-Gpos Treg migration triggered by chemokines was also associated with a gain of suppressive capacity upon cellular transmigration. In contrast to CD4+CD25+ naturally occurring FoxP3-expressing Treg, HLA-Gpos Treg from patients with MS did not exhibit impaired function, suggesting that HLA-Gpos Treg are selectively recruited to the sites of CNS inflammation in an effort to combat destructive inflammation during MS. Our results contribute to the understanding of the role and function of HLA-Gpos Treg and provide an important example of “beneficial” T-cell inflammation in CNS autoimmunity- interesting both from a patho/-physiological and a therapeutically point of view.

‘Heterosis’ is a term used in genetics and breeding referring to hybrid vigour or the superiority of hybrids over their parents in terms of traits such as size, growth rate, biomass, fertility, yield, nutrient content, disease resistance or tolerance to abiotic and abiotic stress. Parental plants which are two different inbred (pure) lines that have desired traits are crossed to obtain hybrids. Maximum heterosis is observed in the first generation (F1) of crosses. Heterosis has been utilised in plant and animal breeding programs for at least 90 years: by the end of the 21st century, 65% of worldwide maize production was hybrid-based. Generally, it is believed that an understanding of the molecular basis of heterosis will allow the creation of new superior genotypes which could either be used directly as F1 hybrids or form the basis for the future breeding selection programmes. Two selected accessions of a research model plant Arabidopsis thaliana (thale cress) were crossed to obtain hybrids. These typically exhibited a 60-80% increase of biomass when compared to the average weight of both parents. This PhD project focused on investigating the role of selected regulatory genes given their potentially key involvement in heterosis. In the first part of the project, the most appropriate developmental stage for this heterosis study was determined by metabolite level measurements and growth observations in parents and hybrids. At the selected stage, around 60 candidate regulatory genes (i.e. differentially expressed in hybrids when compared to parents) were identified. Of these, the majority were transcription factors, genes that coordinate the expression of other genes. Subsequent expression analyses of the candidate genes in biomass-heterotic hybrids of other Arabidopsis accessions revealed a differential expression in a gene subset, highlighting their relevance for heterosis. Moreover, a fraction of the candidate regulatory genes were found within DNA regions closely linked to the genes that underlie the biomass or growth heterosis. Additional analyses to validate the role of selected candidate regulatory genes in heterosis appeared insufficient to establish their role in heterosis. This uncovered a need for using novel approaches as discussed in the thesis. Taken together, the work provided an insight into studies on the molecular mechanisms underlying heterosis. Although studies on heterosis date back to more than one hundred years, this project as many others revealed that more investigations will be needed to uncover this phenomenon. / „Heterosis“ ist ein in der Genetik und der Züchtung verwendeter Begriff, der die Hybridwüchsigkeit oder die Überlegenheit der Hybriden über ihre Eltern in Bezug auf Eigenschaften wie Größe, Wachstumsrate, Biomasse, Fruchtbarkeit, Ertrag, Nährstoffgehalt, Widerstand gegen Krankheiten oder Toleranz in Bezug auf biotischen oder abiotischen Stress bezeichnet. Um Hybriden zu erzeugen, werden aus zwei verschiedenen Inzuchtlinien (reine Linien) bestehende Elternpflanzen, welche die gewünschten Eigenschaften besitzen, miteinander gekreuzt. Der stärkste Heterosiseffekt wird in der ersten Kreuzungsgeneration (F1) beobachtet. Heterosis wird in Pflanzen- und Tierzuchtprogrammen schon seit mindestens 90 Jahren genutzt. So beruhte zum Ende des 20. Jahrhunderts 65% der weltweiten Maisproduktion auf Hybridzüchtung. Es wird angenommen, dass ein Verständnis der molekularen Grundlagen der Heterosis die Schaffung neuer, überlegener Genotypen erlaubt, die dann direkt als F1-Hybriden verwendet, oder als Grundlage für zukünftige Zucht- und Selektionsprogramme dienen können. Zwei ausgewählte Akzessionen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) wurden miteinander gekreuzt, um Hybriden zu erzeugen. Verglichen mit dem durchschnittlichen Gewicht ihren beiden Elternlinien zeigten diese eine 60-80%ige Zunahme an Biomasse. Diese Doktorarbeit befasst sich damit, die Rolle ausgewählter, regulatorischer Gene und ihre mögliche Schlüsselrolle bei der Heterosis zu untersuchen. Im ersten Teil der Arbeit wurde anhand der Gehaltsbestimmung ausgewählter Stoffwechselprodukte und Wachstumsbeobachtungen bei den Eltern und Hybriden das günstigste Entwicklungsstadium für diese Heterosisstudie bestimmt. In diesem Entwicklungsstadium wurden ungefähr 60 regulatorische Gene (d.h. Expressionsunterschiede zwischen Hybriden und Elternlinien) als Kandidaten identifiziert. Ein Großteil dieser Kandidaten waren Transkriptionsfaktoren, also Gene, die die Expression anderer Gene regulieren. Die nachfolgende Expressionsanalyse dieser Kandidatengene in Biomasse-Heterosis Hybriden anderer Arabidopsis Akzessionen zeigte bei einem Teil dieser Gene Expressionsunterschiede, die ihre Bedeutung bei der Heterosis betonen. Darüber hinaus wurde ein Teil dieser regulatorischen Kandidatengene innerhalb von DNS-Regionen gefunden, die eng mit Biomasse- oder Wachstumsheterosis in Verbindung stehen, und somit ihre Wichtigkeit in Bezug auf Heterosis unterstreichen. Weitergehende Analysen um die Rolle dieser ausgewählten regulatorischen Kandidatengene bei der Heterosis aufzuklären, waren nicht aussagekräftig genug, um ihre Rolle bei der Heterosis zu bestätigen. In der Doktorarbeit wird die Notwendigkeit neue Wege zur Aufklärung der Heterosis zu finden, diskutiert. Zusammenfassend gibt diese Doktorarbeit einen Einblick über Studien der molekularen Mechanismen, die der Heterosis zugrunde liegen. Diese Arbeit zeigt, dass obwohl Heterosis bereits seit mehr als hundert Jahren studiert wird, weitere Untersuchungen zur Aufklärung dieses Phänomens notwendig sind.

Natürlich vorkommende regulatorische T-Zellen spielen eine entscheidende Rolle für die intestinale Immunhomöostase und Limitierung von (Auto)-Immunität. Sie exprimieren den Transkriptionsfaktor Foxp3 und an der Oberfläche die α-Kette des IL-2 Rezeptors (CD25). Im Tiermodell verhindern regulatorische T-Zellen Autoimmunopathien, Transplantatabstoßungen und entzündliche Darmerkrankungen. Da Foxp3+ regulatorische T-Zellen nur äußerst geringe Mengen an Interleukin-2 synthetisieren, sind sie auf eine adäquate Versorgung angewiesen. Konventionelle T-Zellen werden als bedeutende IL-2 Quelle für Treg-Zellen vermutet, doch über die Mechanismen und räumlich-zeitliche Dynamik der Treg-Effektor-Zellinteraktion ist bisher nur wenig bekannt. In dieser Arbeit wurden Foxp3+ regulatorische T-Zellen in Mausgeweben analysiert und Zellinteraktionen mit Effektorzellen im Darm charakterisiert. Es wurde ein theoretisches Modell zur Evaluierung von Zell-Zellkontakten erarbeitet und experimentell überprüft. Es konnte gezeigt werden, dass in der Akutphase einer T-Zell-induzierten Kolitis und im Kolon von gesunden Wildtyp-Mäusen Foxp3+ regulatorische T-Zellen an Ki-67+ proliferierenden T-Zellen akkumulieren. Diese Zellinteraktionen sind abhängig von Interleukin-2, da IL-2 defiziente Mäuse keine signifikanten Treg-Effektor-Zellakkumulationen aufweisen. Die Analyse der Genexpression konnte zeigen, dass Ki-67+ Zellen Interleukin-2 produzieren. Lokal sezerniertes Interleukin-2 könnte als Sensor für Entzündungsprozesse chemotaktisch auf Foxp3+ regulatorische T-Zellen wirken und die Akkumulation an proliferierenden, IL-2 produzierenden Effektorzellen bedingen. Dieser Mechanismus könnte einerseits zur lokalen Versorgung mit IL-2 dienen und gleichzeitig regulierend auf Effektorzellen in unmittelbarer Umgebung wirken. Dieser Prozess würde zur Erhaltung von regulatorischen T-Zellen in der Peripherie und zur Sicherung der intestinalen Immunbalance beitragen.

Changes in cis- and trans-regulatory elements are among the prime sources of genetic and phenotypical variation at species level. The introduction of cis- and trans- regulatory variation has played important roles in driving diversity, phenotypical differentiation, and evolution of humans. Therefore, variation that occurs on cis- and trans- regulatory elements becomes imperative to better understanding of human genetic diversity and its evolution. In this research, around 3360 gene regulatory factors (GRF) from the human genome were catalogued. This catalog includes genes that code for proteins that perform gene regulatory activities such DNA-depending transcription, RNA polymerase II transcription cofactor and co-repressor activity, chromatin binding and remodeling, among other 218 regulatory functions. This GRF catalog allowed us to initially explore how some GRF genes have evolved in humans, archaic humans (Neandertal and Denisovan) and non-human primate species. We discussed the likely phenotypical and medical effects that evolutionary changes in GRF genes may have introduced into the human genome; for instance, traits associated to speech and language capabilities, genomic recombination hotspots, diseases, among others. By using genome-wide datasets, we additionally looked for GRFs likely to be candidates for positive selection in three human populations: Utah Residents with Northern and Western Ancestry (CEU), Han Chinese in Beijing (CHB), and Yoruba in Ibadan (YRI). As result, we produced a set of candidates that gathers genes that may have contributed in shaping the phenotypical diversity currently observed in these populations; for instance, by introducing regulatory diversity at population-specific level. We additionally identified six GRF classes enriched for genes located in regions that are likely candidates for positive selection at population specific level. We found that out of the 41 DNA-binding GRF classes classified so far, six groups exhibited enrichment for genes located on regions that may have been under positive selection: C2H2 zinc finger, KRAB-ZNF zinc finger, Homeo domain, Tryptophan cluster, Fork head/winged helix and, and High-mobility HMG domain. We additionally identified three KRAB-ZNF gene clusters, in the chromosomes one, three, and 16, for the Asian population that exhibit regions with extended haplotype homozygosity EHH (larger than 100 kb). This EHH suggests that these regions have undergone positive selection in CHB population. Finally, considering that a representative fraction of the phenotypic diversity observed between humans and its closely related species are likely explained by changes in cis-regulatory elements (CREs), we investigated putative binding sites for the transcription factor GABPa. Using ChIP-Seq data generated from a human cell line (HEK293T), 11,619 putative GABPa CREs were found, Out of which 224 are putative human-specific. To experimentally validate the transcriptional activity of these human-specific CREs, reporter gene essays and knock-down experiments were performed. Our results supported the functionality of these human-specific GABPa CREs and suggest that at least 1,215 genes are primary targets of GABPa. Finally, further analyses depict scenarios that put together transcriptional regulation by GABPa and the evolution of particular human traits; for instance, cognitive abilities, breast morphology, lipids and glucose metabolic pathways, among others.

Regulatorische T-Zellen (Tregs) spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation atopischer Erkrankungen. Die Voraussetzungen für eine allergische Reaktionslage werden schon während der intrauterinen Entwicklung geschaffen. Über den Einfluss der intrauterinen Umgebung auf die Tregs zur Geburt ist bisher wenig bekannt. In der vorliegenden Arbeit sollte in der prospektiven Geburtskohorten-Studie LINA (Einfluss von Lebensstil und Umweltfaktoren auf das Allergierisiko Neugeborener) geklärt werden, inwiefern der Immunstatus der werdenden Mutter, eine atopische Familienanamnese sowie Umweltexpositionen während der Schwangerschaft den Immunstatus der Neugeborenen beeinflussen. Ein besonderer Schwerpunkt wurde dabei auf Tregs gelegt. Weiterhin sollte die Relevanz der Tregs zur Geburt für das Allergierisiko im ersten Lebensjahr des Kindes analysiert werden. Die Messung der Anzahl und Funktionalität der Tregs im Blut der werdenden Mutter in der 34. Schwangerschaftswoche und im Nabelschnurblut erfolgte sowohl durchflusszytometrisch in einer Subkohorte (n=24 Mutter-Kind Paare), als auch durch eine methylspezifische qPCR in der gesamten Kohorte der LINA-Studie (n=346 Mutter-Kind Paare). Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten erstmals darauf hin, dass mütterliche Tregs möglicherweise einen regulatorischen Einfluss hinsichtlich der Programmierung des fötalen Immunsystems haben (Hinz et al., Clin Exp Allergy 2010). Die durchflusszytometrische Charakterisierung der Tregs der Mutter-Kind Paare zeigte beim Vergleich der Expression von CD4, CD25, CD127 und FOXP3, dass der Anteil der CD4+CD25high Tregs im Nabelschnurblut deutlich höher war, der Anteil FOXP3 positiver Zellen innerhalb der CD4+CD25high Tregs Population war zur Geburt jedoch signifikant geringer, verglichen mit den werdenden Müttern. Weiterhin war eine geringe Anzahl mütterlicher Tregs während der Schwangerschaft und eine erhöhte Produktion der TH2-Zytokine IL-4, IL-5 und IL-13 mit erhöhten Gesamt-IgE-Spiegeln im Nabelschnurblut verbunden (Hinz et al., 2010). Durch die Quantifizierung der Tregs auf Basis des TSDR-Methylierungsstatus` im FOXP3 Gen, einer spezifischen und zuverlässigen Methode zum Nachweis stabiler Tregs, konnte der Zusammenhang zwischen einer Vielzahl pränataler Faktoren, Tregs zur Geburt und dem Allergierisiko in der gesamten Geburtskohorte geklärt werden (Hinz et al., Allergy 2011). Das männliche Geschlecht des Kindes, die Atopie der Eltern, Rauchen und Desinfektionsmittel-Exposition während der Schwangerschaft sowie eine erhöhte mütterliche Produktion von IFN-γ, IL-13 und IL-17E war mit einer geringeren Treg-Anzahl im Nabelschnurblut assoziiert. Für Kinder mit einer geringeren Treg-Anzahl im Nabelschnurblut war das Risiko für eine atopische Dermatitis und einer Sensibilisierung gegen Nahrungsmittelallergene im ersten Lebensjahr signifikant höher (Hinz et al., 2011).

Regulatorische Foxp3+CD4+ T-Zellen sind essentiell für das Gleichgewicht des intestinalen Immunsystems. Eine Einschränkung ihrer Suppressionsfunktion wird bei Patienten mit Immune dysregulation, polyendocrinopathy, enteropathy, X-linked (IPEX)-Syndrom beobachtet und führt im Tiermodell zu lymphoproliferativen Erkrankungen und intestinalen Entzündungen. Von entscheidender Bedeutung für Homöostase und Suppressionsfunktion regulatorischer T-Zellen ist das Signalmolekül Interleukin-2 (IL-2). Im Gegensatz zu Effektor-T-Zellen exprimieren Foxp3+CD4+ T-Zellen den hochaffinen IL-2-Rezeptor αβγ konstitutiv. IL-2 wird von regulatorischen T-Zellen nicht in relevanten Mengen exprimiert. Sie sind somit auf von anderen Zellen sezerniertes IL-2 angewiesen. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass im Tiermodell regulatorische Foxp3+CD4+ T-Zellen durch Applikation eines IL-2/anti-IL-2-Antikörperkomplex nicht nur in mesenterialen Lymphknoten und Milz, sondern auch lokal in der Lamina propria mucosae des Kolons der Versuchstiere expandiert werden. Als relevante Quelle von IL-2 in situ könnten aktivierte proliferierende T-Zellen dienen. Um dies näher zu untersuchen, wurde die Proteinexpression proliferierender Einzelzellen mittels Matrix assisted laser desorption/ionisation-Time of flight-Massenspektrometrie-Imaging (MALDI-Imaging) analysiert. Es gelang die Identifikation präferentiell in lymphoiden Geweben exprimierter Peptidmassen. Obwohl die Einzelzellanalyse mittels MALDI-Imaging prinzipiell möglich erscheint, ist ein Nachweis von Zytokinen wie IL-2 derzeit aufgrund fehlender Sensitivität im Proteinmassebereich zwischen 10kDa und 20kDa nicht möglich. Die therapeutischen Möglichkeiten der Expansion regulatorischer Foxp3+ T-Zellen durch stabile IL-2-Rezeptor-Agonisten und die Rolle von IL-2 für die intestinale Immunregulation sollten weiter untersucht werden.

Background Regulatory T cells (Treg) are a subpopulation of CD4+ T cells that play an important role in the peripheral tolerance mechanisms of the immune system. Their suppressive function on autoreactive T cells can prevent autoimmunity. In type 1 diabetes (T1D), Treg have been inconsistently reported to be impaired in their capability to suppress autoreactive T cells (Tan, et al., 2014; Zhang, et al., 2012). Treg can be thymus derived (tTreg) or generated from naïve CD4+ CD25- T cells in the periphery (pTreg), which exhibit similar suppressive qualities as tTreg. They have also been reported to be actively induced (iTreg) under tolerogenic conditions (Kleijwegt, et al., 2010; Yuan and Malek, 2012). Although several Treg subpopulations have been described, the archetypical Treg express the major markers CD4, CD25 and FOXP3, while CD127 is heavily downregulated. However, activated conventional T cells (Tconv) show a similar phenotype, at least transiently (Miyara, et al., 2009). Since Treg and Tconv have opposing functions and therapeutic indications, it is important to obtain markers that confidently identify bona fide Treg. Scientific aim The aim of my thesis is to define the heterogeneity of human T cells with a specific emphasis to identify bona fide Treg. I examined heterogeneity of this population in healthy controls and T1D patients, as my model disease, and examined how T cells that are exposed to antigen can be defined as Treg or Tconv. Material and Methods For marker phenotyping I used samples from new onset T1D patients (age 7-11 years), autoantibody positive (Aab+) patients and age-matched healthy controls, which were tested by flow cytometry with an array of Treg-associated markers. Separately, freshly isolated CD4+CD25+CD127lo Treg and CD+CD25- Tconv were used for transcriptomic analysis, which was done by RNAseq on isolated whole RNA. For functional analysis of antigen specific gene expression patterns I developed a multi-dye proliferation assay. Treg (CD4+CD25+CD127lo) and Tconv (CD4+CD25-CD127+/lo) were sorted from isolated peripheral blood mononuclear cells (PBMC). I recombined the sorted and proliferation dye stained subsets with CD4- cells to simulate whole PBMC assays and stimulated them with tetanus-, influenza- or auto-antigens (GAD65, proinsulin). Cells were incubated for 5 days and responding proliferating cells as well as non-responding cells were single cell sorted and analyzed by multiplex qPCR. In investigating therapeutic approaches to expand or generate Treg, I examined in vitro approaches for de novo induction of Tregs with tolerogenic dendritic cells (tDCs). The tDCs were differentiated from monocytes either in the presence of 1α,25-OH(2)Vitamin D3 and/or Dexamethasone and matured with lipopolysaccharide. In a multistep assay, naïve T cells were incubated with DCs for two rounds and functional suppression assays were performed. The resultant T cells were analyzed at the DNA, protein, and functional level. Results Substantial phenotypic heterogeneity of peripheral blood CD4+ T cells was observed and documented for three major populations: resting Tconv (CD25-CD127+/lo), activated Tconv (CD25+CD127+) and Treg (CD25+CD127lo) in healthy controls. Despite this, I observed no differences between the Treg subpopulations from new onset T1D patients, Aab+ patients and healthy controls. In addition, there were no differences in the Treg transcriptome of T1D patients and healthy controls by RNAseq. I was, however, able to identify a small set of differentially expressed genes was discovered in Tconv suggesting a role of neutrophils in the onset of T1D. Heterogeneity of antigen-responsive Tconv and Treg was identified by gene expression profiling. I was able to define Treg specific as well as activation specific profiles, and found different expression profiles if T cells are foreign antigen or autoantigen activated and if the responding cells are Treg or Tconv. Genes that define the specific profiles include FOXP3, CD127, several cytokines, transcription factors and activation markers. The manipulation of naïve CD4+CD25- T cells by tDCs led to an unstable CD25+CD127loFOXP3+ phenotype of the generated cells. However, none of the subsequently performed functional assays could confirm that the resultant cells were iTreg or exhausted activated Tconv. In particular, methylation status of the Treg-specific demethylated region (TSDR) was inconsistent with stable Treg, suggesting that so-called tolerogenic protocols may not lead to a long-lived Treg phenotype. Conclusion CD4+CD25+ T cells are heterogeneous. I defined marker combinations that will help distinguish Treg from ex vivo and in vitro activated Tconv cells. With these tools, I was able to show that healthy controls and patients with type 1 diabetes cannot be distinguished by Treg phenotype. Comprehensive single cell analysis of antigen activated T cells provided the most promising avenue for identifying antigen-specific Treg and opens new possibilities to analyze immune therapeutic approaches, particularly when Treg expansion is the therapeutic objective. The findings will be used for monitoring children participating in antigen-based prevention studies in children at risk for T1D. / Hintergrund Regulatorische T Zellen (Treg) sind eine Subpopulation der CD4+ T Zellen, welche eine wichtige Rolle in den peripheren Toleranzmechanismen des Immunsystems spielen. Ihre suppressive Funktion auf autoreaktive T Zellen kann Autoimmunität verhindern. Verschiedene Studien berichteten widersprüchlich, dass Treg in Typ 1 Diabetes (T1D) in ihrer Fähigkeit beeinträchtigt sind autoreaktive T Zellen zu supprimieren (Tan et al., 2014; Zhang et al., 2012). Treg können im Thymus differenzieren (tTreg) oder aus peripheren naïven CD4+CD25- T Zellen generiert werden (pTreg), welche ähnliche suppressive Eigenschaften wie tTreg besitzen. Es wurde außerdem berichtet, dass Treg aktiv unter tolerisierenden Konditionen induziert werden können (iTreg) (Kleijwegt et al., 2010; Yuan and Malek, 2012). Obwohl verschiedene Treg Subpopulationen beschrieben wurden, exprimieren die archetypischen humanen Treg die Hauptmarker CD4, CD25 und FOXP3 exprimieren, während CD127 herunterreguliert ist. Jedoch zeigen auch aktivierte konventionelle T Zellen (Tconv) diesen Phänotyp (Miyara et al., 2009). Da Treg und Tconv gegensätzliche Funktionen und therapeutische Indikationen aufweisen, ist es wichtig Marker zu erhalten, die sicher bona fide Treg identifizieren. Fragestellung Das Ziel meiner Arbeit ist es, die Heterogenität von humanen T Zellen zu definieren mit einen spezifischen Fokus bona fide Treg zu identifizieren. Dafür untersuchte ich die Heterogenität dieser Zellpopulation in gesunden Individuen und T1D Patienten, als Krankheitsmodell, und wie T Zellen als Treg oder Tconv definiert werden können wenn sie einem Antigen ausgesetzt sind. Material und Methoden Für das Phänotypisieren habe ich Proben von Patienten mit beginnendem T1D (Alter 7-11 Jahre), Autoantikörper positiven Patienten (Aab+) und gesunden Individuen mittels Durchflusszytometrie auf eine Reihe von Treg-assoziierten Markern getestet. Des Weiteren wurden frisch isolierte CD4+CD25+CD127lo Treg und CD+CD25- Tconv für die Transkriptomanalyse (RNAseq) genutzt, welche mit der Gesamt-RNA durchgeführt wurden. Für die funktionelle Analyse von Antigen-spezifischen Genexpressionsmustern habe ich ein Multifarbenproliferationstest entwickelt. Treg (CD4+CD25+CD127lo) und Tconv (CD4+CD25-CD127+/lo) wurden aus isolierten mononukleären Zellen des peripheren Blutes (PBMC) sortiert. Ich habe die sortierten und gefärbten Zellen mit CD4- Zellen zusammengefügt, um einen Gesamt-PBMC-Test zu simulieren und habe die Zellen mit Tetanus-, Influenza- oder Auto-antigen (GAD65, Proinsulin) stimuliert. Die Zellen wurden für 5 Tage inkubiert und die Antigen-reagierenden und -proliferierenden Zellen sowie die nicht-reagierenden Zellen Einzelzell sortiert und mittels Multiplex qPCR analysiert. Um therapeutische Ansätze zum Expandieren oder Generieren von Treg zu untersuchen, habe ich in vitro Ansätze für die de novo Induktion von Treg durch die Nutzung von tolerisierenden dendritischen Zellen (tDCs) untersucht. Die tDCs wurden von Monozyten in Anwesenheit von 1α,25-OH(2)Vitamin D3 und/oder Dexamethason differenziert und mit Lipoploysaccharid maturiert. Naïve T Zellen wurden in einem Mehrschrittverfahren mit DCs inkubiert. Die resultierenden T Zellen wurden auf DNA, Protein und funktioneller Ebene analysiert. Ergebnisse Substantielle phänotypische Heterogenität von peripheren Blut CD4+ T Zellen wurde in drei Hauptpopulationen in gesunden Individuen beobachtet und dokumentiert: ruhende Tconv (CD25-CD127+/lo), aktivierte Tconv (CD25+CD127+) und Treg (CD25+CD127lo). Weiterführend ergab der phänotypische Vergleich von Patienten mit beginnender T1D, Aab+ Patienten und gesunden Individuen keine Unterschiede in den Treg Subpopulationen. Außerdem zeigten sich keine Unterschiede in den durch RNAseq gemessenen Treg Transkriptomen von T1D Patienten und gesunden Individuen. Jedoch wurde ein kleine Gruppe von differentiell exprimierten Genen in Tconv entdeckt, welche eine mögliche Rolle von Neutrophilen in T1D andeuten. Heterogenität von Antigen-spezifischen Tconv und Treg Antworten wurde durch Genexpressionsanalysen identifiziert. Ich konnte Treg- sowie Aktivierungs-spezifische Muster definieren und verschiedene Expressionsprofile finden, wenn T Zellen durch Fremd- oder Autoantigen aktiviert wurden und ob sie die reagierenden Zellen Treg oder Tconv sind. Folgende Gene waren hauptsächlich in die Profilbildung involviert: FOXP3, CD127, mehrere Zytokine, Transkriptionsfaktoren und Aktivierungsmarker. Die Manipulation von naïven CD4+CD25- T Zellen durch tDCs führte zu einem instabilen CD25+CD127loFOXP3+ Phänotyp der generierten Zellen. Jedoch konnte keiner der weiterführenden funktionellen Analysen unterscheiden, ob die resultierenden Zellen iTreg oder aktivierte erschöpfte T Zellen waren. Insbesondere war der Methylierungsstatus der Treg-spezifisch demethylierten Region (TSDR) nicht konsistent mit einen stabilen Treg Phänotyp, was darauf hinweist, dass sogenannte tolerisiernde Protokolle nicht zu einem langlebigen Treg Phänotyp führen. Schlussfolgerungen CD4+CD25+ T Zellen sind heterogen. Ich habe Markerkombinationen definiert die helfen werden Treg von ex vivo und in vitro aktivierten Tconv Zellen zu unterscheiden. Mit diesen Mitteln war ich in der Lage zu zeigen, dass gesunde Individuen und Patienten mit Typ 1 Diabetes nicht anhand ihres Treg Phänotyps unterschieden werden können. Umfassende Einzelzell-Analysen von Antigen aktivierten T Zellen lieferten den vielversprechendsten Ansatz für die Identifizierung von Antigen-spezifischen Treg und eröffnen neue Möglichkeiten um immuntherapeutische Ansätze zu analysieren, insbesondere wenn Treg Expansion das therapeutische Ziel ist. Diese Erkenntnisse werden zukünftig für das Monitoring von Kindern, mit einem hohen T1D Risiko, genutzt die an Antigen-basierten Präventionsstudien teilnehmen.

Natürlich vorkommende regulatorische T-Zellen spielen eine entscheidende Rolle für die intestinale Immunhomöostase und Limitierung von (Auto)-Immunität. Sie exprimieren den Transkriptionsfaktor Foxp3 und an der Oberfläche die α-Kette des IL-2 Rezeptors (CD25). Im Tiermodell verhindern regulatorische T-Zellen Autoimmunopathien, Transplantatabstoßungen und entzündliche Darmerkrankungen. Da Foxp3+ regulatorische T-Zellen nur äußerst geringe Mengen an Interleukin-2 synthetisieren, sind sie auf eine adäquate Versorgung angewiesen. Konventionelle T-Zellen werden als bedeutende IL-2 Quelle für Treg-Zellen vermutet, doch über die Mechanismen und räumlich-zeitliche Dynamik der Treg-Effektor-Zellinteraktion ist bisher nur wenig bekannt. In dieser Arbeit wurden Foxp3+ regulatorische T-Zellen in Mausgeweben analysiert und Zellinteraktionen mit Effektorzellen im Darm charakterisiert. Es wurde ein theoretisches Modell zur Evaluierung von Zell-Zellkontakten erarbeitet und experimentell überprüft. Es konnte gezeigt werden, dass in der Akutphase einer T-Zell-induzierten Kolitis und im Kolon von gesunden Wildtyp-Mäusen Foxp3+ regulatorische T-Zellen an Ki-67+ proliferierenden T-Zellen akkumulieren. Diese Zellinteraktionen sind abhängig von Interleukin-2, da IL-2 defiziente Mäuse keine signifikanten Treg-Effektor-Zellakkumulationen aufweisen. Die Analyse der Genexpression konnte zeigen, dass Ki-67+ Zellen Interleukin-2 produzieren. Lokal sezerniertes Interleukin-2 könnte als Sensor für Entzündungsprozesse chemotaktisch auf Foxp3+ regulatorische T-Zellen wirken und die Akkumulation an proliferierenden, IL-2 produzierenden Effektorzellen bedingen. Dieser Mechanismus könnte einerseits zur lokalen Versorgung mit IL-2 dienen und gleichzeitig regulierend auf Effektorzellen in unmittelbarer Umgebung wirken. Dieser Prozess würde zur Erhaltung von regulatorischen T-Zellen in der Peripherie und zur Sicherung der intestinalen Immunbalance beitragen.:Bibliographische Beschreibung Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Charakterisierung von intestinalen Foxp3+ regulatorischen T-Zellen 1.2 Mechanismen der Treg-vermittelten Immunregulation 1.3 Zielstellung der Arbeit 2 Publikation Cell-Cell-Neighborhood Relations in Tissue Sections - A Quantitative Model for Tissue Cytometry 3 Appendix A Herleitung des Modellsystems zur Berechnung der zufälligen Kontaktwahrscheinlichkeit 4 Appendix B Automatische Bildanalyse mit CellProfiler 4.1 Einleitung 4.2 Algorithmus der histologischen Bildanalyse mit CellProfiler 4.3 Validierung der Messdaten 4.4 Zusammenfassung 4.5 Detaillierte Darstellung des CellProfiler-Algorithmus 5 Unpublizierte Experimente Die Rolle von Interleukin-2 für die Akkumulation von Foxp3+ Treg-Zellen an Ki-67+ proliferierenden Effektorzellen im Darm 5.1 Einleitung 5.2 Material und Methoden 5.2.1 Mausgewebe 5.2.2 Immunfluoreszenzfärbung 5.2.3 Laser-Mikrodissektion 5.2.4 RNA Isolation, Reverse Transkription, quantitative Real-Time PCR 5.2.5 Sequenzierung 5.3 Ergebnisse 6 Abschließende Diskussion 7 Zusammenfassung der Arbeit Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit Lebenslauf Danksagung Literaturverzeichnis