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MOLECULAR SIGNATURE OF TUMOR INFILTRATING NATURAL KILLER CELLS

Stojanovic, Ana

German Title: MOLEKULARE SIGNATUR VON TUMOR-INFILTRIERENDEN NATÜRLICHEN KILLERZELLEN

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Abstract

Natürliche Killerzellen (NK) sind Effektorzellen des angeborenen Immunsystems, die in der Tumorabwehr eine wichtige Rolle spielen. Die Aktivierung von NK-Zellen wird durch ein Zusammenspiel von Signalen hemmender Rezeptoren, die zumeist MHC Klasse I erkennen, und aktivierender Rezeptoren bestimmt. Neben zielgerichteter Eliminierung von Zellen, können NK-Zellen zusätzlich Botenstoffe freisetzen, die Entzündungen bewirken und somit Immunantworten des angeborenen und des adaptiven Immunsystems auslösen. In unserer Studie charakterisierten wir NK-Zellantworten gegen MHC Klasse I defiziente Lymphome in Mäusen. Unsere Untersuchungen zeigten, dass nach subkutaner Injektion von RMA-S Zellen NK-Zellen, die in den Tumor eingewandert sind, einen geringen Reifungsgrad (CD27high) aufweisen. Zusätzlich zeigte diese Population einen aktivierten Phänotyp, der sich durch hohe Expression von B220, MHC Klasse II und zytotoxischen Effektormolekülen widerspiegelt. Genexpressionsanalysen mittels Microarrays machten deutlich, dass Tumor-infiltrierende NK-Zellen ein stark unterschiedliches Transkriptionsprofil aufweisen als NK-Zellen im Blut von Tumor-tragenden Mäusen. NK-Zellen im Tumor zeigten neben einem verringerten Ausmaß von aktivierenden NK-Zellrezeptoren zusätzlich einen Anstieg von hemmenden Molekülen. Die meisten dieser Änderungen auf Transkriptionsebene konnten ebenso auf Proteinebene bestätigt werden. Tumor-infiltrierende NK-Zellen exprimierten ein höheres Ausmaß von Mitgliedern der B7-Proteinfamilie verglichen mit NK-Zellen aus dem Blut. Hierzu zählen der aktivierende Rezeptor CD28 und die hemmenden Rezeptoren CTLA-4 und B7-H1, die alle an B7-1 binden. Die Funktion dieser Moleküle ist in T-Zellen gut verstanden, in NK-Zellen allerdings größtenteils unbekannt. sere Daten zeigten, dass die Expression von CD28 und CTLA-4 mittels IL-2 auf NK-Zellen induzierbar ist bzw. sich die Expression von B7-H1 erhöhen lässt. Eine Stimulierung von in vitro expandierten NK-Zellen mit einem B7-1 IgG Fusionsprotein führte zu Proliferation von NK-Zellen und deren IFNγ-Produktion. Mit Hilfe von knockout Mäusen zeigten wir, dass nach Stimulation von NK-Zellen mittels B7-1 IgG IFNγ-Produktion durch CD28 vermittelt und diese durch die CLTA-4 und B7-H1 Rezeptoren negativ reguliert wird. Im Gegensatz dazu wurden B7-1 exprimierende Zielzellen durch IL-2 expandierte NK-Zellen unabhängig von CD28, CTLA-4 und B7-H1 lysiert. Zudem beobachteten wir, dass in einer Ko-Kultur von NK-Zellen und B7-1 exprimierenden Zellen, darunter transduzierte Tumorzelllinien sowie reife dendritische Zellen, einen interzellulären Transfer von B7-1 der Zielzellen zu NK-Zellen bewirkt. Dieser Prozess ist teilweise abhängig von CD28. Schliesslich wiesen unsere Experimente darauf hin, dass wiederholte Applikation von IL-2 das Wachstum von B7-1+ Melanome in T- /B-Zell defizienten Mäusen hemmt. Dieser Effekt konnte durch gleichzeitige CTLA-4 Blockierung noch geringfügig verbessert werden. Zusammenfassend zeigen unsere Daten, dass Tumor-infiltrierende NK-Zellen einen unterschiedlichen Phänotyp als NK-Zellen aus dem Blut aufweisen. Dies spiegelt sich sowohl in ihrem Reifungsgrad, der Expression von aktivierenden und inhibierenden Molekülen als auch in ihrem umfassenden Transkriptionsprofil wider. Wir beobachteten, dass bestimmte Rezeptoren der B7-Familie unterschiedlich exprimiert sind, die die Effektorfunktionen von NK-Zellen in vitro regulieren. Unsere Experimente deuten darauf hin, dass Mitglieder der B7-Proteinfamilie während der Tumorentwicklung eine wichtige Rolle bei der Kontrolle von NK-Zellantworten spielen. Unsere Ergebnisse sollten bei Immuntherapien gegen Tumore, die auf der Wirkung von NK Zellen beruhen, mit einbezogen werden.

Translation of abstract (English)

Natural killer (NK) cells are innate immune effector cells that play an important role in anti-tumor defense. A delicate balance of signals delivered by activating ligands and inhibitory molecules, mainly MHC class I, expressed by target cells, determinates the NK cell activation. Besides direct killing of target cells, NK cells release mediators that induce inflammation and exert immunoregulatory effects influencing both innate and adaptive immune responses. Although efficient at eliminating metastazing cells and small tumor grafts, the eradication of larger solid tumors by NK cells is usually not efficient, despite the low expression of MHC class I by tumor cells in many cases. In our study, we characterized the in vivo NK cell response against the MHC class I deficient mouse lymphoma. We demonstrate that after subcutaneous injection of RMA-S tumor cells, NK cells infiltrating the tumor tissue (TINs) correspond to the less mature CD27high NK cell population. At the same time, the subset of TINs displays a phenotype of activating state, which is reflected in the elevated expression of B220, MHC II and cytotoxic effector molecules. Gene expression profiling using whole genome microarrays, revealed a strikingly different transcription profile of tumor infiltrating compared to blood NK cells of tumor bearing mice. TINs downregulated activating NK cell receptors, which was accompanied by upregulation of inhibitory molecules. We confirmed that most of the molecules that were differentially regulated at the mRNA level were also differentially expressed at the protein level. As compared to NK cells from the blood, expression of several members of the B7 protein family was elevated in TINs, including the activating receptor CD28 and the inhibitory receptors CTLA-4 and B7-H1, which all bind the B7 family ligand B7-1. Our data demonstrate that the expression of CD28 and CTLA-4 can be induced and expression of B7-H1 elevated on NK cells by IL-2. Stimulation of in vitro expanded NK cells with a B7-1 IgG fusion protein induced NK cell proliferation and IFNγ production. Using gene deficient NK cells, we demonstrated that B7-1 dependent IFNγ production was mediated by CD28, and negatively regulated by CTLA-4 and B7-H1 receptors. The lysis of B7-1 expressing target cells by IL-2 expanded NK cells was independent of CD28, CTLA-4 and B7-H1 expression. We observed that co-incubation with B7-1 expressing cells, including transduced tumor cell lines and mature dendritic cells, led to the intercellular transfer of B7-1 from target cells to the NK cells, in a process that partially depended on CD28. Our experiments indicated that therapeutic responses to B7-1+ melanoma, mediated by IL-2 in T and B cell deficient mice, could be moderately improved by CTLA-4 blockade. In summary, our data reveal that NK cells infiltrating solid tumors display a phenotype different from NK cells found in blood, including their maturation state, expression of activating and inhibitory molecules and global transcription profile. We demonstrate that certain receptors of the B7 family that were differentially expressed by TINs, regulated NK cell effector responses in vitro. Our results suggest that members of the B7 protein family can be involved in the complex control of NK cell responses during tumor progression and should be considered as potential targets in NK cell based anti-cancer immunotherapy.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Angel, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 11 August 2010
Date Deposited: 30 Aug 2010 09:23
Date: 2010
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: Natürliche Killerzellen , TumorNK cells , tumor
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