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Selbstantigen-Präsentation in der Thymus-Medulla : zur spezifischen Rolle von Epithelzellen versus Dendritische Zellen in zentraler T Zell-Toleranz

Koble, Christian

English Title: Presentation of self-antigen in the thymic medulla : about the specific role of epithelial cells versus dendritic cells in central T cell tolerance

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Abstract

Die ektopische Expression gewebespezifischer Autoantigene im Thymus durch medulläre Thymusepithelzellen (mTEZ), auch bekannt als promiske Genexpression, ist unabdingbar für die Induktion von zentraler T Zell(TZ)-Toleranz gegenüber peripheren Geweben. Die Toleranzmechanismen reichen dabei von funktioneller Inaktivierung über klonale Deletion bis hin zur Induktion Autoantigen-spezifischer regulatorischer TZ (Tregs). Diese Mechanismen basieren auf der Affinität des TZ-Rezeptors unreifer TZ zu spezifischen Peptid-/MHC-Liganden und sind somit abhängig von der Präsentation des jeweiligen Antigens durch Antigen-präsentierende Zellen (APZ) des Thymus. Da mTEZ selbst Charakteristika einer professionellen APZ besitzen, sind sie in der Lage, endogene Antigene autark zu präsentieren. Ob und in welchem Umfang native, gewebespezifische Antigene auch auf hämatopoetische APZ (insbesondere Dendritische Zellen (DZ)) der lokalen Mikroumgebung übertragen und von diesen präsentiert werden, konnte bislang nicht eindeutig geklärt werden. Die vergleichende funktionelle ex vivo-Analyse der Präsentation transgener und nativer Antigene im Rahmen der vorliegenden Arbeit ermöglichte erstmals eine exakte Zuordnung zu definierten APZ-Populationen des Thymus. Es wurde gezeigt, dass sowohl ubiquitäre (Ovalbumin) als auch gewebespezifische Autoantigene (P1A, PLP), deren Transkription auf wenige mTEZ (1-3%) beschränkt ist, grundsätzlich von mTEZ und DZ des Thymus präsentiert werden, nicht aber von peripheren DZ. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass autologe Antigene in situ konstitutiv und unidirektional von mTEZ auf Thymus-DZ übertragen werden. Überraschenderweise war jedoch nicht nur die P1A- und PLP-Präsentation, sondern auch die des ubiquitär-exprimierten, nukleären neo-Autoantigens Ovalbumin durch Thymus-DZ strikt von der Transkription des Antigens in mTEZ abhängig. Dies zeigt, dass Thymus-DZ (im Gegensatz zu mTEZ) nicht oder nur eingeschränkt befähigt sind, nukleäres Antigen effizient für den MHC Klasse II-Beladungsweg zu prozessieren und unterstreicht die Bedeutung von mTEZ als APZ und spezifische Quelle zellassoziierter Antigene im Thymus. Mithilfe eines fluoreszierenden, TEZ-restringierten Modellantigens gelang es, den Ag-Transfer von mTEZ auf DZ optisch nachzuweisen. Die fluoreszente DZ-(Sub-)Population wies eine erhöhte Expression von CD80, CD86 und MHC Klasse II-Heterodimeren sowie eine charakteristische Oberflächenexpression des Epithelzell-spezifischen Markermoleküls EpCAM auf. Funktionell war dieser Phänotyp mit einer deutlich gesteigerten Effizienz der MHC Klasse II-vermittelten Präsentation des endogenen neo-Autoantigens Ovalbumin verbunden. Die EpCAM-Oberflächenexpression von Thymus-DZ korrelierte jedoch nicht mit der EpCAM-Transkription, was Grund zu der Annahme gab, dass EpCAM-Moleküle im Zuge einer engen DZ-mTEZ-Interaktion in situ interzellulär übertragen werden. Diese Interpretation wurde durch weiterführende Experimente gestützt, in denen der Transfer von MHC-Klasse II-Komplexen von radioresistenten Thymusstromazellen (einschließlich mTEZ) auf DZ in situ gezeigt werden konnte. Gemeinsam belegen diese Befunde die konstitutive Übertragung mTEZ-assoziierter Antigene auf DZ durch Membrantransfer. Der hier nachgewiesene interzelluläre Ag-Transfer von mTEZ auf Thy-DZ vergrößert die Selektionsbasis einer affinitätsabhängigen TZ-Toleranz gegenüber mTEZ-spezifischen Antigenen und ermöglicht so die parallele Induktion verschiedener Toleranzmechanismen (Deletion, Treg-Induktion). MTEZ selbst erscheinen durch die effiziente Präsentation endogener, promisk exprimierter Antigene für die Selektion hochaffiner, gewebespezifischer Tregs prädestiniert.

Translation of abstract (English)

Ectopic expression of tissue-restricted self-antigens (TRAs) by medullary thymic epithelial cells (mTECs), termed promiscuous gene expression, is indispensable for central induction of T cell (TC)-tolerance towards peripheral tissues. Central tolerance is provided by different mechanisms, such as functional inactivation, clonal deletion or the induction of autoantigen-specific regulatory T cells (Tregs). The induction of each of these mechanisms depends on the T cell receptor (TCR)-affinity of immature TCs for their cognate peptide-/MHC-ligand. Hence, central tolerance induction critically depends on the presentation of self-antigens by thymic antigen-presenting cells (APC). Because mTECs themselves have most characteristics of professional APCs, they are capable of presenting endogenous antigens autonomously. To what extent native TRA are transferred to and cross-presented by hemopoietic APCs (i.e., dendritic cells (DC)) of the local microenvironment, however, remains elusive. In the present study, the comparative functional ex vivo-analysis of the presentation of transgenic and native antigens allowed for the first time an exact delineation of defined thymic APC-populations. It is shown here, that ubiquitous (Ovalbumin) as well as tissue-restricted autoantigens (P1A,PLP), the expression of which is restricted to only a few mTECs (1-5%), can be presented by mTECs and thymic DCs, but not by peripheral DC. This observation led to the conclusion, that autologous antigens are constitutively and unidirectionally transferred from mTECs to thymic DCs in situ. Somewhat surprisingly, not only thymic DC presentation of TRAs (P1A, PLP) but also of the ubiquitously expressed nuclear neo-self-antigen Ovalbumin strictly depended on its transcription by mTECs. This demonstrated that thymic DCs (in contrast to mTECs) are not equipped to process endogenous nuclear antigens efficiently into the MHC class II-loading pathway and thereby underlines the dual role of mTECs as a specialized source of cell-associated antigens and as APCs within the thymus. By using a fluorescent, mTEC-restricted model antigen it was possible to directly trace the antigen transfer from mTECs to DCs. The fluorescent DC-subpopulation showed an increased expression of CD80, CD86 and MHC class II-heterodimers, as well as a characteristic surface expression of the epithelial lineage marker EpCAM. In functional terms, this phenotype was associated with a remarkably increased efficiency in MHC class II-mediated presentation of the neo-self-antigen Ovalbumin. Noteworthy, the EpCAM surface expression of thymic DC did not correlate with EpCAM transcription in these cells, implicating the intercellular transfer of preformed EpCAM molecules from mTECs to DCs in situ. This interpretation is also supported by the observation that MHC class II-complexes are transferred from radioresistant thymic stromal cells (including mTECs) to DCs in situ. Together these results provide strong evidence for the constitutive delivery of mTEC-associated antigens to thymic DCs by membrane-transfer. The intercellular antigen-transfer from mTECs to DCs enlarges the number of APCs presenting a defined TRA, thereby increasing the basis for the affinity-dependent induction of TC-tolerance towards mTEC-specific antigens. The autochthonous presentation of endogenous, promiscuously expressed TRAs makes mTECs particularly suitable for the selection of high-affinity, tissue-specific Tregs, thus enabling the parallel induction of different modes of tolerance (i.e. deletion vs. Treg-induction) by mTECs and DCs.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schirrmacher, Prof. Dr. Volker
Date of thesis defense: 20. June 2008
Date Deposited: 29. Jul 2008 10:49
Date: 2008
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Antigenpräsentation, Immuntoleranz, T-Lymphozyt, Thymus
Uncontrolled Keywords: Dendritische Zelle , Thymus-Epithelzellethymus , tolerance , antigen-presentation , T cell , dendritic cell , thymic epithelial cell
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