German Title: Molekulare Analyse des Entscheidungsprozesses von NK Zellen

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Abstract

Natural killer (NK) cells are a subpopulation of lymphocytes that are involved in the control of different tumors and infections. Unlike T and B cells, NK cells belong to the innate part of the immune system. NK cells carry on their surface a multitude of activating and inhibitory receptors. The regulation of NK cell activation depends on a balance of positive and negative signals initiated by various receptors. Triggering of activating receptors leads to Src family kinase mediated Vav1 phosphorylation, whereas inhibitory receptors dephosphorylate Vav1 via the phosphatase SHP-1. This makes Vav1 the first point where negative signals can intercept the activating signaling cascade. In cooperation with computational biologists we established a mathematical model describing these early signaling events to gain insight into the integration of positive and negative signals on a molecular level. In quantitative mathematical models each equation refers to identifiable processes and parameters have physical interpretation (such as concentration, binding affinity and reaction rate). Therefore we quantified the concentrations of involved molecules. The predictions from the model and our experimental data show that engagement of activating receptors results in a rapid switch-like increase of Vav1 phosphorylation. Similarly, engagement of inhibitory receptors induces a switch-like dephosphorylation of Vav1 that is dominant over activating signals. Comparing experimental results to predictions derived from a family of simplified models shows that kinase association with the NK cell receptors and the enhanced activity of SHP-1 bound to inhibitory receptors is essential to simulate such a physiological response. Interestingly, other concepts of immune receptor signaling such as phosphatase segregation and kinase autophosphorylation were dispensable for our model. The cytotoxic activity of NK cells induced by a combination of activating and inhibitory signals correlates with the switch-like Vav1 phosphorylation. Our data are consistent with a central role of Vav1 in the decision making process of NK cells and enable a novel insight into the integration of positive and negative signals during lymphocyte activation.

Translation of abstract (German)

Natürliche Killerzellen (NK Zellen) sind eine Lymphozytenpopulation, die dazu beiträgt verschiedenste Krebserkrankungen und Infektionen zu kontrollieren. Anders als T und B Zellen gehören NK Zellen zum angeborenen Immunsystem. NK Zellen exprimieren auf ihrer Oberfläche eine Vielzahl aktivierender und inhibierender Rezeptoren. Die Regulation der Aktivität von NK Zellen beruht auf einem Zusammenspiel der Signale die von den verschiedenen Rezeptoren ausgelöst werden. Die Stimulation aktivierender Rezeptoren bewirkt die Phosphorylierung von Vav1 durch Kinasen der Src Familie, wohingegen Signale der inhibierenden Rezeptoren Vav1 durch die Phosphatase SHP-1 dephosphorylieren können. Dadurch ist Vav1 der erste Schritt der aktivierenden Signalkaskade, der von inhibierenden Signalen beeinflusst werden kann. Um einen Einblick in die Signalverarbeitung auf molekularer Ebene zu bekommen, haben wir in einer Kooperation mit Bioinformatikern ein mathematisches Modell aufgestellt, das diese frühen Signalprozesse beschreiben kann. In quantitativen mathematischen Modellen steht jede Gleichung für einen definierten Prozess und jeder Parameter hat eine physikalischeBedeutung(wieKonzentration,Bindungsaffinitätund Reaktionsgeschwindigkeit). Deshalb haben wir die Konzentrationen der beteiligten Proteine quantifiziert. Vorhersagen des Modells und unsere experimentellen Ergebnisse zeigten, dass zunehmende Stimulation der aktivierenden Rezeptoren einen rapiden Anstieg der Vav1 Phosphorylierung verursacht. Wenn gleichzeitig inhibierende Rezeptoren stimuliert werden erfolgt eine Hemmung der Vav1 Phosphorylierung, die über die aktivierenden Signale dominiert. Der Vergleich experimenteller Ergebnisse mit den Berechnungen des Modells zeigt, dass zwei Konzepte essentiell sind um die physiologische Reaktion der Vav1 Phosphorylierung zu erzeugen: die Assoziation der Kinase mit den Rezeptoren und die Verstärkung der SHP-1 Aktivität wenn diese an inhibierende Rezeptoren gebunden ist. Andere Prinzipien der Signalverarbeitung, wie Segregation von Phosphatasen von der Synapse und Kinase Autophosphorylierung, waren in unserem Modell für eine physiologische Reaktion entbehrlich. Wenn NK Zellen durch eine Kombination aktivierender und inhibierender Signale stimuliert werden zeigt die zytotoxische Aktivität das gleiche schalterartige Verhalten wie die Vav1 Phosphorylierung. Unsere Ergebnisse sprechen für eine zentrale Rolle von Vav1 bei der Entscheidungsfindung der NK Zellen. Durch das mathematische Modell wird ein neuer Einblick in die Verarbeitung aktivierender und inhibierender Signale während der Aktivierung von Lymphozyten ermöglicht.