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Autophagy-mediated antigen presentation in central nervous system autoimmunity


Sina, Christina. Autophagy-mediated antigen presentation in central nervous system autoimmunity. 2014, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Zusammenfassung Multiple Sklerose (MS) ist eine Autoimmunerkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS). Untersuchungen des Mausmodells für MS, namentlich Experimentelle autoimmune Enzephalomyelitis (EAE), konnten zeigen, dass autoreaktive CD4+ T-Zellen eine herausragende Rolle in der Entwicklung von EAE spielen. Jedoch ist bisher unklar, ob Selbstantigene des Myelins über den klassischen MHC Klasse II Prozessierungsweg, Autophagie oder LC3-assoziierte Phagozytose (LAP) degradiert und gegenüber CD4+ T-Zellen präsentiert werden. Mit Bezug auf LAP konnte gezeigt werden, dass extrazelluläres Material über diesen Weg abgebaut werden kann und zudem nimmt die Anzahl von LC3+ Vesikeln in Microglia-Zellen am Höhepunkt der EAE zu. Basierend auf diesen Daten haben wir angenommen, dass die Präsentation von Autoantigenen durch LAP die Aktivierung von autoreaktiven T-Zellen unterstützt. Um diese Hypothese zu bestätigen, haben wir den Einfluss von Atg5-Defizienz in CD11c+ Zellen auf die Entwicklung der EAE untersucht. Wir haben gezeigt, dass die Defizienz von Atg5 in CD11c+ Zellen keine Rolle bei der Entwicklung von aktiver EAE spielt und dass dieses Ergebnis davon unabhängig ist, ob MOG-Peptid oder MOG-Protein zur Induktion der Krankheit verwendet worden ist. Überraschenderweise resultierte die Induktion der adoptiven Transfer-EAE darin, dass EAE- Symptome in Atg5-defizienten Mäusen nahezu abwesend waren, während Atg5-Kontroll Mäuse normale EAE-Symptome entwickelt haben. Um diese gegensätzlichen Ergebnisse besser verstehen zu können, wurden MOG-spezifische T-Zellen mit primären Atg5+ oder Atg5- CD11c+ Zellen, in der Gegenwart von MOG-Peptid, MOG-Protein oder Kugeln, welche mit MOG-Protein beschichtet waren, co-kultiviert. Hierbei ergab die Messung der Proliferation von T-Zellen, dass T Zellen in der Gegenwart von Atg5- CD11c+ Zellen mehr proliferieren als in der Gegenwart von Atg5+ CD11c+ Zellen. Um die Antigenpräsentation weitergehend zu untersuchen, wurden sowohl Atg5+ als auch Atg5- BM-DCs generiert, die mit Kugeln inkubiert wurden, welche MOG-Protein, Pam3CSK4 oder MOG-Protein plus Pam3CSK4 beschichtet waren. Bei diesen Untersuchungen konnten keine LC3-assoziierten Phagosomen erkannt werden und somit keine Rückschlüsse über die Rolle von LAP während der Prozessierung von extrazellulären Autoantigenen gezogen werden. Weitere in vitro und in vivo Experimente werden notwendig sein, um die unterschiedlichen Ergebnisse in der aktiven und adoptiven Transfer-EAE erklären zu können. Zum einen müssten die T-Zell- und Antigenpräsentierende Zellinfiltrate in das ZNS am Höhepunkt der Krankheit untersucht werden. Diese Untersuchungen könnten darüber Aufschluss geben, welche Zellen das ZNS infiltrieren und welche Effektorfunktionen diese besitzen. Darüber hinaus könnte der Antigenprozessierungsweg untersucht werden, indem LAP durch bekannte Faktoren, wie beispielsweise TLR-Stimulierung, FcR-Bindung oder mit der Verwendung von “eat me” Signalen, ausgelöst wird. Alle Experimente zusammengenommen, könnten somit neue Einblicke dahin gehend ermöglichen, über welchen Prozessierungsweg extrazelluläre Autoantigene verarbeitet werden und wie CD4+ autoreaktive T-Zellen dazu aktiviert werden, EAE oder MS zu induzieren. Summary Multiple sclerosis (MS) is an autoimmune disease of the central nervous system (CNS). The commonly used mouse model for MS, namely experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), revealed that the main driving forces in the development of EAE are autoreactive CD4+ T cells. The exact antigen processing route of how myelin self-antigens are processed and presented has not been described yet and the classical MHC class II pathway, the autophagy pathway and LC3- associated phagocytosis (LAP) are potential degradation pathways that might lead to MHC class II presentation of myelin antigen. It has recently been shown that extracellular material can be degraded by LAP and previous studies of our laboratory indicate that the presence of LC3+ vesicles in microglia increases at the peak of EAE. Based on these data, we hypothesized that LAP-dependent presentation of autoantigens facilitates the activation of autoreactive T cells. To address this question, we investigated whether autophagy deficiency in CD11c+ cells influences the development of EAE. We demonstrated that Atg5-deficiency in CD11c+ cells does not play a role in active EAE, neither triggered by MOG peptide nor MOG protein. Surprisingly, induction of adoptive transfer EAE via the adoptive transfer of autoreactive CD4+ T cells resulted in the almost complete absence of EAE symptoms in Atg5-deficient mice whereas Atg5 control mice developed EAE symptoms. In order to better understand these findings, in vitro experiments to study the role of Atg5 in antigen presentation were performed. A co-culture experiment in which MOG peptide-specific T cell receptor transgenic T cells from 2D2 mice were co-cultured with splenic Atg5+ or Atg5- CD11c+ cells in the presence of MOG peptide, MOG protein or beads coated with MOG protein was performed. Checking for T cell proliferation, it was shown that T cells in the presence of Atg5- CD11c+ proliferated more than in the presence of Atg5+ CD11c+ cells. In an alternative approach to investigate antigen processing pathways in antigen presenting cells (APCs), bone marrow-derived dendritic cells (BM-DCs) were generated from Atg5-deficient and Atg5 control mice and incubated with beads coated with MOG protein, the TLR agonist Pam3CSK4 or MOG protein with Pam3CSK4. Screening for LC3+ vesicles that might be an indication for LAP, did not yield any unambigous LC3- associated phagosomes. Conclusively, further in vitro and in vivo investigations are necessary to identify the mechanism that leads to the absence of EAE symptoms in Atg5-deficient mice in adoptive transfer EAE, but not in active EAE. Firstly, T cell and APC infiltrates into the CNS at peak of disease need to be examined. These experiments would offer valuable clues which cells infiltrate and which effector functions they fulfill. With regard to in vitro studies, antigen processing and presentation characteristics could be studied by inducing LAP by known factors such as TLR stimulation, Fc receptor (FcR) engagement or “eat me” signals. In conclusions, our findings would give newly insights of how extracellular self-antigen is processed and how CD4+ autoreactive T cells are triggered to induce EAE, or even MS.

Abstract

Zusammenfassung Multiple Sklerose (MS) ist eine Autoimmunerkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS). Untersuchungen des Mausmodells für MS, namentlich Experimentelle autoimmune Enzephalomyelitis (EAE), konnten zeigen, dass autoreaktive CD4+ T-Zellen eine herausragende Rolle in der Entwicklung von EAE spielen. Jedoch ist bisher unklar, ob Selbstantigene des Myelins über den klassischen MHC Klasse II Prozessierungsweg, Autophagie oder LC3-assoziierte Phagozytose (LAP) degradiert und gegenüber CD4+ T-Zellen präsentiert werden. Mit Bezug auf LAP konnte gezeigt werden, dass extrazelluläres Material über diesen Weg abgebaut werden kann und zudem nimmt die Anzahl von LC3+ Vesikeln in Microglia-Zellen am Höhepunkt der EAE zu. Basierend auf diesen Daten haben wir angenommen, dass die Präsentation von Autoantigenen durch LAP die Aktivierung von autoreaktiven T-Zellen unterstützt. Um diese Hypothese zu bestätigen, haben wir den Einfluss von Atg5-Defizienz in CD11c+ Zellen auf die Entwicklung der EAE untersucht. Wir haben gezeigt, dass die Defizienz von Atg5 in CD11c+ Zellen keine Rolle bei der Entwicklung von aktiver EAE spielt und dass dieses Ergebnis davon unabhängig ist, ob MOG-Peptid oder MOG-Protein zur Induktion der Krankheit verwendet worden ist. Überraschenderweise resultierte die Induktion der adoptiven Transfer-EAE darin, dass EAE- Symptome in Atg5-defizienten Mäusen nahezu abwesend waren, während Atg5-Kontroll Mäuse normale EAE-Symptome entwickelt haben. Um diese gegensätzlichen Ergebnisse besser verstehen zu können, wurden MOG-spezifische T-Zellen mit primären Atg5+ oder Atg5- CD11c+ Zellen, in der Gegenwart von MOG-Peptid, MOG-Protein oder Kugeln, welche mit MOG-Protein beschichtet waren, co-kultiviert. Hierbei ergab die Messung der Proliferation von T-Zellen, dass T Zellen in der Gegenwart von Atg5- CD11c+ Zellen mehr proliferieren als in der Gegenwart von Atg5+ CD11c+ Zellen. Um die Antigenpräsentation weitergehend zu untersuchen, wurden sowohl Atg5+ als auch Atg5- BM-DCs generiert, die mit Kugeln inkubiert wurden, welche MOG-Protein, Pam3CSK4 oder MOG-Protein plus Pam3CSK4 beschichtet waren. Bei diesen Untersuchungen konnten keine LC3-assoziierten Phagosomen erkannt werden und somit keine Rückschlüsse über die Rolle von LAP während der Prozessierung von extrazellulären Autoantigenen gezogen werden. Weitere in vitro und in vivo Experimente werden notwendig sein, um die unterschiedlichen Ergebnisse in der aktiven und adoptiven Transfer-EAE erklären zu können. Zum einen müssten die T-Zell- und Antigenpräsentierende Zellinfiltrate in das ZNS am Höhepunkt der Krankheit untersucht werden. Diese Untersuchungen könnten darüber Aufschluss geben, welche Zellen das ZNS infiltrieren und welche Effektorfunktionen diese besitzen. Darüber hinaus könnte der Antigenprozessierungsweg untersucht werden, indem LAP durch bekannte Faktoren, wie beispielsweise TLR-Stimulierung, FcR-Bindung oder mit der Verwendung von “eat me” Signalen, ausgelöst wird. Alle Experimente zusammengenommen, könnten somit neue Einblicke dahin gehend ermöglichen, über welchen Prozessierungsweg extrazelluläre Autoantigene verarbeitet werden und wie CD4+ autoreaktive T-Zellen dazu aktiviert werden, EAE oder MS zu induzieren. Summary Multiple sclerosis (MS) is an autoimmune disease of the central nervous system (CNS). The commonly used mouse model for MS, namely experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), revealed that the main driving forces in the development of EAE are autoreactive CD4+ T cells. The exact antigen processing route of how myelin self-antigens are processed and presented has not been described yet and the classical MHC class II pathway, the autophagy pathway and LC3- associated phagocytosis (LAP) are potential degradation pathways that might lead to MHC class II presentation of myelin antigen. It has recently been shown that extracellular material can be degraded by LAP and previous studies of our laboratory indicate that the presence of LC3+ vesicles in microglia increases at the peak of EAE. Based on these data, we hypothesized that LAP-dependent presentation of autoantigens facilitates the activation of autoreactive T cells. To address this question, we investigated whether autophagy deficiency in CD11c+ cells influences the development of EAE. We demonstrated that Atg5-deficiency in CD11c+ cells does not play a role in active EAE, neither triggered by MOG peptide nor MOG protein. Surprisingly, induction of adoptive transfer EAE via the adoptive transfer of autoreactive CD4+ T cells resulted in the almost complete absence of EAE symptoms in Atg5-deficient mice whereas Atg5 control mice developed EAE symptoms. In order to better understand these findings, in vitro experiments to study the role of Atg5 in antigen presentation were performed. A co-culture experiment in which MOG peptide-specific T cell receptor transgenic T cells from 2D2 mice were co-cultured with splenic Atg5+ or Atg5- CD11c+ cells in the presence of MOG peptide, MOG protein or beads coated with MOG protein was performed. Checking for T cell proliferation, it was shown that T cells in the presence of Atg5- CD11c+ proliferated more than in the presence of Atg5+ CD11c+ cells. In an alternative approach to investigate antigen processing pathways in antigen presenting cells (APCs), bone marrow-derived dendritic cells (BM-DCs) were generated from Atg5-deficient and Atg5 control mice and incubated with beads coated with MOG protein, the TLR agonist Pam3CSK4 or MOG protein with Pam3CSK4. Screening for LC3+ vesicles that might be an indication for LAP, did not yield any unambigous LC3- associated phagosomes. Conclusively, further in vitro and in vivo investigations are necessary to identify the mechanism that leads to the absence of EAE symptoms in Atg5-deficient mice in adoptive transfer EAE, but not in active EAE. Firstly, T cell and APC infiltrates into the CNS at peak of disease need to be examined. These experiments would offer valuable clues which cells infiltrate and which effector functions they fulfill. With regard to in vitro studies, antigen processing and presentation characteristics could be studied by inducing LAP by known factors such as TLR stimulation, Fc receptor (FcR) engagement or “eat me” signals. In conclusions, our findings would give newly insights of how extracellular self-antigen is processed and how CD4+ autoreactive T cells are triggered to induce EAE, or even MS.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Münz Christian, Lünemann Jan
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2014
Deposited On:27 Mar 2019 13:37
Last Modified:18 Oct 2019 14:49
Number of Pages:115
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod010150256&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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