Peptide Specificity During Positive Selection

Abstract

Young T-lymphocytes undergo two central selection steps before they enter the pool of immuno-competent cells. In the thymus it is ensured that emerging T cells only recognize foreign peptides in conjunction with self-MHC (major histocompatibility complex), and that they can distinguish between self and foreign peptides. This first process is termed positive selection, the latter is known as negative selection. For both events self-MHC as well as self peptides are needed. Several groups have tried to describe the characteristics of such a peptide ligand. Until now no definitive description of such a protein fragment has been made due to the vast number of peptides possibly binding to one MHC molecule. Recently a new transgenic mouse model was established permitting the analysis of such self peptides. In the C10.4 TCRtrans+ model the transgenic TCR is selected by the non classical MHC molecule H2-M3, in conjunction with the physiological peptide ND1. The ND1 peptide encodes for the NADH-Dehydrogenase subunit 1 of the mitochondrial genome. Using a fetal thymic organ culture system (FTOC) we were able to show that ND1 induced positive selection in a defined, yet narrow window of peptide concentrations. I was further able to show that ND1 is recognized by mature C10.4 TCRtrans+ T-cells as a weak agonist. The Listeria monocytogenes peptide however is a strong agonist for mature C10.4 TCRtrans+ T-cells. This peptide as well could induce positive selection, however at much lower peptide concentration. With increased peptide concentrations, and therefore increased epitope densities, both peptides were only able to select partial functional T-cells. I concluded that positive selection is driven by a small window of avidity. I further investigated the specificity in this model system. At low peptide concentration shortening of the ND1 Peptide, as well as the mutation of surface exposed side chains, altered positive selection. I concluded that under physiological conditions positive selection of C10.4 TCRtrans+ T-cells is highly specific and occurs at low epitope densities. The definition of a naturally occurring peptides able to select a T-cell clone, combined with the knowledge about peptide requirements for a productive TCR-MHC interaction allows us to imagine how specific T-cells could be raised in vitro or in vivo. The production of specific T-cells would be a useful strategy to control viral or bacterial infections. The human immunodeficiency virus for example selectively attacks T-lymphocytes. Specific T-cells could protect and final rid the body from infected cells. One could further imagine that tumor specific T-cells find malignant cells, that either overexpress self-peptides, or present mutants of self-peptides. Taken the sequence of a self-peptide and the activating cognate peptide together the prediction of a selecting peptide motif is within reach.

Junge T-Lymphozyten durchlaufen 2 zentrale Selektionsschritte, bevor sie in den Pool der immunkompetenten Zellen aufgenommen werden. Im Thymus wird sichergestellt, dass sie Fremdeiweiße nur in Verbindung mit körpereigenem MHC (Haupthistokompatibilitätskomplex) erkennen, und dass sie fremde von körpereigenen Eiweißbruchstücken unterscheiden lernen. Der erste Prozess wird als Positive Selektion bezeichnet, wohingegen man den zweiten Schritt als Negative Selektion kennt. Für diese beiden Prozesse werden Selbst-MHC Moleküle sowie Selbstpeptide benötigt. Mehrere Arbeitsgruppen haben versucht, die Charakteristika des selektierenden Peptidliganden zu beschreiben. Bisher konnte keine eindeutige Aussage bezüglich der Rolle dieser Proteinbruchstücke getroffen werden, da eine zu große Zahl von Peptiden an ein bestimmtes MHC binden kann. Mit einem neuen transgenen Mausmodell wurde kürzlich eine Möglichkeit geschaffen, die Rolle von Selbstpeptiden bei der Selektion von T-Lymphozyten zu studieren. Im C10.4 TCRtrans+ Modell wird der transgene TCR vom nicht-klassischen MHC Molekül der Klasse Ib, H2-M3, in Verbindung mit dem physiologisch vorkommenden Peptid ND1 selektiert. Das Peptid ND1 entstammt dem mitochondrialen Genom und codiert für die NADH-Dehydrogenase Untereinheit 1. Unter Zuhilfenahme eines Fötalen Thymus Organ Kultur Systems (FTOC) war es uns möglich zu zeigen, dass ND1 Positive Selektion in einem definierten, jedoch schmalen Fenster von Peptidkonzentrationen induzieren kann. Ich konnte zudem zeigen, dass das ND1 Peptid von reifen C10.4 TCRtrans+ T-Zellen als schwacher Agonist erkannt wird. Das Listeria monocytogenes Peptid hingegen ist ein starker Agonist für reife C10.4 TCRtrans+ T-Zellen. Auch dieses Peptid konnte die Positive Selektion induzieren, wenn auch bei signifikant niedrigerer Peptidkonzentration. Bei gesteigerter Peptidkonzentration und folglich gesteigerter Epitopdichte konnten beide Peptide nur partiell funktionelle T-Zellen selektieren. Ich schloss, dass erfolgreiche Positive Selektion nur von einem schmalen Aviditätsfenster getrieben wird. Im folgenden untersuchte ich die Spezifität der Positiven Selektion im beschriebenen Modellsystem. Bei geringer Peptidkonzentration beeinträchtigte das Kürzen des ND1 Selbstpeptides sowie das Mutieren von oberflächenexponierten Seitenketten die Positive Selektion. Ich folgerte, dass in einer physiologischen Situation Positive Selektion von C10.4 TCRtrans+ T-Zellen hochspezifisch ist und eine geringe Epitopdichte zur Vorraussetzung hat. Die Definition eines natürlich vorkommenden Peptides, welches einen T-Zell - Klon selektieren kann, und das Wissen um die Peptidanforderungen für eine produktive TCR – MHC - Interaktion, erlaubt es uns vorzustellen, wie spezifische T-Zellen in vitro oder in vivo generiert werden könnten. Die Generation von spezifischen T-Zellen wäre eine nutzbare Strategie in der Kontrolle viraler oder bakterieller Infektionen. Das Humane Immunodefizienz - Virus beispielweise attackiert selektiv T-Lymphozyten. Spezifische T-Zellen könnten hier Schutz und die finale Klärung der infizierten Zellen bringen oder die vernichteten Zellen könnten dem Körper wieder zugeführt werden. Des weiteren könnten tumorspezifische T-Zellen entartete Zellen aufspüren, die entweder Selbstpeptide überexprimieren oder Mutanten von Selbstpeptiden präsentieren. Mit der Sequenz eines Selbstpeptides in der einen und dem aktivierenden pathogenen Peptid in der anderen Hand rückt die Vorhersage eines für die Selektion von T-Zellen verantwortlichen Sequenzmotivs in greifbare Nähe.