More than a Danger Signal - The Versatility of the Heat Shock Protein Gp96 in Innate and Adaptive Immunity

Abstract

Immunization with tumor lysates induces tumor protection against the original tumor in mouse models. Surprisingly, all tumor antigens purified from the lysates belong to the heat shock protein (HSP) family and are not mutated compared to the proteins in normal tissue. Instead, their immunogenicity is based on tumor-specific peptides bound to the HSPs. The investigation of the mechanisms that allow the induction of efficient immune responses with low doses of HSP:peptide complexes was the focus of this work, which was performed using mainly the ER-resident HSP Gp96. We were able to show (chapter 3) that HSP-mediated immunity depends on its receptor-mediated uptake by professional antigen presenting cells (APCs). This is a prerequisite for the efficient shuttling of the associated peptides to the MHC molecules of the APC. Moreover, specific immune responses require the unspecific activation of APCs by danger signals. These lead to the upregulation of costimulatory molecules and the secretion of pro-inflammatory cytokines. Danger signals can be pathogen-derived as well as endogenous substances. Here we provide evidence that Gp96 itself is a danger signal (chapter 4). Gp96 triggers APC activation via the Toll-like receptors (TLRs) 4 and 2 pathways which are also used by pathogen-derived danger signals (chapter 6). TLR-mediated activation of the immune system is of importance for the specific immune response (chapter 7). Priming of cytotoxic T-lymphocytes (CTLs) after a viral challenge depends on either CD4+ T cells or TLR-mediated signals. If both are missing, CTL priming is impaired. For minor H specific CTL responses, TLR signaling is strictly required. A similar importance of TLR-mediated signals can be expected for Gp96-induced immune responses. The strong inflammatory signals triggered by Gp96 have to be controlled in vivo. In chapter 5, it is shown that human platelets are able to control the immunostimulatory capacities of Gp96. Platelets bind high amounts of Gp96, especially after their activation by thrombin. Thereby, free Gp96 is withdrawn resulting in a lower APC activation. This mechanism might have a physiological role during wound healing to prevent the adverse effects of chronic inflammation. HSPs are more than endogenous danger signals released from dying cells. They also deliver detailed information about the events that caused the death. They combine everything in a single protein that is required for the induction of an efficient and specific immune response.

Die Injektion von Tumorlysaten bewirkt im Mausmodell eine protektive Immunität gegen den verwendeten Tumor. Alle in den Arbeiten von P. Srivastava identifizierten Tumorantigene gehören jedoch zur Familie der Hitzeschockproteine (HSPs) und sind nicht gegenüber dem Protein im Ursprungsgewebe verändert. Die Immunogenität rührt vielmehr von an das HSP gebundenen, tumorspezifischen Peptiden. Die Aufklärung der Mechanismen, die die Induktion von Immunantworten mit geringsten Dosen von HSP-Peptid Komplexen ermöglichen, stand im Mittelpunkt dieser Arbeit, die vorwiegend mit dem ER-ständigen HSP Gp96 durchgeführt wurde. Es konnte gezeigt werden, dass eine Voraussetzung HSP-vermittelter Immunität dessen Rezeptor-vermittelte Endozytose ist (Kapitel 3). Diese ist grundlegend für die effektive Repräsentierung der assoziierten Proteine in den MHC-Molekülen der APCs. Eine spezifische Immunantwort bedarf darüber hinaus auch unspezifischer Alarmsignale, die unter anderem die verstärkte Expression von costimulatorischen Molekülen auf professionellen Antigen-präsentierenden Zellen (APCs) bewirken. Diese Alarmsignale können Pathogen-assoziierte Signaturen oder endogene Substanzen sein. Wir konnten zeigen, dass Gp96 selbst ein solches Alarmsignal ist (Kapitel 4). Dabei vermitteln die Toll-like Rezeptoren (TLR) 4 und 2 die Gp96-induzierte Aktivierung (Kapitel 6), die auch Rezeptoren für Pathogen-assoziierte Alarmsignale sind. TLR-vermittelte Aktivierung des Immunsystems ist in anderen Systemen von Bedeutung für die spezifische Immunantwort (Kapitel 7): Für die Aktivierung cytotoxischer T-Zellen (CTLs) nach einer Virusinfektion sind entweder CD4+ T-Helferzellen oder TLR-Signalwege nötig. In Abwesenheit beider Signalwege findet kein derartiges „Priming“ von CTLs statt. Für das CTL-Priming gegen Minorhistokompatibilitätsantigene sind TLR-Signale sogar unabdingbar. Eine ähnliche Bedeutung der TLR-Signalwege kann für Gp96 erwartet werden. Die von Gp96 ausgelöste Entzündungreaktion muss in vivo begrenzt werden. In Kapitel 5 wird ein solcher Kontrollmechanismus durch Thrombozyten beschrieben, die besonders nach ihrer Aktivierung Gp96 sehr gut binden und die Aktivierung von APCs unterbinden. HSPs sind mehr als nur Alarmsignale, die aus sterbenden Zellen freigesetzt das Immunsystem unspezifisch aktivieren. Sie liefern zusätzlich Informationen über den Grund, der zum Tod ihrer Ursprungszelle führte, und ermöglichen so eine effiziente Immunantwort.