Antigen processing and presentation

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1 SIICA School of Immunology Antigen processing and presentation Guido Ferlazzo Università degli Studi di Messina

2 PRR-PAMP interactions Activation of Innate Immunity PAMP: Pathogen Associated Molecular Pattern PRR: Pattern Recognition Receptors Cosa induce l attivazione dell immunità acquisita (cellule T e cellule B)? Gli antigeni

3 Un antigene e una sostanza che, introdotta in un organismo, e capace di reagire specificamente con anticorpi e/o recettori di membrana dei linfociti T o B Un antigene e immunogenico se induce una reazione immunologica.

4 Un antigene e una sostanza che, introdotta in un organismo, e capace di reagire specificamente con anticorpi e/o recettori di membrana linfocitari Un antigene e immunogenico se induce una reazione immunologica Peso molecolare, solubilita, capacita di essere fagocitato Dose e via di ingresso/somministrazione Estraneita (non-self) Natura chimica degli antigeni Proteine Polisaccaridi Lipidi Acidi nucleici I linfociti non riconoscono ne interagiscono con l intera molecola immunogenica, ma riconoscono dei siti limitati chiamati epitopi o determinanti antigenici, che si legano a recettori linfocitari di membrana oppure ad anticorpi secreti.

5 Recettori linfocitari per l antigene B cell receptor T cell receptor

6 Confronto fra il riconoscimento dell antigene effettuato dal linfocita B e dal linfocita T Caratteristiche Linfocita B Linfocita T Interazione con Processo binario Processo ternario l antigene tra Ig ed Ag tra TCR, Ag, MHC Legame di antigeni Si No solubili Coinvolgimento di Non necessario Necessita presentazione molecole MHC dell antigene Natura chimica Proteine, lipidi, Principalmente proteine, degli antigeni polisaccaridi a volte lipidi presentati da molecole MHC-simili Proprieta Accessibile Peptidi interni lineari dell epitopo aa sequenziali e prodotti dalla processazione non sequenziali dell antigene

7 I linfociti B riconoscono determinanti conformazionali ed esterni dell antigene Epitopi B: formati da aa localizzati in punti diversi della catena amino acidica ed avvicinati dal ripiegamento della molecola Epitopi T: aa in seguenza

8 Confronto fra il riconoscimento dell antigene effettuato dal linfocita B e dal linfocita T Caratteristiche Linfocita B Linfocita T Interazione con Processo binario Processo ternario l antigene tra Ig ed Ag tra TCR, Ag, MHC Legame di antigeni Si No solubili Coinvolgimento di Non necessario Necessita presentazione molecole MHC dell antigene Natura chimica Proteine, lipidi, Principalmente proteine, degli antigeni polisaccaridi a volte lipidi presentati da molecole MHC-simili Proprieta Accessibile Peptidi interni lineari dell epitopo aa sequenziali e prodotti dalla processazione non sequenziali dell antigene

9 Confronto fra il riconoscimento dell antigene effettuato dal linfocita B e dal linfocita T Caratteristiche Linfocita B Linfocita T Interazione con Processo binario Processo ternario l antigene tra Ig ed Ag tra TCR, Ag, MHC Legame di antigeni Si No solubili Coinvolgimento di Non necessario Necessita presentazione molecole MHC dell antigene Natura chimica Proteine, lipidi, Principalmente proteine degli antigeni polisaccaridi a volte lipidi presentati da molecole MHC-simili Proprieta Accessibile Peptidi interni lineari dell epitopo aa sequenziali e prodotti dalla processazione non sequenziali dell antigene

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11 Subsets di linfociti T Citotossici (CD8) HLA class I-ristretti Helper (CD4) HLA class II-ristretti

12 Espressione delle molecole di MHC HLA di classe I e espresso su tutte le cellule HLA di classe II e espresso costitutivamente sulle cellule presentanti l antigene professionali (APC = Antigen Presenting Cells) Dopo attivazione alcune cellule possono esprimere bassi livelli di HLA II (fibroblasti, glia, linfociti T ed NK, endotelio)

13 Cellule presentanti l antigene (APC) (professionali) Dendritic cell Macrophage B cell

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16 Processazione dell antigene

17 Le proteine devono essere ubiquitinate per essere digerite dal proteasoma

19 La via di processazione per le proteine endogene: il proteasoma

20 La via di processazione per le proteine endogene Il complesso MHC/peptide si forma nel Reticolo Endoplasmatico Rugoso

22 La via di processazione per le proteine esogene

23 La via di processazione per gli antigeni esogeni

25 Le due vie di processazione dell antigene Antigeni endogeni Antigeni esogeni

27 Processazione dell antigene e presentazione mediante molecole MHC-simili NKT cells

28 Cellule presentanti l antigene (APC) (professionali) Dendritic cell Macrophage B cell

29 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2011 To Ralph M. Steinman "for his discovery of the dendritic cell and its role in adaptive immunity".

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31 GM-CSF IL-3 IL-4 Viruses pathogens, e.g. LPS, bacterial DNA cytokines, e.g. TNF, GM-CSF T cells, e.g.cd40l viral dsrna Cellule NK DC PRECURSOR IMMATURE DC MATURE DC CYTOKINE RELEASE IFN alpha TNF IL-1 ANTIGEN CAPTURE High intracellular MHC II Endocytosis Phagocytosis High CCR1, CCR5, CCR6 Low CCR7 Low CD54, 58, 80, 86 Low CD40 Low CD83, No DC-LAMP ANTIGEN PRESENTATION High surface MHC II Low endocytosis Low phagocytosis Low CCR1, CCR5, CCR6 High CCR7 High CD54, 58, 80, 86 High CD40 High CD83, high DC-LAMP, high p55

32 Élie Metchnikoff ( ) The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1908 For his discovery of Phagocytosis (Messina 1882)

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34 Gli antigeni devono raggiungere gli organi linfoidi secondari per attivare l immunita acquisita

35 Struttura di un linfonodo

36 Immunofluorescenza per cellule dendritiche (Anti-DEC205) Immunofluorescenza per macrofagi (Anti-DC-SIGN)

37 Chemokine Receptors on Dendritic Cells

38 Peripheral Tissues Lymphatic circulation DCs travel to lymph nodes via afferent lymphatic vessels Veiled cells Secondary Lymphoid Organs Adapted from Janeway and Travers

39 Analyzing DCs in human afferent lymph: a complex task

40 Axillary nodes dissection induce an accumulation of serous fluids named seroma The surgical removal of axillary nodes corresponds to a physical interruption of lymphatic vessels draining lymph from interstitial spaces: as a result, afferent lymph accumulates. Montalto et al, IMLET 2010

41 CD3 Seroma can be considered as an accumulation of afferent lymph Seroma Blood Seroma Montalto et al. IMLET, 2010 Blood Characterization of afferent lymph dendritic cells in humans Barbara Morandi CCR7

42 Identification of DCs in human afferent lymph from seroma fluids. SSC-A SSC-A HLA-DR HLA-DR HLA-DR % of Max HLA-DR bright 10 4 CD1a FSC-A Lineage (CD3, CD19, Nkp46 and BDCA-2) HLA-DR dim Langherin CD14 CD1a LC HLA-DR bright T FSC-A HLA-DR dim HLA-DR bright HLA-DR dim HLA-DR dim T Morandi et al. J.Immunol. 2013

43 Phenotype of afferent lymph DC subsets Costimulatory receptors and DC markers HLA-DR dim HLA-DR bright CD80 CD83 CD86 CD40 DEC205 DC SIGN HLA-DR bright CD14 neg DCs displayed a mature phenotype, as they expressed significant higher levels of costimulatory molecules and DC hallmarks such as DEC205

44 Phenotype of afferent lymph DC subsets Inhibitory receptors and inflammatory chemokine receptors HLA-DR dim HLA-DR bright PDL1 PDL2 CCR1 CCR5 CCR7 Morandi et al. J.Immunol. 2013

45 HLA-DR HLA-DR HLA-DR bright CD1a + DCs continuously migrate from peripheral tissues to secondary lymphoid organs in steady state Time from Surgery Day 0 Day 7 Day 49 Clinical status Surgery Post-surgical tissue inflammation Healed tissue Drained DCs Not available CD14 CD14

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47 Lavoro seroma P.Parham The Immune System EdiSES, 4 ed., 2015

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49 Immunoproteasome subunits are similarly expressed in both DC subsets of human afferent lymph Morandi et al. J.Immunol. 2013

50 Afferent lymph DCs spontaneously release TGFb and induce T regs Morandi et al. J.Immunol. 2013

52 Il fenomeno del Cross-priming : un eccezione delle cellule dendritiche alle vie classiche di presentazione Apoptotic (or necrotic) cells in peripheral tissues DC migration to draining lymph node Mature DC stimulate Virus/tumor-specific CTLs

53 Cross-dressing vs Cross-presentation Campana et al IMLET, 2015

54 Cross-dressing occurs via different mechanisms of MHC transfer

55 Plasmacytoid DCs can present exogenous antigens via cross-dressing Bonaccorsi et al. J.Immunol. 2014

56 Bonaccorsi et al. J.Immunol. 2014

58 Autophagy As the autophagosome forms, it engulfs cellular contents, such as damaged proteins and organelles. Finally, it fuses with the lysosome, where the contents are degraded into smaller constituents. This process provides the cell with nutrients and building blocks for renewal.

59 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2016 To Yoshinori Ohsumi "for his discovery of mechanisms for autophagy"

60 Ohsumi studies In yeast (left panel) a large compartment called the vacuole corresponds to the lysosome in mammalian cells. Ohsumi generated yeast lacking vacuolar degradation enzymes. When these yeast cells were starved, autophagosomes rapidly accumulated in the vacuole (middle panel). His experiments identified 15 genes that are essential for autophagy.

61 Autophagosome formation

62 Regulation of intra- and extracellular antigen processing for MHC class II presentation by macroautophagy Munz C., Front. Immunol. 2012

63 Summary Antigen processing and presentation are essential for the development of adaptive immune response via activation of T cells. The system is tightly regulated for an efficient activation of both Helper and Cytotoxic T cell compartments. Antigen presentation by DCs continuosly migrating in steady state from periphery is also critical for the maintenance of peripheral tolerance Many dogmatic assumptions are however challenged by a series of exceptions in antigen processing and presentation: cross-priming: presentation of exogenous antigens on MHC class I cross-dressing: acquisition of foreign antigens w/o processing outcomes of autophagy: presentation of endogenous antigens on MHC class II