Alina Suzann Fichtner

• In this thesis, three species were investigated for the conservation of two non-conventional T cell systems, the CD1d/ iNKT cell system and the BTN3/ Vγ9Vδ2 T cell system. Non-conventional T cells are αβ or γδ T cells that do not fit into the classical mode of antigen recognition and adaptive responses. These T cells recognize antigens different from classical peptide antigens and are not restricted to the polymorphic MHC molecules but rather to non-polymorphic antigen-presenting molecules. The iNKT cell subset is restricted by the lipidIn this thesis, three species were investigated for the conservation of two non-conventional T cell systems, the CD1d/ iNKT cell system and the BTN3/ Vγ9Vδ2 T cell system. Non-conventional T cells are αβ or γδ T cells that do not fit into the classical mode of antigen recognition and adaptive responses. These T cells recognize antigens different from classical peptide antigens and are not restricted to the polymorphic MHC molecules but rather to non-polymorphic antigen-presenting molecules. The iNKT cell subset is restricted by the lipid antigen-presenting molecule CD1d and carries out immunomodulatory functions by rapid cytokine secretion. The molecular basis of this system, the semi-invariant iNKT TCR chains and CD1d were proven to be expressed and compared to homologs in human and rodents. Cotton rats possess multiple members of the AV14 and BV8 family and only one isoform of CD1d which is comparable to findings in the rat. Moreover, the reactivity of primary cells to glycolipid antigens could be shown, and an iNKT cell-like population was detected in primary cells using newly developed cotton rat CD1d oligomers. These were also applied to test the capacity of CD1d to present typical glycolipid antigens to iNKT TCR transductants. In addition, expression of cotton rat iNKT TCR α and β chains in TCR-negative cell lines was used to show successful pairing and detection of glycolipids in the context of CD1d. In summary, the conservation of a functional CD1d/iNKT cell system in the cotton rat could be shown, and tools were developed to study this cell subset in the course of infectious diseases. The Vγ9Vδ2 T cell subset is the major γδ T cell subset in human peripheral blood and has the unique ability to contribute to immune surveillance by detecting pyrophosphorylated metabolites of isoprenoid synthesis that indicate cell stress, transformation or infection. Up to this date, phosphoantigen-reactive γδ T cells have only been shown in primate species. However, evidence for the existence and functional conservation of the genes implied in the BTN3/Vγ9Vδ2 T cell system was found in several placental mammal species, and two candidate species were chosen for further investigation. The nine-banded armadillo, a valuable model for leprosy research, was shown to possess homologous genes to TRGV9, TRDV2 and BTN3. In this study, the expression of productive rearrangements of TRDV2 gene segments could be shown in peripheral blood samples, but no evidence was found for the expression of a functional TRGV9 rearrangement or BTN3 molecules. Moreover, determinants of phosphoantigen-reactive Vγ9Vδ2 T cells and functional BTN3 molecules were found to still be prevalent in armadillo genes. This makes the armadillo an interesting model to study the structural determinants that allow phosphoantigen recognition by a functional Vγ9Vδ2 T cell subset although this species is merely a witness for a functional system in a placental mammal ancestor. In contrast, alpacas were shown to express functional Vγ9Vδ2 T cells which conserved many features of the human counterpart. Expression of Vγ9Vδ2 pairings could be shown by single-cell PCR and functional phosphoantigenreactive pairings were observed. This phosphoantigen reactivity was also shown in PBMC cultures with a newly developed antibody specific for alpaca Vδ2Jδ4 chains. Moreover, a more detailed study of the alpaca TCR repertoire showed similarities to “γδ high” species like camelids and cattle which possess an extended family of TRDV genes. The γ and δ loci of alpaca TCR genes were drafted based on genomic information and cDNA studies and provide an overview for more detailed studies. Conservation of phosphoantigen recognition by the single BTN3 molecule of alpacas was shown in 293T knock out cell lines, and BTN3 detection on PBMCs was investigated with a newly developed alpaca BTN3-specific antibody. These findings prove the existence of a functional BTN3-dependent phosphoantigen-reactive Vγ9Vδ2 T cell subset and provide a basis for the future study of this cell system in a non-primate species. Moreover, as the first non-primate candidate species with the BTN3/Vγ9Vδ2 T cell system the alpaca is an important outgroup for research in this field. The use of a single BTN3 variant in contrast to three human isoforms that work together renders the alpaca a unique and to this date indispensable model for Vγ9Vδ2 T cells. In conclusion, this study provides an overview of the applicability of new animal models in the study of the non-conventional T cell subsets iNKT cells and Vγ9Vδ2 T cells and leads the way for a better understanding of structural and functional relationships.…
• In dieser Arbeit wurden drei Spezies hinsichtlich ihrer Konservierung von unkonventionellen T-Zellen und ihren Interaktionspartnern, dem CD1d/iNKT-Zellsystem und dem BTN3/Vγ9Vδ2 T-Zellsystem, untersucht. Nicht-konventionelle T-Zellen sind αβ oder γδ T-Zellen, die nicht in das klassische Schema der adaptiven Immunantwort und Peptidantigenerkennung via MHC passen. Diese speziellen T-Zellen erkennen andere Antigene und unterliegen nicht der MHC-Restriktion, sondern interagieren mit meist nicht-polymorphen antigenpräsentierenden Molekülen.In dieser Arbeit wurden drei Spezies hinsichtlich ihrer Konservierung von unkonventionellen T-Zellen und ihren Interaktionspartnern, dem CD1d/iNKT-Zellsystem und dem BTN3/Vγ9Vδ2 T-Zellsystem, untersucht. Nicht-konventionelle T-Zellen sind αβ oder γδ T-Zellen, die nicht in das klassische Schema der adaptiven Immunantwort und Peptidantigenerkennung via MHC passen. Diese speziellen T-Zellen erkennen andere Antigene und unterliegen nicht der MHC-Restriktion, sondern interagieren mit meist nicht-polymorphen antigenpräsentierenden Molekülen. iNKT-Zellen erkennen Lipide, die von CD1d präsentiert werden, und führen immunmodulatorische Funktionen durch schnelle Zytokinproduktion aus. Charakteristisch ist die Expression einer semi-invarianten TCR α-Kette mit einer AV14/AJ18-Umlagerung in Mäusen und Ratten und der homologen Umlagerung AV24/AJ18 im Menschen. Diese α-Kette liegt gepaart mit bestimmten β-Ketten vor, die Diversität in der CDR3 Region aufweisen. Die Erforschung von iNKT-Zellen in der Baumwollratte, einem Modellorganismus für Infektionen mit humanen Viren, war bislang durch das Fehlen von genomischen Daten und Methoden eingeschränkt. Daher wurde die Konservierung von iNKT-Zellen und ihrem antigenpräsentierenden Molekül CD1d in der Baumwollratte untersucht. Die Expression der molekularen Bestandteile dieses Systems, die iNKT α-Kette, typische β-Ketten und CD1d, konnte bestätigt werden und mit den homologen Molekülen in Menschen und Nagern verglichen werden. Baumwollratten besitzen, vergleichbar mit Ratten, mehrere Mitglieder der AV14- und BV8-Familie und nur eine CD1d Variante. Zudem konnte die Reaktivität von primären Baumwollrattenzellen gegenüber typischen iNKT-Zell-Antigenen gezeigt werden und iNKT-Zellpopulationen in primären Zellen wurden mithilfe von CD1d-Multimeren gefärbt. Diese wurden auch zum Test der Funktionalität von CD1d herangezogen. Zusätzlich wurden iNKT TCR-Ketten in TCR-negativen Zelllinien exprimiert und so Paarung und Glykolipiderkennung gezeigt. Zusammenfassend konnte die Konservierung des CD1d/iNKT-Zellsystems in der Baumwollratte bewiesen werden Methoden entwickelt werden, die eine Erforschung der Bedeutung von iNKT-Zellen in Virusinfektionen in diesem Modellorganismus ermöglichen. Vγ9Vδ2 T-Zellen sind die Hauptpopulation von γδ T-Zellen im Blut des Menschen und haben die einzigartige Fähigkeit Metabolite des Isoprenoidstoffwechsels zu erkennen und dadurch zur Immunüberwachung beizutragen. Diese Moleküle sind ein Indiz für Zellstress, Transformation oder Infektionen. Bis jetzt wurden funktionelle Vγ9Vδ2 T-Zellen nur in Vertretern der Primaten gezeigt, die Gene dieses Systems sind allerdings in mehreren höheren Säugetieren konserviert. Zwei Kandidaten für ein funktionelles BTN3/Vγ9Vδ2 T-Zellsystem wurden in dieser Arbeit näher betrachtet. Das Neunbinden-Gürteltier ist ein Modellorganismus der Lepraforschung und die Konservierung von TRGV9, TRDV2 und BTN3 Homologen wurde in dieser Spezies gezeigt. Die Expression von produktiven TRDV2-Umlagerungen konnte im Blut dieser Tiere nachgewiesen werden, es wurde jedoch kein Hinweis auf die Expression von γ-Ketten mit TRGV9 Gensegmenten oder BTN3 Transkripten gefunden. Zusätzlich konnten charakteristische Merkmale von Phosphoantigen-reaktiven menschlichen Vγ9Vδ2 T-Zellen und BTN3 gefunden werden, die immer noch im Gürteltier angelegt sind. Dadurch bietet sich das Neunbinden-Gürteltier als Modell für die Erforschung von strukturellen Faktoren an, die Phosphoantigen-Erkennung durch funktionelle Vγ9Vδ2 T Zellen ermöglichen. Generell ist dieser Modellorganismus aber eher ein Zeuge für ein funktionelles BTN3/VγVδ2 T-Zellsystem in einem gemeinsamen Vorfahren. Im Gegensatz dazu wurden in Alpakas funktionelle Vγ9Vδ2 T-Zellen nachgewiesen, die viele Charakteristiken menschlicher phosphoantigen-reaktiver Vγ9Vδ2 T-Zellen, z.B. TRGJP Verwendung und CDR3 Längenrestriktion, aufweisen. Die Expression von Vγ9Vδ2 Paarungen im Alpaka konnte durch Einzelzell-PCR gezeigt werden und einige Paarungen waren in der Lage Phosphoantigene zu erkennen. Diese Reaktivität wurde, mithilfe von neu entwickelten Vδ2Jδ4-spezifischen Antikörpern, auch in PBMC Kulturen nachgewiesen. Weiterhin wurden Ähnlichkeiten des Alpakas mit „γδ high“ Spezies, z. B. Kamele und Rinder, durch eine erweiterte Untersuchung des TCR-Repertoires aufgezeigt. Schematische Darstellungen der TCR-γ und -δ Loci wurden basierend auf genomischen Daten und cDNA Analysen angefertigt und ermöglichen eine Übersicht für genauere Untersuchungen. Die Konservierung der Phosphoantigen-Bindung zu Alpaka BTN3 konnte durch Gen Knock-out Zelllinien bestätigt werden und die BTN3 Expression wurde mit neuen Alpaka BTN3-spezifischen Antikörpern untersucht. Diese Ergebnisse beweisen die Existenz einer BTN3-abhängigen Phosphoantigen-reaktiven Vγ9Vδ2 T-Zellpopulation im Alpaka und liefern eine Basis für zukünftige Studien dieses Systems. Weiterhin ist das Alpaka als erste nicht-Primaten Spezies eine wichtige Außengruppe für die Forschung in diesem Feld und ein bis jetzt einzigartiges und unersetzliches Modell für die Verwendung nur einer BTN3 Isoform in einem funktionellen BTN3/Vγ9Vδ2 T-Zellsystem. Abschließend lässt sich sagen, dass in dieser Arbeit eine Übersicht der Eignung von neuen Tiermodellen für die Untersuchung zweier nicht-konventioneller T-Zellpopulationen, der iNKT und Vγ9Vδ2 T-Zellen, geschaffen wurde. Dies ermöglicht weitere Untersuchungen zum besseren Verständnis von strukturellen und funktionellen Interaktionen.…