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Tmem51 is upregulated in CD8 T cells derived from chronic infection. In acute infection, overexpression of it leads to downregulation of effector cytokine production without impacting T cell development. Exhausted CD8 T cells in chronic infection cannot be reactivated by deletion of Tmem51. PTPN2 was known to impact exhausted CD8 T cells subsets in chronic infection. In acute infection, deficiency of PTPN2 improves T cell survival by rendering T cells less dependent on survival-promoting cytokines. Tmem51 ist in CD8-T-Zellen, die von chronischen Infektionen stammen, hochreguliert. In akuter Infektion führt eine Überexpression von Tmem51 zu einer Herunterregulierungvon Effektorzytokinen, ohne die T-Zell-Entwicklung zu beeinträchtigen. Erschöpfte CD8-T-Zellen werden durch Tmem51-deletion nicht reaktiviert. PTPN2 hat in chronischen Infektionen einen Einfluss auf erschöpfte CD8-T-Zellen. Bei akuten Infektionen erhöht ein PTPN2-Mangel die Überlebensfähigkeit von CD8-T-Zellen.

Main task of this thesis was the development and evaluation of immunological screening protocols for a standardized mouse phenotyping. Therefore, established assays like ELISA and flow cytometry were adapted to "high-throughput" technologies, as well as innovative bead array systems. With the help of these screening protocols, more than 5000 ENU mutagenized mice were tested for the cellular composition of the peripheral blood and the concentration of immunoglobulin subclasses in the blood plasma, and more than 25 new mutant mouse lines with immunological alterations could be established. In addition, the prerequisites and the workflow for a Listeria monozytogenes "challenge screen" of ENU mutagenized was established, in order to be able to specifically identify mouse mutants with defects in the immune response. Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Evaluierung von immunologischen Testverfahren für eine standardisierte Maus-Phänotypisierung. Dabei wurden etablierte Messmethoden wie ELISA und Durchflusszytometrie an „High-Throughput“ Bedingungen angepasst, sowie innovative Bead Array Systeme in die Untersuchungen integriert. Mit Hilfe der entwickelten Screeningprotokolle konnten mehr als 5000 ENU-mutagenisierte Mäuse hinsichtlich der zellulären Zusammensetzung des peripheren Blutes und der Konzentration von Immunglobulin-Subklassen im Blutplasma charakterisiert, und mehr als 25 neue Mausmutantenlinien mit immunologischen Abnormalitäten etabliert werden. Zusätzlich wurden die Vorraussetzungen und Arbeitsabläufe für einen „Challengescreen“ von ENU mutagenisierten Mäusen nach Infektion mit Listeria monocytogenes etabliert, um zukünftig gezielt Mausmutanten mit Defekten in der Immunabwehr zu identifizieren.

We show here that CD4+ T cell immune responses occur within a probabilistic framework, in which T cell receptor avidity to cognate peptide modulates the likelihood of T cells to divide or differentiate. Wir zeigen hier, dass CD4+ T-Zell-Immunantworten in einem probabilistischen Rahmen stattfinden, in dem die T-Zellrezeptor-Avidität zu einem spezifischen Peptid die Wahrscheinlichkeit moduliert mit der sich eine T-Zelle teilt oder differenziert.

We tested the hypothesis that pulmonary exposure to sterile carbon nanoparticles (CNP), a main constituent of urban air pollution, generates an acute inflammatory response by involving the p50 subunit of NFkB1, a pathway generally crucial for inflammatory gene expression in sepsis. Exposing wt and p50-deficinet mice to CNP caused an acute, aseptic neutrophilic alveolitis. While the storm of acute phase cytokines was much more pronounced in p50 mice, no genotype related difference in the number of to the airspace recruited inflammatory leukocytes could be detected. Nuclear profiling of CNP exposed lung however detected NFkB activation only for WT and not p50 mice. Even the activation potential of alveolar macrophages (AM), which are known to be the primary source of inflammatory cytokine production in infected lungs, revealed a rather antiinflammatory skewed phenotype for p50 AMs. Finally our results indicate that inflammatory pathways described for infectious, septic triggers might differ from those during aseptic, sterile inflammation and may thus require further investigations. Die Inhalation von sterilen, Kohlenstoff-Nanoteilchen einem wichtigen Bestandteil urbanen Luftverschmutzung, bewirkt eine lokale Entzündungsreaktion. Da der NFkB Transkriptionsfaktor für septische Entzündungsreaktion bestens beschrieben ist, wurde hier untersucht inwieweit die NFkB p50-Untereinheit für die Ausprägung der aseptischen, Partikelinduzierten Entzündungsreaktion von Bedeutung ist. Partikelexposition von wt und p50-defizienten Mäusen bewirkte in Lungen von Mutanten eine verstärkte Expression und Freisetzung von Akutphase-Cytokinen. Die zelluläre Entzündungsreaktion, d.h. die Akkumulation von Leukozyten im Alveolarbereich war dagegen unabhängig vom Genotyp und NFkB-Aktivierung wurde nur in wt aber nicht p50-Lungen beobachtet. Die Aktivierbarkeit von Alveolarmakrophagen, den Zellen der Cytokinfreisetzung, zeigen ebenfalls einen antiinflammatorischen Phänotyp für p50 Mäuse auf. Die Signalwege der septischen Entzündungsreaktion scheinen damit denen der aseptischen nicht unbedingt zu entsprechen und bedürfen genauerer Untersuchung.

Schistosomiasis is a chronic infection caused by parasitic blood flukes (e.g. Schistosoma mansoni). Previous research has demonstrated how S. mansoni-derived soluble egg antigen (SEA) can dampen immune responses. The results presented within this thesis demonstrate that (glyco-)lipids within SEA dampen Toll-like receptor-mediated immune responses, whereas (glyco-)proteins activate the NLRP3 inflammasome and thus IL-1ß production. This SEA-mediated NLRP3 inflammasome activation depends on the Dectin-2/FcRγ receptor complex, spleen tyrosine kinase, Card9 complex, mitochondrial reactive oxygen species and potassium efflux. Further work described in this thesis display the critical role for NLRP3 inflammasome activation during the TH2 polarized immune responses of Schistosomiasis and allergic asthma. Schistosomiasis ist eine chronische Infektion, ausgelöst durch parasitisch lebende Pärchenegel (z.B. Schistosoma mansoni). Untersuchungen haben gezeigt, dass schistosomales Eierantigen (SEA) Immunantworten unterdrückt. Die in dieser Arbeit dargelegten Ergebnisse zeigen, dass im SEA enthaltende (Glyko-)Lipide Toll-like Rezeptor-vermittelte Immunantworten unterdrücken, wohingegen (Glyko-)Proteine das NLRP3 Inflammasom aktivieren, was zur IL-1ß Ausschüttung führt. Die SEA-vermittelte Aktivierung des NLRP3 Inflammasoms ist abhängig vom Dectin-2/FcRγ Rezeptorkomplex, der Milz-Tyrosin-Kinase, dem Card9 Komplex, reaktive Sauerstoffspezies aus dem Mitochondrium und Kaliumsekretion. Darüber hinaus konnte eine entscheidende Rolle des NLRP3 Inflammasoms während TH2 polarisierten Immunantworten der Schistosomiasis und allergischen Asthma aufgezeigt werden.

Adoptive transfer of T cells that are engineered with antigen-specific receptors has shown to be effective in different clinical settings, but bear the risk of serious toxicities. A promising strategy to improve the quality and safety of gene-modified cell products is based on co-expression of a truncated cell surface marker derived from the human epidermal growth factor receptor (EGFRt). The aim of this PhD thesis was to evaluate and further develop the EGFRt for clinical cell selection, in vivo tracking and cell depletion. Der adoptive Transfer von T-Zellen, die mit antigen-spezifischen Rezeptoren ausgestattet wurden, zeigte klinische Erfolge, ist jedoch mit potentiell gefährlichen Nebenwirkungen assoziiert. Um die Qualität und Sicherheit von genmodifizierten Zellen zu verbessern, verfolgen wir die vielversprechende Strategie, eine trunkierte Version des humanen EGF Rezeptors (EGFRt) als Oberflächenmarker auf den Zellen zu exprimieren. Ziel dieser Doktorarbeit war es, den EGFRt im Hinblick auf klinische Zellsortierung, in vivo Monitoring und Zelldepletion weiterzuentwickeln.

Reprogramming of T cell specificity by T cell receptor (TCR)-transfer for therapeutic application represents a promising new approach for the treatment of cancers. First clinical trials clearly demonstrate this. The goal of this work is the development of novel methods for the isolation of antigen specific TCRs for this purpose. By identification of antigen specific T cells in the naïve repertoire and direct TCR isolation from single cells this goal is achieved. T-Zell-Rezeptor (TZR)-Transfer zur Umprogrammierung der Spezifität von T-Zellen zur therapeutische Verabreichung ist ein vielversprechendes neues Verfahren zu Behandlung von Krebserkrankungen. Erste klinische Studien belegen dies deutlich. Das Ziel dieser Arbeit ist es, neue Methoden zur Isolation antigenspezifischer TZR für diesen Zweck zu entwickeln. Durch Identifikation antigenspezifischer T-Zellen im naiven Repertoire und direkte Isolation des TZR aus Einzelzellen wird dieses Ziel erreicht.

This thesis describes the development and application of a flow cytometry-based assay for efficient cell-associated detection of 37 of 39 murine chemokines with an emphasis on profiling of pathogen-specific T cells. A limited spectrum was expressed by these T cells and the “T cell chemokine response” was identified as the first step in a cascade of temporally regulated effector activities. Furthermore, aging CD8+ memory T cells (TM) progressively acquire the ability for accelerated XCL1-production and induced CCL1 expression by specific TM identified highly “polyfunctional” subsets. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung einer auf Durchflusszytometrie basierenden Methode zur effizienten Detektion von nahezu allen Maus-Chemokinen (37 von 39) und die Charakterisierung der Chemokinexpression von pathogen-spezifische T Zellen. Die “T Zell Chemokinantwort” wurde als der erste Schritt in einer zeitlich regulierten Kaskade von Effektoraktivitäten etabliert. Zudem erwarben Gedächtnis-T-Zellen (TM) mit zunehmendem Alter die Fähigkeit der beschleunigten XCL1 Produktion während induzierte CCL1-Exprimierung "hochpolyfunktionale" TM Subpopulationen identifizierte.

T cells are a major component of the adaptive immune system. They recognize peptide antigens in the context of MHC molecules (pMHC) with their T cell receptor (TCR). The efficiency by which a T cell can react to antigen encounter is dependent on functional and structural factors, especially the physical binding strength of the TCR to the pMHC. Since this parameter could not be precisely determined before, we developed a novel assay system for the measurement of TCR binding strengths that is based on a reversible MHC multimer staining technique. Using this assay system we could show that T cell function is to a large degree dependent on TCR binding strength, and took first steps towards the use of highly functional T cells as therapeutic agents. T-Zellen stellen eine Hauptkomponente des adaptiven Immunsystems dar. Sie erkennen mit ihrem T-Zellrezeptor (TCR) Peptidantigene im Kontext von MHC Molekülen (pMHC). Die Effizienz mit der eine T-Zelle auf Antigenkontakt reagieren kann hängt von funktionellen und strukturellen Faktoren ab, insbesondere von der physikalischen Bindungsstärke zwischen TCR und pMHC. Da dieser Parameter bisher nicht präzise bestimmt werden konnte, haben wir eine neue Messmethode zur Bestimmung der TCR-Bindungsstärke entwickelt, die auf reversibler MHC-Multimerfärbung beruht. Mit Hilfe dieser neuen Methode konnten wir zeigen, dass T-Zellfunktion in hohem Masse von der TCR-Bindungsstärke abhängt und haben erste Schritte hin zu einer Nutzung von hochfunktionellen T-Zellen als Therapeutikum unternommen.

Differentiation of CD8 T cells into diverse effector- and memory populations is an important feature of these cells and necessary for the development of protective immunity against pathogens and certain tumors. In this work we analyzed the differentiation of naïve antigen-specific CD8 T cells after adoptive transfer of single cells into wildtype mice. With the help of this novel tool we could show that after activation, a single CD8 T cell harbors the potential to differentiate into all major subsets. Interestingly, we found in addition that the differentiation patterns of transferred and polyclonal endogenous T cells was almost identical in individual mice. This implicates that factors operative during the expansion phase play an important role in the development and shaping of CD8 T cell responses. These results are important for the development of more effective T cell-based vaccines and for adoptive immunotherapy. Differenzierung von CD8 T Zellen in diverse Effektor- und Gedächtnis Populationen ist eine Kerneigenschaft dieser Zellen und ist maßgeblich verantwortlich für den akuten und lang anhaltenden Immunschutz vor Pathogenen und einigen Tumoren. In dieser Arbeit untersuchten wir die Differenzierung naiver CD8 T Zellen mit definierter Antigenspezifität nach adaptivem Transfer einzelner Zellen in Wildtypmäuse. Durch Entwicklung dieses neuen in vivo Einzelzelltransfersystems konnten wir aufzeigen, dass nach initialer Aktivierung aus einer einzelnen CD8 T Zelle Tochterzellen differenzieren, die allen verschiedenen Subtypen angehören. Interessanterweise konnten wir zudem eine immunisierungsabhängige, aber annähernd identische Differenzierung zwischen transferierten Einzelzellen und dem endogenem polyklonalem T Zell Repertoire in individuellen Mäusen beobachten. Daher scheinen Faktoren während der Expansionsphase einen wichtige Rolle auf die Gestaltung einer CD8 Immunantwort auszuüben. Diese Ergebnisse sind insbesondere von Bedeutung für die Entwicklung effektiverer T Zell-basierender Impfstoffe und für adoptive Immuntherapie.

The predominantly on NK cells and CD8+ T cells expressed activating receptor NKG2D binds several structurally diverse ligands, which are poorly expressed on “normal” resting cells, but can become upregulated on tumors and otherwise stressed or infected cells. Until now, only similar redundant stimulatory effects have been described for all NKG2D ligands. With this thesis work we show for the first time that distinct NKG2D ligands (H60 and MICA-8) can also act as strong suppressors on the proliferation of CD8+ and CD4+ T cells independently of NKG2D itself. The inhibition leads to a reversible cell cycle arrest, suggesting a physiologically relevant regulatory function. Our novel findings provide new explanations, how the expression of distinct NKG2D ligands could become a selective advantage for tumor cells. Der vor allem auf NK und CD8+ T-Zellen exprimierte aktivierende Rezeptor NKG2D bindet mehrere strukturell verschiedene Liganden, die nur schwach auf “normalen” ruhenden Zellen exprimiert werden, jedoch auf Tumoren sowie anderweitig gestressten Zellen heraufreguliert werden. Bisher wurden für alle NKG2D Liganden nur ähnliche stimulatorische Effekte beschrieben. Mit dieser Dissertation zeigen wir zum ersten Mal, dass bestimmte NKG2D Liganden (H60 und MICA-8) auch stark supprimierend und unabhängig von NKG2D auf die Proliferation von CD8+ and CD4+ T-Zellen einwirken können. Die Hemmung erfolgt über einen reversiblen Zellzyklusarrest, der eine physiologisch relevante regulatorische Funktion impliziert. Unsere Erkenntnisse liefern neue Erklärungen dafür, wie die Expression bestimmter NKG2D Liganden einen selektiven Vorteil für Tumorzellen darstellen könnte.