Multi-proteomic discovery of druggable T cell activating signaling pathways

Rietschel, Tina

doi:10.24355/dbbs.084-202407261049-0

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Multi-proteomic discovery of druggable T cell activating signaling pathways

English
German

T cells recognize antigens via the T cell receptor (TCR) and become activated by downstream signaling cascades regulated by PTMs. As key regulators of the adaptive immunity, the proper functioning of T cells is essential for a well-balanced immune response. The cells must balance between potent defense mechanisms and tissue-protective regulation. For this, T cells require a highly flexible immune program to ensure the proper functioning of immune responses. Dysregulation can lead to succumbing to pathogen infection or the development of autoimmune diseases. Drug discovery increasingly focuses on the development and exploitation of immunomodulatory mechanisms. While these concepts have been successfully applied in cancer treatment, the use of therapeutic immunomodulation for the treatment of infectious diseases is still rare. In all cases, a precise understanding of the underlying signaling pathways and activation mechanisms involved in immune responses is required. These are implemented through pre-existing protein networks involving reversible post-translational modifications (PTMs), which control the activity and interaction of proteins.

The basic pathways of T cell activation have been well described. However, there is still need to understand the complex mechanisms by which lateral signals derived from metabolic redox signaling or from co-regulatory surface receptors integrate into TCR signaling cascades.

This thesis focuses on the identification of PTMs that participate in the regulation of T cell activation. For this, multiple proteomic approaches were combined to elucidate signaling pathways that contribute to T cell signaling. Based on data from redoxproteome analyses, the first part investigated the impact of protein oxidation caused by mitochondria-derived hydrogen peroxide on initial CD4+ T cell signaling networks. The analysis of zinc binding proteins as natural targets of oxidative stress indicated the formation of oxidative microenvironments and maintenance of zinc homeostasis, demonstrating that the CD4+ T cells tool oxidative signals for directed signaling. Unbiased analysis of the role of oxidative signals in T cell activation using the antioxidant mitoquinol in phosphoproteome analysis identified the tyrosine phosphatase PTPN7 and the mTOR signaling network as redox-sensing targets for hydrogen peroxide-mediated signaling.

In the second part, the enrichment and analysis of glycoproteins enabled the identification of immunomodulatory surface receptors in mucosal-associated invariant T (MAIT) cells for the first time. E. coli activation altered the glycosylation pattern of CD26 and CD48, which can give hints on involvement in co-stimulation or inhibition during the T cell activation. Furthermore, a unique pattern of chemokine receptors on the MAIT cell surface in dependence on the activation state was observed, influencing the distribution of MAIT cells throughout the human body. In summary, in-depth analysis of analysis of T cell activation pathways enabled the identification of potential drug targets to support and balance immune responses in the case of infection and disease.

T Zellen erkennen Antigene über den T-Zell-Rezeptor (TCR) und werden durch von post-translationalen Modifikationen (PTMs) regulierte Signalkaskaden aktiviert. Als wichtige Regulatoren der adaptiven Immunität benötigen sie ein flexibles Signalprogramm, um die ordnungsgemäße Funktion von Immunreaktionen zu gewährleisten und ein Gleichgewicht zwischen wirksamer Verteidigung und gewebeschützender Regulation herstellen.

Die Arzneimittelforschung konzentriert sich zunehmend auf die Entwicklung und Verwendung immunmodulatorischer Mechanismen. Während diese Konzepte bereits erfolgreich in der Krebstherapie eingesetzt werden, ist die Behandlung von Infektionskrankheiten durch Immunmodulation noch selten. In jedem Fall ist ein genaues Verständnis der für die Immunreaktion zugrundeliegenden Signalwege und Aktivierungsmechanismen erforderlich. Diese werden vor allem durch bestehende Proteinnetzwerke mit reversiblen PTMs realisiert, welche die Aktivität und Interaktion von Proteinen steuern. Bisher wurden grundlegende Signalwege der T Zell-Aktivierung gut beschrieben, jedoch sind die komplexen Mechanismen, welche laterale Signale, wie metabolische Redox-Signale oder Signale von co-regulatorischen Oberflächenrezeptoren, in TCR-Kaskaden integrieren noch wenig erforscht.

Diese Arbeit konzentriert sich auf die Identifizierung von PTMs zur Regulation der T Zell-Immunität. Im ersten Teil wurde die Auswirkung von Proteinoxidationen durch Wasserstoffperoxid aus den Mitochondrien auf die Initialisierung der CD4+ T Zellaktivierung untersucht. Die Analyse von zinkbindenden Proteinen als natürliche Ziele von oxidativem Stress zeigte intrazelluläre Mikroumgebungen mit hohem oxidativen Level und die Aufrechterhaltung der Zinkhomöostase, was die gezielte Nutzung von oxidativen Signale zur Signalgebung zeigt. Anschließend wurde mithilfe des Antioxidants Mitoquinol in einer Phosphoproteomanalyse die Integration von oxidativen Signalen in die T-Zell-Aktivierung untersucht. Dabei wurden die Tyrosinphosphatase PTPN7 und das mTOR-Signalnetzwerk als Redox-Sensoren für Wasserstoffperoxid-vermittelte Signalübertragung identifiziert.

Im zweiten Teil ermöglichte die Anreicherung und Analyse von Glykoproteinen zum ersten Mal die proteomische Identifizierung immunmodulatorischer Oberflächenrezeptoren in Mucosa-assoziierten invarianten T (MAIT) Zellen. Die Aktivierung durch E. coli veränderte das Glykosylierungsmuster der Proteine CD26 und CD48, was Hinweise auf eine Beteiligung an der Co-Regulation in der T Zell-Aktivierung geben kann. Darüber hinaus wurde ein aktivierungsabhängiges Muster von Chemokinrezeptoren auf der Oberfläche der MAIT-Zellen beobachtet, welches die Verteilung der MAIT-Zellen im menschlichen Körper beeinflussen kann. Zusammenfassend ermöglichte die eingehende Analyse der T Zell-Aktivierungswege die Identifizierung potenzieller Ziele für Medikamente, welche möglicherweise bei weiterer Erforschung die Unterstützung einer ausgewogenen Immunantwort im Krankheitsfall unterstützen.