Università degli Studi di Messina

Antigen processing and presentation

Guido Ferlazzo

SIICA

School of

Immunology

PAMP: Pathogen Associated Molecular Pattern

PRR: Pattern Recognition Receptors

PRR-PAMP interactions

Activation of Innate Immunity

Cosa induce l’attivazione dell’immunità acquisita

(cellule T e cellule B)?

Gli antigeni

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.

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)

Proteine

Polisaccaridi

Lipidi

Acidi nucleici

Natura chimica

degli antigeni

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.

B cell receptor T cell receptor

Recettori linfocitari per l’antigene

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

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

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

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

Subsets di linfociti T

Citotossici (CD8)

Helper (CD4)

HLA class I-ristretti

HLA class II-ristretti

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)

Espressione delle molecole di MHC

Cellule presentanti l’antigene (APC) (professionali)

Dendritic cell Macrophage B cell

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

Processazione dell’antigene

Le proteine devono essere ubiquitinate per essere digerite dal proteasoma

Processazione dell’antigene

La via di processazione per le proteine endogene: il proteasoma

Il complesso MHC/peptide si forma nel Reticolo Endoplasmatico Rugoso

La via di processazione per le proteine endogene

Processazione dell’antigene

La via di processazione per le proteine esogene

La via di processazione per gli antigeni esogeni

Processazione dell’antigene

Le due vie di processazione dell’antigene

Antigeni endogeni

Antigeni esogeni

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

Processazione dell’antigene e presentazione

mediante molecole MHC-simili

NKT cells

Cellule presentanti l’antigene (APC) (professionali)

Dendritic cell Macrophage B cell

To

Ralph M. Steinman

"for his discovery of the dendritic cell and its role in adaptive immunity".

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2011

IFN alpha

TNF

IL-1

DC PRECURSOR

IMMATURE DC

MATURE DC

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

ANTIGEN PRESENTATION

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

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

CYTOKINE RELEASE

Élie Metchnikoff (1845–1916)

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1908

For his discovery of Phagocytosis (Messina 1882)

Gli antigeni devono raggiungere gli organi linfoidi secondari

per attivare l’immunita’ acquisita

Struttura di un linfonodo

Immunofluorescenza

per cellule dendritiche

(Anti-DEC205)

Immunofluorescenza

per macrofagi

(Anti-DC-SIGN)

Chemokine Receptors on Dendritic Cells

DCs travel to lymph nodes

via afferent lymphatic vessels

Peripheral Tissues

Lymphatic circulation

Secondary Lymphoid Organs

Adapted from Janeway and Travers

Veiled cells

Analyzing DCs in human afferent lymph: a complex task

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.

Axillary nodes dissection induce an accumulation of serous fluids

named “seroma”

Montalto et al, IMLET 2010

BloodSeroma

Seroma can be considered as an accumulation of afferent lymph

Montalto et al. IMLET, 2010

Barbara Morandi

Characterization of afferent lymph

dendritic cells in humans

Blood

Seroma

CCR7

CD

3

FSC-A

SSC

-A

0 200 400 600 800 1000

0

200

400

600

800

1000

HLA-DR bright

HLA-DRdim

T

HLA-DR

bright

HLA-DRdim T

HLA-DRdim

10 0 10 1 10 2 10 3 10 4

10 0

10 1

10 2

103

10 4

HL

A-D

R

CD14

0 200 400 600 800 1000

FSC-A

0

200

400

600

800

1000

SS

C-A

10 0 10 1 10 2 10 3 10 4

10 0

10 1

10 2

10 3

10 4

LineageHL

A-D

R

HLA-DRbright

HLA-DRdim

10 0 10 1 10 2 10 3 10 4

0

20

40

60

80

100

% o

f M

ax

Langherin10 0 10 1 10 2 10 3 10 4

10 0

10 1

10 2

10 3

10 4

HL

A-D

R

CD1a

CD1a

LC

Identification of DCs in human afferent lymph from seroma

fluids.

(CD3, CD19,

Nkp46 and

BDCA-2)

Morandi et al. J.Immunol. 2013

Phenotype of afferent lymph DC subsets

Costimulatory receptors and DC markers

HLA-DRbrightCD14neg DCs displayed a mature phenotype, as they expressed significant

higher levels of costimulatory molecules and DC hallmarks such as DEC205

HLA-DRdim HLA-DRbright

CD80

CD83

CD86

CD40

DEC205

DC SIGN

Phenotype of afferent lymph DC subsets

Inhibitory receptors and inflammatory chemokine receptors

HLA-DRdim HLA-DRbright

PDL1

PDL2

CCR1

CCR5

CCR7

Morandi et al. J.Immunol. 2013

20 4

751HL

A-D

R

CD14

88 2

91HL

A-D

R

CD14

Clinical

status

Surgery Post-surgical

tissue

inflammation

Healed tissue

Time from

SurgeryDay 0 Day 7 Day 49

Drained

DCs

Not

available

HLA-DRbrightCD1a+ DCs continuously migrate

from peripheral tissues to secondary lymphoid organs in steady state

Lavoro seroma

P.Parham

The Immune System

EdiSES, 4°ed., 2015

Immunoproteasome subunits are similarly expressed

in both DC subsets of human afferent lymph

Morandi et al. J.Immunol. 2013

Morandi et al. J.Immunol. 2013

Afferent lymph DCs spontaneously release TGFb and induce T regs

Processazione dell’antigene

Apoptotic (or necrotic)

cells in peripheral tissues

DC migration to

draining lymph node

Mature DC stimulate

Virus/tumor-specific CTLs

Il fenomeno del “Cross-priming”:

un eccezione delle cellule dendritiche alle vie classiche di presentazione

Cross-dressing vs Cross-presentation

Campana et al IMLET, 2015

Cross-dressing occurs via different mechanisms

of MHC transfer

Plasmacytoid DCs can present exogenous antigens via cross-dressing

Bonaccorsi et al. J.Immunol. 2014

Bonaccorsi et al. J.Immunol. 2014

Processazione dell’antigene

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.

Autophagy

To

Yoshinori Ohsumi

"for his discovery of mechanisms for autophagy"

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2016

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.

Ohsumi studies

Autophagosome formation

Regulation of intra- and extracellular antigen processing

for MHC class II presentation by macroautophagy

Munz C., Front. Immunol. 2012

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