Innate immunity. Paul-Ehrlich-Institut. Paul-Ehrlich-Institut Bundesinstitut für Impfstoffe und biomedizinische Arzneimittel

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1 Innate immunity Paul-Ehrlich-Institut Paul-Ehrlich-Institut Bundesinstitut für Impfstoffe und biomedizinische Arzneimittel

2 Wettrüsten zwischen Wirt und Virus Anti-virales Wirtsmolekül Virales Molekül Virus Evolution // Evolution lution Slide adapted from Carsten Münk

3 Hierzulande musst du so schnell rennen, wie du kannst, wenn du am gleichen Fleck bleiben willst. Um woandershin zu kommen, musst du mindestens doppelt so schnell laufen! The Red Queen to Alice in Alice in Wonderland SM. Hedrick 2004 Slide adapted from Carsten Münk

4 Das Immunsystem als Hürde für die Virus-Ausbreitung Intrinsische Immunität Angeborene Immunität Erworbene Immunität Flint, Principles of Virology, 2009

5 Das Immunsystem als Hürde für die Virus-Ausbreitung Intrinsische Immunität Angeborene Immunität Erworbene Immunität Flint, Principles of Virology, 2009

6 Intrinsic defenses Barriers (e.g. skin, normal flora, ) Apoptosis ( altruistic suicide ) Autophagy ( eating in to avoid infection ) Epigenetic silencing (defense against DNA viruses replicating in the nucleus) RNA silencing (sequence-specific degradation of virus RNA) Cytosin deamination (Apobec affecting RT of retroviruses) Trim Proteins (protection against endemic retroviruses)

7 Intrinsic barriers to infection Skin Gut Lungs Eyes/Nose

8 Apoptosis upon viral infections At the cell surface: Induction of apoptosis-inducing cytokines Alteration of membrane integrity In the cytoplasm: Production of metabolic inhibitors Modification of cytoskeleton Infection of human epithelial cells with HSV-1 results in membrane blebbing and apoptotic body formation In the nucleus: Damage to DNA Alteration of gene expression Disruption of cell cycle Adapted from Flint, Principles of Virology, 2009

9 Autophagy disposing invaders without disposing the whole cell Levine et al., 2007 Nature Reviews

10 Das Immunsystem als Hürde für die Virus-Ausbreitung Intrinsische Immunität Angeborene Immunität Erworbene Immunität Flint, Principles of Virology, 2009

11 Innate immune responses C Complement (classical pathway, lectin pathway, alternative pathway) Innate immune cells (e.g. dendritic cells, NK cells, ) IFN Cytokines (e.g. type I interferons)

12 Innate immune responses C Complement (classical pathway, lectin pathway, alternative pathway) Innate immune cells (e.g. dendritic cells, NK cells, ) IFN Cytokines (e.g. type I interferons)

13 Cells of the innate immunity Macrophage Phagocytosis and activation of bactericidal mechanisms Antigen presentation Neutrophil Phagocytosis and activation of bactericidal mechanisms Dendritic cell Phagocytosis Antigen presentation Eosinophil Killing of antibody-coated parasites NK cell Release of lytic granules that kill virus-infected cells Basophil Unknown Mast cell Release of granules containing histamine and other active agents

14 Dendritic cells detect foreign Detect PAMPs (pathogen associated molecular patterns) via PRRs (pattern recognition receptors) Sentinel cells show the pathogen on MHC II to cells of the adaptive immunity Get activated in periphery and mature (MHC II upregulation, upregulation of costimmulatory molecules, cytokine release) Migrate to secondary lymphatic organs Initiate adaptive immune response Flint, Principles of Virology, 2009

15 Natural killer cells detect missing self Dynamic equilibrium concept Inhibition of NK cells by detecting MHC I molecules Activation of NK cells by alert molecules (self and non-self) Release perforins and granzymes perforating membranes and trigger caspase-mediated cell-death Produce IFN- Antibody-dependent cell cytotoxicity (ADCC) via Fc receptor CD16 Vivier et al., 2008 Nature Reviews

16 Viral mechanisms for modulation of NK cell activity 1. Expression of viral MHC I homolog by infected cell (HCMV UL18) 2. Increase of host HLA-E expression (Nef of HIV1 affects MHC I expression, but not of MHC I E) 3. Expression of viral activating receptor antagonists (HCMV E2 envelope protein binding to CD81) 4. Catch NK cell stimulatory cytokines or produce cytokine agonists (Ectromelia encoded IL-18 binding protein inhibits IFN- production) 5. Infection of NK cell itself Adapted from Flint, Principles of Virology, 2009

17 Innate immune responses C Complement (classical pathway, lectin pathway, alternative pathway) Innate immune cells (e.g. dendritic cells, NK cells, ) IFN Cytokines (e.g. type I interferons)

18 Immunantwort nach Kontakt mit einem Pathogen - Viren - Bakterien - Protozoen - Parasiten Interferone IgM Killer Zellen IgG Tage nach Infektion Angeborene Immunität Erworbene Immunität

19 Ausschüttung von Interferon nach Kontakt mit einem Pathogen Interferon

20 Ausschüttung von Interferon nach Kontakt mit einem Pathogen Interferon

21 Interferone sichern das Überleben nach Infektion Interferon IgM Killer IgG Überleben VSV Wild-typ Maus Überleben Maus ohne Killer Zellen Überleben Maus ohne Antikörper-produzierende Zellen Überleben Maus ohne Typ I Interferon System

22 Type I, II, and III interferons Type I interferons Type II interferon Type III interferons IFN- / IFN- IFN- 1-3 IFNAR IFNGR IFNLR

23 Mechanism of IFN- induction IFN- IFN- IFNAR IRF-3 NF- B STAT JAK IFN- IRF-7

24 Type I IFN-mediated anti-viral effects Virus-infected host cell Induction of 2-5 oligoadenylate synthetase - Activation of an endoribonuclease - Degradation of viral RNA Induction of P1-kinase (serine/threonine kinase) - Inhibition of translation - Inhibition of viral replication IFN- and IFN- expression >300 target genes Induction of Mx - Mediates resistance against influenza infection - Targets viral nucleocapsids - Inhibits RNA sythesis Induction of protein kinase R - dsrna-dependent - Inhibits translation initiation

25 Interferone in klinischen Anwendungen Zulassungen Datum Handelsname Wirkstoff Hersteller Indikation 1983 Fiblaferon IFN beta Rentschler Schwere Viruserkrankungen / 2003 SARS 04/1987 Roferon A IFN alpha-2a Roche Krebs 11/1995 Betaferon IFN beta-1b Schering Multiple Sklerose 03/1997 Avonex IFN beta-1a Biogen Multiple Sklerose 05/1998 Rebif IFN beta-1a Serono Multiple Sklerose 02/1999 Inferax IFN alphacon 1 Yamanouchi Hepatitis C 03/2000 Intron A IFN alpha-2b Essex Pharma Hepatitis B/C 02/2002 PegIntron pegyliertes IFN alpha-2b Essex Pharma Hepatitis C 06/2002 Pegasys pegyliertes IFN alpha-2a Roche Hepatitis B/C 10/2007 CinnoVex biogeneric IFN beta-1a CinnaGen Multiple Sklerose 06/2008 Extavia IFN beta-1b Novartis Multiple Sklerose (identisch mit Betaferon )

26 Ausschüttung von Interferon nach Kontakt mit einem Pathogen Interferon

27 Ausschüttung von Interferon nach Kontakt mit einem Pathogen Interferon

28 Identification of interferon producing cells in the spleen VSV Immunohistochemistry: anti IFN- antibody Barchet et al. (2002), JEM

29 FACS-sorting of dendritic cell populations 1. VSV infection in vivo 4. FACS analysis and FACS-sorting VSV C D 2. Suspension of spleen cells CD11c A C/D B E GR-1 F CD11b 3. MACS pre-sort for CD11c + cells A: Lymphoid DC (CD11c + CD11b - ); CD8 + DC B: Myeloid DC (CD11c + CD11b + ) C: GR-1 - DC (CD11c int CD11b - GR-1 - ) D: GR-1 + DC (CD11c int CD11b - GR-1 + ) E: Macrophage-like DC (CD11c int CD11b + ) F: Granulocytes (GR1 + ) Barchet et al. (2002), JEM

30 Identification of plasmacytoid dendritic cells as IFN- source in the spleen IFN- RT-PCR untreated VSV C D CD11c A C/D B E GR-1 F CD11b Barchet et al. (2002), JEM

31 Ausschüttung von Interferon nach Kontakt mit einem Pathogen Interferon

32 Classification of cytokines Functional group Selected members Activity Pro-inflammatory cytokines IL-1, TNF-, IL-6, IL-12 Promote leukocyte activation Anti-inflammatory cytokines IL-10 Suppress activity of pro-inflammatory cytokines; return system to basal circulate and wait state Chemokines IL-8 Recruit immune cells during early stages of immune response

33 Ausschüttung von Interferon nach Kontakt mit einem Pathogen Interferon

34 Ausschüttung von Interferon nach Kontakt mit einem Pathogen Interferon

35 Massive fungal infection in Toll -/- fruit flies Lemaitre et al. (1996), Cell

36 How do DC sense pathogens? 1996 Spätzle/Toll/cactus control potent antifungal response in Drosophila (Lemaitre et al., Cell) 1998 Positional cloning of LPS resistance in C3H/HeJ mice revealed that LPS is recognized by TLR4 (Poltorak et al., Science)

37 Toll-like receptors (TLRs) PRR: pattern recognition receptors PAMPs: pathogen associated molecular patterns LRR extracellular cytoplasm TIR domain MyD88 TRIF

38 TLR-dependent and -independent pathogen recognition bacterial lipoproteins LPS Flagellin PLP? TLR2 TLR6/1 TLR4 TLR5 TLR10, 12, 13 TLR11 extracellular cytoplasm TLR3 dsrna P P P RIG-I TLR7/8 ssrna MDA5 PKR TLR9 endosome dsdna DAI?

39 TLR signaling updated July 2004 updated September 2005 updated October 2005 updated March 2008 updated..

40 Pattern-recognition receptors expressed by human DC subsets Kadowaki et al. (2001)

41 PAMPs trigger cytokine production PGN (TLR2) LTA (TLR2) LPS (TLR2/4) CpG (TLR9/DAI?) poly I:C (TLR3/RLH) IL-12 INF- IL-6 TNF- mono. imdc pdc mono. imdc pdc mono. imdc pdc mono. imdc pdc mono. imdc pdc Kadowaki et al. (2001)

42 Ausschüttung von Interferon nach Kontakt mit einem Pathogen Interferon

43 Ausschüttung von Interferon nach Kontakt mit einem Pathogen Interferon

44 Type I IFN-mediated effects on adaptive immunity??? IFN-I IgM CTL IgG response days post infection Innate immunity Adaptive immunity

45 IFNAR-dependent antibody class switch VSV-VLP Antibody class switch? WT or IFNAR -/- Bach et al. (2005)

46 Type I IFN-mediated effects on adaptive immunity??? IFN-I IgM CTL IgG response days post infection Innate immunity Adaptive immunity

47 IFNAR-dependent T cell expansion WT IFNAR -/- T cell expansion? T cell Development IFN - % transferred T cells of CD MVA gp33 WT IFNAR -/- Activation - Proliferation + Expansion + Survival days post infection Function + Frenz et al., 2010

48 Bridging innate and adaptive immunity IFN- / 1 2 pdc n mdc X CD8 + T cell B cell IgM IgG Clearance of viral infection

49 Paul-Ehrlich-Institut Bundesinstitut für Impfstoffe und biomedizinische Arzneimittel

50 Literature ISBN: ISBN: ISBN:

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