Functional analysis of MHC class I genes in rhesus macaques (<i>Macaca mulatta</i>)

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Struktur und Funktion der Haupthistokompatibilitätskomplex (MHC)-Klasse-I-Gene des Rhesusaffen (Macaca mulatta, Mamu). Es ist bekannt, dass MHC-Klasse-I-Moleküle wesentlich an der Kontrolle der zellulären Immunantwort beteiligt sind. Für die humanen MHC-Klasse-I-Moleküle (HLA-A, -B, -C) ist ein ausgeprägter Polymorphismus charakteristisch. Genetische Arbeiten konnten in den letzten Jahren allerdings zeigen, dass sich Mensch und Rhesusaffe in der MHC-Klasse-I-Region stark unterscheiden. Die Mamu-A- und vor allem die Mamu-B-Regionen weisen viele Genduplikationen und einen ausgeprägten haplotypischen An- und Abwesenheitspolymorphismus der einzelnen Gen-Loci auf. Die funktionelle Bedeutung dieser Fülle an Genen war bislang ungeklärt. Ziel der Arbeit war die Untersuchung der Expression und Funktion von Mamu-A- und Mamu B-Molekülen. Im Rahmen der Arbeit gelang die Etablierung von fünf Mamu-A-, 13 Mamu-B- sowie einer Mamu-I- und einer Mamu-E-Transfektanten in der humanen Zelllinie K562 (MHC-Klasse-I-negativ). Sowohl lasermikroskopische als auch durchfluss-zytometrische Analysen zeigten eine starke Oberflächenexpression der verschiedenen untersuchten Mamu-A-Moleküle. Demgegenüber wiesen die Mamu-B-Moleküle divergente Expressionsmuster auf. Auch hier konnten Allele mit hoher Oberflächenexpression nachgewiesen werden. Einige der Mamu-B-Transfektanten zeigten jedoch eine überwiegend intrazelluläre Expression. Damit liefern die hier präsentierten Ergebnisse Hinweise auf ein heterogenes System der Funktionen der MHC-Klasse-I-Moleküle beim Rhesusaffen. In immunologischen Testverfahren zur Natürlichen Killerzell (NK) -Zytotoxizität und zur NK-Zellaktivierung konnte gezeigt werden, dass Mamu-A-Moleküle Zielstrukturen für inhibitorische Rezeptoren auf NK-Zellen darstellen und damit die Aktivierung von NK-Zellen vermindern können. Zusätzlich konnten Unterschiede in der Stärke der NK-Zellinhibition durch die Moleküle der verschieden Mamu-A-Gen-Loci nachgewiesen werden. Vor allem die durch das Mamu-A1-Gen kodierten Moleküle konnten eine starke NK-Zellinhibition auslösen und dürften daher beim Rhesusaffen vermutlich eine zentrale Rolle in der MHC-Klasse-I-vermittelten NK-Zellregulation spielen. Humane MHC-Klasse-I-Moleküle sind Liganden für Killerzell-Immunglobulin-ähnliche Rezeptoren (KIR) auf NK-Zellen. Für den Rhesusaffen gelang in dieser Arbeit erstmals der experimentelle Nachweis einer spezifischen Interaktion zwischen Mamu-A- und KIR-Molekülen in einem in vitro-Modell. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit implizieren, dass die Mamu-B-Gene ein sehr heterogenes System bilden, bei dem einzelne Gene vermutlich verschiedene Funktionen in der Immunantwort übernehmen. Analysen zur subzellulären Lokalisation lieferten zudem Hinweise auf intrazelluläre Aufgaben einzelner Mamu-B-Moleküle. Die in dieser Arbeit durchgeführten immunologischen Tests und Interaktionsstudien legen zudem nahe, dass MHC-A-Moleküle eine zentrale Rolle in der NK-Zellregulierung des Rhesusaffen spielen, im Gegensatz zu höheren Primaten (z. B. Mensch, Schimpanse), die dafür eher die MHC-C-Moleküle nutzen.This thesis focuses on the structure and function of rhesus macaque (Macaca mulatta, Mamu) major histocompatibility complex (MHC) class I genes. As the cellular immune response is at least partly controlled by MHC class I molecules new insights in the structure and function of this group of molecules will advance our understanding of the rhesus monkey s immune response and how results of infectious studies in macaques can be transferred to the human system. The human MHC class I molecules (HLA-A, -B and -C) are characterized by a high degree of polymorphisms. A complete sequenced haplotyp of the rhesus macaque MHC revealed considerable differences compared to humans with regard to extensive duplications and haplotypic presence-absence polymorphisms. The functional significance of this plethora of MHC class I genes remains, however, unknown so far. One goal of this study was the characterization of Mamu-A and Mamu-B genes by means of expression studies as well as the functional analysis. Therefore five Mamu-A, 13 Mamu-B, one Mamu-I and one Mamu-E stable transfectants were established. Furthermore, confocal microscopy and flow cytometry studies revealed high levels of MHC class I surface expression for Mamu-A molecules. On the other hand Mamu-B molecules exhibited divergent expression patterns, including surface and intracellular expression for some alleles. These results indicate a heterogeneous system of MHC class I function in rhesus macaques. Immunological assays for natural killer (NK) cell cytocoxity and for NK cell activation (via degranulation) identified Mamu-A molecules as a target site for inhibitory NK cell receptors leading to an inhibitory effect on NK cell activation. Additionally, molecules encoded by the Mamu-A1 gene have been shown to be more potent in inhibition of NK cell activation than the molecules encoded by other Mamu-A genes. Human MHC class I molecules are ligands for killer cell immunoglobulin-like receptors (KIR) on NK cells. In this study specific interactions between Mamu-A and KIR molecules were shown in an in vitro model system. The presented results give rise to the assumption of MHC-A molecules in rhesus macaques playing a central role in NK cell regulation, whereas in higher primates (e. g. human and chimpanzee) MHC-C contribute as the major ligand for NK cell receptors