A komplementrendszer immunfunkciókat szabályozó szerepe fiziológiás és kóros folyamatok során = Immunoregulatory role of complement under physiological and pathological conditions

A komplementrendszer immunvédekezésünk szerves része. A legnagyobb mennyiségben előforduló komponens, a C3 szerepe igen változatos; a patogének eliminálásától az immunválasz szabályozásáig terjed. A számos biológiai funkciót főként a C3 aktivációs fragmentumai közvetítik, amelyek különböző sejtek különböző komplementreceptoraihoz kötődnek. Célunk az volt, hogy a C3 újabb, immunfolyamatokat szabályozó szerepét feltárjuk. Kísérleteink eredményei eddig nem ismert molekuláris és sejtes mechanizmusokra derítettek fényt, egyrészt a limfociták CR1 által közvetített gátlásának további tanulmányozásával, másrészt az antigénbemutató sejtek funkcióival kapcsolatban. Vizsgálataink során autoimmun betegek (RA és SLE) sejtjeit is vizsgáltuk, valamint az SM egér-modelljét, az EAE-t is tanulmányoztuk. Eredményeink nemcsak azért fontosak, mert általuk jobban megértjük az alapvető immunfolyamatokat, hanem azért is, mert egyes autoimmun-betegségek kezelésében reménykeltő cél-molekulát sikerült azonosítanunk. Eredményeinket számos ""peer-reviewed"" cikkben közöltük (össz-IF: 66), továbbá a projekt anyagából két PhD-fokozat született és további kettő folyamatban van. Eredményeink arra sarkalltak, hogy kutatásainkat kiterjesszük a munkatervben nem részletezett területre is, melynek során Dr. Prechl Józseffel és Dr. Papp Krisztiánnal (MTA-ELTE Immunológiai Kutatócsoport) együttműködve mikro-array rendszert dolgoztunk ki az ellenanyag (köztük autoantitestek) általi komplementaktiválás kimutatására. | The complement system is an integral part of our immune system. The role of its most abundant protein, component C3, is very versatile – it ranges from the elimination of pathogens to the regulation of immune responses. The various biological functions are mainly mediated by the activation fragments of C3, via their interaction with different complement receptors expressed by different cell types. Our goal was to reveal new regulatory functions of C3. We have described so far unknown molecular and cellular interactions, further analysed the CR1-mediated inhibiton of lymphocyte functions and the role of C3 in the function of antigenpresenting cells. We extended our studies to autoimmune patients – such as RA and SLE -, furthermore to EAE, the mouse modell of SM. Our results are important not only beacuse they help better understand basic immunological processes, but also because we could identify a promising target-molecule for the treatment of autoimmune disorders. We published our results in peer-reviewed international journals (total IF: 66), furthermore two PhD-degrees were accomplished and further two will be obtained based on this OTKA-project. Our results urged us to extend the research to a new area, namely the development of a protein-microarray system, which can be used to detect complement activation initiated by antibodies. This work was accomplished by a cooperation with Drs. J.Prechl and K.Papp at the Immunology Research Group of the HAS at ELU

Az adaptív immunválasz kialakulása és szabályozása fiziológiás és kóros körülmények között: dendritikus sejtek, hízósejtek és a komplementrendszer szerepének vizsgálata = Regulation of adaptive immune responses under normal and pathological conditions; role of dendritic cells, mastocytes and the complement system

A magasabbrendű szervezetek immunhomeosztázisát a veleszületett és az adaptív immunrendszer együtt tartja fenn; egymással szorosan összefonódva, folyamatosan együttműködve. E két rendszer sejtes és molekuláris elemei - köztük a limfociták, makrofágok, dendritikus sejtek, hízósejtek, továbbá a komplementrendszer és a különböző citokinek - számos ponton hatnak egymásra úgy a fiziológiás, mint a kóros immunfolyamatok esetében. A pályázati munka során újabb kölcsönhatásokat írtunk le e két rendszer között, megismertük az egyes folyamatok molekuláris mechanizmusát, és a veleszületett immunrendszer egyes elemeink számos új funkcióját tártuk fel. Mindezzel jelentősen hozzájárultunk a veleszületett elemek adaptív választ befolyásoló ill. irányító hatásának további megismeréséhez. A pályázati munkába hét doktoranduszt vontunk be, akik közül öten már megszerezték a PhD fokozatot. Eredményeinket tizenkét, nemzetközi szaklapban megjelent publikációban közöltük; a cikkek - IF: 49.5. | The immunehomeostasis of higher vertebrates is maintained by the constant coordination and cooperation of the elements of the innate and adaptive immune system. Their cellular and molecular constituents - such as lymphocytes, macrophages, dendritic cells, mast cells, and the complement system and various cytokines - exert their effect on each other at several points under both physiological and pathological conditions. During the period of this research grant we could get further insight into the molecular mechanisms of these interactions; we learnt more about the possible ways how innate elements may influence or direct adaptive responses, moreover, we revealed some novel functions of certain elements. Seven doctoral students have been involved in this research - five of them already defended their thesis. 12 papers have been published in peer-reviewed journals; 'IF: 49.5

Why current quantitative serology is not quantitative and how systems immunology could provide solutions

Determination of the presence of antibodies against infectious agents, self-antigens, allogeneic antigens and environmental antigens is the goal of medical serology. Along with the standardization of these tests the community also started to use the expression “quantitative serology,” referring to the fact that arbitrary units are used for the expression of results. In this review I will argue against the use of the term quantitative serology for current tests. Because each test and each antibody isotype determination uses its own references, the term semiquantitative better describes these methods. The introduction of really quantitative serology could both benefit from and drive forward systems immunological approach to immunity

Jelátviteli kompartmentek és proteolózis az immunválasz, valamint az immun- és idegrendszer közötti kommunikáció szabályozásában = Signaling compartments and proteolysis in regulation of immune responses and the communication between the immune- and nervous systems

Több új immunreceptor-kölcsönhatást (FcR/CR/BCR; sejthalál-R/TCR), és több szabályozó mechanizmust azonosítottunk a lipid raftok és más membrán mikro-kompartmentek, valamint limfocita adaptor fehérjék részéről, melyek fontosak a limfociták effektor funkcióiban ill. a sejthalál folyamatában. Leírtuk az utóbbi folyamatokban kritikus miozin motorfehérje izotípusok néhány molekuláris kapcsolatának szerkezeti hátterét és szabályozási lehetőségét. Kimutattuk egyes komplement (C) faktorok és receptorok sokrétű szerepét az immunválasz szabályozásában és, hogy a belőlük származtatott peptidekkel az allergiás hízósejtválasz gátolható. Leírtuk a C-rendszer szabályozó szerepét a Sclerosis Multiplex (SM) állatmodelljében is. Kimutattuk a tripszin-szerű proteáz aktivitás szabályozó szerepét a B-sejt válaszban, és valószínűsítettük szerepüket a mielin bázikus fehérje specifikus hasításában, mely fontos eleme lehet az SM kialakulásának. Eredményeink alapját képezik szelektív immunmodulánsok kifejlesztésének autoimmun ill. allergiás kórképekben. Kimutattunk egyes immunrendszeri effektor- és idegrendszeri funkciók között fellépő, a citokin hálózat ill. steroid hormonok (ösztrogének, glukortikoidok) útján megvalósuló kommunikációs útvonalakat. Új módszereket is kifejlesztettünk (pl. antigén-targetingre alkalmas egyláncú ellenanyag konstrukciók) és a projekt támogatásával beszereztünk egy konfokális mikroszkópot, melyen több új metodikát optimalizáltunk a celluláris kommunikáció vizsgálatára. | We identified several novel immunoreceptor cross-talk elements (FcR/CR/BCR; cell death-R/TCR) and regulatory mechanisms by lipid rafts, other membrane-compartments, as well as adaptor proteins, which are essential in the lymphocytes' effector functions and cell death. Structural and regulatory aspects of some important molecular interactions of myosin motor protein isotypes, essential players in the above processes, were also described. Multiple regulatory functions of the complement system in the immune response and the inhibitory potential of C3a-derived peptides in the allergic mast cell response were identified. The regulatory potential of the complement system was also shown in an animal model of Sclerosis Multiplex (SM). We have shown that trypsin-like protease activities are involved the B cell response through formation of soluble receptors and that trypsin-4, specifically cleaving MBP, may be a critical element in development of SM. Our results form a basis for development of selective immunomodulators for autoimmune- and allergic diseases. We explored several novel communication pathways between effector mechanisms of the immune system and certain nervous system functions, through the inflammatory cytokine network and steroid hormones. New methods and molecular constructs (e.g. antigen-targeting by engineered single-chain antibodies) and several modern confocal imaging techniques for studying cellular communication were also developed with the support of the grant

Complementing antibody profiles: Assessing antibody function on antigen microarrays

Antibody effector functions other than neutralization depend on interactions with soluble and cellular components of the immune system. Antigen recognition is usually oligoclonal, with the different clones of antibodies belonging to different classes, subclasses, glycoforms and having different affinities and epitope specificities. Thus, composition of immune complexes determines biological effects mainly via interactions with FcR and complement proteins. Antibodies are capable of triggering any of the three pathways of complement activation and antigen recognition of complex antigens often results in the activation of more than one pathway. These events can be tracked in a multiplex format using antigen microarrays, where complement products bind to elements of the microarray. By controlling cation concentrations and detecting various complement components (C1q, C4, C3) contribution of the different pathways can be identified. Parallel measurement of antibodies and complement proteins provides a novel way of looking at interactions between antigen and antibodies. We propose the use of immune complex signatures, composite depictions of antibody and complement content of immune complexes characterizing healthy and diseased populations. Normalized interquartile ranges of antibody binding (IgM, IgG) and complement deposition (C4, C3) are projected onto radar charts to produce patterns that can distinguish normal and altered immune responses. We propose that comprehensive interaction studies of serum antibodies and complement with arrays of antigens can generate functional antibody profiles and help better understand immunological disease mechanism

Statistical thermodynamics of self-organization in the adaptive immune system

The steady flow of energy can arrange matter and information in particular ways in a process we perceive as self-organization. Adaptive immunity is a phenomenon implemented by a complex adaptive biological system, whose self-organization can be understood as the maintenance of a steady state and can be modeled mathematically and physically. Using this approach, statistical distributions of thermodynamics can be shown to be applicable for the description of the organization and are in accordance with experimental observations of the immune system. Here I summarize arguments for such a statistical thermodynamic interpretation of immune function and highlight the interpretations of a key variable that characterizes self-organization in the context of chemical thermodynamics, networks and biochemical measurements.Comment: 14 pages, 4 figure

Complex physical properties of an adaptive, self-organizing biological system

The physical interpretation of the functioning of the adaptive immune system, which has been thoroughly characterized on genetic and molecular levels, provides a unique opportunity to define an adaptive self-organizing biological system in its entirety. This paper describes a configuration space model of immune function, where directed chemical potentials of the system constitute a space of interactions. In the physical sense, the humoral adaptive immune system adjusts the chemical potential of all available antigenic molecules by tuning the chemical potential and organizing the network hierarchy of its sensor-effector molecules, antibodies. The coupling of sensors and effectors allows the system to adjust the thermodynamic activity of antigens and antibodies, while network organization helps minimize chemical potentials and maximize diversity. Mathematically the system couples the variance of Gaussian distributed interaction energies in its interaction space to the exponentially distributed chemical potentials of its effector molecules to maintain its stationary state. This process creates a scale-free network in interaction space, where absolute thermodynamic activity corresponds to node degree. In the thermodynamic interpretation, the system is an ensemble carrying out {mu}N work, adjusting chemical potentials according to the changes in the chemical potentials of the surroundings. The validity of the model is supported by identifying an interaction flexibility index, the corresponding variables in thermodynamics and network science, and by confirming its applicability to the humoral immune system. Overall, this statistical thermodynamics model of adaptive immunity describes how adaptive biological self-organization arises from the maintenance of a scale-free, directed interaction network with fractal topology.Comment: 22 pages, 8 figure

Characterization of factors influencing on-chip complement activation to optimize parallel measurement of antibody and complement proteins on antigen microarrays.

Binding of immunoglobulins and complement fragments to targets of adaptive immune responses can be monitored using collections of arrayed antigens and is used to generate profiles of antibody binding and function. The collection of reliable data on these reactions on a large scale requires the establishment of criteria from sample collection through reaction conditions to normalization strategies. We characterized the detection of IgG, complement C3 and C4 under conditions that better resemble in vivo events than most serological assays and are also relevant for in vitro diagnostic purposes. Immune complex formation was modeled using nitrocellulose-based protein arrays and the effects of factors like anticoagulant use, serum dilution, time and bivalent cation concentrations were assessed. Blood samples from healthy controls (n=24) and patients with systemic autoimmune disease (n=60) were collected and correlations between classical laboratory tests and chip-based reference proteins were evaluated to optimize normalization schemes. Best signal-to-noise ratio and acceptable masking of IgG by complement C3 fragments was achieved at modest, five to ten-fold serum dilutions. C3 binding to captured human IgG was found to correlate best with serum C3 concentrations and C3 activity and is therefore an ideal reference feature for normalization of biological and methodological variations in complement activity and detection

Humán dendritikus sejtek működésének szabályozása komplementfehérjék és receptoraik által; exosomák jelentősége a T-sejt válasz kialakításában = Regulation of the function of dendritic cells by complement proteins and receptors; the role of exosomes in the development of T-cell response

A dendritikus sejtek (DC-k) érését számos stimulus indukálja, mint például a gyulladásos körülmények vagy mikrobiális termékek jelenléte. A szervezetbe kerülő antigén a komplementrendszer aktiválódása következtében opszonizált formában van jelen, ami az antigén különböző koplementreceptort hordozó immunsejtekhez való kötődéséhez vezet. Munkánk során a C1q és C3 komplementfehérje hatását tanulmányoztuk humán DC-k fenotípusára és funkcionális aktivitására. A monocita eredetű éretlen DC-k (MDC-k) differenciálódását sejfelszíni molekuláik expresszió vizsgálatával követtük nyomon. Az immobilizált C1q jelenlétében inkubált DC-kben fokozódott az NF-?B transzlokációja. Az C1q-val aktivált MDC-k Th1 típusú immunválaszt indukáltak. A natív, hemolitikusan aktív C3-al kezelt MDC-k képesek kovalensen fixálni felszínükön a C3 fragmentumokat és ez kiváltja a sejtek érését. A kovalensen kötött C3-fragmentumok kitűntetett szerepét támasztják alá CD11b (CR3 alfa lánc) géncsendesítési kísérleteink is. Az általunk tanulmányozott folyamatok in vivo jelentőségét kívántuk vizsgálni gyulladásos szituációban azokban a kísérleteinkben, amelyekben a DC-ket C3-at termelő aktivált makrofágok jelenlétében tenyésztettük. Ezekben a kokultúrákban a DC-k sejtmembránjukon fixálták a makrofágok által szekretált C3 nagy részét. Eredményeink meggyőzően bizonyítják, hogy az antigénbemutató sejtek, a környezetükben jelenlévő komplementfehérjék hatására, T limfociták aktiválására alkalmas sejtekké érnek. | Maturation of dendritic cells (DCs) is known to be induced by several stimuli, including microbial products or inflammatory stimuli. As a consequence of these in vivo occurring events, antigens opsonized by various complement proteins may bind to several cell types expressing complement receptors. We investigated how complement C1q and C3 influence the phenotype and functional activity of human DCs. Immobilized C1q induced maturation of MDCs, enhanced NF-KB translocation. Our data suggest that C1q-induced DC maturation generates a Th1-type response. We found that MDCs incubated with native, hemolytically active C3, can bind the activation fragments of C3 covalently. This reaction directs MDCs to induce maturation. A further functional consequence of C3b fixation was the elevated capacity of the DCs to stimulate allogenic T cells. The distinct role of covalently fixed C3-fragments is strongly supported by our results obtained with MDCs where CD11b (CR3 alfa chain) expression was downregulated by siRNA. To reveal the possible in vivo significance of the present findings we modelled a phenomenon occuring during inflammation, where C3 is produced locally by activated macrophages. In these cocultures MDCs were found to fix substantial amounts of macrophage derived C3-fragments on their cell membrane. Our data provide compelling evidence that antigenpresenting cells arising in complement-sufficient environment mature to competent stimulators of T cells