Biologia Futura: stories about the functions of β2-integrins in human phagocytes

Integrins are essential membrane proteins that provide a tightly regulated link between the extracellular matrix and the intracellular cytoskeletal network. These cell surface proteins are composed of a non-covalently bound α chain and β chain. The leukocyte-specific complement receptor 3 (CR3, αMβ2, CD11b/CD18) and complement receptor 4 (CR4, αXβ2, CD11c/CD18) belong to the family of β2-integrins. These receptors bind multiple ligands like iC3b, ICAMs, fibrinogen or LPS, thus allowing them to partake in phagocytosis, cellular adhesion, extracellular matrix rearrangement and migration. CR3 and CR4 were generally expected to mediate identical functions due to their structural homology, overlapping ligand specificity and parallel expression on human phagocytes. Despite their similarities, the expression level and function of these receptors differ in a cell-type-specific manner, both under physiological and inflammatory conditions. We investigated comprehensively the individual role of CR3 and CR4 in various functions of human phagocytes, and we proved that there is a “division of labour” between these two receptors. In this review, I will summarize our current knowledge about this area

Mannóz-kötő lektin és C1q szerepe dendritikus sejtek és makrofágok funkcióiban és immunregulációs folyamatokban = The role of mannose binding lectin (MBL) and Clq on various functions of dendritic cells and macrophages and on immunoregulation

Munkánk célja annak kiderítése volt, hogy az in vivo körülmények között IC-hez kapcsolódó C1q és MBL komplement fehérjék befolyásolják-e a dendritikus sejtek (DC-k) működését. A C1q-t erősen kötötték a sejtek, viszont az MBL nem kötődött A sejteket C1q-val fedett felszínen tenyésztettük, az C1q-val borított antigén felszínt modellezve ilyen módon. Az immobilizált C1q erősen stimulálta az MDC-k érését, amit a CD83, CD86 és MHCII membránfehérjék expresszió fokozódása jelzett. Ezeknek a molekuláknak az expressziója megközelítette az LPS által indukált mértéket. Kimutattuk, hogy az immobilizált C1q-val aktivált MDC-k fokozott allogén T-sejt proliferációt váltanak ki. A fokozás mértéke hasonló volt az LPS-kezelt MDC által kiváltott hatáshoz. Igazoltuk, hogy a C1q kötődése MDC-khez az NF-kB transzkripciós faktor magi transzlokációját váltja ki, és fokozott IL-12, IL-6, TNF-alfa és IL-10 szekréciót okoz. Kimutattuk, hogy az immobilizált C1q Th1 típusú választ indukál, mivel a C1q-aktivált MDC-k kokultúrában IFN-gamma termelő allogén T-sejteket stimulálnak. Jelen munkánkban bizonyítottuk, hogy az MDC-khez kötődő C1q képes fokozni az adaptív immunválaszt, ugyanakkor T-sejt toleranciát is indukálhat, az adott szöveti környezett által meghatározott módon. | The aim of our present study was to investigate whether additional components known to be associated with immune complexes (ICs);C1q and MBL formed in vivo also influence dendritic cell (DC) maturation. Monocyte derived DCs (MDC) strongly bind C1q but they do not interact with MBL. MDCs were cultured on immobilized C1q, in order to mimick the multimeric configuration presented on ICs. Cultivating of imMDCs on immobilized C1q leads to enhanced expression of CD83, CD86 and MHCII, almost to the same extent as in the presence of LPS. Our results also demonstrate that MDCs matured on immobilized C1q activate allogeneic T-cells to a similar extent as LPS-matured cells, pointing to a novel role for C1q and emphasizing the biological relevance of these findings in vivo. C1q binding causes NF-kB translocation to the nucleus in imMDCs, and that cultivating imMDCs on immobilized C1q results in elevated production of IL-12, IL-6 TNF-alfa and IL-10. We demonstrated that immobilized C1q directs a Th1 response, since allogeneic T cells co-cultured with C1q-matured DCs are IFN-gamma producers. In the present study we demonstrate that in addition to IgG, another serum protein, C1q, is also a potent maturation factor, which can induce phenotypic and functional changes in MDCs. Our data suggest that C1q could be a major signal for DCs to induce either an enhanced adaptive immune response or T cell tolerance, depending on their tissue environment

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

Scientific memory from the early nineties; a common project with professors late János Gergely and Anna Erdei

Based on the findings of common project 29 years ago, the Scandinavian J. of Immunology accepted and published our paper entitled by “FcγR-Dependent Regulation of the Biosynthesis of Complement C3 by Murine Macrophages: the Modulatory Effect of IL-6” (Bajtay et al. in SJI 35:195–201, 1992). In this report we attempt to review the previous results and evaluate them with our current concepts on the interaction between the actors of adaptive and innate immunity. Let us first to summarize the basic results and consequences from the paper from 1992. Abstract from 1991–1992: The effect of murine IgG isotypes (myeloma proteins) on the gene expression and secretion of the third component of complement (C3) has been studied using the in monocytoid cell line P388D1 and oil-elicited mouse peritoneal macrophages. It is demonstrated that the binding of lgG2a and lgG2b but not IgGl and IgG3 isotypes augments the biosynthesis of C3 both in the presence and in the absence of the phorbol myristate acetate in the case of both cell types. The multifunctional cytokine inlerleukin-6 (IL-6) alone reveals no effect on the gene expression of C3, but facilitates the effectiveness of mouse IgG2a and IgG2b. Confirming the role of FcgRll, a strong up-regulation of gene expression and secretion of C3 was found when macrophages were co-cultured with the F(ab')2 fragment of the FcγRII-specific monoclonal antibody 2.4 G2

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

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

Non-identical twins: Different faces of CR3 and CR4 in myeloid and lymphoid cells of mice and men

Integrins are cell membrane receptors that are involved in essential physiological and serious pathological processes. Their main role is to ensure a closely regulated link between the extracellular matrix and the intracellular cytoskeletal network enabling cells to react to environmental stimuli. Complement receptor type 3 (CR3, alphaMbeta2, CD11b/CD18) and type 4 (CR4, alphaXbeta2, CD11c/CD18) are members of the beta2-integrin family expressed on most white blood cells. Both receptors bind multiple ligands like iC3b, ICAM, fibrinogen or LPS. beta2-integrins are accepted to play important roles in cellular adhesion, migration, phagocytosis, ECM rearrangement and inflammation. Several pathological conditions are linked to the impaired functions of these receptors. CR3 and CR4 are generally thought to mediate overlapping functions in monocytes, macrophages and dendritic cells, therefore the potential distinctive role of these receptors has not been investigated so far in satisfactory details. Lately it has become clear that a functional segregation has evolved between the two receptors regarding phagocytosis, cellular adhesion and podosome formation. In addition to their tasks on myeloid cells, the expression and function of CR3 and CR4 on lymphocytes have also gained interest recently. The picture is further complicated by the fact that while these beta2-integrins are expressed by immune cells both in mice and humans, there are significant differences in their expression level, functions and the pathological consequences of genetic defects. Here we aim to summarize our current knowledge on CR3 and CR4 and highlight the functional differences between these receptors, involving their expression in myeloid and lymphoid cells of both men and mice

Egyedi sejtek adhéziós vizsgálata számítógép- vezérelt mikropipettával

A leukociták adhéziója a specifikus makromolekulákhoz fontos feladat az immunválasz elindításában. Azonban az egyedi sejtek direkt adhéziós erejének meghatározása még napjainkban is kihívást jelent, hiszen az erre alkalmas technikák rendkívül alacsony áteresztőképességűek (5-10 sejt/nap). Egy inverz mikroszkópra felszerelt számítógép- vezérelt mikropipetta technikával egyedi humán fehérvérsejtek és specifikus makromolekulák kölcsönhatását tanulmányoztuk. A felülethez tapadt sejtek adhéziós ereje pontosan meghatározható a sejtválogatási folyamat ismétlésével, egyre növekvő vákuumot alkalmazva a sejt felett elhelyezkedő mikropipettában. Ezzel a módszerrel több száz sejt vizsgálható egyenként, viszonylag rövid idő alatt (~30 perc). Kísérleteink során a nem specifikus sejtadhéziót PLL-g-PEG polimerrel blokkoltuk. Azt tapasztaltuk, hogy a primer monociták kevésbé adherensek a fibrinogén felületen, mint az in vitro differenciáltatott származékai: a makrofágok és dendritikus sejtek, az utóbbiak mutatták a legmagasabb adhéziós erőt. Megvizsgáltuk a CD11b/CD18 (αMβ2) és CD11c/CD18 (αXβ2) integrinek hozzájárulását a fent említett 3 sejttípus adhéziójára. A CD11b/CD18 integrin meglepő gátló hatását észleltük a sejtadhézión

Functional differences between human CR3 (CD11b/CD18) and CR4 (CD11c/CD18): CD11b dominates iC3b mediated phagocytosis, while CD11c prevails adherence

Complement receptors CR3 (CD11b/CD18) and CR4 (CD11c/CD18) belong to the family of beta2 integrins and are expressed by several, mainly myeloid cell types in humans. Their function is to mediate iC3b opsonized phagocytosis and adherence to ICAM-1 and fibrinogen. These functions were so far analysed under experimental conditions, where the contribution of CD11b/CD18 and CD11c/CD18 could not be separated. Although very little is known about the features of CR4, it is supposed that the two integrins exert similar functions, since they bind the same ligands. From an evolutionary aspect however it does not seem rewarding to maintain two receptors with similar ligand specificity for the same functions. Therefore our goal is to reveal what separate functions might be exerted by CR3 and CR4 We used both classical and high throughput label free optical biosensor and single cell analysis methods to decipher the distinct role of CD11c. Previously we demonstrated that on human monocyte-derived dendritic cells (MDCs) CD11b is responsible for iC3b mediated phagocytosis, while CD11c is dispensable. In our recent work we analysed how CD11b and CD11c participate in adherence to their ligands. We employed human monocytes, monocyte-derived macrophages (MDMs) and MDCs which highly express CR3 and CR4 and adherence is their natural property. First we determined the exact number of CD11b and CD11c on these cell types by a bead based technique, and found that the ratio of CD11b/CD11c is 1.2 for MDCs, 1.7 for MDMs and 7.1 for monocytes, suggesting that CD11c is most important for MDCs and less for monocytes. By analyzing the kinetics and force of adherence of the different cell types to immobilized fibrinogen ligand, we found that attachment of MDCs is stronger than that of monocytes. Using antibody blocking and RNA silencing techniques we proved that adherence to fibrinogen – the common ligand of CR3 and CR4 – is mediated by CD11c. When we previously analyzed iC3b mediated phagocytosis, we found that blocking CD11c does not impair this function. In contrast to this, in the case of adherence, we found that blocking CD11b even enhances attachment to fibrinogen, suggesting a competition between CD11b and CD11c for this ligand