Characterization of mice with humanized T cell recognition system and isolation of optimal affinity TCR against tumor antigen NY-ESO-1

Abstract

The efficacy of T cell therapies for cancer is determined in part by the T cell receptors (TCRs) affinities to their target antigens. Since most of the human cancer antigens are self-antigens, humans are tolerant and T cells with high affinity TCRs are difficult to identify in humans. Utilizing human antigen-negative human MHC transgenic mice is a solution, but concerns are raised due to the potential interspecies incompatibility between murine TCRs and human major histocompatibility complexes (MHCs). To solve the problem, we generated transgenic mice with complete human TCR α and β gene loci and a single human MHC class I (MHC I) or MHC class II (MHC II) molecule. The mice generated diverse human TCR repertoires and the peripheral T cells were functional upon antigen stimulations. To provide evidence for the existence of TCR-MHC coevolution, we compared the TCR repertoire of CD4 T cells selected by a single mouse or human MHC II in the transgenic mice. Our data showed that human MHC II yielded higher thymic output and a more diverse TCR repertoire. We hypothesized that the complementarity determining region 3 (CDR3) length adjusted for different inherent V segment affinity to MHC II to ensure thymic selection of most V genes. We also showed that humans evolved for higher non- template encoded CDR3 diversity compared to mice. Our findings demonstrate that TCRs and MHCs further co-evolved after the divergence between humans and rodents ~70 million years ago and justify the rational of generating TCR-MHC species-compatible transgenic mice. With the established transgenic mice with human MHC I, we investigated CD8 T cell immune response against a cancer- testis antigen, NY-ESO-1. NY-ESO-1 immunization evoked robust CD8 T cell response in the mice, one of the specific TCRs showed higher affinity compared to the human-derived TCR-1G4. The mouse-derived TCR transduced human T cells also showed higher functionality than TCR-1G4 transduced T cells. Our data suggest central tolerance against NY-ESO-1 in humans and proved that the transgenic mice with the complete humanized T cell antigen recognition system are a valid tool to isolate optimal affinity TCRs against human antigens.

Die Effektivität tumorspezifischer T-Zell-Therapien wird maßgeblich durch die Affinität der verwendeten T-Zell-Rezeptoren (TCRs) zu ihren jeweiligen Zielantigenen bestimmt. Da es sich bei den meisten humanen Tumorantigenen um Selbstantigene handelt, ist das humane Immunsystem diesen gegenüber tolerant und T-Zellen mit hochaffinen TCRs sind in Menschen nur schwierig nachzuweisen. Die Verwendung transgener Mäuse mit humanem MHC, die die entsprechenden humanen Antigene nicht besitzen, stellt eine mögliche Lösung dar, jedoch bestehen hier potentiell Inkompatibilitäten zwischen den murinen T-Zell- Rezeptoren und humanen Haupthistokompatibilitätskomplex (MHC) Antigenen. Zur Lösung dieses Problems generierten wir transgene Mäuse mit den vollständigen humanen TCR α und β Loci sowie je einem einzelnen humanen MHC Klasse I oder Klasse II Gen. Diese Mäuse generierten ein polyklonales TCR Repertoire mit T-Zellen, die funktional auf Antigenstimulation reagierten. Die humanen TCR Transgene waren in der Lage, wieder ein auf humanes MHC I restringiertes CD8 T Zell Kompartiment herzustellen. Zum Nachweis der Existenz einer TCR-MHC- Koevolution verglichen wir TCR Repertoires von CD4 T Zellen, die in diesen transgenen Mäusen durch ein einziges murines oder humanes MHC II selektioniert wurden. Humanes MHC II führte sowohl zu einer höheren (thymischen) T-Zell- Produktion, als auch zu einem stärker diversifizierten TCR Repertoire. Wir stellten die Hypothese auf, dass Veränderungen der Länge der CDR3-Regionen Unterschiede in der intrinsischen Affinität verschiedener V-Segmente für MHC II kompensieren, um die Positivselektion der meisten V Gene im Thymus sicherzustellen. Es ließ sich außerdem zeigen, dass das humane Immunsystem, verglichen mit Mäusen, evolutionär eine höhere, nicht genomisch kodierte, CDR3-Diversität entwickelte. Zusammenfassend zeigt sich, dass nach der phylogenetischen Trennung von Menschen und Nagetieren vor etwa 70 Millionen Jahren eine weitere Koevolution zwischen TCRs und MHCs stattfand, wodurch sich eine Rationale für die Generierung von spezieskompatiblen TCR und MHC transgenen Mäusen ergibt. Nach Etablierung der human MHC I transgenen Mäuse nutzten wird diese, um die Immunantwort gegen ein „Cancer/Testis“-Antigen, NY- ESO-1, zu untersuchen. Immunisierung mit NY-ESO-1 führte zu einer stabilen CD8 T Zell Antwort in den Mäusen, wobei einer der spezifischen TCRs eine höhere Antigenaffinität zeigte als der humane NY-ESO-1 spezifische TCR 1G4. Humane T-Zellen, die mit dem in der transgenen Maus generierten TCR transduziert wurden, zeigten eine bessere funktionelle Antwort als solche, die mit TCR 1G4 transduziert wurden. Dies gibt einen starken Hinweis für die Existenz zentraler Toleranz gegen NY-ESO-1 im Menschen und zeigt gleichzeitig die Nützlichkeit von transgenen Mäusen mit einem vollständig humanen T-Zell- Antigenerkennungssystem als Werkzeug für die Generierung von TCRS mit optimaler Affinität gegen humane Antigene.