Immunoreceptor MerTK: A journey from the membrane into the nucleus of human dendritic cells

Abstract

Discrimination between foreign and potentially harmful antigens, and the body’s own tissue is one of the most crucial first steps that lays at the basis of a proper immune response. Immunoreceptors are cell membrane embedded molecules that aid immune cells in identifying and interacting with its environment. Because of their key importance, they are therefore a frequent subject of research in immunology. It is becoming increasingly clear that the organization of immunoreceptors in space and time on the plasma membrane directly impacts on the way they function. Over the past two decades, novel microscopy techniques and biophysical tools have been developed and exploited to directly visualize molecular events in immune cells with unprecedented spatial and temporal resolution. These technical advances have led to the emergence of a new, active field of research: Nano-immunology. Biophysical tools and super-resolution imaging have been exploited in this thesis to unravel the spatiotemporal behaviour of different immunoreceptors, with a particular emphasis on the tyrosine kinase immunoreceptor MerTK. These studies have contributed to further our understanding of immune cell biology at the molecular level.

In Part I of this thesis, I will discuss several advanced imaging techniques and microfabrication approaches that I used throughout my doctoral studies. For each technique, the fundamental principles as well as the quantitative analysis associated to them will be explained. Their specific advantages in the field of nano-immunology will be highlighted. In addition, an example of how each technique has been exploited to answer a specific biological question in the field will be given. All of the examples presented in part I correspond to publications that I co-authored during my PhD research. In Part II, I will address the subcellular organization of the immunoreceptor MerTK in human dendritic cells (DCs). By exploiting super-resolution STED nanoscopy, we discovered that MerTK organizes in small nanoclusters on the plasma membrane of tolerogenic DCs, where MerTK is highly expressed. Moreover, we will show that even though MerTK is a membrane receptor, it is also found at very high levels in the nucleus of DCs. To place this finding in the context of immunity, we established a direct correlation between DC differentiation and the amount of MerTK found in the nucleus. We enquired the route by which MerTK translocate to the nucleus, and dissected some of the main molecular factors involved in promoting this translocation. In a first attempt to identify its nuclear function, we additionally mapped the spatial relationship between MerTK and chromatin with nanometre accuracy using super-resolution STORM nanoscopy, in single intact DCs nuclei at different stages of their differentiation. We will finally place our findings in a broader perspective and suggest future lines of investigation that may further unravel the molecular mechanism of action of MerTK in particular, and the functional role of membrane receptors in the nucleus in general.

Discriminar entre los antígenos ajenos y potencialmente peligrosos y los propios es uno de los pasos más cruciales en el inicio de una respuesta inmune. Los inmuno-receptores son moléculas inmersas en la membrana celular que ayudan a las células del sistema inmune a identificar y relacionarse con su entorno. Debido a su importancia, son sujeto intenso de estudio en el campo de la inmunología. Cada vez está más claro que la organización espaciotemporal de los inmuno-receptores en la membrana celular tiene un impacto directo en su función. En las dos últimas décadas, se han desarrollado un gran número de técnicas de microscopía y de biofísica innovadoras que están siendo utilizadas para visualizar de manera directa procesos a nivel molecular en células del sistema inmune con una resolución espacial y temporal sin precedentes. Estos avances técnicos han dado lugar a la aparición de un nuevo y activo campo de investigación: la nano-inmunología. En esta tesis se han utilizado técnicas de biofísica y microscopía de super-resolución para descifrar el comportamiento espaciotemporal de varios inmuno- receptores, con especial énfasis en el inmuno-receptor tirosina quinasa MerTK. Estos estudios han contribuido al mejor entendimiento de la biología celular del sistema inmune a nivel molecular.

En la Parte I de esta tesis, analizaré varias técnicas de imagen y estrategias de micro-fabricación avanzadas utilizadas a lo largo de mi doctorado. En cada una de las técnicas se explicarán tanto los principios fundamentales como el análisis cuantitativo asociado. Se destacarán también sus ventajas específicas en el campo de la nano-inmunología. Además, se dará un ejemplo de cómo cada una de estas técnicas se ha aprovechado para dar respuesta a preguntas biológicas concretas. Todos los ejemplos expuestos en la Parte I de esta tesis se corresponden con publicaciones que he co-escrito durante mi doctorado.

En la Parte II, abordaré el estudio de la organización sub-celular del inmuno-receptor MerTK expresado en células dendríticas humanas (DCs). Haciendo uso de la técnica de nanoscopía de superresolución STED, hemos descubierto que MerTK está organizado en pequeños nano-agregados en la membrana de células dendríticas tolerogénicas, donde MerTK está altamente expresado. Además, hemos descubierto que, aunque MerTK es un receptor de membrana, también se encuentra expresado a niveles muy altos en el núcleo de células dendríticas. Para posicionar este hallazgo en el contexto de la inmunología, hemos establecido una correlación directa entre la diferenciación de células dendríticas y la cantidad de MerTK en el núcleo. Adicionalmente, hemos investigado la ruta a través de la cual MerTK es translocado al núcleo y hemos analizado algunos de los principales factores moleculares involucrados en promover esta translocación. En un primer intento de identificar su función en el núcleo, hemos cartografiado además la relación espacial entre MerTK y cromatina con precisión nanométrica, utilizando la técnica de nanoscopía de superresolución STORM en células dendríticas intactas en varios estados de diferenciación. Finalmente, pondremos todos nuestros hallazgos en una perspectiva más amplia con la finalidad de sugerir líneas de investigación futuras que puedan descifrar con mas detalle el mecanismo molecular de acción de MerTK en particular, y la función de receptores de membrana en el núcleo en general.