ABSTRACT T-cells detect with their T-cell antigen receptors (TCRs) the presence of rare peptide/MHC complexes (pMHCs) on the surface of antigen presenting cells (APCs). How they convert a biochemical interaction into a signaling response is poorly understood, yet indirect evidence pointed to the spatial antigen arrangement on the APC surface as a critical factor. To examine this, we engineered a biomimetic interface based on laterally mobile functionalized DNA origami platforms, which allow for nanoscale control over ligand distances without interfering with the cell-intrinsic dynamics of receptor clustering. We found that the minimum signaling unit required for efficient T-cell activation consisted of two ligated TCRs within a distance of 20 nanometers, if TCRs were stably engaged by monovalent antibody fragments. In contrast, antigenic pMHCs stimulated T-cells robustly as well-isolated entities. These results identify the minimal requirements for effective TCR-triggering and validate the exceptional stimulatory potency of transiently engaging pMHCs.

ABSTRACT Molecular crowding of agonist peptide/MHC class II complexes (pMHCIIs) with structurally similar, yet per se non-stimulatory endogenous pMHCIIs has been postulated to sensitize T-cells for the recognition of single antigens on the surface of dendritic cells and B-cells. When testing this premise with the use of advanced live cell microscopy, we observed pMHCIIs as monomeric, randomly distributed entities diffusing rapidly after entering the APC surface. Synaptic TCR-engagement of highly abundant endogenous pMHCIIs was low or non-existent and affected neither TCR-engagement of rare agonist pMHCII in early and advanced synapses nor agonist-induced TCR-proximal signaling. Our findings highlight the capacity of single freely diffusing agonist pMHCIIs to elicit the full T-cell response in an autonomous and peptide-specific fashion with consequences for adaptive immunity and immunotherapeutic approaches. SHORT SUMMARY Platzer et al. revealed via highly quantitative and single molecule live cell microscopy the nature of peptide-loaded MHC class II molecules (pMHCII) as monomeric, densely populating, randomly distributed and predominantly rapidly diffusing entities on the surface of B-cells and dendritic cells. Low abundant stimulatory agonist pMHCII acted as autonomous units with the highest chance of T-cell detection when equally spread on APCs. The presence of bystander-pMHCII previously termed “co-agonist pMHC” affected neither synaptic agonist -TCR-binding nor efficiencies of T-cell recognition. “Co-agonist”-TCR-binding resembled random molecular collisions. Findings inform the design of T-cell-based immunotherapies.

Receptor-ligand interactions at cell interfaces initiate signaling cascades essential for cellular communication and effector functions. Specifically, T cell receptor (TCR) interactions with pathogen-derived peptides presented by the major histocompatibility complex (pMHC) molecules on antigen-presenting cells are crucial for T cell activation. The binding duration, or dwell time, of TCR-pMHC interactions correlates with downstream signaling efficacy, with strong agonists exhibiting longer lifetimes compared to weak agonists. Traditional surface plasmon resonance (SPR) methods quantify 3D affinity but lack cellular context and fail to account for factors like membrane fluctuations. In the recent years, single-molecule Förster resonance energy transfer (smFRET) has been applied to measure 2D binding kinetics of TCR-pMHC interactions in a cellular context. Here, we introduce a rigorous mathematical model based on survival analysis to determine exponentially distributed receptor-ligand interaction lifetimes, verified through simulated data. Additionally, we developed a comprehensive analysis pipeline to extract interaction lifetimes from raw microscopy images, demonstrating the model's accuracy and robustness across multiple TCR-pMHC pairs. Our new software suite automates data processing to enhance throughput and reduce bias. This methodology provides a refined tool for investigating T cell activation mechanisms, offering insights into immune response modulation.

Low antigen sensitivity and a gradual loss of effector functions limit the clinical applicability of chimeric antigen receptor (CAR)–modified T cells and call for alternative antigen receptor designs for effective T cell–based cancer immunotherapy. Here, we applied advanced microscopy to demonstrate that TCR/CD3-based synthetic constructs (TCC) outperform second-generation CAR formats with regard to conveyed antigen sensitivities by up to a thousandfold. TCC-based antigen recognition occurred without adverse nonspecific signaling, which is typically observed in CAR–T cells, and did not depend—unlike sensitized peptide/MHC detection by conventional T cells—on CD4 or CD8 coreceptor engagement. TCC-endowed signaling properties may prove critical when targeting antigens in low abundance and aiming for a durable anticancer response.

ABSTRACT T-cell antigen receptors (TCRs) exhibit inherent cross-reactivity which broadens the spectrum of epitopes that are recognizable by a finite TCR-repertoire but also carries the risk of autoimmunity. However, TCRs support also a high level of antigen specificity as they allow T-cells to discriminate single antigenic peptide/MHC complexes (pMHCs) against millions of structurally related self-pMHCs, in some cases based on the absence or presence of a single methyl-group. How TCRs manage to convey such seemingly contrary properties and why some T-cells become over time autoreactive despite negative thymic selection, has remained elusive. Here, we devised a non-invasive molecular live cell imaging platform to investigate the biophysical parameters governing stimulatory TCR:pMHC interactions in settings of autoreactivity and anti-viral responses - two extremes in T-cell antigen recognition. We show that CMV-specific CD8+ RA14-T-cells respond effectively to even a single HLA-A2/CMV (A2/CMV) antigen, with synaptic TCR:pMHC lifetimes lasting seconds. In contrast, cross-reactivity of type 1 diabetes (T1D)-associated CD8+ 1E6 T-cells towards HLA-A2/preproinsulin (A2/PPI) self-epitopes involved ten-fold less stable synaptic TCR interactions resulting in severely attenuated ZAP70 recruitment and downstream signaling. Compared to A2/CMV-engaged RA14 T-cells, 1E6-T-cells required for activation 4000 or more A2/PPI and at least 100-times as many simultaneously pMHC-engaged TCRs. In support of antigen discrimination, CD8 co-engagement of MHC class I (MHCI) strengthened both settings of TCR:pMHC interactions equally but was essential only for sensitized virus detection but not autorecognition (1000-versus 5-fold enhancement). We conclude that the binding dynamics of TCRs and CD8 with pMHC shape the boundaries of central tolerance in the physiological context of the phenomenal yet also differential T-cell antigen detection capacity, TCR-cross-reactivity and self-antigen abundance. Gained insights are integral to a molecular and quantitative understanding of CD8+ T-cell mediated autoimmunity and protective immunity against infections and cancer. ONE SENTENCE SUMMARY With the use of newly devised molecular live-cell imaging modalities we measured with unprecedented precision T-cell antigen recognition dynamics in human T-cells in settings of anti-viral immunity and autoimmunity-causing cross-reactivity. These two extremes within the spectrum of T-cell antigen detection differed substantially with regard to synaptic TCR: antigen-engagement, the level of sensitization through the CD8-coreceptor and the overall efficiency of ensuing downstream signaling. Our results demarcate limits of central tolerance and protective immunity and set quantitative boundaries on the occurrence of autoimmunity with direct implications for T-cell-based designs of immunotherapies.

ABSTRACT Low antigen sensitivity and a gradual loss of effector functions limit the clinical applicability of chimeric antigen receptor (CAR)-modified T-cells and call for alternative antigen receptor designs for effective T-cell-based cancer immunotherapy. Here we applied advanced microscopy to demonstrate that TCR/CD3-based synthetic constructs (TCC) outperform second-generation CAR formats with regard to conveyed antigen sensitivities by up to a thousand-fold. TCC-based antigen recognition occurred without adverse non-specific signaling, which is typically observed in CAR-T-cells, and did not depend - unlike sensitized peptide/MHC detection by conventional T-cells - on CD4- or CD8- coreceptor engagement. TCC-endowed signaling properties may prove critical when targeting antigens in low abundance and aiming for a durable anti-cancer response.

Abstract DNA origami structures provide flexible scaffolds for the organization of single biomolecules with nanometer precision. While they find increasing use for a variety of biological applications, the functionalization with proteins at defined stoichiometry, high yield, and under preservation of protein function remains challenging. In this study, we applied single molecule fluorescence microscopy in combination with a cell biological functional assay to systematically evaluate different strategies for the site-specific decoration of DNA origami structures, focusing on efficiency, stoichiometry and protein functionality. Using an activating ligand of the T-cell receptor (TCR) as protein of interest, we found that two commonly used methodologies underperformed with regard to stoichiometry and protein functionality. While strategies employing tetravalent wildtype streptavidin for coupling of a biotinylated TCR-ligand yielded mixed populations of DNA origami structures featuring up to 3 proteins, the use of divalent (dSAv) or DNA-conjugated monovalent streptavidin (mSAv) allowed for site-specific attachment of a single biotinylated TCR-ligand. The most straightforward decoration strategy, via covalent DNA conjugation, resulted in a 3-fold decrease in ligand potency, likely due to charge-mediated impairment of protein function. Replacing DNA with charge-neutral PNA in a ligand conjugate emerged as the coupling strategy with the best overall performance in our study, as it produced the highest yield with no multivalent DNA origami structures and fully retained protein functionality. With our study we aim to provide guidelines for the stoichiometrically defined, site-specific functionalization of DNA origami structures with proteins of choice serving a wide range of biological applications.

Mechanical forces acting on ligand-engaged T-cell receptors (TCRs) have been implicated in T-cell antigen recognition. To measure these molecular forces in real time, we devised a FRET-based force sensor that is equipped with a TCR-reactive single chain antibody fragment and tethered to planar supported lipid bilayers (SLBs) which serve as surrogate antigen presenting cell. When confronting T-cells with sensor-functionalized gel-phase SLBs, we measured 4.6 pN force-peaks for activated T-cells and 5.5 pN force-peaks for non-activated scanning T-cells, which vary in the range of seconds with force loads of 1.5 pN per second. When using more physiological fluid-phase SLBs, TCR-imposed forces were found to have a ~3-fold reduction for scanning T-cells, yet no longer detectable for activated T-cells. Hence, if they are essential for ligand discrimination and TCR-proximal signaling during initial antigen scanning, TCR-exerted pulling forces are already effective below 2pN. Once activated, T-cells appear to create a synaptic environment that is devoid of noticeable TCR-exerted mechanical forces.

Determining nanoscale protein distribution via Photoactivated Localization Microscopy (PALM) mandates precise knowledge of the applied fluorophore’s blinking properties to counteract overcounting artifacts distorting results. Here, we present a readily applicable methodology to determine, optimize and quantitatively account for the blinking behavior of any PALM-compatible fluorophore for maximal spatial resolution. Using a custom-designed platform we revealed complex blinking of single photoswitchable CFP2 (PS-CFP2) molecules with blinking cycles on time scales of several seconds, which we incorporated in our simulation-based analysis package to robustly evaluate individually recorded PS-CFP2 localization maps for molecular clustering. ![Figure][1] GRAPHICAL ABSTRACT [1]: pending:yes