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Gene-modified autologous hematopoietic stem cells (HSC) can provide ample clinical benefits to subjects suffering from X-linked chronic granulomatous disease (X-CGD), a rare inherited immunodeficiency characterized by recurrent, often life-threatening bacterial and fungal infections. Here we report on the molecular and cellular events observed in two young adults with X-CGD treated by gene therapy in 2004. After the initial resolution of bacterial and fungal infections, both subjects showed silencing of transgene expression due to methylation of the viral promoter, and myelodysplasia with monosomy 7 as a result of insertional activation of ecotropic viral integration site 1 (EVI1). One subject died from overwhelming sepsis 27 months after gene therapy, whereas a second subject underwent an allogeneic HSC transplantation. Our data show that forced overexpression of EVI1 in human cells disrupts normal centrosome duplication, linking EVI1 activation to the development of genomic instability, monosomy 7 and clonal progression toward myelodysplasia.
The leukemia-associated fusion protein RUNX1/ETO is generated by the chromosomal translocation t(8;21) which appears in about 12% of all de novo acute myeloid leukemias (AMLs). Essential for the oncogenic potential of RUNX1/ETO is the oligomerization of the chimeric fusion protein through the nervy homology region 2 (NHR2) within ETO. In previous studies, we have shown that the intracellular expression of peptides containing the NHR2 domain inhibits RUNX1/ETO oligomerization, thereby preventing cell proliferation and inducing differentiation of RUNX1/ETO transformed cells. Here, we show that introduction of a recombinant TAT-NHR2 fusion polypeptide into the RUNX1/ETO growth-dependent myeloid cell line Kasumi-1 results in decreased cell proliferation and increased numbers of apoptotic cells. This effect was highly specific and mediated by binding the TAT-NHR2 peptide to ETO sequences, as TAT-polypeptides containing the oligomerization domain of BCR did not affect cell proliferation or apoptosis in Kasumi-1 cells. Thus, the selective interference with NHR2-mediated oligomerization by peptides represents a challenging but promising strategy for the inhibition of the leukemogenic potential of RUNX1/ETO in t(8;21)-positive leukemia.
Bispezifische transmembrane Antikörperfragmente zur Inhibierung von ErbB-Wachstumsfaktor-Rezeptoren
(2014)
Der epidermale Wachstumsfaktor-Rezeptor (EGFR) und das ErbB2 Molekül sind Mitglieder der ErbB-Rezeptortyrosinkinase-Familie. Die Bindung von Peptidliganden an die extrazelluläre Domäne (ECD) von EGFR führt zu einer Konformationsänderung, die den Dimerisierungs-kompetenten Zustand des Rezeptors stabilisiert und eine Homodimerisierung oder Heterodimerisierung mit anderen ErbB-Rezeptoren erlaubt. ErbB2 liegt dagegen ohne Ligandenbindung dauerhaft in einer Dimerisierungskompetenten Konformation vor. Die Rezeptordimerisierung stimuliert die intrazelluläre Kinaseaktivität, was zu einer Autophosphorylierung distinkter Tyrosine im C-terminalen Schwanz der Rezeptoren führt. Diese Phosphotyrosine dienen als Bindungsstellen unterschiedlicher intrazellulärer Substrate und Adaptorproteine, die Zellwachstums-, Migrations- und Überlebens-fördernde Signalkaskaden auslösen. Eine Über- oder Fehlfunktion dieser Rezeptoren wurde in vielen Karzinomen epithelialen Ursprungs sowie in Glioblastomen beschrieben und mit einem aggressiven Krankheitsverlauf in Verbindung gebracht.
Der therapeutische Antikörper Cetuximab inhibiert das Tumorwachstum, indem er an die ECD von EGFR bindet und dabei die Ligandenbindung und Rezeptoraktivierung unterbindet. Dieselben Eigenschaften weist das single chain fragment variable (scFv) 225 auf, das die gleiche Antigenbindungsdomäne besitzt. Ein weiteres scFv-Antikörperfragment, scFv(30), wurde in vorangegangenen Arbeiten der Gruppe aus einer scFv-Bibliothek isoliert und bindet als zytoplasmatisch stabil exprimierbares Molekül an die intrazelluläre Domäne (ICD) des EGFR.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde das bislang unbekannte Epitop des scFv(30) Antikörperfragments mittels Peptid-Spotting Experimenten bestimmt. Die Bindungsstelle des scFv(30) Proteins wurde dabei am C-terminalen Ende der EGFR Sequenz lokalisiert und umfasst die Aminosäuresequenz GIFKGSTAE (AS 1161-1169 des reifen EGFR Proteins).
Die Expression von Antikörperfragmenten als sogenannte Intrabodies in Tumorzellen stellt einen wirkungsvollen Ansatz zur selektiven Interferenz mit wichtigen physiologischen und pathophysiologischen Prozessen dar. Im zweiten Teil der vorgelegten Arbeit wurde das EGFR-ECD-spezifische Antikörperfragment scFv(225) über eine Transmembrandomäne und eine flexible Gelenkregion mit dem EGFR-ICD-spezifischen scFv(30) Molekül zu einem neuartigen bispezifischen Antikörper verbunden. Die konstitutive Expression dieses 225.TM.30 Intrabodies und der monospezifischen Variante 225.TM nach lentiviraler Transduktion von EGFR-überexprimierenden MDA MB468 und A431 Tumorzellen resultierte in einer substanziellen Reduktion der EGFR-Oberflächenexpression und einer Blockierung der Liganden-induzierten EGFR-Autophosphorylierung, begleitet von einer deutlichen Inhibition des Zellwachstums. Eine weitere Analyse der 225.TM.30-induzierten molekularen Prozesse in diesen Tumorzellen im Vergleich zu den beiden monospezifischen Varianten 225.TM und TM.30 erfolgte mittels eines Tetracyclin-induzierbaren Expressionssystems. Dazu wurden A431, MDA-MB468 und EGFR-negative MDA-MB453 Zellen zunächst mit retroviralen Vektorpartikeln transduziert, die für den optimierten reversen Tetracyclin-kontrollierten Transaktivator (M2) kodieren. Anschließend erfolgte die Tansduktion mit retroviralen transmembranen Antikörperkonstrukten, kontrolliert von einem Tetracyclin-induzierbaren Promoter (T6). Die Doxycyclin (Dox)-induzierte Expression von 225.TM.30 und 225.TM bestätigte die im konstitutiven Expressionssystem beobachteten Ergebnisse. TM.30-exprimierende Zellen zeigten dagegen keinen Unterschied in der Oberflächenexpression oder Aktivierbarkeit von EGFR zu parentalen Zellen, wiesen aber dennoch eine deutliche Inhibition des Wachstums auf. Konfokale Laserscanning Mikroskopie Studien zeigten eine Co-Lokalisation von 225.TM und EGFR hauptsächlich an der Zelloberfläche, während 225.TM.30 und TM.30 im endoplasmatischen Retikulum detektiert wurden und EGFR in diesem Kompartiment festhielten. Die TM.30/EGFR-Komplexe im ER könnten eine ER-Stress-Antwort auslösen und damit das reduzierte Wachstum TM.30-exprimierender Zellen erklären. Tatsächlich wurden in MDA MB468/M2/iTM.30 und A431/M2/iTM.30 Zellen erhöhte Proteindisulfidisomerase (PDI) und teilweise GRP78/BiP Proteinmengen detektiert, die auf eine ER-Stress-Antwort hindeuten. Das bispezifische 225.TM.30 Molekül vereinte die Eigenschaften der monospezifischen Antikörpervarianten. Es hielt wie TM.30 Anteile des EGFR im ER zurück und war wie 225.TM in der Lage, die EGFR-Oberflächenexpression zu reduzieren und die EGFR-Autophosphorylierung zu inhibieren.
Die Expression der drei transmembranen Antikörper in EGFR-negativen MDA-MB453/M2 Zellen hatte dagegen keinen Einfluss auf das Wachstum dieser Zellen, was die EGFR-Spezifität der vorgestellten Moleküle unterstreicht.
Im letzten Teil der vorgelegten Arbeit wurde die scFv(225) Domäne in 225.TM.30 gegen das ErbB2-ECD-spezifische scFv(FRP5) Molekül ausgetauscht, und somit ein ErbB2-ECD- und EGFR-ICD-spezifischer Intrabody generiert (5.TM.30). Nach der Dox-induzierten Expression des 5.TM.30 Moleküls in EGFR- und/oder ErbB2-exprimierenden Tumorzellen wurde die Funktionalität beider Bindungsdomänen verifiziert. Die 5.TM.30 Expression resultierte dabei in ErbB2-positiven Tumorzellen in einer verringerten Oberflächen- und Gesamtexpression von ErbB2 und in EGFR-positiven Zellen in einer Reduktion der EGFR-Gesamtproteinmenge. Dies lässt auf eine erhöhte, 5.TM.30-induzierte Degradation der beiden Rezeptoren schließen. Die Expression des 5.TM.30 Proteins führte zudem zu einer Inhibition des Wachstums EGFR- und/oder ErbB2-positiver Zellen. Weiterhin wurde auch in 5.TM.30-exprimierenden MDA-MB468/M2 Zellen, wie für 225.TM.30 und TM.30 beschrieben, eine Co-Lokalisation des transmembranen Antikörperfragments mit EGFR im ER gezeigt.
Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse weisen erstmals die Funktionalität von membranverankerten mono- und bispezifischen Antikörpermolekülen als Intrabodies nach, und zeigen ihr Potenzial zur gerichteten Interferenz mit der Wachstumsfaktor-abhängigen Signaltransduktion. Durch den Austausch der extra- und intrazellulären Antikörperdomänen könnte diese Strategie ebenso zur Analyse oder Blockade weiterer Signalmoleküle und Signalkomplexe eingesetzt werden.
Transcription factors play a crucial role in regulating differentiation processes during human life and are important in disease. The basic helix-loop-helix transcription factors Tal1 and Lyl1 play a major role in the regulation of gene expression in the hematopoietic system and are involved in human leukemia. Tal2, which belongs to the same family of transcription factors as Tal1 and Lyl1, is also involved in human leukaemia. However, little is known regarding the expression and regulation of Tal2 in hematopoietic cells. Here we show that Tal2 is expressed in hematopoietic cells of the myeloid lineage. Interestingly, we found that usage of the Tal2 promoter is different in human and mouse cells. Two promoters, hP1 and hP2 drive Tal2 expression in human erythroleukemia K562 cells, however in mouse RAW cells only the mP1 promoter is used. Furthermore, we found that Tal2 expression is upregulated during oesteoclastogenesis. We show that Tal2 is a direct target gene of the myeloid transcription factor PU.1, which is a key transcription factor for osteoclast gene expression. Strikingly, PU.1 binding to the P1 promoter is conserved between mouse and human, but PU.1 binding to P2 was only detected in human K562 cells. Additionally, we provide evidence that Tal2 influences the expression of the osteoclastic differentiation gene TRACP. These findings provide novel insight into the expression control of Tal2 in hematopoietic cells and reveal a function of Tal2 as a regulator of gene expression during osteoclast differentiation.
Der programmierte Zelltod (Apoptose) ist ein wichtiger Mechanismus zur Eliminierung von beschädigtem Gewebe und entarteten Zellen. Die Deregulierung der Apoptose führt zu zahlreichen Erkrankungen wie neuro-degenerativen Störungen und Krebs. Insbesondere in Tumoren wird der programmierte Zelltod mit Hilfe von hochregulierten, anti-apoptotischen Proteinen umgangen und es entstehen Resistenzen gegen Chemotherapien. Um innovative therapeutische Ansätze zu finden, wurden in diesem Projekt mit Hilfe eines Hefe-Survival-Screens neue, potentiell anti-apoptotische Proteine im Pankreaskarzinom identifiziert. Von den insgesamt 38 identifizierten Genprodukten wurden zwei für eine weiterführende Analyse ausgewählt.
Eins der näher untersuchten Proteine ist die Pyruvoyl-tetrahydrobiopterin-Synthase (PTS), ein wichtiges Enzym für die Biosynthese von Tetrahydrobiopterin (BH4). BH4 ist ein Kofaktor, der von mehreren Enzymen der Zelle für ihre Funktionen benötigt wird. In Zellkultur-Experimenten konnte gezeigt werden, dass eine Überexpression von PTS die Zellen vor Apoptose schützen kann, während eine Herunterregulation durch genetischen knockdown die Zellen gegenüber Apoptose-Stimuli sensibilisiert und ihr Wachstum beeinträchtigt. In Xenograft-Experimenten mit NOD/SCID-Mäusen konnte zudem gezeigt werden, dass Tumore mit einem PTS-Knockdown signifikant langsamer wachsen als die der Kontrollgruppe. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse auf eine Rolle von PTS bei der Apoptose-Regulation und beim Tumorwachstum hin, was das Protein zu einem attraktiven Target für die Krebstherapie macht.
Als zweites wurde ein Protein analysiert, das eine Untereinheit des respiratorischen Komplex I bildet: NDUFB5 (NADH-Dehydrogenase 1 beta Subcomplex, 5). Das besondere an diesem Protein sind die verschiedenen Isoformen, die durch alternatives Splicing zustandekommen. Eine Isoform, der die Exone 2 und 3 fehlen, wurde im Hefe-Survival-Screen identifiziert. Bei Überexpression in Zelllinien konnte sie im Gegensatz zum Volllänge-Protein die Apoptoserate reduzieren. Und auch Ergebnisse aus Versuchen mit Isoformen-spezifischem knockdown deuten an, dass hauptsächlich die verkürzte Isoform sNDUFB5 für die Regulation von Apoptose und Proliferation verantwortlich ist. Diese Beobachtungen konnten mit denselben Zellen im Xenograft-Tiermodell jedoch nicht bestätigt werden. Die Ursachen dafür blieben unklar. Zusätzlich wurden immunhistochemische Analysen von Pankreaskarzinomen und normalem Pankreasgewebe durchgeführt. Sie ergaben, dass die kurze Isoform sNDUFB5 im Tumor stark überexpremiert ist, während die Expression des Volllänge-Proteins in normalem und Tumorgewebe ähnlich hoch ausfällt. Dieser Befund macht NDUFB5 zu einem interessanten therapeutischen Target.
Die näher untersuchten Kandidaten-Gene zeigen beide Potential als neue Angriffspunkte für eine molekulare Krebstherapie. Andere in dem Hefe-Survival-Screen identifizierte Proteine wurden bereits als anti-apoptotisch und/oder in Krebszellen überexprimiert beschrieben. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass ein funktionelles, Hefe-basiertes Screeningsystem geeignet ist, neue bisher unbekannte Proteine mit anti-apoptotischer Funktion zu identifizieren. Auch zeigen die Befunde, dass bereits bekannte Proteine weitere bisher unbekannte Funktionen wie z.B. die Inhibition von Apoptose aufweisen können. Basierend auf solchen mehrfachen Proteinfunktionen lassen sich weitere therapeutische Möglichkeiten ableiten.
Human endogenous retrovirus (HERV) genomes are chromosomally integrated in all cells of an individual. They are normally transcriptionally silenced and transmitted only vertically. Enhanced expression of HERV-K accompanied by the emergence of anti-HERV-K-directed immune responses has been observed in tumor patients and HIV-infected individuals. As HERV-K is usually not expressed and immunological tolerance development is unlikely, it is an appropriate target for the development of immunotherapies. We generated a recombinant vaccinia virus (MVA-HKenv) expressing the HERV-K envelope glycoprotein (ENV), based on the modified vaccinia virus Ankara (MVA), and established an animal model to test its vaccination efficacy. Murine renal carcinoma cells (Renca) were genetically altered to express E. coli beta-galactosidase (RLZ cells) or the HERV-K ENV gene (RLZ-HKenv cells). Intravenous injection of RLZ-HKenv cells into syngenic BALB/c mice led to the formation of pulmonary metastases, which were detectable by X-gal staining. A single vaccination of tumor-bearing mice with MVA-HKenv drastically reduced the number of pulmonary RLZ-HKenv tumor nodules compared to vaccination with wild-type MVA. Prophylactic vaccination of mice with MVA-HKenv precluded the formation of RLZ-HKenv tumor nodules, whereas wild-type MVA-vaccinated animals succumbed to metastasis. Protection from tumor formation correlated with enhanced HERV-K ENV-specific killing activity of splenocytes. These data demonstrate for the first time that HERV-K ENV is a useful target for vaccine development and might offer new treatment opportunities for diverse types of cancer.
Rückschläge werfen eine neue Technologie um Jahrzehnte zurück – besonders, wenn Menschenleben zu beklagen sind. Bei der Gentherapie wird aber oft vergessen, dass sie nur bei Patienten angewendet wird, für die es keine konventionelle Therapie mehr gibt. Nach der Euphorie und den Rückschlägen der Anfangsjahre können Forscher nun die ersten Erfolge vorweisen.
Yeast cells can be killed upon expression of pro-apoptotic mammalian proteins. We have established a functional yeast survival screen that was used to isolate novel human anti-apoptotic genes overexpressed in treatment-resistant tumors. The screening of three different cDNA libraries prepared from metastatic melanoma, glioblastomas and leukemic blasts allowed for the identification of many yeast cell death-repressing cDNAs, including 28% of genes that are already known to inhibit apoptosis, 35% of genes upregulated in at least one tumor entity and 16% of genes described as both anti-apoptotic in function and upregulated in tumors. These results confirm the great potential of this screening tool to identify novel anti-apoptotic and tumor-relevant molecules. Three of the isolated candidate genes were further analyzed regarding their anti-apoptotic function in cell culture and their potential as a therapeutic target for molecular therapy. PAICS, an enzyme required for de novo purine biosynthesis, the long non-coding RNA MALAT1 and the MAST2 kinase are overexpressed in certain tumor entities and capable of suppressing apoptosis in human cells. Using a subcutaneous xenograft mouse model, we also demonstrated that glioblastoma tumor growth requires MAST2 expression. An additional advantage of the yeast survival screen is its universal applicability. By using various inducible pro-apoptotic killer proteins and screening the appropriate cDNA library prepared from normal or pathologic tissue of interest, the survival screen can be used to identify apoptosis inhibitors in many different systems.
Years of endemic infections with highly pathogenic avian influenza (HPAI) A subtype H5N1 virus in poultry and high numbers of infections in humans provide ample opportunity in Egypt for H5N1-HPAIV to develop pandemic potential. In an effort to better understand the viral determinants that facilitate human infections of the Egyptian H5N1-HPAIVvirus, we developed a new phylogenetic algorithm based on a new distance measure derived from the informational spectrum method (ISM). This new approach, which describes functional aspects of the evolution of the hemagglutinin subunit 1 (HA1), revealed a growing group G2 of H5N1-HPAIV in Egypt after 2009 that acquired new informational spectrum (IS) properties suggestive of an increased human tropism and pandemic potential. While in 2006 all viruses in Egypt belonged to the G1 group, by 2011 these viruses were virtually replaced by G2 viruses. All of the G2 viruses displayed four characteristic mutations (D43N, S120(D,N), (S,L)129Δ and I151T), three of which were previously reported to increase binding to the human receptor. Already in 2006–2008 G2 viruses were significantly (p<0.02) more often found in humans than expected from their overall prevalence and this further increased in 2009–2011 (p<0.007). Our approach also identified viruses that acquired additional mutations that we predict to further enhance their human tropism. The extensive evolution of Egyptian H5N1-HPAIV towards a preferential human tropism underlines an urgent need to closely monitor these viruses with respect to molecular determinants of virulence.
Natural killer (NK) cells are highly specialized effectors of the innate immune system that hold promise for adoptive cancer immunotherapy. Their cell killing activity is primarily mediated by the pro-apoptotic serine protease granzyme B (GrB), which enters targets cells with the help of the pore-forming protein perforin. We investigated expression of a chimeric GrB fusion protein in NK cells as a means to augment their antitumoral activity. For selective targeting to tumor cells, we fused the epidermal growth factor receptor (EGFR) peptide ligand transforming growth factor α (TGFα) to human pre-pro-GrB. Established human NKL natural killer cells transduced with a lentiviral vector expressed this GrB-TGFα (GrB-T) molecule in amounts comparable to endogenous wildtype GrB. Activation of the genetically modified NK cells by cognate target cells resulted in the release of GrB-T together with endogenous granzymes and perforin, which augmented the effector cells' natural cytotoxicity against NK-sensitive tumor cells. Likewise, GrB-T was released into the extracellular space upon induction of degranulation with PMA and ionomycin. Secreted GrB-T fusion protein displayed specific binding to EGFR-overexpressing tumor cells, enzymatic activity, and selective target cell killing in the presence of an endosomolytic activity. Our data demonstrate that ectopic expression of a targeted GrB fusion protein in NK cells is feasible and can enhance antitumoral activity of the effector cells.