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Molecular concepts for pandemic viruses : membrane fusion assays and targeting of reservoir cells
(2024)
In den letzten Jahren haben verschiedene pandemische Viren zu beträchtlichen Krankheits- und Todesfällen geführt. Um dieser ständigen Bedrohung entgegenzuwirken, ist es wichtig diagnostische Testsysteme und Therapien anzupassen oder neu zu etablieren. Diese Arbeit konzentriert sich auf die pandemischen Viren SARS-CoV-2 und HIV.
Der Zelleintritt von SARS-CoV-2 wird durch das Spike-Protein (S) ausgelöst, welches die Fusion der Virushülle mit der zellulären Membran bewirkt. Erste Studien haben gezeigt, dass das S-Protein eine hohe Fusionsaktivität aufweist. Aus diesem Grund sollten in dieser Arbeit neue Fusionstests etabliert werden, um potenzielle Inhibitoren der Zellfusion zu evaluieren. Im ersten Teil dieser Thesis wird die Etablierung von quantitativen Tests zur Evaluierung der Zell-Zell und Partikel-Zell Fusionsaktivität, welche durch S bewirkt wird, demonstriert.
Trotz jahrelanger Forschung können HIV-Patienten nicht geheilt werden und Virusinfektionen treten weiterhin weltweit auf. Das größte Problem bei der Entwicklung eines Heilmittels ist die frühe Bildung von Reservoirzellen während einer Infektion. Um diese Reservoirzellen zu identifizieren, wurde der Oberflächenmarker CD32a vorgeschlagen. Die Nutzung von Cas9-Nukleasen zur Inaktivierung von HIV ist in vitro erfolgreich, aber der effiziente Transfer in Reservoirzellen bleibt weiterhin herausfordernd. Im zweiten Teil dieser Thesis werden Rezeptor-gerichtete Adeno-assoziierte Vektoren (AAVs) für die HIV-Gentherapie präsentiert, die CD4 und CD32a für den Zelleintritt nutzen.
Zur Charakterisierung der Fusionsaktivität von SARS-CoV-2 wurden drei quantitative Fusionstests etabliert, welche Partikel- und Zell-Zell Fusionen berücksichtigen. Für den Partikel-Zell Fusionstest wurden lentivirale Vektoren (LV) verwendet, welche das S-Protein auf ihrer Oberfläche präsentierten. Die Transduktionseffizienz von S-LV erreichte auf Zellen, die den SARS-CoV-2 Rezeptor ACE2 exprimieren, ein Signal-zu-Hintergrund Verhältnis von über 2000. Durch die Präsentation von S auf leeren LV-Partikeln konnte die Fusion von benachbarten Zellen detektiert und quantifiziert werden („fusion-from-without“ (FFWO)). Für die Quantifizierung wurde ein Reporter-Komplementationstest etabliert. Hierbei wurden die Alpha- und Omega-Fragmente der β-Galaktosidase getrennt in zwei Zielzellpopulationen exprimiert, die beide ACE2 exprimierten. Durch die Zugabe von S-Partikeln kam es zur Fusion der Zielzellen und zur Komplementation der Alpha- und Omega-Fragmente. Die resultierende β-Galaktosidase-Aktivität konnte anschließend quantifiziert werden. Unter optimalen Versuchsbedingungen erreichte dieser Assay ein Signal-zu-Hintergrund Verhältnis von 2,7 Größenordnungen. Anschließend wurde der Komplementationstest für die Messung der Zell-Zell Fusion verwendet. In diesem Test exprimierten Effektorzellen S und das Alpha-Fragment, Zielzellen ACE2 und das Omega-Fragment. Obwohl die S-Expression auf den Effektorzellen sehr gering war, konnte dennoch eine signifikante Fusion nachgewiesen werden. Auch hier konnte unter optimalen Versuchsbedingungen ein hohes Signal-zu-Hintergrund Verhältnis von 2,9 Größenordnungen festgestellt werden. Nach der Etablierung der Testsysteme wurden S-spezifische Inhibitoren verwendet. Im Gegensatz zu Partikel-Zell-Fusionen wurde die Fusionsaktivität von S auf Zellen nur mäßig inhibiert. Dies deutet daraufhin, dass das Eindringen von Partikeln in Zellen wirksamer verhindert werden kann als die Ausbreitung durch Zell-Zell Fusionen.
Um AAVs spezifisch an HIV-Reservoirzellen zu binden, wurden CD4- und CD32a-spezifische DARPins („designed ankyrin repeat proteins“) in Rezeptor-verblindete AAVs eingebaut. Ebenso wurden beide DARPins gleichzeitig auf dem Kapsid präsentiert, um eine höhere Spezifität für doppelt-positive Zellen zu erreichen. Wenn diese Partikel einer Zellmischung aus CD4-, CD32a- und CD4/CD32a-exprimierenden Zellen zugesetzt wurden, transduzierten die bispezifischen Vektoren vorzugsweise doppelt-positive Zellen. Diese Präferenz war am höchsten in Zellkulturen, die stark unterrepräsentierte CD4/CD32a-exprimierende Zellen enthielten. Unter diesen Voraussetzungen erreichten bispezifische Vektoren eine bis zu 66-fach höhere Transduktionseffizienz auf CD4/CD32a-positive Zellen im Vergleich zu CD32a-exprimierenden Zellen. Darüber hinaus zeigten bispezifische AAV eine präferentielle Bindung und Transduktion von isolierten Primärzellen und Zellen in Vollblut. Selbst nach systemischer Injektion in humanisierte Mäuse wurden doppelt-positive Zellen effizienter von bispezifischen als von monospezifischen AAVs transduziert. Schließlich zeigten die generierten Vektoren, welche die Cas9 Nuklease transferierten, eine effiziente Inhibition der HIV-Replikation.
Chronische Entzündungen und die daraus resultierenden Morbiditäten gehören zu den häufigsten Ursachen für einen frühen Tod beim Menschen. Einer der Hauptfaktoren für die Verschlechterung des Gesundheitszustands bei Patienten mit chronischen-entzündlichen Erkrankungen ist die pathologische Infiltration von Leukozyten in gesundes Gewebe, die zu Gewebeschäden und dem Fortschreiten der Krankheit führt. Das vaskuläre Endothel, das die Innenseite der Blutgefäße auskleidet, spielt eine entscheidende Rolle bei der Entzündungsreaktion, da es als Schnittstelle für die Interaktion mit Leukozyten fungiert, um die Extravasation von Leukozyten aus dem Blutstrom in das Gewebe zu ermöglichen. Die Adhäsion von Leukozyten an die Zellen des Endothels wird dabei hauptsächlich durch die von Zytokinen ausgelösten pro-inflammatorischen NFκB- und AP-1-Signalkaskaden ermöglicht, die die Hochregulierung der wichtigsten endothelialen Adhäsionsmoleküle – ICAM-1, VCAM-1 und E-Selektin – bewirken. Eine Klasse von Wirkstoffen, die für ihre entzündungshemmenden Eigenschaften und ihren Nutzen bei der Behandlung chronischer Entzündungskrankheiten bekannt sind, sind die Mikrotubuli-bindenden-Substanzen (microtubule-targeting-agents; MTAs), die nachweislich auch den Entzündungszustand in den Zellen des Endothels und die Leukozyten-Adhäsionskaskade beeinflussen können. MTAs lassen sich in Mikrotubuli-Destabilisatoren, die eine Depolymerisation des Mikrotubuli-Zytoskeletts bewirken, und Mikrotubuli-Stabilisatoren, die die Depolymerisation der Mikrotubuli verhindern, unterteilen. Die zugrundeliegenden biomolekularen Vorgänge und Wirkungen, die die MTAs auf die Zellen des Gefäßendothels haben, und wie sie die Adhäsionskaskade der Leukozyten beeinflussen, sind jedoch weitgehend unbekannt.
Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen des neuartigen Mikrotubuli-Destabilisators Prätubulysin, eines Vorläufers der Tubulysine, die ursprünglich in Stämmen des Myxobakteriums Angiococcus disciformis entdeckt wurden, auf die entzündlichen Prozesse zu untersuchen, die die Leukozyten-adhäsion in TNF-aktivierten primären Endothelzellen aus der menschlichen Nabelschnurvene (HUVECs) ermöglichen. Zusätzlich wurden auch die Auswirkungen der bereits klinisch etablierten Mikrotubuli-Destabilisatoren Colchicin und Vincristin sowie des Mikrotubuli-Stabilisators Paclitaxel untersucht.
Das entzündungshemmende Potenzial von Prätubulysin wurde daher zunächst in vivo in einem Imiquimod-induzierten psoriasiformen Dermatitis-Mausmodell getestet, wobei sich zeigte, dass Prätubulysin den Entzündungszustand deutlich verringert. Um zu beweisen, dass der entzündungshemmende Effekt mit einer verringerten Interaktion von Leukozyten mit dem Endothel zusammenhängt, wurde die Wirkung von Prätubulysin in vivo mittels Intravitalmikroskopie des TNF-aktivierten Kremaster-Muskels der Maus untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Behandlung mit Prätubulysin zu einer signifikant verringerten Adhäsion von Leukozyten an die Zellen des Gefäßendothels führte. Die verringerte Adhäsion von Leukozyten an Endothelzellen wurde auch in der in vitro Umgebung bestätigt, indem die Adhäsion von Leukozyten unter Flussbedingungen getestet wurde. Mittels Durchflusszytometrie, Western-Blot-Analyse, sowie qRT-PCR-Analyse der jeweiligen mRNA-Level konnte gezeigt werden, dass die verringerten Leukozyten-Interaktionen auf der verringerten Expression der Zelladhäsionsmoleküle ICAM-1 und VCAM-1 sowie teilweise von E-Selektin nach Behandlung mit Prätubulysin, Vincristin und Colchicin beruhen, wobei Paclitaxel keine signifikanten hemmenden Auswirkungen hatte. Weitere Untersuchungen des Einflusses von Prätubulysin auf die NFκB- und AP-1-Signalübertragung zeigten, dass diese intrazellulären Signalkaskaden durch Prätubulysin nicht behindert werden, wobei NFκB und AP-1 weitgehend in den Promotoren der Zelladhäsionsmoleküle angereichert waren, wie durch Chromatin-Immunpräzipitation nachgewiesen wurde. Darüber hinaus induzierte die Behandlung mit Prätubulysin die Aktivität der NFκB-induzierenden Kinase IKK und führte zu einem signifikanten Anstieg der Aktivität der AP-1 Upstream-Kinase JNK, wie eine Western Blot Analyse ergab. Die Prüfung der Transkriptionsaktivität von NFκB und AP-1 in Reportergen Assays zeigte, dass insbesondere die Mikrotubuli-Destabilisatoren die Promotoraktivität dieser Transkriptionsfaktoren in einer konzentrationsabhängigen Weise verringerten. Weitere Tests zur Abhängigkeit der durch Prätubulysin induzierten Hemmung der Zelladhäsionsmoleküle von der Aktivität der JNK zeigten, dass die Hemmung empfindlich auf die Aktivität dieser Kinase reagiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Inhibition der Aktivität der JNK die Expression der Zelladhäsionsmoleküle durch die Behandlung mit Prätubulysin auf mRNA und Proteinebene wiederherstellt. Mit Hilfe der Chromatin-Immunpräzipitation konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Behandlung mit Prätubulysin zunächst die Assoziation des Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 mit den Promotoren/Genen von ICAM-1 und VCAM-1 erhöhte, aber zu einem behandlungszeitabhängigen Rückgang der Anreicherung führte. Darüber hinaus wurde durch die Behandlung mit Prätubulysin auch der Abbau dieses Proteins leicht erhöht. Durch den Einsatz eines JNK Inhibitors konnte gezeigt werden, dass die Verdrängung des Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 von icam-1 und vcam-1, sowie der erhöhte Abbau dieses Faktors auch von der Aktivität der JNK abhängig sind. Die Verdrängung des Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 induzierte auch das Vorhandensein von repressiven Chromatinmarkierungen in den Genen von ICAM-1 und VCAM-1. Die Prüfung der Anreicherung der RNA-Polymerase II an den Promotoren/Genen von ICAM-1 und VCAM-1 zeigte jedoch auch eine behandlungszeitabhängige differentielle Anreicherung dieser Polymerase, wobei die Anreicherung nach kurzen Behandlungszeiten reduziert war, sich nach mittleren Behandlungszeiten erholte und nach längeren Behandlungszeiten wieder stark reduziert war. Die anschließende Prüfung der Bedeutung des Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 für die Expression von ICAM-1 und VCAM-1 durch Knock-down-Experimente ergab, dass das vcam-1 Gen durch Knock-down dieses Proteins unterdrückt, das icam-1 Gen jedoch induziert wird. Dies deutet auf das Vorhandensein zusätzlicher Faktoren hin, die auch auf die Aktivität der JNK reagieren und neben dem Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 die Transkriptionsverlängerung des icam-1 Gens bewirken.
Der Natrium-abhängige Kaliumkanal Slack (KNa1.1, Slo2.2, KCNT1) nimmt eine Schlüsselrolle in der Regulation neuronaler Erregbarkeit ein, indem er die Ausbildung und Feuerungsfrequenz von Aktionspotentialen kontrolliert. Sowohl in Mäusen als auch in Menschen wird Slack besonders hoch in nicht-peptidergen C-Faser-Neuronen exprimiert. Wissenschaftliche Erkenntnisse der letzten Jahre konnten die Beteiligung von Slack-Kanälen in der Signalverarbeitung neuropathischer Schmerzen, aber auch in verschiedenen Arten von Pruritus, feststellen. Dabei zeigen Slack-defiziente Mäuse ein verstärktes mechanisches Schmerzverhalten nach einer peripheren Nervenverletzung und ein erhöhtes Kratzverhalten in akuten Juckreiz-Modellen. Das als Slack-Aktivator identifizierte trizyklische Neuroleptikum Loxapin zeigt sowohl analgetische als auch antipruritische Effekte in Mäusen, jedoch ist sein klinischer Einsatz auf Grund schwerwiegender antipsychotischer Nebenwirkungen limitiert. Basierend auf Loxapins Leitstruktur wurden daher in dieser Arbeit neue Slack-Aktivatoren mit einem verbesserten pharmakologischen Profil designed und ihr Potential für die Therapie von Schmerzen sowie akutem und chronischem Pruritus in vivo untersucht.
Der Hirntumor Glioblastom (GBM) ist aufgrund seines infiltrativen Wachstums, der hohen intra- und intertumoralen Heterogenität, der hohen Therapieresistenz als auch aufgrund der sogenannten gliomartigen Stammzellen sehr schwer zu behandeln und führt fast immer zu Rezidiven. Da es in den letzten Jahrzehnten kaum Fortschritte in der Behandlung des GBMs gab, bis auf die Therapie mit Tumortherapiefeldern, wird weiterhin nach alternativen Zelltodtherapien geforscht, wie zum Beispiel dem Autophagie-abhängigen Zelltod. Der Autophagie-abhängige Zelltod ist durch einen erhöhten autophagischen Flux gekennzeichnet und obwohl die Autophagie, als auch selektive Formen wie die Lysophagie und Mitophagie, normalerweise als überlebensfördernde Mechanismen gelten, konnten viele Studien eine duale Rolle in der Tumorentstehung, -progression und -behandlung aufzeigen, die vor allem vom Tumortyp und stadium abhängt. Um die zugrunde liegenden Mechanismen des durch Medikamente induzierten Autophagie-abhängigen Zelltods im GBM weiter zu entschlüsseln, habe ich in meiner Dissertation verschiedene Substanzen untersucht, die einen Autophagie-abhängigen Zelltod induzieren.
In einer zuvor in unserem Labor durchgeführten Studie konnte gezeigt werden, dass das Antipsychotikum Pimozid (PIMO) und der Opioidrezeptor-Antagonist Loperamid (LOP) einen Autophagie-abhängigen Zelltod in GBM Zellen induzieren können. Darauf aufbauend habe ich die Fähigkeit zur Induktion des Autophagie-abhängigen Zelltods in weiteren Zellmodellen validiert. Dies bestätigte einen erhöhten autophagischen Flux nach PIMO und LOP Behandlung, während der Zelltod als auch der autophagische Flux in Autophagie-defizienten Zellen reduziert war. In weiteren Versuchen konnte ich die Involvierung der LC3-assoziierten Phagozytose (LAP), ein Signalweg der auf die Funktion einiger autophagischer Proteine angewiesen ist, ausschließen. Weiterhin konnte ich eine massive Störung des Cholesterin- und Lipidstoffwechsels beobachten. Unter anderem akkumulierte Cholesterin in den Lysosomen gefolgt von massiven Schäden des lysosomalen Kompartiments und der Permeabiliserung der lysosomalen Membran. Dies trug einerseits zur Aktivierung überlebensfördernder Lysophagie als auch der Zell-schädigenden „Bulk“-Autophagie bei. Letztendlich konnte aber die erhöhte Lysophagie die Zellen nicht vor dem Zelltod retten und die Zellen starben einen Autophagie-abhängigen lysosomalen Zelltod. Da die Eignung von LOP als Therapie für das GBM aufgrund der fehlenden Blut-Hirn-Schranken Permeabilität und von dem Antipsychotikum PIMO aufgrund teils schwerer Nebenwirkungen eingeschränkt ist, habe ich mich im weiteren Verlauf meiner Dissertation mit einer Substanz mit einem anderen Wirkmechanismus beschäftigt.
Der Eisenchelator und oxidative Phosphorylierungs (OXPHOS) Inhibitor VLX600 wurde zuvor berichtet mitochondriale Dysfunktion und Zelltod in Kolonkarzinomzellen zu induzieren. Allerdings hat meines Wissens nach bisher noch keine Studie die therapeutische Eignung von VLX600 für das GBM untersucht. Hier zeige ich eine neuartige Autophagie-abhängige Zelltod-induzierende Fähigkeit von VLX600 für GBM Zellen, da der Zelltod signifikant in Autophagie-defizienten Zellen aber nicht durch Caspase-Inhibitoren gehemmt wurde und der autophagische Flux erhöht war. Darüber hinaus konnte ich die Hemmung der OXPHOS und die Induktion von mitochondrialem Stress in GBM Zellen bestätigen und weiterhin aufzeigen, dass VLX600 nicht nur die mitochondriale Homöostase stört, sondern auch zu einer BNIP3-BNIP3L-abhängigen Mitophagie führt, die wahrscheinlich durch HIF1A reguliert wird aber keinen erkennbaren Nettoeffekt auf den von VLX600 induzierten Zelltod hat. Demnach induziert VLX600 letale „Bulk“-Autophagie in den hier verwendeten Zellmodellen. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass die Eisenchelatierung durch VLX600 eine große Rolle für den von VLX600-induzierten Zelltod spielt aber auch für die Mitophagie Induktion, Histon Lysin Methylierung und den ribosomalen Stress. Letztendlich ist es wahrscheinlich ein Zusammenspiel all dieser Faktoren, die zur Zelltodinduktion durch VLX600 führen und interessanterweise werden Eisenchelatoren bereits in präklinischen und klinischen Studien für Krebstherapien untersucht. Dabei könnten gewisse metabolische Eigenschaften verschiedener Tumorzellen die Sensitivität von Wirkstoffen, die auf den Metabolismus wirken wie VLX600, beeinflussen was in zukünftigen Studien beachtet werden sollte um den bestmöglichsten Therapieerfolg zu erzielen. Zusammenfassend unterstützt meine Dissertation die duale Rolle der Autophagie, die stark vom jeweiligen Kontext abhängt und befürwortet die weitere Forschung von Substanzen, die einen Autophagie-abhängigen Zelltod induzieren, für das GBM.
Interferon-stimulated gene-15 (ISG15) is an interferon-induced protein with two ubiquitin-like (Ubl) domains linked by a short peptide chain, and the conjugated protein of the ISGylation system. Similar to ubiquitin and other Ubls, ISG15 is ligated to its target proteins with a series of E1, E2, and E3 enzymes known as Uba7, Ube2L6/UbcH8, and HERC5, respectively. Ube2L6/UbcH8 plays a literal central role in ISGylation, underscoring it as an important drug target for boosting innate antiviral immunity. Depending on the type of conjugated protein and the ultimate target protein, E2 enzymes have been shown to function as monomers, dimers, or both. UbcH8 has been crystalized in both monomeric and dimeric forms, but the functional state is unclear. Here, we used a combined approach of small-angle X-ray scattering (SAXS) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to characterize UbcH8′s oligomeric state in solution. SAXS revealed a dimeric UbcH8 structure that could be dissociated when fused with an N-terminal glutathione S-transferase molecule. NMR spectroscopy validated the presence of a concentration-dependent monomer-dimer equilibrium and suggested a backside dimerization interface. Chemical shift perturbation and peak intensity analysis further suggest dimer-induced conformational dynamics at ISG15 and E3 interfaces - providing hypotheses for the protein′s functional mechanisms. Our study highlights the power of combining NMR and SAXS techniques in providing structural information about proteins in solution.