Biowissenschaften
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Macrophages not only represent an integral part of innate immunity but also critically contribute to tissue and organ homeostasis. Moreover, disease progression is accompanied by macrophage accumulation in many cancer types and is often associated with poor prognosis and therapy resistance. Given their critical role in modulating tumor immunity in primary and metastatic brain cancers, macrophages are emerging as promising therapeutic targets. Different types of macrophages infiltrate brain cancers, including (i) CNS resident macrophages that comprise microglia (TAM-MG) as well as border-associated macrophages and (ii) monocyte-derived macrophages (TAM-MDM) that are recruited from the periphery. Controversy remained about their disease-associated functions since classical approaches did not reliably distinguish between macrophage subpopulations. Recent conceptual and technological advances, such as large-scale omic approaches, provided new insight into molecular profiles of TAMs based on their cellular origin. In this review, we summarize insight from recent studies highlighting similarities and differences of TAM-MG and TAM-MDM at the molecular level. We will focus on data obtained from RNA sequencing and mass cytometry approaches. Together, this knowledge significantly contributes to our understanding of transcriptional and translational programs that define disease-associated TAM functions. Cross-species meta-analyses will further help to evaluate the translational significance of preclinical findings as part of the effort to identify candidates for macrophage-targeted therapy against brain metastasis.
Präklinische Untersuchungen zur Gentherapie der HIV-Infektion mit dem retroviralen Vektor M87o
(2007)
Mit der Einführung der hochaktiven antiretroviralen Therapie (HAART) 1995 wandelte sich die HIV-Infektion in den Industrieländern von einer akut lebensbedrohlichen zu einer chronisch verlaufenden und scheinbar gut kontrollierten Erkrankung. Das Virus wird allerdings nie vollständig aus dem Körper eliminiert, sodass die Betroffenen zeitlebens Medikamente einnehmen müssen. Die Langzeit-Medikation wird häufig von schweren Nebenwirkungen begleitet, führt zur Selektion resistenter Viren und muss häufig umgestellt werden. Gentherapeutische Verfahren, die die CD4+ Zielzellen durch die Expression antiviraler Gene vor der Infektion durch HIV schützen („intrazelluläre Immunisierung“), stellen viel versprechende Therapiealternativen dar. Der in der Arbeitsgruppe von Laer entwickelte retrovirale Vektor M87o (EGELHOFER et al. 2004, EGELHOFER 2004) exprimiert das 46 Aminosäuren lange membran-verankerte Peptid C46, das in der Lage ist, die gp41-vermittelte Fusion von Virus- und Zellmembran zu inhibieren. In Zelllinien und primären Lymphozyten konnte gezeigt werden, dass M87o die Infektion durch unterschiedliche HIV-Isolate sehr effektiv verhindert. Im Rahmen vorklinischer Untersuchungen konnte in vitro gezeigt werden, dass die retrovirale Transduktion mit M87o das Transformationsrisiko und damit das Risiko der Entstehung von Neoplasien nicht steigert. An primären peripheren T-Zellen konnte zeigt werden, dass M87o die Zielzellen weder phänotypische noch funktionelle verändert. Für die Untersuchung der retroviralen Gentherapie im Rhesusaffenmodell wurde zunächst ein Gentransferprotokoll für periphere Affenlymphozyten entwickelt, mit dem in Vorversuchen Gentransferraten von ca. 50% erreicht werden konnten. Das Transduktionsprotokoll wurde anschließend im Rahmen einer präklinischen Studie zur Toxizität und Immunogenität der M87o-Gentherapie, bei der Herstellung zweier Studientransplantate angewandt. Beide Zellpräparate wurden den Versuchstieren transplantiert. Während des Eingriffs traten keine akuttoxischen Reaktionen auf. M87o+-Zellen konnten bis 140 Tage nach der Transplantation mittels PCR nachgewiesen werden. Immunologische Untersuchungen (Cytokinfärbung, Proliferationsassay, ELISPOT) ergaben keine Hinweise auf zelluläre oder humorale Immunreaktionen. M87o-spezifische Antikörper waren im Serum nicht nachweisbar. Für die Durchführung einer klinischen Studie zur Toxizität und Wirksamkeit (Phase I/II) an HIV-infizierten Probanden wurde ein Protokoll zur Produktion M87o-modifizierter T-Zellen (mindestens 5 × 108 M87o+ CD4-T-Zellen pro Spender) entwickelt. In die klinische Prüfung wurden Patienten aufgenommen, die nach multiplem Therapieversagen durch das Auftreten multiresistenter HIV eine CD4-Zellzahl von 50 bis 200 µl-1 Blut, sowie eine Viruslast von >5.000 Kopien ml-1 Blut aufwiesen. Im Versuchsmaßstab konnte ein Transduktionsprotokoll erarbeitet werden, mit dem im Mittel 46% der CD4+ T-Zellen mit M87o transduziert werden konnten. Innerhalb von 10 Tagen expandierte die Zellzahl im Mittel um den Faktor 153, wobei die HIV-Replikation vollständig inhibiert wurde. Das Protokoll wurde erfolgreich vom Versuchsmaßstab in den klinisch relevanten Produktionsmaßstab übersetzt. In drei Versuchsläufen wurde im Mittel eine Transduktionsrate von 29% erreicht und die Zellzahl um den Faktor 44 vermehrt. Der Anteil an CD3+/CD4+ Zellen an der Gesamtpopulation lag im Mittel bei 91%. Insgesamt konnten mit dem etablierten Protokoll durchschnittlich 2,3 × 109 CD3+/CD4+/M87o+ Zellen, bei gleichzeitig vollständiger Inhibition der HIV-Replikation, generiert werden. Im Rahmen einer klinischen Studie zur Toxizität und Wirksamkeit der M87o-Gentherapie wurden 10 Studientransplantate gemäß dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Protokoll hergestellt. Alle Transplantate wurden am Universitäts-Krankenhaus Eppendorf in Hamburg transfundiert und von den Patienten sehr gut vertragen.
5-Lipoxygenase (5-LO) catalyzes the two initial steps in the biosynthesis of leukotrienes (LT), a group of inflammatory lipid mediators derived from arachidonic acid. Here, we investigated the regulation of 5-LO mRNA expression by alternative splicing and nonsense-mediated mRNA decay (NMD). In the present study, we report the identification of 2 truncated transcripts and 4 novel 5-LO splice variants containing premature termination codons (PTC). The characterization of one of the splice variants, 5-LOΔ3, revealed that it is a target for NMD since knockdown of the NMD factors UPF1, UPF2 and UPF3b in the human monocytic cell line Mono Mac 6 (MM6) altered the expression of 5-LOΔ3 mRNA up to 2-fold in a cell differentiation-dependent manner suggesting that cell differentiation alters the composition or function of the NMD complex. In contrast, the mature 5-LO mRNA transcript was not affected by UPF knockdown. Thus, the data suggest that the coupling of alternative splicing and NMD is involved in the regulation of 5-LO gene expression.
Microenvironmental regulation of tumor progression and therapeutic response in brain metastasis
(2019)
Cellular and non-cellular components of the tumor microenvironment (TME) are emerging as key regulators of primary tumor progression, organ-specific metastasis, and therapeutic response. In the era of TME-targeted- and immunotherapies, cancer-associated inflammation has gained increasing attention. In this regard, the brain represents a unique and highly specialized organ. It has long been regarded as an immunological sanctuary site where the presence of the blood brain barrier (BBB) and blood cerebrospinal fluid barrier (BCB) restricts the entry of immune cells from the periphery. Consequently, tumor cells that metastasize to the brain were thought to be shielded from systemic immune surveillance and destruction. However, the detailed characterization of the immune landscape within border-associated areas of the central nervous system (CNS), such as the meninges and the choroid plexus, as well as the discovery of lymphatics and channels that connect the CNS with the periphery, have recently challenged the dogma of the immune privileged status of the brain. Moreover, the presence of brain metastases (BrM) disrupts the integrity of the BBB and BCB. Indeed, BrM induce the recruitment of different immune cells from the myeloid and lymphoid lineage to the CNS. Blood-borne immune cells together with brain-resident cell-types, such as astrocytes, microglia, and neurons, form a highly complex and dynamic TME that affects tumor cell survival and modulates the mode of immune responses that are elicited by brain metastatic tumor cells. In this review, we will summarize recent findings on heterotypic interactions within the brain metastatic TME and highlight specific functions of brain-resident and recruited cells at different rate-limiting steps of the metastatic cascade. Based on the insight from recent studies, we will discuss new opportunities and challenges for TME-targeted and immunotherapies for BrM.
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.
Constitutive Wnt activation upon loss of Adenoma polyposis coli (APC) acts as main driver of colorectal cancer (CRC). Targeting Wnt signaling has proven difficult because the pathway is crucial for homeostasis and stem cell renewal. To distinguish oncogenic from physiological Wnt activity, we have performed transcriptome and proteome profiling in isogenic human colon organoids. Culture in the presence or absence of exogenous ligand allowed us to discriminate receptor-mediated signaling from the effects of CRISPR/Cas9-induced APC loss. We could catalog two nonoverlapping molecular signatures that were stable at distinct levels of stimulation. Newly identified markers for normal stem/progenitor cells and adenomas were validated by immunohistochemistry and flow cytometry. We found that oncogenic Wnt signals are associated with good prognosis in tumors of the consensus molecular subtype 2 (CMS2). In contrast, receptor-mediated signaling was linked to CMS4 tumors and poor prognosis. Together, our data represent a valuable resource for biomarkers that allow more precise stratification of Wnt responses in CRC.
Hematopoietic differentiation is controlled by key transcription factors, which regulate stem cell functions and differentiation. TAL1 is a central transcription factor for hematopoietic stem cell development in the embryo and for gene regulation during erythroid/megakaryocytic differentiation. Knowledge of the target genes controlled by a given transcription factor is important to understand its contribution to normal development and disease. To uncover direct target genes of TAL1 we used high affinity streptavidin/biotin-based chromatin precipitation (Strep-CP) followed by Strep-CP on ChIP analysis using ChIP promoter arrays. We identified 451 TAL1 target genes in K562 cells. Furthermore, we analysed the regulation of one of these genes, the catalytic subunit beta of protein kinase A (PRKACB), during megakaryopoiesis of K562 and primary human CD34+ stem cell/progenitor cells. We found that TAL1 together with hematopoietic transcription factors RUNX1 and GATA1 binds to the promoter of the isoform 3 of PRKACB (Cβ3). During megakaryocytic differentiation a coactivator complex on the Cβ3 promoter, which includes WDR5 and p300, is replaced with a corepressor complex. In this manner, activating chromatin modifications are removed and expression of the PRKACB-Cβ3 isoform during megakaryocytic differentiation is reduced. Our data uncover a role of the TAL1 complex in controlling differential isoform expression of PRKACB. These results reveal a novel function of TAL1, RUNX1 and GATA1 in the transcriptional control of protein kinase A activity, with implications for cellular signalling control during differentiation and disease.
During erythropoiesis, haematopoietic stem cells (HSCs) differentiate in successive steps of commitment and specification to mature erythrocytes. This differentiation process is controlled by transcription factors that establish stage- and cell type-specific gene expression. In this study, we demonstrate that FUSE binding protein 1 (FUBP1), a transcriptional regulator important for HSC self-renewal and survival, is regulated by T-cell acute lymphocytic leukaemia 1 (TAL1) in erythroid progenitor cells. TAL1 directly activates the FUBP1 promoter, leading to increased FUBP1 expression during erythroid differentiation. The binding of TAL1 to the FUBP1 promoter is highly dependent on an intact GATA sequence in a combined E-box/GATA motif. We found that FUBP1 expression is required for efficient erythropoiesis, as FUBP1-deficient progenitor cells were limited in their potential of erythroid differentiation. Thus, the finding of an interconnection between GATA1/TAL1 and FUBP1 reveals a molecular mechanism that is part of the switch from progenitor- to erythrocyte-specific gene expression. In summary, we identified a TAL1/FUBP1 transcriptional relationship, whose physiological function in haematopoiesis is connected to proper erythropoiesis.
Funktionelle Charakterisierung von Peptidliganden für das komplexe HIV-1-RNA-Verpackungssignal PSI
(2008)
Im Laufe der vergangenen Jahre hat die Identifizierung von Peptidleitstrukturen in der Wirkstoffentwicklung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die Phage Display Technologie ist eine Methode, welche zur Selektion von inhibitorischen Peptiden weit verbreitet ist. Prinzipiell eignet sich dieser Ansatz auch für die Suche nach neuen Leitstrukturen für die Therapie der HIV-Infektion, welche in hochspezifische und -regulierte Schritte im HIV-Replikationszyklus eingreifen sollen. Bei der Verpackung viraler RNA in neu entstehende Virionen handelt es sich um einen Prozess, welcher auf der gezielten Erkennung der dreidimensionalen Struktur der PSI-Region am 5'-Ende ungespleißter, viraler RNA durch die NCp7-Domäne des Gagp55-Vorläuferproteins basiert. Darüber hinaus partizipiert das NCp7-Protein noch an der Reversen Transkription der HIV-RNA sowie an der Integration proviraler DNA und spielt somit eine zentrale Rolle im HIV-1 Replikationszyklus. In vorangegangenen Arbeiten konnten wir mittels der Phage Display Technologie Peptidliganden für die HIV-1 PSI-RNA selektieren, welche die PSI-RNA-NCp7-Interaktion hemmten und in Folge dessen die Verpackung viraler RNA verhindern sollten. Die Bindung der identifizierten tryptophanreichen Peptide an die PSI-RNA konnte zwar zum Teil in vitro mit NCp7 kompetitiert werden, jedoch wiesen die Peptide eine relativ geringe Affinität für die PSI-RNA auf. Im Vordergrund der vorliegenden Arbeit stand nach Optimierung der Affinität eine umfassende funktionelle Charakterisierung der Peptide hinsichtlich ihrer antiviralen Aktivität in vitro. Zunächst gelang es mittels Spot-Synthese-Membranen die Affinität der PSI-RNA-bindenden Peptide um etwa das 30-fache zu verbessern. Der KD-Wert des optimierten HKWPWW-Peptids lag bei 1,1 µM für ein Teilelement der PSI-RNA, das allein über Verpackungsaktivitäten verfügt. Die folgende Analyse der Bindungseigenschaften des HKWPWW-Peptids an die PSI-RNA über NMR und Fluoreszenz-Spektroskopie offenbarte, dass das Peptid über die hydrophoben Aminosäuren an eine charakteristische Schleifenregion in der Sekundärstruktur der PSI-RNA bindet, ähnlich wie der natürliche Ligand NCp7. Gestützt auf diese Ergebnisse, wurde im Hauptteil des Projekts untersucht, ob das HKWPWW-Peptid in der Lage ist, die Verpackung viraler RNA in HI-Virionen zu hemmen. Hierfür erfolgte die Etablierung diverser Testsysteme, welche die intrazelluläre Expression des Peptids ermöglichten. Die Expression von HKWPWW in Fusion mit RFP in Pseudoviren-produzierenden Zellen über transiente Transfektion führte in der höchsten getesteten DNA-Konzentration (2,5 µg) zu einer 95%igen Reduktion des infektiösen Titers. Dieser inhibitorische Effekt war spezifisch für lentivirale Pseudoviren, da die Produktion gammaretroviraler Pseudoviren nicht durch die Anwesenheit des Peptids beeinflusst wurde. Mittels einer stabilen HKWPWW-exprimierenden T-Zelllinie gelang es nachzuweisen, dass das Peptid sogar in der Lage ist, replikationskompetentes HIV über einen Zeitraum von fünf Tagen zu hemmen. Die Synthese des HKWPWW-Peptids in Fusion mit einer Proteintransduktionsdomäne ermöglichte die direkte Behandlung von HIV-infizierten Zellen und führte zu einer verminderten Freisetzung infektiöser HI-Viren in die Zellkulturüberstände. Dabei lagen die IC50- und IC90-Werte des HKWPWW-Peptids nach zweimaliger Peptidzugabe bei 5, 7 bzw. 28,6 µM. Eine in der Literatur oftmals beschriebene Beobachtung ist, dass bei einer reinen Hemmung der HIV-Verpackung Viren entstehen, welche keine virale RNA enthalten. Das Phänomen war in Anwesenheit des HKWPWW-Peptids wenig ausgeprägt wie Korrelationen von p24-Antigen-ELISA und die Quantifizierung viraler RNA in Viruspartikeln zeigten. Diese Gegebenheit sowie das Wissen über die mannigfaltigen Funktionen des NCp7-Proteins im HIV-Replikationszyklus ließen vermuten, dass HKWPWW noch zusätzlich andere Schritte im HIV-Replikationszyklus hemmen könnte. Unterstützt wurde diese Annahme dadurch, dass HKWPWW Ähnlichkeiten zu der hydrophoben Plattform von NCp7 aufweist, welche essentiell für die Verpackung viraler RNA sowie die Reverse Transkription ist. Damit in Einklang steht, das neben einer Bindung an die PSI-RNA auch eine schwächere Interaktion des HKWPWW-Peptids mit den viralen TAR- und PBS-Strukturen nachgewiesen werden konnte. Die auch beobachtete Hemmung der frühen HIV-Replikationsschritte durch HKWPWW könnte somit mit einer möglichen Hemmung der Transkription viraler Gene, der Reversen Transkription oder Integration erklärt werden. Jedoch zeigte die elektronenmikroskopische Analyse, dass nicht nur weniger Viren in Anwesenheit des HKWPWW-Peptids entstehen, sondern dass diese zum Teil einen weniger kondensierten Kern aufweisen. Dies kann als ein Anhaltspunkt angesehen werden, dass HKWPWW tatsächlich auch auf der Ebene der RNA-Verpackung bzw. der viralen Partikelentstehung einen hemmenden Effekt ausübt. Somit resultiert die beobachtete antivirale Aktivität des HKWPWW-Peptids vermutlich aus kombinierten inhibitorischen Effekten auf mehreren Ebenen der HIV-Replikation.
Brain metastases are the most common intracranial tumor in adults and are associated with poor patient prognosis and median survival of only a few months. Treatment options for brain metastasis patients remain limited and largely depend on surgical resection, radio- and/or chemotherapy. The development and pre-clinical testing of novel therapeutic strategies require reliable experimental models and diagnostic tools that closely mimic technologies that are used in the clinic and reflect histopathological and biochemical changes that distinguish tumor progression from therapeutic response. In this study, we sought to test the applicability of magnetic resonance (MR) spectroscopy in combination with MR imaging to closely monitor therapeutic efficacy in a breast-to-brain metastasis model. Given the importance of radiotherapy as the standard of care for the majority of brain metastases patients, we chose to monitor the post-irradiation response by magnetic resonance spectroscopy (MRS) in combination with MR imaging (MRI) using a 7 Tesla small animal scanner. Radiation was applied as whole brain radiotherapy (WBRT) using the image-guided Small Animal Radiation Research Platform (SARRP). Here we describe alterations in different metabolites, including creatine and N-acetylaspartate, that are characteristic for brain metastases progression and lactate, which indicates hypoxia, while choline levels remained stable. Radiotherapy resulted in normalization of metabolite levels indicating tumor stasis or regression in response to treatment. Our data indicate that the use of MR spectroscopy in addition to MRI represents a valuable tool to closely monitor not only volumetrical but also metabolic changes during tumor progression and to evaluate therapeutic efficacy of intervention strategies. Adapting the analytical technology in brain metastasis models to those used in clinical settings will increase the translational significance of experimental evaluation and thus contribute to the advancement of pre-clinical assessment of novel therapeutic strategies to improve treatment options for brain metastases patients.