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Ischemic injuries of the cardiovascular system are still the leading cause of death worldwide. They are often accompanied by loss of cardiomyocytes (CM) and their replacement by non-functional heart tissue. Cardiac fibroblasts (CF) play a major role in the recovery after ischemic injury and in the scar formation. In the last few years researchers were able to reprogram fibroblasts into CM in vitro and in murine models of myocardial infarction using various protocols including a cocktail of microRNAs (miRs). These miRs can target hundreds of messenger RNAs and inhibit their translation into proteins, potentially regulating multiple cellular signaling pathways. Because of this, there has been a rising interest in the use of miRs for therapeutic purposes. However, as different miRs have different effects in different cells, there is the danger of causing serious side effects. These could be alleviated by enacting a cell-specific transport of miRs, for example by using aptamers. Aptamers are usually short strands of DNA or RNA, which can fold into a specific three-dimensional confirmation which allows them to bind specifically to target molecules. Aptamers are commonly selected from a large library for their ability to bind to target molecules using a procedure called SELEX. Aptamers have already been used to transport miRs into cancer cells.
In this thesis, we first established the transport of miRs into cells of the cardiovascular system using aptamers. MiR-126 is an important part of the signaling in endothelial cells (EC), protects from atherosclerosis and supports angiogenesis, which is why we chose it as a candidate to transport into the vasculature. We first tested two aptamers for their ability to internalize into EC and fibroblasts. Both the aptamer for the ubiquitously expressed transferrin receptor (TRA) and a general internalizing RNA motif, but not a control construct, could internalize efficiently into all cell types tested. We then designed three chimeras (Ch) using different strategies to connect TRA to miR-126. While all chimeras could internalize efficiently, only Ch3, which connects TRA to Pre-miR-126 using a sticky bridge structure, had functional effects in EC. Ch3 reduced the protein expression of VCAM-1 in EC and increased the VEGF induced sprouting of EC in a spheroid-sprouting assay. Treatment of breast cancer cells with Ch3 emulated the effects of treatment with classical miR-126-3p and miR-126-5p mimics. In the SK-BR3 cell line Ch3 and miR-126-3p reduce the viability of the cells while they reduce recruitment of EC by the MCF7 cell line. miR-126-5p had no apparent effect in the SK-BR3 line, but increased viability of MCF7 cells, as did Ch3. This implies that Ch3 can be processed to both functional miR-126-3p and miR-126-5p in treated cells.
We were unable to achieve a reprogramming of adult murine cardiac fibroblasts into cells resembling CM using the cocktail of 4 miRs. This indicates that the miR-mediated transdifferentiation is only possible in neonatal fibroblasts. The effects in mice after an AMI might possibly be caused by an enhanced plasticity of fibroblasts in and close to the infarcted area.
We also screened to find aptamers specifically binding to cells of the cardiovascular system. We used two oligonucleotide libraries in a cell-SELEX to select candidates which bind to CF, but not EC. We observed that only the library which contains two randomized regions of 26 bases showed an enrichment of species binding to fibroblasts. We then sequenced rounds 5-7 of the SELEX and analyzed the data bioinfomatically to select 10 candidate aptamers. All candidates showed a strong binding not only to CF, but also EC. This indicates that the selection pressure against species binding to EC was not high enough and would have to be increased to find true CF-aptamers. Four promising candidates were also analyzed for their potential to be internalized and we surprisingly found that all of them were internalized by EC and CF more efficiently than TRA. The similar behavior of the candidates implies that they possibly share a ligand, which is expressed both by EC and CF, but more prominently by the latter.
This work demonstrates the possibility of using aptamers to transport miRs into cells of the cardiovascular system. It also shows that it is possible to select aptamers for non-cancerous mammalian cells, which has not been done before. It is reasonable to assume that a refinement of the cell-SELEX will allow selection of cell-specific aptamers. Due to the failure of reprogramming of adult fibroblasts into induced cardiomyocytes we were unable to test whether a miR-mediated reprogramming might be inducible using aptamer transported-miRs. Ultimately, aptamer mediated transport of miRs is a feasible and promising therapeutic option for the treatment of cardiovascular diseases and other disorders like cancer.
Fossile Rohstoffe dienen in unserer heutigen Gesellschaft als Energiequelle und als Rohstofflieferant für Grund-, Feinchemikalien und Pharmazeutika. Sie tragen jedoch zum Klimawandel und Umweltverschmutzung bei. Lignocellulosische Biomasse ist eine erneuerbare und nachhaltige Alternative, die durch biotechnologische Prozesse erschlossen werden kann. Die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae ist ein sehr gut untersuchter Modellorganismus, für den es zahlreiche genetische Werkzeuge und Analysemethoden gibt. Zudem wird S. cerevisiae häufig in biotechnologischen Prozessen eingesetzt, da diese Hefe robust gegenüber industriellen Bedingungen wie niedrigen pH-Werten, toxischen Chemikalien, osmotischem und mechanischem Stress ist. Die Pentose D-Xylose ist ein wesentlicher Bestandteil von lignocellulosischer Biomasse, die aber nicht natürlicherweise von der Bäckerhefe verwerten werden kann. Für eine kommerzielle Herstellung von Produkten aus lignocellulosischer Biomasse muss S. cerevisiae D-Xylose effektiv verwerten. Für die Bäckerhefe konnten heterologe Stoffwechselwege etabliert werden, damit diese D-Xylose verwerten kann. Für eine effiziente Xyloseverwertung bleiben dennoch zahlreiche Herausforderungen bestehen. Unter anderem nehmen die Zellen D-Xylose über ihre endogenen Hexosetransporter nur langsam auf. Die heterologe Xylose-Isomerase (XI) besitzt in S. cerevisiae eine geringe Aktivität für die Isomerisierung von D-Xylose. Unspezifische Aldosereduktasen konkurrieren mit der Xylose-Isomerase um das gleiche Substrat und produzieren Xylitol, ein starker Inhibitor der Xylose-Isomerase. Eine Möglichkeit die Umsatzrate von Enzymen zu steigern und Substrate vor Nebenreaktionen zu schützen, ist die Anwendung von Substrate Channeling Strategien. Bei Substrate Channeling befinden sich die beteiligten Enzyme in einem Komplex, wodurch die Substrate lokal angereichert werden und von einem aktiven Zentrum zum nächsten weitergeleitet werden, ohne Diffusion in den restlichen Reaktionsraum. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob ein Komplex zwischen einem membranständigen Transporter und einem löslichen Enzym konstruiert werden kann, um durch Substrate Channeling eine verbesserte Substrat-Verwertung zu erreichen. Die Xylose-Isomerase aus C. phytofermentans und die endogene Hexose-Permease Gal2 sollten in dieser Arbeit als Modellproteine in S. cerevisiae-Zellen mit Hilfe von Protein-Protein-Interaktionsmodulen (PPIM) in räumliche Nähe zueinander gebracht werden.
Die Expression verschiedener PPIM konnte in S. cerevisiae mittels Western Blot nachgewiesen werden. Auch Fusionsproteine aus unterschiedlichen PPIM wurden in dieser Hefe exprimiert. Die PPIM binden komplementäre PPIM oder kurze Peptidliganden, welche an die Xylose-Isomerase und an den Gal2-Transporter fusioniert wurden. Die Funktionalität beider Proteine wurde mittels in vivo und in vitro Tests untersucht. Die Xylose-Isomerase mit N-terminalen Liganden des WH1-Protein-Protein-Interaktionsmoduls (WH1L-XI) und der Gal2-Transporter mit N-terminalen SYNZIP2-Protein-Protein-Interaktionsmodul (SZ2-Gal2) erwiesen sich als geeignete Kandidaten für weitere Untersuchungen. Mittels indirekter Immunfluoreszenz konnte die Ko-Lokalisierung von SZ2-Gal2 und WH1L-XI, die einander über ein Scaffold-Protein binden, nachgewiesen werden.
Transformanten, in denen ein Komplex aus Transporter, Scaffold-Protein und Xylose-Isomerase gebildet wurde, zeigten bessere Fermentationseigenschaften gegenüber der Scaffold-freien Kontrolle und dem Wildtyp: Sie verwerteten Xylose schneller, bildeten weniger vom unerwünschten Nebenprodukt Xylitol, produzierten mehr Ethanol und wiesen eine höhere Ethanolausbeute auf. Der beobachtete Substrate Channeling Effekt kompensierte die geringere Enzymaktivität der WH1L-XI im Vergleich zum Wildtyp-Protein. Die Wirksamkeit des Substrate Channeling wurde verringert, wenn die Bildung des Komplexes aus Transporter, Scaffold-Protein und Xylose-Isomerase gestört wurde, indem ein getaggtes GFP mit dem Scaffold-Protein um die Bindungsstelle an Gal2 konkurrierte. Dies zeigt, dass die positive Wirkung auf die Komplex-Bildung zwischen XI und Gal2 zurück zu führen ist. Die Fermentationseigenschaften konnten gesteigert werden, indem der zuvor zwischen SZ2-Zipper und Gal2-Transporter verwendete Linker, der aus zehn Aminosäuren von Glycin, Arginin und Prolin (GRP10) bestand, durch einen aus Glycin und Alanin (GA10) ersetzt wurde. Die verbesserten Fermentationseigenschaften beruhten auf einem Substrate Channeling Effekt und einer gesteigerten Aufnahmerate des SZ2-GA10-Gal2-Transporters. Ein Vergleich der Strukturvorhersagen von SZ2-GRP10-Gal2 und SZ2-GA10-Gal2 zeigte, dass der GRP10-Linker einen unstrukturierten, flexiblen Linker ausbildet, während der GA10-Linker eine starre α-Helix ausbildet. Die Struktur und der Transportprozess von Gal2 sind nicht aufgeklärt. Bei verwandten Transportern geht man davon aus, dass Substrate durch Konformationsänderungen ins Innere der Zelle transportiert werden, indem die beiden Domänen gegeneinander klappen. Die α-Helix könnte die Geschwindigkeit der Konformationsänderungen begünstigen.
Durch Kontrollexperimente konnte ausgeschlossen werden, dass die gesteigerten Fermentationseigenschaften eine Folge der Stabilisierung der XI- und Gal2-Fusionsproteine durch das Anfügen des Liganden oder durch Komplexbildung mit dem Scaffold-Protein waren. Substrate Channeling zwischen Gal2 und XI entsteht durch die Komplexbildung mit dem Scaffold-Protein, wodurch sich Gal2 und XI in räumlicher Nähe zueinander befinden. Dieser Effekt beruht möglicherweise zusätzlich aufgrund einer hohen örtlichen Ansammlung dieser Proteine, da die tetramere XI weitere Scaffold-Proteine binden könnte, welche weitere Gal2-Transporter binden könnte. Darüber hinaus sammeln sich Transporter an bestimmten Orten der Membran an und Transporter mit ähnlicher oder gleicher Transmembransequenz tendieren dazu zu ko-lokalisieren. Hierdurch könnten Gal2-XI-Agglomerate entstehen und Xylose wird mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer der vielen Xylose-Isomerasen umgesetzt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden sRNAs des halophilen Archaeons Haloferax volcanii hinsichtlich ihrer biologischen und ihrer regulatorischen Funktion charakterisiert.
Um einen Überblick über die biologischen Funktionen archaealer sRNAs zu erhalten, wurde eine umfassende phänotypische Charakterisierung von 27 sRNA-Deletionsmutanten im Vergleich zum Wildtyp ausgewertet. Im Zuge dieser phänotypischen Charakterisierungen wurden zehn verschiedene Wachstumsbedingungen, morphologische Unterschiede und Veränderungen in der Zellmotilität untersucht. Hierbei zeigten nahezu alle Deletionsmutanten unter mindestens einer der getesteten Bedingungen phänotypische Unterschiede. Durch den Verlust von sRNAs wurden sowohl sogenannte Gain-of-function als auch Loss-of-function Phänotypen beobachtet. Haloarchaeale sRNAs spielen eine wichtige Rolle beim Wachstum mit verschiedenen Salzkonzentrationen, mit verschiedenen Kohlenstoffquellen und beim Schwärmverhalten, sind jedoch weniger in die Adaptation an diverse Stressbedingungen involviert.
Zur näheren Charakterisierung der regulatorischen Funktion archaealer sRNAs wurden sRNA362, sRNAhtsf468 und sRNA479 mittels molekulargenetischer Methoden wie Northern Blot-Analyse und DNA-Mikroarray sowie bioinformatischer in silico-Analyse untersucht. Das Expressionslevel von sRNA362 konnte bestimmt und potentielle Zielgene für sRNAhtsf468 und sRNA479 identifiziert werden.
Eine vorangegangene Studie zeigte den Einfluss von sRNA30 unter Hitzestress und führte zur Identifikation differentiell produzierter Proteine in Abwesenheit der sRNA. In dieser Arbeit wurde mittels Northern Blot-Analysen die Expression der sRNA30 charakterisiert. Das Wachstum in An- und Abwesenheit von sRNA30 wurde bei 42°C und 51°C phänotypisch charakterisiert und der regulatorische Einfluss der sRNA auf die mRNA differentiell regulierter Proteine durch Northern Blot-Analyse überprüft. Eine Transkriptomanalyse mittels DNA-Mikroarray nach Hitzeschock-Induktion führte zur Identifikation differentiell regulierter Gene involviert in Transportprozesse, Metabolismus, Transkriptionsregulation und die Expression anderer sRNAs. Die differentielle Regulation des Proteoms nach Hitzeschockinduktion in An- und Abwesenheit von sRNA30 konnte bestätigt werden.
Desweiteren wurde in dieser Arbeit sRNA132 und deren phosphatabhängige Regulation der Ziel-mRNA HVO_A0477-80 näher charakterisiert. Eine Induktionskinetik nach Phosphatentzug bestätigte die Bedeutung von sRNA132 für die verstärkte Expression des Operons HVO_A0477-80 unter Phosphatmangel-Bedingungen und verwies auf die Existenz weiterer Regulationsmechanismen. Während vor und nach Phosphatentzug kein Unterschied bezüglich der Zellmorphologie von Wildtyp und Deletionsmutante zu erkennen war, führte das Wachstum mit einem starken Phosphatüberschuss von 5 mM zu einer Zellverlängerung der Deletionsmutante. Die Kompetition der nativen 3‘-UTR des Operons HVO_A0477-80 mit einer Vektor-kodierten artifiziellen 3‘-UTR legt eine Regulation über die Bindung von sRNA132 an die 3‘-UTR nahe. Der Transkriptomvergleich nach Phosphatentzug in An- und Abwesenheit von sRNA132 führte zur Identifikation des Phosphoregulons der sRNA. Zu diesem Phosphoregulon gehören unter anderem zwei Glycerinphosphat-Dehydrogenasen, Transkriptionsregulatoren, eine Polyphosphatkinase und eine Glycerolphosphodiesterase. Zudem waren die Transkriptlevel der beiden ABC-Transporter HVO_A0477-80 und HVO_2375-8 für anorganisches Phosphat und des Transporters HVO_B0292-5 für Glycerinaldehyd-3-Phosphat in Abwesenheit der sRNA verringert. Die beiden ABC-Transportsysteme für anorganisches Phosphat wurden im Rahmen dieser Arbeit deletiert und weiter charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass das ABC-Transportsystem HVO_2375-8 bei geringen Phosphatkonzentrationen leicht induziert wird und das Transkriptlevel in Anwesenheit von sRNA132 erhöht ist. Wachstumsversuche der jeweiligen Deletionsmutante in direkter Konkurrenz mit dem Wildtyp zeigten, dass keiner der beiden ABC-Transporter den anderen vollständig ersetzen kann und der Wildtyp mit beiden intakten ABC-Transportern unter phosphatlimitierenden Bedingungen einen Wachstumsvorteil besitzt. In silico-Analysen der Promotorbereiche von sRNA und ABC-Transporter legen zudem die Existenz von P-Boxen nahe.
The importance of RNA in molecular and cell biology has long been underestimated. Besides transmitting genetic information, studies of recent years have revealed crucial tasks of RNA especially in gene regulation. Riboswitches are natural RNA-based genetic switches and known only for ten years. They directly sense small-molecule metabolites and regulate in response the expression of the corresponding metabolic genes. Within recent years, artificial riboswitches have been developed that operate according to user-defined demands. Hence, they represent powerful tools for synthetic biology.
This study focused on the development of engineered catalytic riboswitches for conditional gene expression in eukaryotes. A self-cleaving hammerhead ribozyme was linked to a tetracycline binding aptamer in order to regulate ribozyme cleavage allosterically with tetracycline. By integrating such a hybrid molecule into a gene of interest, mRNA cleavage and thereby gene expression is controllable in a ligand dependent manner. The linking domain between ribozyme and aptamer was randomised. Tetracycline inducible ribozymes were isolated after eleven cycles of in vitro selection (SELEX). 80% of the analysed ribozymes show cleavage that strongly depends on tetracycline. In the presence of 1 μM tetracycline, their cleavage rates are comparable to that of the parental hammerhead ribozyme. In the absence of tetracycline, cleavage rates are inhibited up to 333-fold. The allosteric ribozymes bind tetracycline with similar affinity and specificity as the parental aptamer. Ribozyme cleavage is fully induced within minutes after addition of tetracycline. Interestingly, the isolated linker domains exhibit structural consensus motives rather than consensus sequences.
When transferred to yeast, three switches reduced reporter gene expression by 30 - 60% in the presence of tetracycline; none of them controlled gene expression in mammalian cells. In vitro selected molecules do not necessarily retain their characteristics when applied in a cellular context. Therefore, high throughput screening and selection systems have been developed in mammalian cells. The screening system is based on two fluorescent reporter proteins (GFP and mCherry). 1152 individual constructs of the selected ribozyme pool were tested, but none of them reduced reporter gene expression significantly in the presence of tetracycline. The selection system employs a fusion peptide encoding two selection markers (Hygromycin B phosphotransferase and HSV thymidine kinase) facilitating both negative and positive selection. 6.5 x 104 individual constructs of the selected ribozyme pool are currently under investigation.
Die Psoriasis vulgaris (PsV) ist eine immunvermittelte entzündliche Erkrankung der Haut mit einer Prävalenzrate von 2-3 %, sodass etwa zwei Millionen Menschen in Deutschland an dieser erkrankt sind. Charakteristisch für die PsV sind veränderte Hautareale (Plaques), die im Rahmen der der entzündungsbedingten Durchblutungssteigerung gerötet erscheinen und eine silbrig-weiße Schuppung als Resultat einer vermehrten Abschilferung abgestorbener Keratinozyten aus der hyperproliferativen Epidermis aufweisen.
In dieser Arbeit wurde die Bedeutung des proinflammatorischen Zytokins granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) in der Pathogenese einer modellhaften Experimentalerkrankung der PsV untersucht. GM-CSF wird unter anderem von Interleukin (IL-) 17 produzierenden T-Helferzellen (Th17-Zellen) sezerniert, deren pathogenetische Bedeutung für die PsV gut etabliert ist. Die pathogene Wirkung von GM-CSF als Effektorzytokin konnte bereits in Tiermodellen anderer Th17-vermittelter Autoimmunerkrankungen wie der multiplen Sklerose und der rheumatoiden Arthritis (RA) gezeigt und die therapeutische Wirkung von GM-CSF-neutralisierenden Antikörpern in klinischen Studien an RA-Patienten demonstriert werden.
Das in dieser Arbeit angewendete murine Krankheitsmodell der Imiquimod (IMQ-) induzierten psoriasiformen Dermatitis wird durch die topische Anwendung des Medikaments Aldara®, dessen Wirkstoff IMQ ist, ausgelöst und führt zu einer Entzündung der Haut, die in vielen Aspekten dem humanen Krankheitsbild einer PsV ähnelt. Die pathogenetische Bedeutung von GM-CSF für die IMQ-induzierte psoriasiforme Dermatitis wurde über zwei unterschiedliche experimentelle Ansätze untersucht. So wurde GM-CSF in C57Bl/6J Mäusen mittels eines spezifischen, rekombinanten murinen Antikörpers in der Induktionsphase des Krankheitsmodells neutralisiert und zeitgleich der modifizierte Psoriasis Area Severity Index (PASI-)Score als Parameter des Schweregrades der klinischen Manifestationen ermittelt. Des Weiteren wurde am Versuchsende die Infiltration von Immunzellen in das entzündete Gewebeareal untersucht. Diese Ergebnisse wurden mit den Daten einer Behandlungsgruppe, nach Applikation eines IgG-Isotyp identischen Kontrollantikörpers verglichen. Dabei zeigte die Neutralisierung des Zytokins einen therapeutischen Effekt, der in einem signifikant niedrigeren PASI-Score, einer verringerten Tnfa mRNA Expression und einer reduzierten Infiltration mit neutrophilen Granulozyten resultierte.
Parallel zu diesen Versuchen wurde die Modellerkrankung auch in einer GM-CSF-defizienten C57Bl/6J Mauslinien (GM-CSF-/-) studiert. Die funktionelle Inaktivität des GM-CSF-kodierenden Csf2 Gens wurde 1994 durch gezielte genetische Manipulation etabliert. Unter den experimentellen Bedingungen war der Schweregrad der IMQ-induzierten psoriasiformen Dermatitis in GM-CSF-/- Mäusen nicht signifikant different von dem der wildtypischen (Wt) Mäuse und zeigte somit im Gegensatz zu den Ergebnissen aus den Versuchsreihen der Antikörper vermittelten Zytokinneutralisierung keinen offensichtlichen Hinweis auf eine GM-CSF-Abhängigkeit. In den GM-CSF-defizienten Tieren war jedoch nach IMQ-Induktion eine signifikant höhere Il6 und Il22 mRNA Expression am Entzündungsort im Vergleich zu den Wt Mäusen auffällig. Aufgrund dieser Ergebnisse wurde der Phänotyp der GM-CSF-defizienten Mäuse genauer untersucht und eine vermehrte Anzahl plasmazytoider dendritischen Zellen (pDCs) in Milz und Lymphknoten nachgewiesen. Diese Zellen werden im Rahmen ihrer Differenzierung aus Vorläuferzellen durch GM-CSF suppressiv reguliert und sind sowohl in die Entwicklung der PsV im Menschen als auch die Pathogenese der IMQ-induzierten psoriasiformen Dermatitis involviert. Aufgrund des in den sekundären lymphatischen Organen GM-CSF-defizienter Mäuse expandierten pDC-Kompartiments wurde die Beteiligung dieser Zellen in der Initiationsphase des Modells analysiert. Im Vergleich mit GM-CSF-suffizienten C57Bl/6J Mäusen weisen die Tiere der GM-CSF-defizienten Mauslinie zu diesen Zeitpunkten eine verstärkte Infiltration von pDCs in die Haut auf. Für pDCs ist bekannt, dass sie über die Produktion von IL-6 und TNF die Effektorzelldifferenzierung aktivierter, naiver T-Lymphozyten in Richtung Th22-Zellen polarisieren können. Dieser Mechanismus liefert ein hypothetisches Konzept, das die Ergebnisse zur gesteigerten IL-6-Produktion und Differenzierung IL-22-produzierender T-Zellen in IMQ-behandelten GM-CSF-/- Mäusen im Kontext der nachweisbaren Expansion von pDCs, erklären könnte. Dieser in den GM-CSF-/- Mäusen nachweisbare alternative Pathogenesemechanismus, ist offenbar geeignet die proinflammatorische Wirkung des genetisch fehlenden Zytokins zu kompensieren, aber hinsichtlich seiner Etablierung über ein verändertes pDC-Kompartiment von Dauer und Ausmaß der GM-CSF-Defizienz abhängig. So erklärt sich, warum die zeitlich limitierte Antikörper vermittelte GM-CSF-Neutralisierung in GM-CSF-suffizienten-Mäusen zu keiner pDC-Expansion und Steigerung von IL-6 und IL-22 Expression nach IMQ-Induktion führt.
Die GM-CSF-Neutralisierung durch einen rekombinanten murinen Antikörper reduziert deutlich die Krankheitsschwere der IMQ-induzierten psoriasiformen Dermatitis und belegt damit das therapeutische Potenzial dieses Therapieansatzes für die Humanerkrankung der PsV. Die unter angeborener GM-CSF-Defizienz in den Studien darüber hinaus aufgedeckten Veränderungen des pDC-Kompartiments sind von potenzieller Relevanz für zukünftige therapeutische Anwendungen dieses Prinzips, da unter einer dauerhaften GM-CSF-Neutralisierung mit therapeutischen Antikörpern ein Monitoring dieser Zellpopulation empfehlenswert erscheint z.B. über veränderte Interferonsignaturen durch pDCs, um mögliche Wirkverluste, aber auch unerwünschte Effekte zu erkennen.
Development of lentiviral vectors for the gene therapy of X-linked chronic granulomatous disease
(2010)
Es gibt eine Vielzahl von Erkrankungen, die auf einen einzelnen Gendefekt zurückzuführen sind (monogene Erkrankungen). Darunter befindet sich auch die Gruppe der primären Immundefizienzen (PIDs), von denen aktuell über 150 verschiedene Typen von der Weltgesundheitsorganisation registriert sind. In vielen fällen leiden betroffene Individuen unter einem stark erhöhten Infektionsrisiko durch bakterielle oder virale Pathogene, sowie den damit verbundenen schweren Symptomen - bis hin zum verfrühten Tod der Patienten. Meist können PIDs mit konventionellen Methoden präventiv behandelt werden. Dazu gehören zum Beispiel die regelmässige Gabe von Antibiotika, Antimykotika, Zytokinen oder Immunglobulinen. Der einzige zur Verfügung stehende kurative Behandlungsansatz beruht auf der Transplantation von hämatopoietischen Stammzellen (HSZT) eines gesunden und passenden Spenders. Häufig steht jedoch kein histokompatibler Spender zur Verfügung.
Für diese Patientengruppe hat sich die gentherapeutische Behandlung mit autologen hämatopoietischen Stammzellen als eine gute Option herausgestellt. Der Beweis hierfür wurde eindrucksvoll in klinischen Heilversuchen für zwei Formen des Schweren Kombinierten Immundefekts (X-SCID und ADA-SCID) geführt, einer Erkrankung die durch das vollständige Fehlen bzw. die nicht-Funktionalität der lymphoiden Immunzellen charakterisiert ist. Autologe hämatopoietische Stammzellen der Patienten wurden hier ex vivo mittels eines gamma-retroviralen Vektors mit einer funktionellen Kopie der defekten cDNA genetisch modifiziert und anschliessend zurück infundiert. In der Summe wurde bei über 30 Patienten eine deutliche Verbesserung des Gesundheitszustandes bis hin zur vollständigen Heilung erzielt. Bei einem vergleichbaren Ansatz wurden in Frankfurt, in einem Heilversuch für die septische Granulomatose (X-CGD), erstmals klinisch relevante Erfolge in der Gentherapie für einen Defekt in der myeloischen Linie von Immunzellen erzielt. Ursache der X-chromosomal gekoppelten Form der septischen Granulomatose sind Mutationen in dem Gen für gp91phox (CYBB), einer essentiellen Untereinheit des in Phagozyten benötigten NADPH-Oxidase Komplexes. In der Folge sind die Phagozyten dieser Patienten nicht mehr in der Lage, die für das Abtöten von Krankheitserregern nötigen reaktiven Sauerstoffspezies zu bilden. Ständig wiederkehrende schwere Infektionen mit sonst unproblematischen Erregern sind die Folge.
Neben klaren gesundheitlichen Verbesserungen in der Mehrzahl der Patienten hatte diese Gentherapeutische Behandlungsstrategie in einigen Fällen auch klare Nebenwirkungen. In fünf von 20 Patienten mit X-SCID, sowie in beiden behandelten X-CGD Patienten, kam es infolge der Therapie zu hämatologischen Veränderungen, die in der Ausbildung eines myelodysplastischen Syndroms (bei X-CGD) und Leukämie (bei X-SCID) mündeten. In allen Fällen war die Ursache eine Hochregulierung von Proto-Onkogenen in der Nähe von g-retroviralen Integrationsstellen. Diese Probleme demonstrieren deutlich die unbedingte Notwendigkeit zur Verbesserung der verwendeten therapeutischen Vektoren.
In der vorliegenden Arbeit wurden lentivirale Vektoren mit myeloid-spezifischen Promotoren entwickelt und auf ihre Eignung für die Gentherapie der X-chromosomal gekoppelten septischen Granulomatose getestet. Lentivirale Vektoren besitzen ein stark verringertes Risiko für Insertionsmutagenese, sowie die exklusive Fähigkeit ruhende Zellen zu transduzieren. Die Verwendung von myeloid-spezifischen Promotoren für die Transgenexpression verringert die Wahrscheinlichkeit der Proto-Onkogen Aktivierung in unreifen Stamm- und Vorläuferzellen – einer Zellpopulation die besonders sensitiv für die in der Leukämieentstehung obligaten Schritte der Immortalisierung und Transformation ist. Gleichzeitig bleibt der volle therapeutische Nutzen erhalten, da das Transgen gp91phox nur in reifen myeloischen Zellen benötigt wird.
Die entwickelten lentiviralen Vektoren exprimieren eine kodonoptimierte gp91phox cDNA unter der Kontrolle des microRNA223-Promoters (223), des MRP8-Promotors (M) oder eines chimären Fusionspromoters bestehend aus den regulatorischen Bereichen des Cathepsin G und des cFes-Promotors (Chim). Zusätzlich wurde ein sogenanntes „ubiquitär aktives Chromatin-öffnendes Element“ (UCOE) in beiden Orientierungen vor den MRP8-Promotor kloniert, um eine erhöhte und stabile Langzeitexpression des Transgens zu erreichen. Ziel der Arbeit war die Selektion eines geeigneten Kandidaten für präklinische Versuchsreihen.
Die für die Evaluierung der Vektoren relevanten Parameter waren die Transgenexpressionslevel, die Spezifität der Expression für myeloische Zellen sowie die vermittelte funktionelle Rekonstitution der NADPH-Oxidase Aktivität. Die Fragestellungen der Langzeitexpression, der Anfälligkeit für CpG-Methylierung sowie der Genotoxizität der Vektoren wurden ebenfalls bearbeitet. Die Vektoren wurden in vitro in verschiedenen Zelllinien sowie in in vitro differenzierten primären murinen und humanen Blutstammzellen getestet. Die beiden besten Kandidaten (223 und Chim) wurden in vivo in Maustransplantationsexperimenten (Maus-Maus und humane Stammzellen in NOD/SCID-Mäuse) analysiert.
Die beiden lentiviralen Vektoren 223 und Chim eignen sich beide für eine effiziente Expression in myeloische Zellen, die zur funktionellen Rekonstitution der NADPH-Oxidase Aktivität in vitro und in vivo führen. Sie sind den bisher in klinischen Anwendungen verwendeten Vektoren in allen Parametern klar überlegen. Daher ist in zukünftigen klinischen Anwendungen ein verbesserter therapeutischer Nutzen für die Patienten sowie eine Verminderung des Risikos von Nebenwirkungen zu erwarten.
In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass bestimmte neuronale microRNAs im Rückenmark und in den Spinalganglien konstitutiv exprimiert und nach peripherer Entzündung mit Formalin oder Zymosan differenziell reguliert werden. Bei der SNI-induzierten Neuropathie konnte indessen keine signifikante Regulation der untersuchten microRNAs nachgewiesen werden. Aufgrund der Lokalisation in den Neuronen der Schmerz-verarbeitenden Laminae I und II des Dorsalhorns des Rückenmarks und angesichts der Regulation in entzündlich stimulierten Neuronen und Mikroglia wurde der Fokus der Arbeit auf die Untersuchung von microRNA-124a gelegt. Anhand von Expressionsanalysen konnte gezeigt werden, dass eine periphere entzündliche Stimulation mit Formalin oder Zymosan microRNA-124a im Rückenmark inhibiert, die Expression pro-inflammatorischer und pro-nozizeptiver Gene hiernach ermöglicht und ein vermehrtes Schmerzverhalten bewirkt. Die funktionelle Relevanz von microRNA-124a wurde in vivo mittels intravenöser Applikation von microRNA-124a-Modulatoren bei einem Modell für entzündliche Schmerzen, dem Formalin-Modell untersucht. Dabei führte die Hemmung von microRNA-124a zu einem verstärkten Schmerzverhalten, welches mit einer Hochregulation verschiedener Entzündungsmarker einherging. Die Überexpression von microRNA-124a dagegen antagonisierte die Hochregulation entzündlicher Mediatoren und führte zu einer Schmerzhemmung. Darüber hinaus konnte in der vorliegenden Arbeit der antinozizeptive Effekt von microRNA-124a mit der Regulation der Epigenetik-regulierenden Targets MeCP2, HDAC5 und MYST2 assoziiert werden und u.a. über die Hemmung des neuromodulierenden, pro-inflammatorischen Peptids BDNF verifiziert werden. Die spezielle Darreichung von microRNA-124a könnte demzufolge einen vielversprechenden Ansatz zur Therapie chronisch-entzündlicher Schmerzen liefern. Zukünftig werden weitere Studien notwendig sein um die eindeutige Funktion, die individuelle Wirkung sowie die therapeutische Relevanz von microRNA-124a zu analysieren. Darüber hinaus müssten Dosis-Wirkungs-Beziehungen und Nebenwirkungsprofile für microRNA-124a erstellt werden, um potenzielle Risiken, Chancen und Vorteile der microRNA-Modulation hinsichtlich einer humanen Schmerztherapie bewerten zu können.
Die Chemokinrezeptoren CXCR3 und CXCR4 sowie deren spezifische Liganden, CXCL9, -10 und -11 bzw. CXCL12, sind in bedeutender Weise an den pathologischen Prozessen der Th1-/Th17-vermittelten (Typ1- und Typ17-T-Helferzelle) Autoimmunerkrankungen beteiligt. Die dabei auftretenden chronischen Entzündungen sind gekennzeichnet durch eine massive Infiltration von Th1-Gedächtniszellen. Ergebnisse sowohl von tierexperimentellen Studien als auch von in vitro Experimenten weisen deutlich auf eine spezifische Wechselwirkung zwischen den proentzündlichen CXCR3- und dem homöostatischen CXCR4-Liganden hin. Weiterführenden Ergebnisse zu der molekularen Wechselwirkung von CXCR3 und -4 wurden jedoch bislang nicht veröffentlicht. Die Untersuchungen dieser Dissertation konzentrierten sich auf die Kooperation der beiden Chemokinrezeptoren in murinen Th1-Gedächtniszellen. Dabei sollte insbesondere der potentielle Einfluss dieser Interaktion auf die einzelnen Teilprozesse der Extravasation der T-Lymphozyten in vitro analysiert werden. Eingesetzt wurden hierfür statische Chemotaxis- und dynamische Flusskammerexperimente, die zum einen sensitiv genug und zum anderen für einen hohen Probendurchsatz geeignet sein mussten. Die verwendeten Techniken wurden dazu im Rahmen der Dissertation etabliert und validiert. Zunächst musste die Präzision des statischen Migrationssytems mit einer hohen Standardabweichung von durchschnittlich ± 40% deutlich verbessert werden. Ein Wechsel auf ein Kammersystem der Firma Corning verringerte die Abweichung auf ± 25%, und sogar auf ± 9,9% bei einer optimierten Auswertung mittels Durchflusszytometrie. Als weitere Methode wurde ein dynamisches Flusskammersystem mit automatischer Videoanalyse zur Bestimmung der Geschwindigkeit von Zellen etabliert. Zur Validierung der neu entwickelten Analysesoftware Imagoquant® wurden identische Filmaufnahmen von Flusskammerexperimenten hinsichtlich Zellrollen und Zellgeschwindigkeit ausgewertet und mit den Ergebnissen von zwei etablierten Methoden, der Handzählung und einem halbautomatischen Tracking-Programm, verglichen. In der gesamten Validierung stimmten die Berechnungen von Imagoquant® mit Ergebnissen der verschiedenen Auswertemethoden qualitativ überein, wobei die Filme um ein Vielfaches (16- bzw. 20-fach) schneller analysiert werden konnten als mit den bisher verwendeten Methoden. Somit konnte erfolgreich eine computergestützte Analysemethode validiert und etabliert werden, die schnell und benutzerunabhängig arbeitet und folglich objektive Daten im Hochdurchsatz generiert. Die Untersuchungen in den statischen und dynamischen Migrationssystemen ergaben, dass die Stimulation von Th1-Zellen mit CXCL9 zu einer heterologen Desensitivierung verschiedener CXCL12-vermittelter Effekte führt. In statischen Migrationsexperimenten wurde sowohl durch eine synchrone als auch eine sequentielle Stimulation mit CXCL9 eine CXCL12-vermittelte Chemotaxis signifikant vermindert. Der auftretende Effekt war dabei lang anhaltend und konnte noch bei einer Stimulationsdauer von 20 h beobachtet werden, ohne an Intensität zu verlieren. Weitere funktionelle Experimente erfolgten in dynamischen Flusskammerexperimenten, um die desensitivierende Wirkung von CXCL9 auf CXCL12-abhängige Interaktionen der Adhäsionskaskade von Th1-Zellen zu untersuchen. In mit E-Selektin und ICAM-1 Fc-Chimära) beschichteten Flusskammern führte immobilisiertes CXCL12 zu vermehrtem integrinabhängigen Rollen, welches durch eine Vorinkubation der Th1-Zellen mit CXCL9 reduziert wurde. In Flusskammern mit murinen Endothelzellen bewirkte immobilisiertes CXCL12 eine rasche integrinabhängige Adhäsion der Zellen und verkürzte dadurch deren Rollphase signifikant. Eine Vorbehandlung der Zellen mit CXCL9 verminderte dagegen die CXCL12-vermittelte Adhäsion und führte damit zu längeren Rollphasen. Deutliche Effekte zeigte CXCL12 bezüglich einer gesteigerten intravasalen und transendothelialen Migrationsrate von T-Lymphozyten, die durch eine Vorstimulation mit CXCL9 aufgehoben wurden. Um die beteiligten Mechanismen dieser Desensitivierung zu entschlüsseln, wurde die Oberflächenexpression von CXCR3 und CXCR4 in dem Th1-Zellklon durchflusszytometrisch analysiert. Dabei zeigte sich, dass eine Stimulation mit CXCL9 neben der ligandenspezifischen Internalisierung von CXCR3 auch eine Kreuzregulation der CXCR4-Oberflächenexpression bewirkte. Im Weiteren wurde die Phosphorylierung bekannter Signalmoleküle der CXCR4-Signalwege analysiert. Eine Vorbehandlung der Zellen mit CXCL9 desensitivierte die CXCL12-induzierte Phosphorylierung von Akt signifikant und führte zu einer zeitlichen Modulation des Signals. Ferner verzögerte eine Vorbehandlung der Th1-Zellen mit CXCL9 das CXCL12-induzierte Calciumsignal erheblich, während dabei eine 3,5-fach höhere maximale Ca2+-Konzentration gemessen wurde. Ein abgeleiteter Mechanismus der CXCL9-abhängigen Desensitivierung von CXCR4-Signalwegen beeinflusst insbesondere die Signaltransduktion über den T-Zellrezeptor und dadurch auch die Regulation von Rac1. Des Weiteren führt CXCL9 zur Gi- oder ZAP-70-vermittelten Aktivierung der PKC, welche darauffolgend den CXCR4-Rezeptor phosphoryliert und damit zu dessen Internalisierung führt. Die in vitro beobachtete Desensitivierung verschiedener CXCL12/CXCR4-vermittelter Effekte durch CXCL9 wirkt potentiell in der in vivo Situation von Autoimmunerkrankungen auf unterschiedliche Weise proinflammatorisch. Zum einen wird die Mobilisierung von Th1-Zellen aus CXCL12 exprimierenden peripheren Gewebe gefördert und gleichzeitig verhindert, dass Th1-Zellen in nicht entzündetes peripheres Gewebe rekrutiert werden. Zum anderen wird im Entzündungsgebiet die Affinität der Th1-Zellen zu den CXCL12-exprimierenden Endothelzellen verringert und die Migration in tieferliegende Gebiete der Entzündung begünstigt. Ferner vermindern CXCR3-Liganden auch antiinflammatorische Effekte des CXCL12s, wie z.B. die Polarisierung der Th1-Zellen in regulatorische T-Zellen.
Das Burkitt Lymphom ist ein aggressives B-Zelllymphom, das in tropischen Regionen Afrikas und in Neu Guinea endemisch auftritt und vor allem bei Kindern vorkommt. Die sporadische Form des Burkitt Lymphoms tritt weltweit in geringerer Häufigkeit auf und betrifft alle Altersschichten. In nahezu allen endemischen Fällen ist das Epstein-Barr Virus in den Tumorzellen nachweisbar, jedoch nur in ca. 20 % der sporadischen Fälle. Der Beitrag von EBV zur Entstehung EBV-positiver Burkitt Lymphome ist seit über 50 Jahren EBV-Forschung ungeklärt. Im Jahr 2004 wurden im Genom des Epstein-Barr Virus eine Reihe von microRNAs entdeckt, die potentiell für die Pathogenese des EBV-positiven Burkitt Lymphoms relevant sein könnten. Da die Expression der viralen microRNAs seither für das Burkitt Lymphom nur unvollständig beschrieben worden sind, wurden sie in dieser Arbeit systematisch analysiert und dadurch ein vollständiges Expressionsprofil erstellt. Es konnte dabei keine Unterscheidung zwischen endemischen und sporadischen Fällen erreicht werden, jedoch wurden hierbei erstmals Fälle identifiziert, die trotz nachgewiesener EBV-Assoziation keine viralen microRNAs enthielten. Neben den viralen microRNAs könnten im Burkitt Lymphom auch die zellulären microRNAs für die Tumorentstehung von Bedeutung sein. Deshalb wurde in dieser Arbeit auch die Expression der zellulären microRNAs aus Burkitt Lymphom-Biopsien charakterisiert. Durch hierarchisches „Clustering“ bildeten sich drei Gruppen, die hauptsächlich durch An- und Abwesenheit von zwei microRNAs (miR21 und miR92a) definiert wurden, denen onkogenes Potential zugeschrieben wird. Die Expressionsmuster der einzelnen Gruppen weisen auf zelluläre Mechanismen der Pathogenese des Burkitt Lymphoms hin.
Die genetische Charakteristik des Burkitt Lymphoms ist eine Chromosomentranslokation, welche das Protoonkogen c MYC unter die Kontrolle von regulatorischen Elementen der Immunglobulingene bringt. Durch die somit erhöhte Transkription von c-MYC entfaltet das Genprodukt sein onkogenes Potential. Mutationen im offenen Leserahmen können dieses Potential zusätzlich verstärken. Da c MYC ein pleiotroper Transkriptionsfaktor ist und somit auf eine ganze Reihe zellulärer Prozesse Einfluss hat, bewirkt die Translokation massive Veränderungen in der Zelle. Vorangegangene Untersuchungen der Arbeitsgruppe zeigten, dass die antivirale Interferonantwort durch hohe c MYC-Expression unterdrückt wird. Diese Beobachtung liefert eine mögliche Erklärung für die Immunevasion von Burkitt Lymphom-Zellen, trotz Anwesenheit des EBV-Genoms. In Zelllinien, die aus Burkitt Lymphom-Biopsien generiert wurden, konnte gezeigt werden, dass EBV eine Interferoninduktion auslöst, die durch c-MYC unterdrückt wird. In dieser Arbeit konnte auch gezeigt werden, dass Epstein-Barr-virale Nukleinsäureprodukte durch den zytosolischen Rezeptor RIG-I Interferon induzieren, dieser aber durch die hohe c-MYC-Expression transkriptionell gehemmt wird. Neben RIG-I wurden weitere Rezeptoren und Mediatoren der Interferoninduktionskaskade identifiziert, die ebenfalls transkriptionell von c-MYC unterdrückt werden. Diese Ergebnisse stützen die Hypothese, dass c-MYC durch Unterdrückung der angeborenen Immunität die Immunevasion von Burkitt Lymphom-Zellen ermöglicht.