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HIV vaccine preclinical testing is difficult because HIV’s only relevant hosts are humans and no correlates of protection are known. To this end, we are working on the humanization of different mouse strains with human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) as well as human hematopoietic stem cells (HSC) to generate a useful small animal model.
We generated immune deficient mice (NOD Scid IL2gc -/- /NOD Rag1-/- IL2gc -/-) expressing human MHC class II (HLA-DQ8) on a mouse class II deficient background (Ab-/-). Here, the human HLA-DQ8 should interact with the matching T cell receptors of transferred matching human PBMCs and therefore could support the functionality of the transferred human CD4+ cells in the mice.
Mice that were adoptively transferred with human HLA-DQ8 PBMCs only showed engraftment of CD3+ T cells. Surprisingly, the presence of HLA class II did not significantly change the repopulation rates in the mice. Also, the presence of HLA class II did not advance B cell engraftment, such that humoral immune responses were undetectable. However, the overall survival of DQ8-expressing mice was significantly prolonged, compared to mice expressing mouse MHC class II molecules, and correlated with an increased time span until onset of GvHD.
To avoid GVHD and to increase and maintain the level of human cell reconstitution over a long period of time, the same mouse strains were reconstituted with human HSC. Compared to PBMC-repopulated mice, HSC-reconstituted mice develop almost all subpopulations of the human immune system detectable at week 12 after HSC transfer. These mice developed adaptive immune responses after Tetanus Toxoide (TT) immunizations. In addition, we are testing the susceptibility of these humanized mice to different HIV strains with a detailed look at immune responses.
Das Modifizierte Vacciniavirus Ankara (MVA) entstand nach mehr als 500 Passagen des Chorioallantois Vacciniavirus Ankara (CVA) auf Hühnerembryofibroblasten. Mit der Passagierung ging u.a. der Verlust zahlreicher Vacciniavirus Virulenzfaktoren einher, wodurch MVA einen hochattenuierten Phänotyp aufweist. Bei mangelnder Pathogenität für humane Organismen verfügt das MVA jedoch über eine vollständig erhaltene Genexpression inklusive integrierter Fremdgene. Hierdurch bedingt ist MVA ein vielversprechender Kandidat nicht nur als Pockenimpfstoff der dritten Generation, sondern auch als Vektorvakzine gegen zahlreiche Infektionskrankheiten sowie in der Tumor-assoziierten Immunotherapie. Ein wesentliches Charakteristikum der Attenuierung von MVA ist seine fehlende Replikationsfähigkeit in humanen Zellen. Bislang ist es jedoch noch nicht möglich gewesen, die hierfür verantwortlichen genetischen Veränderungen eindeutig zuzuordnen. Vorangegangene Arbeiten wiesen darauf hin, dass sich der beschriebene Effekt zumindest teilweise auf die Zeitspanne zwischen zwei Vorläufern des MVA eingrenzen lässt. So zeigten sich humane HeLa Zellen für das CVA 152 permissiv, während gegenüber dem CVA 386 nur noch eine Semipermissivität bestand. Mit Hilfe einer vergleichenden Sequenzanalyse von CVA 152 und CVA 386 konnten verschiedene Deletionen identifiziert werden, deren Auftreten potentiell verantwortlich für den veränderten Phänotyp von CVA 386 ist. In diesem Zusammenhang wurden im Rahmen dieser Arbeit die Gene C12L, C14L, C15L und C16L der Deletion I und die Gene M1L, M2L und der OLR 037 der Deletion II charakterisiert. Durch Transfektion von Expressionsplasmiden wurden die entsprechenden Proteine bezüglich ihrer Expression und posttranslationalen Modifikation, sowie ihrer subzellulären Verteilung untersucht. So ließ sich für das Protein M2 eine posttranslationale N-Glykosylierung und die Lokalisation innerhalb des trans-medialen Golgiapparats nachweisen. Zusätzlich konnte eine Sekretion des M2 Proteins im Zellüberstand transfizierter 293T-Zellen gezeigt, sowie die bereits publizierte Inhibition der NF-:B-Aktivierung durch extrazellulär zugegebenes M2 Protein eingeleitet werden. Die Proteine C14 und C15 zeigten sich in der Laserscanmikroskopie mitochondrial lokalisiert; C16 dagegen kolokalisierte neben einer hauptsächlich intranukleären Verteilung zusätzlich mit F-Aktin. Ferner ergaben sich für die Proteine C14 und C15 erste Hinweise auf eine inhibitorische Funktion gegenüber Staurosporin-induzierter Apoptose.
Das humane endogene Retrovirus-K: Grundlagenforschung und Nutzen als Tumor-assoziiertes Antigen
(2011)
Fast die Hälfte des humanen Genoms besteht aus Retroelementen, die während der evolutiven Entwicklung des Menschen im Genom fixiert wurden. Im Wesentlichen kann man diese Retroelemente in DNA-Transposons, LINEs, SINEs und humane endogene Retroviren unterteilen, dabei nehmen die humanen endogenen Retroviren (HERV) 8% des humanen Genoms ein. Bei einer Unterfamilie, der HERV-K Familie, sind bis heute alle offenen Leserahmen erhalten geblieben. Nach heutigem Erkenntnisstand wird eine Expression dieser Elemente in somatischen Zellen jedoch strikt unterdrückt, denn eine Expression von Retroelementen könnte zu Insertionsmutagenesen führen und letztlich dem Organismus erheblichen Schaden zufügen.
Im Gegensatz dazu wird eine reaktivierte Expression von HERV-K häufig in einigen Tumorarten beobachtet: allen voran Keimzelltumore, Melanome und Brustkrebs. Außerdem können in Patienten, die an solchen Tumoren erkranken, häufig HERV-K spezifische Antikörper und mitunter auch gegen HERV-K-gerichtete T-Zellen nachgewiesen werden. Die strikte Unterdrückung der HERV-K Expression in gesunden, somatischen und eine reaktivierte Expression in entarteten Zellen machen HERV-K Proteine daher zu idealen Tumor-assoziierten Antigenen.
Auf Grundlage dieser Untersuchungen wurden, in dieser Arbeit, zwei potentielle Tumorvakzine, basierend auf dem hoch attenuierten Modifizierten Vacciniavirus Ankara (MVA) hergestellt. Durch homologe Rekombination wurde ein HERV-K gag-pro-pol transgenes MVAHKcon und ein HERV-K env transgenes MVAHKEnv hergestellt und charakterisiert. Darüber hinaus wurden die rekombinanten Viren in einem neu etablierten, syngenen Maus-Tumor-Modell untersucht. MVAHKcon immunisierte Mäuse zeigten eine starke humorale Immunantwort und waren in der Lage subkutane, HERV-K Gag positive Tumore fast vollständig zu eliminieren. MVAHKEnv immunisierte Mäuse zeigten dagegen eine moderate humorale Immunantwort und eine starke T-Zellantwort. Nach therapeutischer Immunisierung mit MVAHKEnv konnte im Mausmodell eine signifikante Reduktion an HERV-K Env positiven Lungenmetasten beobachtet werden. Außerdem konnte durch eine prophylaktische Immunisierung mit MVAHKEnv ein vollständiger Schutz der Mäuse vor der Ansiedlung HERV-K Env-exprimierender Tumore erreicht werden. Die hier vorgestellten HERV-K rekombinanten MVA könnten daher der erste Schritt zu einer Immuntherapie gegen reaktivierte Retroelemente in malignen Tumoren darstellen.
MVAHKcon infizierte Zellen produzieren und sekretieren große Mengen HERV-K Virus-ähnlicher Partikel (VLP) somit konnten auch grundlegende Fragestellungen der HERV-K Biologie geklärt
Zusammenfassung
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werden. Durch die Kombination massenspektrometrischer Analysen und N-terminaler Sequenzierungen konnten, die noch nicht bekannten Schnittstellen der retroviralen Protease im HERV-K Gag Protein identifiziert werden. Zudem wurde eine späte Domäne von HERV-K identifiziert und darüber hinaus Wechselwirkungen von HERV-K VLPs mit zellulären Restriktionsfaktoren wie APOBEC3G und CD317 studiert.
Die Entwicklung eines Impfstoffes gegen das humane Immundefizienz Virus (HIV-1) erfordert die Aktivierung einer humoralen und zellvermittelten Immunantwort. Diese kann durch lebende attenuierte Viren oder DNA Impfstoffe am besten induziert werden. Im Mittelpunkt der Impfstoffentwicklung steht das HIV-1 Hüllglykoprotein (Env), da es den initialen Kontakt mit der CD4-positiven Zielzelle herstellt. Die hohe Mutationsrate des HIV-1 führt zu Veränderungen des Hüllproteins und erzwingt die Ableitung konservierter Bereiche der nativen, oligomeren Konformation des Proteins. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden CD4-gp120 Fusionsproteine hergestellt, die Konformationsänderungen des Hüllglykoproteins nachahmen sollten, wie sie beim Eintritt von HIV in die Wirtszelle entstehen. Eine inhibitorische Wirkung dieser Proteine bei der Infektion von CD4-exprimierenden Zellen, sowie die Bildung neutralisierender Antikörper in immunisierten transgenen CD4+ Mäusen konnten nicht nachgewiesen werden. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Entstehung und Charakterisierung replikationskompetenter Viren zur Expression des oligomeren HIV-1 Hüllglykoproteins. Hierfür wurden murine Leukämie Viren (MLV) mit einer verkürzten Variante des HIV-1 Hüllglykoproteins pseudotypisiert. Sämtliche akzessorischen Gene des HIV-1 waren nicht enthalten. Die regulatorische Funktion des akzessorischen Proteins Rev wurde entweder durch die Verwendung eines Introns, durch das posttranskriptionelle Element des "woodchuck hepatitis virus" (WPRE) oder durch Benutzung eines kodonveränderten Hüllproteins ersetzt. Folglich wurden drei unterschiedliche MLV/HIV-1 Pseudotypviren konstruiert. Alle MLV/HIV-1 Pseudotypviren konnten nach Transfektion in 293 T Zellen synthetisiert werden und waren in der Lage CD4- und CXCR4-positive Zielzellen zu infizieren. Die Effizienz der zweiten Infektion war für die Proviren mit WPRE Element und synthetischen Hüllprotein reduziert, obwohl die mRNA-Synthese korrekt erfolgte und die Funktion des akzessorischen Elements Rev erfolgreich ersetzt werden konnte. Das Intron enthaltende MLV/HIV-1 pseudotypisierte Virus zeigte kaum mRNA-Produktion, folglich konnte keine zweite Infektion stattfinden. Replikationskompetente MLV/HIV-1 Pseudotypviren konnten mit keinem Konstrukt erzeugt werden, da Viruspartikel, die aus infizierten Zellen freigesetzt wurden, kaum Hüllprotein enthielten. Verschiedene Faktoren könnten hierbei eine Rolle spielen, unter anderem das zytoplasmatisch auf 7 Aminosäuren verkürzte HIV-1 Hüllglykoprotein selbst, was nur in MT-4 Zellen eine HIV-Replikation erlaubt. Folglich sind für die Herstellung replikationskompetenter MLV/HIV-1 Pseudotypviren Veränderungen am CTerminus des Hüllglykoproteins unausweichlich.
Orthopoxviruses are large DNA viruses that replicate within the cytoplasm of infected cells encoding over a hundred different proteins. The orthopoxviral 68k ankyrin‐like protein (68k‐ank) is highly conserved among orthopoxviruses, and this study aimed at elucidating the function of 68k‐ank. The 68k‐ank protein is composed of four ankyrin repeats (ANK) and an F‐box‐like domain; both motifs are known proteinprotein interaction domains. The F‐box is found in cellular F‐box proteins (FBP), crucial components of cellular E3 ubiquitin (Ub) ligases. With yeast‐two‐hybrid screens and subsequent co‐immunoprecipitation analyses, it was possible to identify S‐phase kinase‐associated protein 1a (Skp1a) as a cellular counterpart of 68k‐ank via binding to the F‐box‐like domain. Additionally, Cullin‐1 was co‐precipitated, suggesting the formation of a viral‐cellular SCF E3 Ub ligase complex. Modified Vaccinia virus Ankara (MVA) ‐ being attenuated and unable to replicate in most mammalian cell lines due to a block in morphogenesis – nevertheless, expresses its complete genetic information attributing to its properties as promising vector vaccine. Conservation of 68k‐ank as the only ANK protein encoded by MVA implied a substantial role of this viral factor. Hence, its function in the viral life cycle was assessed by studying a 68k‐ank knock‐out MVA. A mutant phenotype manifested in nonpermissive mammalian cells characterized by a block succeeding viral early gene expression and by a reduced ability of the virus to shutoff host protein synthesis. Studies with MVA encoding a 68k‐ank F‐box‐like domain truncated protein revealed that viral‐cellular SCF complex formation and maintenance of viral gene expression are two distinct, unrelated functions fulfilled by 68k‐ank. Moreover, K1, a well‐described VACV host range factor of the ANK protein family, is able to complement 68k‐ank function. This suggests that gene expression of MVA putatively depends on the ANKs encoded in 68k‐ank. In addition to the important findings in vitro, first virulence studies with the mouse pox agent, ectromelia virus (ECTV) deleted of the 68k‐ank ortholog (C11) suggested that this factor contributes to ECTV virulence in vivo.
Replizierende Murine Leukämieviren (MLV) können wertvolle Werkzeuge für die humane Krebsgentherapie werden, da sie das Transgen innerhalb des gewünschten Gewebes verteilen, ihr Genom stabil integrieren und einen natürlichen Tumortropismus aufweisen. In vorliegender Arbeit wurde ein System zur visuellen Analyse der MLV‐Replikation sowie der Virusbindung an Zielzellen mittels Einfügung fluoreszierender Proteine etabliert und als Werkzeug für dasDesign und die Optimierung dieser Viren als Gentherapievektoren benutzt. Zuerst wurde die Kodierungskapazität dieser Retroviren durch Aufteilen der viralen Gene auf zwei semireplikative Vektoren vergößert. Die Kopplung der Genome mit fluoreszierenden Proteinen ermöglichte ebenfalls in diesem Zusammenhang die Beobachtung der Repliktion aber auch die einfache Aufdeckung von Rekombinationsereignissen. Die Ergebnisse zeigten den Bedarf weiterer Optimierungen, stellten allerdings einen Vorreiter auf diesem Forschungsgebiet dar und zeigten das Potential dieses Systems auf (Sliva et al., 2004a). Zusätzlich zum natürlichen Tumortropismus sollte die Sicherheit von replizierenden Retroviren für die Tumortherapie erhöht werdn. Gezielte Veränderungen des ecotropen Hüllproteins zu EGFR‐exprimierenden Zellen mittels gerichteter Evolution sowie der Versuch, den Wirtstropismus des Env mit der Insertion des Liganden SDF‐1α auf humane CXCR4‐exprimierende Zellen auszuweiten, sind jedoch gescheitert. Diese Daten müssen sich in die Reihe der erfolglos gebliebenen Versuche, den Wirtstropismus des ecotropen Env auf humane Zellen auszuweiten, einreihen (Sliva et al., 2004b). Abschließend wurde shRNA als therapeutisches Effektormolekül erfolgreich mittels replikationskompetenter MLV in Zielzellen überragen, was zur deutlichen Herabsetzung des Proteinlevels des Zielproteins der siRNA führte (Sliva et al., 2006). Diese modifizierten Viren sind ein gutes Werkzeug zur einfachen in vitro Untersuchung von Genfunktionen, und könnten auch eine Erleichterung für die Untersuchung von Genfunktionen innerhalb von proliferierendem Tumorgewebe darstelln. Des Weiteren präsentieren die Ergebnisse und Beobachtungen dieser Arbeit einen großen Schritt in Richtung Anwendung dieser Virn für die humane Gentherapie. Denn gekoppelt mit z.B. einer tumorspezifischen Expression der shRNA‐Expressionskassette und der intelligenten Wahl der siRNA‐(Ziel)Sequenz, die nach Applikation zum Tod von malignen Tumorzellen führt, wären sie die perfekte Waffe gegen solide Tumoren.
Untersuchungen zur Funktion von Koaktivatoren in der JAK-STAT-vermittelten Transkriptionsaktivierung
(2002)
STAT-Proteine sind latente Transkriptionsfaktoren, die durch Stimulation mit Zytokinen aktiviert werden. STAT5 vermittelt beispielsweise die durch Prolaktin-Stimulation induzierte Bildung von Milchproteinen während der Schwangerschaft. STAT6 wird durch die Zytokine IL-4 und IL-13 aktiviert, die die humorale Immunität regulieren. STAT-Proteine schalten die Transkription ihrer Zielgene an, indem sie bestimmte Koaktivatorkomplexe, die p300/CBP enthalten, an den Promotor rekrutieren. In dieser Arbeit wurde die Bedeutung der NCoA-Koaktivatorfamilie (p160/SRC) für die Transkriptionsaktivierung durch STAT5a, STAT5b und STAT6 untersucht. In transienten Transfektionsexperimenten konnte gezeigt werden, daß NCoA-1, jedoch nicht die beiden anderen Vertreter NCoA-2 und NCoA-3, als essentieller Koaktivator dieser STAT-Proteine wirkt. Obwohl NCoA-l von den Transaktivierungsdomänen der drei STAT-Proteine gleichermaßen rekrutiert wird, wird die Bindung über verschiedene Kontaktstellen vermittelt: STAT5 bildet einen Komplex mit NCoA-1 in Zellen, wobei die Interaktion vermutlich durch sekundäre Modifikationen in NCoA-l reguliert ist. Dagegen bindet STAT6 direkt an die aminoterminale Region von NCoA-l in vitro und in vivo. Die Bindungsregion wurde auf einen Bereich von AS 257-420 von NCoA-l kartiert. Somit wurde eine neue Interaktionsdomäne von NCoA-l identifiziert. Die Rekrutierung von NCoA-l wird durch ein LXXLL-Motiv innerhalb der Interaktionsdomäne von STAT6 (AS 792-847) vermittelt, das spezifisch für STAT6 ist. Das LXXLL-Motiv ist essentiell für die Funktion von STAT6, z. B. bei der Expression des endogenen Zielgens Eotaxin-3. Die STAT6/NCoA-l-Interaktion kann kompetitiv durch Peptide bzw. Polypeptide, die von den interagierenden Domänen abgeleitet wurden, und durch spezifische Antikörper inhibiert werden. Diese Inhibitoren haben keinen Effekt auf die Interaktion von nukleären Hormonrezeptoren mit NCoA-l, die ebenfalls durch LXXLL-Motive vermittelt wird. Die Blockierung der STAT6/NCoA-l-Interaktion führt zu einer verminderten Expression des endogenen STAT6-Zielgens Lipoxygenase. In dieser Arbeit wurde erstmals demonstriert, daß über die gezielte Blockierung von Kontaktstellen zwischen Transkriptionsfaktoren und ihren Koaktivatoren endogene Signalwege inhibiert werden können. Somit ergeben sich neuartige Möglichkeiten für die therapeutische Interferenz von Signalwegen, z. B. bei asthmatischen Erkrankungen.
At the beginning of the 1980s, an increased frequency of immune deficiency was discovered in a population of homosexual men, which is nowadays known as the Acquired Immune Deficiency Syndrome (AIDS). A few years later, the retro virus Human Immunodeficiency Virus 1(HIV-1) has been discovered as the cause of AIDS. Since the beginning of the pandemic, more that 74 million people have become infected and more than 32 million people died. In 2018, it was estimated that 38 million people where living with HIV-1 of which 24.5 million had access to Highly Active Antiretroviral Therapy (HAART), which blocks viral replication and prevents the progression towards AIDS. In the most cases an HIV-1 infection leads to the patient’s death within a few years Without HAART.
Taken together, this thesis shows that hematopoietic stem and progenitor cells harbor the prerequisites and characteristics to form an HIV-1 reservoir in vivo. The subsets of HSCs, MPPs and CD34+CD38+ progenitors harbor CD4 & CXCR4 double-positive cells as well as a lower amount of CD4 & CCR5 doublepositive cells. In addition, the susceptibility to X4-tropic HIV-1 is shown in vitro. Susceptibility to R5-tropic HIV-1 is only seen to a very low amount for CD34+CD38+ progenitors. The results also show that transduced HSPCs are capable to pass on integrated viral genomes via proliferation and differentiation during in vitro colony formation. More over the experiments provide evidence that this can take place for long time span as the outcome of the replating assays shows. Ex vivo analysis of HSPCs isolated from PLHIV also suggests that these cells are susceptible to HIV-1. Proviral DNA detection using a nested PCR showed infection of Lin- cells of a single donor with an R5-tropic subtype B HIV-1 clone. However, the assay could not detect infection of CD34+ cells. The
received results of this thesis are in agreement with previously published results. Albeit the obvious susceptibility to HIV-1 and existing reports of viral survival within HSPCs for several years, the low frequency of detected in vivo infected HSPCs could be related to the cytopathic effects of HIV-1 during replication resulting in cell death of potentially infected CD34+ cells. Other reasons could be associated with assay sensitivity or the small number of available patient samples. This makes hematopoietic stem and progenitor cells a target, which can be infected by HIV-1. The role and the clinical relevance of hematopoietic stem and progenitor cells in contribution to the latent viral HIV-1 reservoir within an HIV-1 infected patient needs to be further analyzed.
