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Soil fungal communities are an essential element in the terrestrial ecosystem, however their response to ongoing anthropogenic climate change is currently poorly understood. Fungi are one of the most abundant groups of microbes in soil, they are mainly responsible for the decomposition of organic matter (Baldrian et al., 2012; Buée et al., 2009). By binding carbon in soil, fungi thus maintain an important role in the global carbon cycle (Bardgett et al., 2008). Future climates are likely to influence the communities of belowground microbial organisms (Castro et al., 2010; Deacon et al., 2006). However, how these communities are affected in their diversity, composition, and function after environmental perturbation is insufficiently known.
Molecular techniques using high-throughput sequencing are presently revolutionizing the analysis of complex communities, such as soil fungi. High-throughput metabarcoding enables the recovery of DNA sequence data directly from environmental samples, and DNA sequences from entire communities present in these samples can be simultaneously recovered through massively parallel sequencing reactions (Bik et al., 2012; Taberlet et al., 2012b). This results in more accurate estimation of diversity and community composition and thus provides unprecedented insight into cryptic communities (Lindahl and Kuske, 2014). Yet, challenges associated with these novel techniques include the bioinformatic processing, and the ecological analyses of the large amount of sequence data generated. Most biologists without explicit training in bioinformatics spend a fair amount of time learning how to filter raw sequence data, and customize bioinformatics pipelines specific to their project. To improve the quality of data treatment, and decrease the time needed for the analyses, it is desirable to have bioinformatics pipelines that are easy to use, well explained to researchers not trained in bioinformatics, and adaptable to individual research needs...
1. Das Genom von A. woodii konnte sequenziert und annotiert werden. Der Organismus besitzt ein Chromosom von 4050521 Bp und keine Plasmide. Es sind 3495 ORFs kodiert. 2. Die Gene, die die Enzyme des Wood-Ljungdahl-Weges kodieren, konnten identifiziert werden. Sie sind hauptsächlich in drei Clustern organisiert, wobei für Cluster II gezeigt werden konnte, dass es ein Operon bildet und dort ungewöhnlicherweise ein RnfC-ähnliches Protein kodiert ist. 3. Gene für Proteine der Hexose-Verwertung konnten ebenfalls identifiziert werden. A. woodii besitzt sowohl PTS-Systeme als auch einen Na+/Zucker-Symporter zur Aufnahme von Hexosen. Die Enzyme der Glykolyse sind vollständig im Genom vorhanden und liegen im gesamten Genom verstreut vor. 4. Neben den Genen für die bereits charakterisierte Hydrogenase existieren im Genom weitere Gene, die potentielle Hydrogenasen oder Untereinheiten dieser kodieren. 5. Lange wurde für Methyltransferasen in A. woodii vermutet, dass es sich um energiekonservierende Enzyme handelt. Die Genomsequenz zeigte, dass das Genom Gene für 20 Methyltransferasen 1, 10 Methyltransferasen 2 und 22 Corrinoid-Proteine enthält. Die Methyltransferase und das Corrinoid-Protein des Wood-Ljungdahl-Weges konnten identifiziert werden. Allerdings konnte für keines der korrespondierenden Proteine eine Membranständigkeit vorhergesagt werden, was eine Beteiligung der Methyltransferasen an der Energiekonservierung ausschließt. Die Vielzahl der Methyltransferasen passt aber zu der Vielzahl von methylierten Verbindungen, die der Organismus verstoffwechseln kann. 6. Neben den gut charakterisierten etf-Genen aus dem car-Operon, das bei der Caffeat-Reduktion eine wichtige Rolle spielt, gibt es ein weiteres etf-Paar, welches mit den Genen für eine Laktat-Dehydrogenase und eine Laktat-Permease kolokalisiert ist. Welche Rolle die Proteine spielen bleibt noch aufzuklären. 7. Außer den Genen für die gut charakterisierte F1F0-ATP-Synthase finden sich Gene für eine V-Typ ATPase. Diese Gene bilden ein Operon. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass die Untereinheit VatA auch produziert wird. Die physiologische Rolle konnte allerdings noch nicht geklärt werden. 8. Basierend auf den genomischen Daten konnte ein Modell des Flagellums erstellt werden. Desweiteren wurde eine Vielzahl von Genen für chemotaktische Proteine identifiziert. Zur Verarbeitung von Umweltsignalen besitzt A. woodii Komponenten des Che-Systems, die zum einen aus E. coli und zum anderen aus B. subtilis bekannt sind. 9. In Proteomanalysen konnte festgestellt werden, dass die Enzyme des Wood- Ljungdahl-Weges beim Wachstum auf H2 + CO2 im Vergleich zum Wachstum auf Fruktose induziert werden, die Enzyme der Glykolyse werden dagegen reprimiert. Desweiteren ist die Hydrogenase (HydAB) auf H2 + CO2 induziert. Das am stärksten induzierte Protein ist eine Alanin-Dehydrogenase, deren Rolle im Stoffwechsel unbekannt ist. 10. Die Untersuchung des genomischen Kontextes der für die Na+-translozierende Ferredoxin:NAD+-Oxidoreduktase (Fno/Rnf) kodierenden Gene rnfCDGEAB ergab keine weiteren Gene, die mit Rnf in Verbindung stehen. Experimentelle Befunde zeigen, dass die Gene rnfCDGEAB ein Operon bilden. 11. Nach der Generierung von Antikörpern gegen die Untereinheiten des Rnf-Komplexes, die große lösliche Anteile besitzen, konnte nachgewiesen werden, dass RnfB, C und G in der Membran lokalisiert sind. Desweiteren wurde nachgewiesen, dass deren Produktion unabhängig von der An- oder Abwesenheit von Caffeat und den getesteten C-Quellen ist. 12. RnfG konnte in E. coli überproduziert und anschließend gereinigt werden, allerdings fehlte der vorhergesagte, kovalent gebundene Flavin-Cofaktor. 13. RnfC konnte ebenfalls in E. coli überproduziert und anschließend gereinigt werden. Nach Rekonstitution mit Eisen und Schwefel konnte ein Fe-Gehalt von 8 nmol/ nmol Protein und ein Schwefel-Gehalt von 5 nmol/nmol Protein bestimmt werden. Die im UV/Vis-Spektrum sichtbaren Maxima wiesen auf die Anwesenheit von FeS-Zentren hin. EPR-Analysen deuten darauf hin, dass die FeS-Zentren nur unvollständig assembliert sind. 14. Im Genom von A. woodii ist ein Cluster von Genen, das Proteine zur Umsetzung von 1,2-Propandiol kodiert, zu finden. Elektronenmikroskopisch konnte nachgewiesen werden, dass der Organismus in Gegenwart von 1,2-Propandiol Mikrokompartimente bildet. 15. In Zellsuspensionsversuchen konnte nachgewiesen werden, dass 1,2-Propandiol nicht zu Propionat und Acetat, sondern zu 1-Propanol und Propionat über das Intermediat Propionaldehyd umgesetzt wird. 16. Rohextrakte 1,2-Propandiol-gezogener Zellen katalysierten die Reduktion von NAD+ mit Propionaldehyd als Reduktant. Die Reaktion benötigte CoA, NAD+ (Km 0,35 mM) und Propionaldehyd (Km 1,3 mM). Das Temperaturoptimum betrug 30°C und das pH-Optimum lag zwischen pH 8 und 10. 17. Ein Antikörper gegen die Propionaldehyd-Dehydrogenase (PduP) aus S. enterica reagierte mit einem ca. 50 kDa-Protein 1,2-Propandiol-gezogener Zellen. Dies zeigt, dass PduP aus A. woodii und PduP aus S. enterica immunologisch verwandt sind. Western-Blot-Analysen zeigten, dass PduP nur in 1,2-Propandiol-, 2,3-Butandioloder Ethylenglykol-gezogenen Zellen nachweisbar war, aber nicht in Zellen die auf Fruktose, Ethanol oder H2 + CO2 gezogen waren. 18. Die Aktivität der Propionaldehyd-Dehydrogenase war in Zellen gezogen auf 1,2-Propandiol am höchsten. Nach Wachstum auf Fruktose oder H2 + CO2 war die Aktivität sehr niedrig. Genau gegensätzlich verhielten sich die Aktivitäten der Formiat-Dehydrogenase, einem Enzym des Wood-Ljungdahl-Weges, der ATPHydrolyse und des Rnf-Komplexes. 19. In Gegenwart von Caffeat und 1,2-Propandiol konnte A. woodii nicht wachsen. Das Wachstum auf 2,3-Butandiol oder Ethylenglykol in Gegenwart von Caffeat war möglich.
Rhythms, i.e. periodic sequences of events or states, are a ubiquitous feature of physiological systems such as the heart, the lungs or the brain. For the brain in particular, the diversity of rhythms is remarkable, ranging from low frequency rhythms in the slow/delta band (0.5-4 Hz) during sleep to gamma band oscillations (30-120 Hz) rhythms during alert behavior, all expressed in various brain areas and at various spatial scales. To understand whether these rhythms subserve a function for the organism it is important to also understand the underlying mechanisms that generate them. While the generation of some rhythms appear to be well-understood, e.g. sleep spindles, others such as the cortical beta rhythm (13-30 Hz) have remained elusive.
Understanding the generation of a brain rhythm involves multiple spatial scales, from identifying intracellular mechanisms such as the contribution of individual transmembrane currents to studying how specific neuronal populations or areas affect the full physiological rhythm present in the intact, highly interconnected brain. The aim of this work has been to delineate the mechanistic contributions of individual brain areas to the in vivo generation of two particular rhythms present in efferent areas: (1) The first part of this work studies the influence of thalamocortical neurons on cortical slow/delta waves (0.5-4 Hz) of sleep that are sometimes also present in awake animals. (2) The second part is about the contribution of primary visual cortex to the beta rhythm (13-30 Hz) in extrastriate cortex of awake behaving animals.
Research in cell and developmental biology requires the application of three-dimensional model systems that reproduce the natural environment of cells. Processes in developmental biology are therefore studied in entire systems like insects or plants. In cell biology, three-dimensional cell cultures (e.g. spheroids or organoids) model the physiology and pathology of cells, tissues or organs. In all systems, the cellular neighborhood and interactions, but also physicochemical influences, are realistically presented. The production and handling of these model systems is rather simple and allows for reproducible characterization.
Confocal and light sheet-based fluorescence microscopy (LSFM) enable the observation of these systems while maintaining their three-dimensional integrity. LSFM is applicable to imaging live samples at high spatio-temporal resolution over long periods of time. The quality of the acquired datasets enables the extraction of quantitative features about morphology, functionality and dynamics in the context of the complete system. This approach is referred to as image-based systems biology. Exploiting the potential of the generated datasets requires an image analysis pipeline for data management, visualization and the retrieval of biologically meaningful values.
The goal of this thesis was to identify, develop and optimize modules of the image analysis pipeline. The modules cover data management and reduction, visualization, reconstruction of multiview image datasets, the segmentation and tracking of cell nuclei and the extraction of quantitative features. The modules were developed in an application-driven manner to test and ensure their applicability to real datasets from three-dimensional fluorescence microscopy. The underlying datasets were taken from research projects in developmental biology in insects and plants, as well as from cell biology.
The datasets acquired in fluorescence microscopy are typically complex and require common image processing steps in order to manage, visualize, and analyze the datasets. The first module accomplishes automatic structuring of large image datasets, reduces the data amount by image cropping and compression and computes maximum projection images along different spatial directions. The second module corrects for intensity variations in the generated maximum projection images that occur as a function of time. The program was published as a part of an article in Nature Protocols. Another developed module named BugCube provides a web-based platform to visualize and share the processed image datasets.
In LSFM, samples can be rotated in-between two acquisitions enabling the generation of multiview image datasets. Prior to my work, Frederic Strobl and Alexander Ross acquired the complete embryogenesis of the red flour beetle, Tribolium castaneum, and the field cricket, Gryllus bimaculatus, with LSFM. I evaluated a plugin for the software FIJI as a module for the reconstruction of such datasets. The plugin was optimized for automation and efficiency. We obtained the first high quality three-dimensional reconstructions of Tribolium and Gryllus datasets.
Optical clearing increases the penetration depth into samples, thus providing endpoint images of entire three-dimensional objects with cellular detail. This work contributes a quantitative characterization module that was applied to endpoint images of optically cleared spheroids. A program for the generation of ground truth datasets was developed in order to evaluate the cell nuclei segmentation performance. The program was part of a paper that was published in BMC Bioinformatics. Using the program, I could show that the cell nuclei segmentation is robust and accurate. Approaches from computational topology and graph theory complete the segmentation of cell nuclei. Thus, the developed module provides a comprehensive quantitative characterization of spheroids on the level of the individual cell, the cell neighborhood and the whole cell aggregate. The module was employed in four applications to analyze the influence of different stress conditions on the morphology and cellular arrangement of cells in spheroids. The module was accepted for publication in Scientific Reports along with the results for one application. The cell nuclei segmentation further provided a data source for simulation models that used correlation functions to identify structural zones in spheroids. These results were published in Royal Society Interface.
The final part of this work presents a module for cell tracking and lineage reconstruction. In collaboration with Dr. Alexis Maizel, Dr. Jens Fangerau and Dr. Daniel von Wangenheim, I developed a module to track the positions of all cells involved in lateral root formation in Arabidopsis thaliana and used the extracted positions for extensive data analysis. We reconstructed the cell lineages and established the first atlas of all founder cells that contribute to the formation. The analysis of the retrieved data allowed us to study conserved and individual patterns in lateral root formation. The atlas and parts of the analysis presented in this thesis were published in Current Biology.
In this thesis, I developed modules for an image analysis pipeline in three-dimensional fluorescence microscopy and applied them in interdisciplinary research projects. The modules enabled the organization, processing, visualization and analysis of the datasets. The perspective of the image analysis pipeline is not restricted to image-based systems biology. With ongoing development of the image analysis pipeline, it can also be a valuable tool for medical diagnostics or industrial high-throughput approaches.
The canonical Wnt/β-catenin and the Shh pathway as well as the Notch signaling cascade
are key regulators in stem cell biology and are independently associated with the development
of cancer. Despite the knowledge of a balanced signaling for cellular maintenance, the
fundamental biochemical mechanisms of crosstalk are still poorly understood. This study
demonstrates that the outcome of interaction between Wnt and Shh is cell type specific. A
combined inhibitory mechanism of the Shh and Notch2/Jagged2 pathways on dominant
active β-catenin signaling in the adult tongue epithelium keeps Wnt/β-catenin signaling
restricted to physiological tolerable levels. In the opposite crosstalk the activation of
Wnt/β-catenin signaling in medulloblastoma (MB) of the Shh subtype, in turn inhibits the Hh
pathway.
The inhibitory mechanism of Shh and Notch2/Jagged2 on Wnt/β-catenin signaling is
independent of the degradation complex of β-catenin and takes place inside the nucleus.
Furthermore, the negative feedback on Wnt/β-catenin signaling by the Shh pathway relies
on transcriptional activity of Gli1/2A. Inhibition of Gli1/2A with the specific inhibitor GANT61
abrogated the negative impact of Shh on β-catenin signaling in vitro. Although the negative
feedback loop of Shh is still functional in human SCC25 cells, the inhibitory effect of
Notch2/Jagged2 is lost and contributes to the cancerogenic phenotype of these cells. In the
inverse situation, the activation of β−catenin signaling has a negative feedback on
constantly active Shh signaling and significantly inhibits the Hh pathway. This was shown in
Ptch+/- and Math1-Cre:SmoM2Fl/+ MB tumor spheres in vitro, in which inhibition of sphere
formation and growth was observed and Hh target gene transcription was down-regulated.
This demonstrates for the first time that the activation of canonical Wnt/β-catenin signaling
in primary MB cells with a Hh pathway over-activation has a negative effect on the growth of
these cells in vitro.
In summary the results show that crosstalk of Wnt/β-catenin and Shh signaling has context
specific outcome on pathway activity. Elucidation of the molecular interactions will improve
our understanding of Wnt and Hh associated tumors and contribute to the development of
new therapeutic strategies.
Die rheumatoide Arthritis (RA) ist eine idiopathische chronisch-entzündliche Systemerkrankung, mit primärer Gelenkmanifestation. Die fortschreitende Gelenkentzündung ist die Folge einer immunologischen Fehlerkennung von Gelenkstrukturen durch dysregulierte B- und T-Lymphozyten. So lassen sich in bis zu 70% der entzündeten Gelenke von RA-Patienten IgG-Autoantikörper gegen das knorpelspezifische Kollagen Typ II (CII) nachweisen.
In dieser Arbeit wurde die CII-Epitop-spezifische humorale Autoimmunantwort in der Pathogenese der RA auf molekularer Ebene analysiert. Im Mittelpunkt stehen hierbei bereits gut charakterisierte B-Zell-Epitope auf dem CII, die über die Speziesbarrieren hinweg evolutionär konserviert sind und sowohl in der humanen RA als auch in der murinen Experimentalerkrankung des CIA-Modell (Collagen-Induced-Arthritis) immundominante Strukturen der humoralen arthritogenen Autoimmunität darstellen.
Ein Teilaspekt der Arbeit war die Aufklärung des molekularen Mechanismus, der den katabolen Effekten des murinen arthritogenen CII-Autoantikörper (UL-1) auf den chondrozytären Matrixmetabolismus zugrunde liegt, gewidmet. Der gegen ein immundominantes Epitop (U1-Epitop) auf dem CII gerichtete monoklonale Antikörper kann unabhängig von seinen Fc-vermittelten inflammatorischen Effektorfunktionen, eine direkte Schädigung der Knorpelmatrix über eine Modulation des Chondrozytenmetabolismus im CIA-Modell bewirken. Basierend auf der Analyse von Sequenzhomologien des U1-Epitopes konnte eine immunologische Kreuzreaktivität mit dem LIF (Leukemia-Inhibitory-Factor)-Rezeptor auf Chondrozyten nachgewiesen werden. Weitergehende funktionelle Studien haben jedoch gezeigt, dass die Rezeptorbindung durch den Antikörper keine intrazellulären Signalwege aktiviert, die an der aus der Literatur bekannten Proteoglykan-depletierenden Wirkung des Zytokins LIF beteiligt sind. Während somit eine UL-1 abhängige Aktivierung des LIF-Rezeptors als Erklärungsmodell der katabolen Antikörperwirkung ausscheidet, konnten die funktionellen in vitro Studien eine spezifische UL-1 Antikörper abhängige Src-Kinaseaktivierung in den humanen Chondrozyten als Ansatzpunkt für zukünftige Studien nachweisen.
In der RA-Pathogenese wird die Bedeutung posttranslationaler Modifikationen, insbesondere der Deiminierung von Argininresten unter Bildung von Citrullin für die Neoepitopgenerierung diskutiert. Autoantikörper gegen citrullinierte Peptide (ACPA, anti-citrullinated-peptides-antibody) gelten als diagnostische und verlaufsprädiktive Marker der RA. Zielstrukturen für ACPAs sind nicht nur einige ubiquitär exprimierte Proteine, sondern auch das knorpelspezifische CII. In dieser Arbeit konnte erstmals die in vitro Bindung CII-spezifischer ACPAs an Knorpelgewebe von RA-Patienten, das als asserviertes Biomaterial aus Synovektomie- bzw. Gelenkersatzoperationen zur Verfügung stand, nachgewiesen werden. Darüber hinaus gelang der erstmalige Nachweis einer chondrozytären Expression der für die posttranslationale Modifikation verantwortlichen Peptidylarginin-Deiminasen (PAD) PAD2 und PAD4 im Knorpelgewebe und ihre Hochregulation in den Chondrozyten unter oxidativem und genotoxischem Stress. Diese Stressoren sind an degenerativen Knorpel-veränderungen in der Pathogenese der Osteoarthrose (OA) beteiligt, sodass die Ergebnisse dieser Arbeit die Hypothese stützen, dass Degenerationsprozesse des alternden Knorpels zur Expression kollagenmodifiziernder PAD-Enzyme führen und damit die immunologische Selbsttoleranz des Knorpelgewebes durch Neoepitop-Generation in der Knorpelmatrix schwächen können.
Ein zentraler Aspekt der Arbeit galt der Analyse der CII-spezifischen humoralen Immunantwort im Blut und in der entzündlich veränderten Synovialmembran von RA-Patienten über die vergleichenden Analyse der rearrangierten Immunglobulingene in epitopspezifisch über biotinylierte CII-Peptide markierten B- und Plasmazellen. Die Isolation der markierten Zellen erfolgte mittels Laser-Mikrodissektion aus dem Gewebe und durchflusszytometrisch aus dem peripheren Blut. Die anschließende Sequenzanalyse der mittels semi-nested Einzelzell-PCR amplifizierten, für die variable Region der leichten und schweren Antikörperkette kodierenden V-Gene, ergab für die Erkennung des immundominanten CIIC1-Epitopes eine präferentielle V-Genverwendung. Darüber hinaus spricht der Nachweis höherer Mutationsraten in synovialen Plasmazellen im Vergleich zu CII-spezifischen B-Zellen im Blut für eine lokale synoviale Affinitätsreifung der Antikörperantwort. Die Klonierung der amplifizierten V-Gene in einen eukaryotischen Expressionsvektor ermöglicht die Expression rekombinanter Antikörper und deren Validierung im ELISA. Zukünftige Affinitätsbestimmungen und Kristallstrukturanalysen dienen dem verbesserten molekularen Verständnis der CII-Antikörpererkennung und murine Antikörper-transferexperimente der Evaluation der Arthritogenität der humanen CII-Antikörperantwort. Fernziel ist die Entwicklung einer auf der CII-Antigenspezifität beruhenden immunmodularischen Therapie der RA.
Protease-aktivierbare Retroviren bieten die Möglichkeit des gezielten Gentransfers in solche Tumorzellen, die an der Zelloberfläche proteolytisch aktive Proteasen, wie beispielsweise Matrix Metalloproteasen (MMP), exprimieren. Hierfür wird zunächst der Zelleintritt der Retroviren durch eine mit den Hüllproteinen fusionierte Blockierungsdomäne verhindert. Zwischen dieser Blockierungsdomäne und dem Hüllprotein befindet sich ein für eine zelluläre Protease fungierender Substratlinker, worüber die Blockierung entfernt und der natürliche Infektionsmechanismus der Retroviren wieder hergestellt wird. In Bezug auf die Tumortherapie mittels eines solchen Gentransfers ist es jedoch unmöglich vorherzusagen, welches Protease- Substrat für einen bestimmten Tumortyp am besten geeignet ist. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit retrovirale Protease-Substrat-Bibliotheken entwickelt, um erstmalig die Substrate der tumorassoziierten MMPs in lebenden Tumorzellen zu selektionieren und damit verbunden MMP-aktivierbare Retroviren mit verbesserten molekularen Eigenschaften für den gezielten Gentransfer zu evolvieren. Hiefür wurden, ausgehend von einem Protease-aktivierbaren Retrovirus, welches als Substratlinker das MMP-Standardsubstrat P-L-G-L-W-A präsentiert, Retroviren erzeugt, in denen dieses Substrat kombinatorisch diversifiziert wurde. In einer ersten retroviralen Protease-Substrat-Bibliothek wurde zunächst an drei Stellen zu P-X-G-L-X-X unter Ausschluss der Aminosäure Arginin diversifiziert, um die Selektion durch Proprotein-Konvertasen wie Furin zu vermeiden. Anschließend erfolgte die Selektion der Virus-Bibliothek in der Modell-Tumorzelllinie HT1080, wofür hier das entsprechende Protokoll etabliert wurde. Die Substratlinker der am häufigsten selektionierten Retroviren enthielten die beiden Konsensusmotive P-QG- L-Y-[Q/K] und P-Q-G-L-Y-[A/S]. Zur Identifizierung der optimalen Aminosäuren an allen sechs Positionen des Substrates wurden in einer zweiten Bibliothek die variierten Positionen auf Grundlage der selektionierten Konsensusmotive fixiert und die zuvor konstanten Positionen zu X-Q-X-X-Y-[Q/A] diversifiziert. Die aus dieser Bibliothek selektionierten Retroviren enthielten das Konsensusmotiv P-Q-G-[L/I/V]-Y-[Q/A], womit die zuvor selektionierten MMP-aktivierbaren Retroviren bestätigt wurden. Die biochemische Charakterisierung von mit den selektionierten Substratlinkern rekonstituierten Retroviren zeigte, dass ihre Substratlinker eine bemerkenswerte Verbesserung der Spaltung durch MMP-2 und eine erhöhte Inkorporation der dazugehörigen Hüllproteine in die Partikel aufwiesen. Außerdem ermöglichten die selektionierten Substratlinker den entsprechenden Retroviren sich schneller innerhalb der Zellpopulation auszubreiten, ohne dabei die Abhängigkeit von der MMP-Aktivierung zu verlieren. Darüber hinaus konnte sowohl die Kinetik des Zelleintritts bis zu 10-fach als auch die Infektiosität bis zu 1000-fach gegenüber dem parentalen Virus, das den Standard-Substratlinker trug, gesteigert werden. Letztendlich waren hierfür nur zwei selektionierte Aminosäureaustausche gegenüber dem MMP-Standardsubstrat verantwortlich, nämlich Glutamin (Q) und Tyrosin (Y), die zu dem Motiv P-Q-G-L-Y-A führten. Ausschlaggebend für die beschriebenen Selektionen waren die mehrfache Abdeckung der kombinatorischen Vielfalt der Substratlinker auf Partikel-Ebene bereits vor Selektion sowie die langsame Erhöhung des angelegten Selektionsdrucks während der Selektion. Dadurch konnte eine Deletion des kodierenden Bereichs der Blockierungsdomäne (EGF) im Virusgenom vermieden werden. Als treibende Kraft der Selektion stellte sich die proteolytische Aktivierung der selektionierten Retroviren an der Zelloberfläche heraus. Die Ergebnissen führen schließlich zu einem Modell der MMP-Aktivierung EGF-blockierter Retroviren. Danach binden die Partikel an die EGF-Rezeptoren der Zelloberfläche und gelangen so in die räumliche Nähe des MMP-Aktivierungskomplexes. Daraufhin werden sie proteolytisch aktiviert und infizieren die Zielzellen. Die hier selektionierten Substratlinker bzw. die entsprechenden Viren sind in Bezug auf die proteolytische Aktivierung optimal an die gewählte Tumorzelllinie angepasst.
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.
Die nicht-konventionelle Hefe P. ciferrii produziert große Mengen der tetra-acetylierten Sphingoidbase Phytosphingosin (TAPS). Sphingoidbasen sind essentielle Komponenten des stratum corneums, der multilamellaren Barriere der menschlichen Haut, und daher in der Kosmetik-Industrie von großem Interesse. Im Rahmen dieser Arbeit sollte die biotechnologische Produktion der Sphingoidbasen Phytosphingosin, Sphinganin und Sphingosin auf molekularbiologischer Ebene in P. ciferrii charakterisiert und optimiert werden. Die Hefe P. ciferrii konnte durch Etablierung einer einfachen und hoch-effizienten Transformations-Methode auf genetischer Ebene leicht zugänglich gemacht werden. Durch Inaktivierung des für NHEJ essentiellen PcLIG4 Gens konnte die Effizienz zielgerichteter genomischer Integrationen von transformierten DNA-Konstrukten von 1 % auf 87 % erhöht werden. Die Etablierung des Cre-loxP Systems erlaubte das mehrfache Verwenden eines Selektions-Markers wodurch sukzessiv mehrere genomische Integrationen in einem Stamm ermöglicht wurden. Durch diese Errungenschaften konnte das Ziel „Optimierung der Sphingoidbasen-Produktion der nicht-konventionellen Hefe P. ciferrii“ im Folgenden erfolgreich verfolgt werden. Der initiale Schritt der Sphingoidbasen-Biosynthese ist die von der Serin-Palmitoyl-Transferase katalysierte Kondensation von L-Serin und Palmitoyl-CoA. Durch die Deletion von Genen, die am L-Serin-Katabolismus von P. ciferrii beteiligt sind (PcSHM1, PcSHM2und PcCHA1), konnte die de novo Sphingoidbasen-Biosynthese optimiert werden und führte in einem lig4? Stamm zu einer etwa dreifachen Erhöhung der TAPS-Produktion. Weitere Ansätze den (vermutlich durch L-Serin feed back regulierten) L-Serin-Biosyntheseweg bzw. die in vivo L-Serin-Verfügbarkeit zu optimieren, führten nicht zu einer gesteigerten TAPS-Produktion. Durch weitere Deletion und Überexpression von Genen des Sphingolipid-Stoffwechsels konnte die TAPS-Produktion jedoch um ein Vielfaches verbessert werden. So konnte ein Stamm konstruiert werden, der die Gene PcLCB1, PcLCB2 und PcSYR2 überexprimiert und Deletionen der Gene PcSHM1, PcSHM2, PcCHA1, PcLCB4 und PcORM12 trägt. Dieser Stamm (CSS.L4.O.L2.L1.S2) wies eine mehr als fünffach erhöhte maximale spezifische TAPS-Produktbildungsrate (q Pmax ) auf und produzierte mit 2 g * L rund siebenmal mehr TAPS als der lig4? Ausgangsstamm, weshalb ein Einsatz dieses Stammes für die industrielle TAPS-Produktion denkbar wäre. Ausgehend von einem für die TAPS- (und somit Sphingoidbasen-) Produktion optimierten Stamm sollten Stämme mit optimierter TriASa- oder TriASo-Produktion für industrielle Zwecke generiert werden. Es stellte sich allerding heraus, dass erhöhte Mengen dieser Sphingoidbasen wahrscheinlich wachstumshemmend für P. ciferrii sind, weshalb eine weitere Produktions-Optimierung nicht ohne Weiteres möglich ist. In einem Laborstamm gelang es jedoch, durch Konstruktion und anschließende Transformation eines optimierten integrativen Plasmids (trägt die Gene, die für die Produktion von Sphingosin bzw. TriASo nötig sind) eine TriASo-Produktion von bis zu 30 mg * g (BTM) zu erzielen, wobei gleichzeitig die Bildung des Nebenprodukts TriASa auf weniger als 4 mg * g (BTM)reduziert wurde. Weiterhin konnte durch Deletion von PcSCS7 in einem TriASo-Produktionsstamm die TriASa-Produktion mehr als vierfach reduziert werden. Die Bildung eines weiteren von P. ciferrii gebildeten Nebenproduktes [Tri-Acetyl-Sphingadienin (TriASd)] konnte durch Deletion des PcSLD1 Gens unterbunden werden. Nach Inaktivierung von PcSCH9 konnte eine fast 20 %ige Verbesserung der TriASo-Produktion erreicht werden. Es konnten zwei putative Acetyl-Transferasen identifiziert werden (PcAft2 und PcSli1), die an der Acetylierung von Phytosphingosin (zu TAPS), Sphinganin (zu TriASa) und Sphingosin (zu TriASo) beteiligt sind. Die Aufklärung und Optimierung dieser von PcAtf2 und PcSli1 katalysierten Schritte sind vielversprechende Ansatzpunkte die Sphingoidbasen-Produktion in P. ciferrii weiter zu optimieren.