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Yeast cells can be killed upon expression of pro-apoptotic mammalian proteins. We have established a functional yeast survival screen that was used to isolate novel human anti-apoptotic genes overexpressed in treatment-resistant tumors. The screening of three different cDNA libraries prepared from metastatic melanoma, glioblastomas and leukemic blasts allowed for the identification of many yeast cell death-repressing cDNAs, including 28% of genes that are already known to inhibit apoptosis, 35% of genes upregulated in at least one tumor entity and 16% of genes described as both anti-apoptotic in function and upregulated in tumors. These results confirm the great potential of this screening tool to identify novel anti-apoptotic and tumor-relevant molecules. Three of the isolated candidate genes were further analyzed regarding their anti-apoptotic function in cell culture and their potential as a therapeutic target for molecular therapy. PAICS, an enzyme required for de novo purine biosynthesis, the long non-coding RNA MALAT1 and the MAST2 kinase are overexpressed in certain tumor entities and capable of suppressing apoptosis in human cells. Using a subcutaneous xenograft mouse model, we also demonstrated that glioblastoma tumor growth requires MAST2 expression. An additional advantage of the yeast survival screen is its universal applicability. By using various inducible pro-apoptotic killer proteins and screening the appropriate cDNA library prepared from normal or pathologic tissue of interest, the survival screen can be used to identify apoptosis inhibitors in many different systems.
Epigenetic silencing of transgene expression represents a major obstacle for the efficient genetic modification of multipotent and pluripotent stem cells. We and others have demonstrated that a 1.5 kb methylation-free CpG island from the human HNRPA2B1-CBX3 housekeeping genes (A2UCOE) effectively prevents transgene silencing and variegation in cell lines, multipotent and pluripotent stem cells, and their differentiated progeny. However, the bidirectional promoter activity of this element may disturb expression of neighboring genes. Furthermore, the epigenetic basis underlying the anti-silencing effect of the UCOE on juxtaposed promoters has been only partially explored. In this study we removed the HNRPA2B1 moiety from the A2UCOE and demonstrate efficient anti-silencing properties also for a minimal 0.7 kb element containing merely the CBX3 promoter. This DNA element largely prevents silencing of viral and tissue-specific promoters in multipotent and pluripotent stem cells. The protective activity of CBX3 was associated with reduced promoter CpG-methylation, decreased levels of repressive and increased levels of active histone marks. Moreover, the anti-silencing effect of CBX3 was locally restricted and when linked to tissue-specific promoters did not activate transcription in off target cells. Thus, CBX3 is a highly attractive element for sustained, tissue-specific and copy-number dependent transgene expression in vitro and in vivo.
DEAD-box proteins are enzymes endowed with nucleic acid-dependent ATPase, RNA translocase and unwinding activities. The human DEAD-box protein DDX3 has been shown to play important roles in tumor proliferation and viral infections. In particular, DDX3 has been identified as an essential cofactor for HIV-1 replication. Here we characterized a set of DDX3 mutants biochemically with respect to nucleic acid binding, ATPase and helicase activity. In particular, we addressed the functional role of a unique insertion between motifs I and Ia of DDX3 and provide evidence for its implication in nucleic acid binding and HIV-1 replication. We show that human DDX3 lacking this domain binds HIV-1 RNA with lower affinity. Furthermore, a specific peptide ligand for this insertion selected by phage display interferes with HIV-1 replication after transduction into HelaP4 cells. Besides broadening our understanding of the structure-function relationships of this important protein, our results identify a specific domain of DDX3 which may be suited as target for antiviral drugs designed to inhibit cellular cofactors for HIV-1 replication.
A point mutation in the Ncr1 signal peptide impairs the development of innate lymphoid cell subsets
(2018)
NKp46 (CD335) is a surface receptor shared by both human and mouse natural killer (NK) cells and innate lymphoid cells (ILCs) that transduces activating signals necessary to eliminate virus-infected cells and tumors. Here, we describe a spontaneous point mutation of cysteine to arginine (C14R) in the signal peptide of the NKp46 protein in congenic Ly5.1 mice and the newly generated NCRB6C14R strain. Ly5.1C14R NK cells expressed similar levels of Ncr1 mRNA as C57BL/6, but showed impaired surface NKp46 and reduced ability to control melanoma tumors in vivo. Expression of the mutant NKp46C14R in 293T cells showed that NKp46 protein trafficking to the cell surface was compromised. Although Ly5.1C14R mice had normal number of NK cells, they showed an increased number of early maturation stage NK cells. CD49a+ILC1s were also increased but these cells lacked the expression of TRAIL. ILC3s that expressed NKp46 were not detectable and were not apparent when examined by T-bet expression. Thus, the C14R mutation reveals that NKp46 is important for NK cell and ILC differentiation, maturation and function.
Site-specific recombinases (SSR) are utilized as important genome engineering tools to precisely modify the genome of mice and other model organisms. Reporter mice that mark cells that at any given time had expressed the enzyme are frequently used for lineage tracing and to characterize newly generated mice expressing a recombinase from a chosen promoter. With increasing sophistication of genome alteration strategies, the demand for novel SSR systems that efficiently and specifically recombine their targets is rising and several SSR-systems are now used in combination to address complex biological questions in vivo. Generation of reporter mice for each one of these recombinases is cumbersome and increases the number of mouse lines that need to be maintained in animal facilities. Here we present a multi-reporter mouse line for loci-of-recombination (X) (MuX) that streamlines the characterization of mice expressing prominent recombinases. MuX mice constitutively express nuclear green fluorescent protein after recombination by either Cre, Flp, Dre or Vika recombinase, rationalizing the number of animal lines that need to be maintained. We also pioneer the use of the Vika/vox system in mice, illustrating its high efficacy and specificity, thereby facilitating future designs of sophisticated recombinase-based in vivo genome engineering strategies.
Aberrant epigenetic regulators control expansion of human CD34+ hematopoietic stem/progenitor cells
(2013)
Transcription is a tightly regulated process ensuring the proper expression of numerous genes regulating all aspects of cellular behavior. Transcription factors regulate multiple genes including other transcription factors that together control a highly complex gene network. The transcriptional machinery can be “hijacked” by oncogenic transcription factors, thereby leading to malignant cell transformation. Oncogenic transcription factors manipulate a variety of epigenetic control mechanisms to fulfill gene regulatory and cell transforming functions. These factors assemble epigenetic regulators at target gene promoter sequences, thereby disturbing physiological gene expression patterns. Retroviral vector technology and the availability of “healthy” human hematopoietic CD34+ progenitor cells enable the generation of pre-leukemic cell models for the analysis of aberrant human hematopoietic progenitor cell expansion mediated by leukemogenic transcription factors. This review summarizes recent findings regarding the mechanism by which leukemogenic gene products control human hematopoietic CD34+ progenitor cell expansion by disrupting the normal epigenetic program.
Purpose: Recent advances in the treatment algorithm of locally advanced rectal cancer (LARC) have significantly improved complete response (CR) rates and disease-free survival (DFS), but therapy resistance, with its substantial impact on outcomes and survival, remains a major challenge. Our group has recently unraveled a critical role of interleukin-1α (IL-1α) signaling in activating inflammatory cancer-associated fibroblasts (iCAFs) and mediating radiation-induced senescence, extracellular matrix (ECM) accumulation, and ultimately therapy resistance. We here summarize the recently initiated ACO/ARO/AIO-21 phase I trial, testing the IL-1 receptor antagonist (IL-1 RA) anakinra in combination with fluoropyrimidine-based chemoradiotherapy (CRT) for advanced rectal cancer.
Methods/Design: The ACO/ARO/AIO-21 is an investigator-driven, prospective, open-labeled phase I drug-repurposing trial assessing the maximum tolerated dose (MTD) of capecitabine administered concurrently to standard preoperative radiotherapy (45 Gy in 25 fractions followed by 9 Gy boost in 5 fractions) in combination with fixed doses of the IL-1RA anakinra (100 mg, days −10 to 40). Capecitabine will be administered using a 3 + 3 dose-escalation design (500 mg/m2 bid; 650 mg/m2 bid; 825 mg/m2 bid, respectively) from day 1 to day 40. Response assessment including digital rectal examination (DRE), endoscopy and pelvic magnetic resonance imaging (MRI) is scheduled 10 weeks after completion of CRT. For patients achieving clinical complete response (cCR), primary non-operative management is provided. In case of non-cCR immediate total mesorectal excision (TME) will be performed. Primary endpoint of this phase I trial is the MTD of capecitabine.
Discussion: Based on extensive preclinical research, the ACO/ARO/AIO-21 phase I trial will assess whether the IL-1RA anakinra can be safely combined with fluoropyrimidine-based CRT in rectal cancer. It will further explore the potential of IL-1 inhibition to overcome therapy resistance and improve response rates. A comprehensive translational research program will expand our understanding from a clinical perspective and may help translate the results into a randomized phase II trial.
Immunotherapy of cancer utilizes dendritic cells (DCs) for antigen presentation and the induction of tumor-specific immune responses. However, the therapeutic induction of anti-tumor immunity is limited by tumor escape mechanisms. In this study, immortalized dendritic D2SC/1 cells were transduced with a mutated version of the p53 tumor suppressor gene, p53M234I, or p53C132F/E168G, which are overexpressed in MethA fibrosarcoma tumor cells. In addition, D2SC/1 cells were fused with MethA tumor cells to generate a vaccine that potentially expresses a large repertoire of tumor-antigens. Cellular vaccines were transplanted onto Balb/c mice and MethA tumor growth and anti-tumor immune responses were examined in vaccinated animals. D2SC/1-p53M234I and D2SC/1-p53C132F/E168G cells induced strong therapeutic and protective MethA tumor immunity upon transplantation in Balb/c mice. However, in a fraction of immunized mice MethA tumor growth resumed after an extended latency period. Analysis of these tumors indicated loss of p53 expression. Mice, pre-treated with fusion hybrids generated from D2SC/1 and MethA tumor cells, suppressed MethA tumor growth and averted adaptive immune escape. Polyclonal B-cell responses directed against various MethA tumor proteins could be detected in the sera of D2SC/1-MethA inoculated mice. Athymic nude mice and Balb/c mice depleted of CD4(+) or CD8(+) T-cells were not protected against MethA tumor cell growth after immunization with D2SC/1-MethA hybrids. Our results highlight a potential drawback of cancer immunotherapy by demonstrating that the induction of a specific anti-tumor response favors the acquisition of tumor phenotypes promoting immune evasion. In contrast, the application of DC/tumor cell fusion hybrids prevents adaptive immune escape by a T-cell dependent mechanism and provides a simple strategy for personalized anti-cancer treatment without the need of selectively priming the host immune system.
Despite the great success of antiretroviral therapy, both in the treatment and prevention of HIV-1 infection, a vaccine is still urgently needed to end the epidemic. According to UNAIDS, in 2018, about 35% of HIV-1 infected persons did not receive antiretroviral therapy (ART), resulting in 1.7 million new infections in that year...
Despite the great success of antiretroviral therapy, both in the treatment and prevention of HIV-1 infection, a vaccine is still urgently needed to end the epidemic. According to UNAIDS, in 2018, about 35% of HIV-1 infected persons did not receive antiretroviral therapy (ART), resulting in 1.7 million new infections in that year. One major reason for actual HIV-1 transmissions is the fact that about 20% of HIV- 1 infected persons do not know about their HIV-positive status and therefore are not on ART despite the potential high viral load linked to high risk of virus transmission. Therefore, in particular in countries with high HIV incidence, a preventive vaccine is required to reduce HIV transmissions in the general population. In this special issue of Vaccines, invited experts contribute a series of articles to the current understanding of antibody-based HIV-1 vaccine development. ...
Long non-coding RNAs (lncRNAs) contribute to cardiac (patho)physiology. Aging is the major risk factor for cardiovascular disease with cardiomyocyte apoptosis as one underlying cause. Here, we report the identification of the aging-regulated lncRNA Sarrah (ENSMUST00000140003) that is anti-apoptotic in cardiomyocytes. Importantly, loss of SARRAH (OXCT1-AS1) in human engineered heart tissue results in impaired contractile force development. SARRAH directly binds to the promoters of genes downregulated after SARRAH silencing via RNA-DNA triple helix formation and cardiomyocytes lacking the triple helix forming domain of Sarrah show an increase in apoptosis. One of the direct SARRAH targets is NRF2, and restoration of NRF2 levels after SARRAH silencing partially rescues the reduction in cell viability. Overexpression of Sarrah in mice shows better recovery of cardiac contractile function after AMI compared to control mice. In summary, we identified the anti-apoptotic evolutionary conserved lncRNA Sarrah, which is downregulated by aging, as a regulator of cardiomyocyte survival.
Die maligne Transformation von Zellen beruht auf der Mutation von Genen, die entartete Zellen der regulierenden Wachstumskontrolle entziehen, ihre Versorgung sicher stellen und sie unempfindlich gegen apoptoseinduzierende Signale machen (Hanahan und Weinberg, 2000). Klassische Behandlungsmethoden wie Strahlen- und Chemotherapie wirken häufig über die Aktivierung apoptotischer Signalwege, die jedoch in behandlungsresistenten Tumorzellen blockiert sein können. Das selektive Einbringen proapoptotischer Proteine in Tumorzellen stellt daher eine vielversprechende Strategie zur Umgehung solcher Blockaden dar. In dieser Arbeit wurden tumorspezifische Antikörperfusionsproteine generiert, die humane Zelltod auslösende Proteine als Effektorfunktion enthalten. Das mitochondriale Protein „apoptosis inducing factor“ (AIF) wird durch diverse Apoptosesignale in das Zytoplasma freigesetzt. AIF leitet nach der Translokation in den Zellkern Chromatinkondensation und Degradation der nukleären DNA ein (Cande et al., 2004b). Zur selektiven Einschleusung von zytoplasmatischem AIF (AIF!100) in ErbB2 exprimierende Tumorzellen wurde es an das ErbB2-spezifische „single chain“ Antikörperfragment scFv(FRP5) fusioniert, welches von dem monoklonalen Antikörper FRP5 abgeleitet ist (Wels et al., 1992b). Daneben enthält ein zunächst generiertes AIF!100-DT183-378-5 Fusionsprotein eine Translokationsdomäne aus Diphtherietoxin (AA 183-378) als mögliche „endosome escape“ Aktivität. Diese Domäne sollte der Effektordomäne nach rezeptorvermittelter Aufnahme den Übergang in das Zytoplasma erlauben. Die Expression dieses Moleküls in E. coli und der Hefe Pichia pastoris führte jedoch nicht zu funktionellen AIF!100-DT183-378-5 Proteinen. Daher wurde für nachfolgende Arbeiten ein ähnliches AIF-Fusionsprotein (5-E-AIF!100) aus früheren Arbeiten unserer Gruppe eingesetzt und sein Wirkmechanismus eingehend untersucht. Im Gegensatz zu AIF!100-DT183-378-5 enthält 5-E-AIF!100 die Translokationsdomäne aus Pseudomonas Exotoxin A. Bakteriell exprimiertes, gereinigtes und renaturiertes 5-E-AIF!100 zeigte eine hohe Spezifität für ErbB2 exprimierende Tumorzellen. Im Gegensatz zu unfusioniertem AIF!100 induzierte 5-E-AIF!100 nach Mikroinjektion in das Zytoplasma der Zielzellen keine Apoptose. Dies deutet darauf hin, dass möglicherweise die N-terminale Antikörperdomäne die proapoptotische Aktivität der AIF-Domäne blockiert. Erst die rezeptorvermittelte Aufnahme von 5-E-AIF!100 in Anwesenheit von Chloroquin resultierte in einer hohen Zytotoxizität. Auf diesem Weg wird sehr wahrscheinlich durch proteolytische Spaltung der innerhalb der Translokationsdomäne vorhandenen Furin-Schnittstelle der N-terminale Bereich des Fusionsproteins entfernt. Die eigentliche Translokation der AIF-Domäne findet jedoch ohne die Zugabe endosomolytischer Reagenzien nicht statt, was für eine unzureichende Aktivität der Translokationsdomäne spricht. Die vollständige Entfernung der Translokationsdomäne führte dennoch zu einem AIF-Fusionsprotein, das weder in Abwesenheit noch in Gegenwart von Chloroquin zytotoxisch aktiv ist (Dälken, 2005). Somit ist die in der Translokationsdomäne enthaltene Furin- Schnittstelle sehr wahrscheinlich für die Aktivierung von 5-E-AIF!100 von entscheidender Bedeutung. Im Fall des natürlichen Exotoxin A ist zusätzlich zu der in 5-E-AIF!100 verwendeten Translokationsdomäne ein C-terminales ER-Retentionssignal für einen effizienten Übertritt der katalytisch aktiven Toxindomäne ins Zytoplasma notwendig (Jackson et al., 1999). Das Anfügen eines KDEL-Signals an den C-Terminus von 5-E-AIF!100 führte jedoch nicht zur Erhöhung der „endosome escape“ Aktivität der Translokationsdomäne. Die ladungsabhängige DNA-Bindungsaktivität von AIF ist für die proapoptotische Funktion des Proteins essentiell. Bindung an DNA wurde auch für 5-E-AIF!100 nachgewiesen, und konnte durch Vorinkubation mit negativ geladenem Heparin inhibiert werden. Die Komplexierung mit Heparin führte zu einer erheblichen Reduktion der zytotoxischen Aktivität von 5-E-AIF!100. Mit großer Wahrscheinlichkeit ist die Abschwächung der Zytotoxizität auf die intrazelluläre Inhibition der AIF/DNA-Interaktion zurückzuführen. Dies bestätigt, dass diese Wechselwirkung für die zelltodinduzierende Eigenschaft von 5-E-AIF!100 von Bedeutung ist. Die Freisetzung Immuntoxin-ähnlicher Proteine, die sich nach rezeptorvermittelter Aufnahme in endosomalen Kompartimenten finden, erfordert häufig die Zugabe endosomolytischer Reagenzien. Um eine von endosomolytischen Reagenzien unabhängige Zytotoxizität der Antikörperfusionsproteine zu erreichen, wurden in dieser Arbeit Möglichkeiten zur Umgehung dieser Abhängigkeit untersucht. Hierzu wurde die Natürliche Killerzelllinie NK-92 eingesetzt. Die Eliminierung von infizierten und transformierten Zellen durch NK-Zellen geschieht hauptsächlich über die Ausschüttung von zytotoxischen Granula, die das porenbildende Protein Perforin und verschiedene Serinproteasen wie Granzym B (GrB) enthalten (Atkinson et al., 1990; Smyth et al., 2001). Dabei ist Perforin für die zytosolische Translokation der Proteasen verantwortlich (Browne et al., 1999). Anhand des Modellproteins Granzym B-scFv(FRP5) (GrB-5) wurde untersucht, ob Antikörperfusionsproteine mit Hilfe von Perforin in das Zytoplasma der Zielzellen gelangen können. GrB-5 wurde in NK-92 Zellen unter Beibehaltung der Spezifität und enzymatischen Aktivität exprimiert. GrB-5 ist wie Wildtyp GrB in zytotoxischen Granula lokalisiert und wird nach der Degranulation sehr wahrscheinlich zusammen mit Perforin sekretiert. Freigesetztes GrB-5 zeigte Bindung an ErbB2 exprimierende Zellen. Zudem wiesen Überstände von aktivierten NK-92 Zellen, die GrB-5 und Perforin enthielten, im Vergleich zu Überständen von Kontrollzellen eine höhere Zytotoxizität gegenüber ErbB2-positiven Tumorzellen auf. Dies lässt darauf schließen, dass GrB-5 in Abwesenheit exogener endosomolytischer Reagenzien durch einen Perforin-vermittelten Mechanismus in die Zielzellen gelangen konnte. Weiterhin wurden NK-92 Zellen generiert, die den GrB-Inhibitor Protease Inhibitor-9 (PI-9) exprimieren. Diese Zellen zeigten im Vergleich zu parentalen Zellen eine höhere Zytotoxizität, die sich auf eine verbesserte Inaktivierung fehlgeleiteter, zytoplasmatischer GrB-Moleküle durch das ektopisch exprimierte PI-9 zurückführen lässt. NK-92-PI-9 Zellen könnten genutzt werden, um größere Mengen von GrB-Fusionsproteinen zu exprimieren, ohne dabei die Zellen durch die Erhöhung der zytoplasmatischen GrB-Konzentration zu gefährden. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass AIF für den Einsatz als Effektorfunktion in Immuntoxin-ähnlichen Fusionsproteinen geeignet ist. Die Anwendung von NK-Zellen zur Expression und Sekretion tumorspezifischer Antikörperfusionsproteinen zusammen mit Perforin zeigt einen möglichen Lösungsweg für das generelle Aufnahmeproblem von Immuntoxin-ähnlichen Proteinen. Die erzielten Ergebnisse können nun für die weitere Optimierung humanisierter Antikörperfusionsproteine genutzt werden.
Signal transducer and activator of transcription 6 (STAT6) regulates transcriptional activation in response to interleukin-4 (IL-4)-induced tyrosine phosphorylation by direct interaction with coactivators. The CREB-binding protein and the nuclear coactivator 1 (NCoA-1), a member of the p160/steroid receptor coactivator family, bind independently to specific regions of STAT6 and act as coactivators. In this study we show that an LXXLL motif in the STAT6 transactivation domain mediates the interaction with NCoA-1. Peptides representing this motif as well as antibodies generated against this motif inhibited STAT6/NCoA-1 interaction in glutathione S-transferase pulldown assays. Peptides derived from the STAT6 transactivation domain adjacent to the LXXLL motif as well as antibodies against these peptides showed no inhibitory effect. Mutagenesis of the LXXLL motif eliminated the STAT6/NCoA-1 interaction in vitro and in vivo, supporting the specific role of this motif in NCoA-1 binding. Importantly, mutagenesis of the STAT-LXXLL motif strongly diminished the IL-4-regulated activation of the endogenous STAT6 target gene eotaxin-3. Taken together, these results indicate that the STAT6-LXXLL-binding motif mediates the interaction with NCoA-1 in transcriptional activation and represents a new potential drug target for the inhibition of the STAT6 transactivation function in allergic diseases.
Analysis of knockout/knockin mice that express a mutant FasL lacking the intracellular domain
(2009)
Fas ligand (FasL; CD178; CD95L) is a type II transmembrane protein belonging to the tumour necrosis factor family; its binding to the Fas receptor (CD95; APO-1) triggers apoptosis in the receptor-bearing cell. Signalling through this pathway plays a pivotal role during the immune response and in immune system homeostasis. Similar to other TNF family members, the intracellular domain has been reported to transmit signals to the inside of the FasL-bearing cell (reverse signalling). Recently, we identified the proteases ADAM10 and SPPL2a as molecules important for the processing of FasL. Protease cleavage releases the intracellular domain, which then is able to translocate to the nucleus and to repress reporter gene activity. To study the physiological importance of FasL reverse signalling in vivo, we established knockout/knockin mice with a FasL deletion mutant that lacks the intracellular portion (FasLDeltaIntra). Co-culture experiments confirmed that the truncated FasL protein is still capable of inducing apoptosis in Fas-sensitive cells. Preliminary immune histochemistry data suggest that, in contrast to published data, the absence of the intracellular FasL domain does not alter the intracellular FasL localization in activated T cells. We are currently investigating signalling and proliferative capacities of T cells derived from homozygous FasLDeltaIntra mice to validate a co-stimulatory role of FasL reverse signalling.
Adult neurogenesis is regulated by stem cell niche-derived extrinsic factors and cell-intrinsic regulators, yet the mechanisms by which niche signals impinge on the activity of intrinsic neurogenic transcription factors remain poorly defined. Here, we report that MEIS2, an essential regulator of adult SVZ neurogenesis, is subject to posttranslational regulation in the SVZ olfactory bulb neurogenic system. Nuclear accumulation of MEIS2 in adult SVZ-derived progenitor cells follows downregulation of EGFR signaling and is modulated by methylation of MEIS2 on a conserved arginine, which lies in close proximity to nested binding sites for the nuclear export receptor CRM1 and the MEIS dimerization partner PBX1. Methylation impairs interaction with CRM1 without affecting PBX1 dimerization and thereby allows MEIS2 nuclear accumulation, a prerequisite for neuronal differentiation. Our results describe a form of posttranscriptional modulation of adult SVZ neurogenesis whereby an extrinsic signal fine-tunes neurogenesis through posttranslational modification of a transcriptional regulator of cell fate.
Antigen presentation to cytotoxic T lymphocytes via major histocompatibility complex class I (MHC I) molecules depends on the heterodimeric transporter associated with antigen processing (TAP). For efficient antigen supply to MHC I molecules in the ER, TAP assembles a macromolecular peptide-loading complex (PLC) by recruiting tapasin. In evolution, TAP appeared together with effector cells of adaptive immunity at the transition from jawless to jawed vertebrates and diversified further within the jawed vertebrates. Here, we compared TAP function and interaction with tapasin of a range of species within two classes of jawed vertebrates. We found that avian and mammalian TAP1 and TAP2 form heterodimeric complexes across taxa. Moreover, the extra N-terminal domain TMD0 of mammalian TAP1 and TAP2 as well as avian TAP2 recruits tapasin. Strikingly, however, only TAP1 and TAP2 from the same taxon can form a functional heterodimeric translocation complex. These data demonstrate that the dimerization interface between TAP1 and TAP2 and the tapasin docking sites for PLC assembly are conserved in evolution, whereas elements of antigen translocation diverged later in evolution and are thus taxon specific.
Background: Murine leukemia virus (MLV) vector particles can be pseudotyped with a truncated variant of the human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) envelope protein (Env) and selectively target gene transfer to human cells expressing both CD4 and an appropriate co-receptor. Vector transduction mimics the HIV-1 entry process and is therefore a safe tool to study HIV-1 entry. Results: Using FLY cells, which express the MLV gag and pol genes, we generated stable producer cell lines that express the HIV-1 envelope gene and a retroviral vector genome encoding the green fluorescent protein (GFP). The BH10 or 89.6 P HIV-1 Env was expressed from a bicistronic vector which allowed the rapid selection of stable cell lines. A codon-usage-optimized synthetic env gene permitted high, Rev-independent Env expression. Vectors generated by these producer cells displayed different sensitivity to entry inhibitors. Conclusion: These data illustrate that MLV/HIV-1 vectors are a valuable screening system for entry inhibitors or neutralizing antisera generated by vaccines.
Die Transkription vieler Gene wird über den Acetylierungsgrad der Histone reguliert. Entsprechend erweiterte die Entdeckung von Histondeacetylase-Inhibitoren das Verständnis um Transkriptions-Repressoren und ihre Rolle in der Pathogenese beträchtlich. Zur Zeit stehen die Modifikationen der Histondeacetylasen (HDACs) sowie die biologischen Rollen der verschiedenen HDAC-Isoenzyme im Zentrum intensiver Forschungsarbeiten.
In der vorliegenden Arbeit wurde anhand verschiedener Zelllinien und mit murinem Primärmaterial nachgewiesen, dass das gut verträgliche Antiepileptikum Valproinsäure (VPA) ein potenter HDAC-Inhibitor ist. Dies zeigt sich daran, dass VPA in vivo die durch HDACs vermittelte transkriptionelle Repression aufhebt und zur Akkumulation hyperacetylierter Histone führt. In vitro Enzymassays weisen darauf hin, dass VPA selbst und nicht ein hypothetischer Metabolit die Histondeacetylasen hemmt. Darüber hinaus wurde mit Bindungs- und Kompetitionsstudien festgestellt, dass eine Interaktion von VPA mit dem katalytischen Zentrum der HDACs stattfindet.
Weitere Analysen zeigten, dass VPA bevorzugt Klasse I HDACs hemmt. Durch dieses Merkmal einer erhöhten Spezifität bei gleichzeitig guter Bioverfügbarkeit definiert VPA eine neue Klasse von HDAC-Inhibitoren. Hieraus ergeben sich Hinweise auf strukturelle Anforderungen, die ein HDAC-Inhibitor erfüllen muß, um spezifischer und weniger toxisch als konventionelle Chemotherapeutika zu wirken. Außerdem eröffnete das neu entdeckte pharmakologische Wirkungsspektrum von VPA auf HDACs Erkenntnisse um zusätzliche therapeutische Einsatzmöglichkeiten dieses etablierten Arzneimittels. Bereits jetzt wird VPA in klinischen Studien an Patienten mit Krebs verabreicht.
HDAC-Inhibitoren gelten als potentielle Medikamente für die Therapie maligner Neoplasien. Deshalb besteht großes Interesse an den molekularen Mechanismen, mit denen Substanzen dieser Wirkstoffklasse das Wachstum transformierter Zellen in vitro und in vivo hemmen. In den humanen Melanomzelllinien SK-Mel-37 und Mz-Mel-19 bewirken klinisch relevante VPA-Dosen eine zeit- und dosisabhängige Akkumulation von Zellzyklusinhibitoren und hyperacetylierten Histonen, morphologische Veränderungen und eine verringerte Proliferationsrate. Die verminderte Proliferation wird von einem veränderten Zellzyklusprofil und Apoptose unter Beteiligung sowohl der extrinsisch als auch der intrinsisch bedingten Caspase-Kaskade begleitet. Dies manifestiert sich in der Spaltung der Caspasen 3, 8 und 9, einer Schädigung der Mitochondrien, der apoptotischen PARP-Spaltung, einem Abbau der genomischen DNA und einer Inaktivierung des GFP-Proteins.
Diese Analysen in Melanomzellen sprechen dafür, dass die weitgehend selektive Wirkung von VPA auf Klasse I HDACs der Mechanismus ist, mit dem diese Substanz das Wachstum bestimmter Tumorzellen hemmt. Durch Genexpressions-Analysen konnten außerdem neue Modelle zum Einfluss von VPA auf solide Tumoren postuliert werden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Expression und Induzierbarkeit der Zellzyklusregulatoren p21WAF/CIP1 und p27Kip1 und des latent cytoplasmatischen Transkriptionsfaktors Stat1 Biomarker für die Sensitivität von Melanomzellen gegenüber HDAC-Inhibitoren sind. Im Einklang hiermit wird die proapoptotische Wirkung von VPA durch das Cytokin Interferon α und den S-Phase-Inhibitor Hydroxyharnstoff deutlich gesteigert. Diese Ergebnisse sprechen für den Einsatz von VPA in tierexperimentellen und klinischen Studien.
Aufgrund der Schlüsselrolle der HDACs für die physiologische und aberrante Genexpression ist es wichtig, die Mechanismen ihrer Regulation zu kennen. In der vorliegenden Arbeit wurde anhand zahlreicher kultivierter Zelllinien und mittels eines Mausmodells gezeigt, dass therapeutisch einsetzbare VPA-Dosen neben der Hemmung enzymatischer Aktivität auch zu einer isoenzymspezifischen Verringerung der Klasse I Histondeacetylase HDAC2 führen. Als Ursache hierfür konnten eine verstärkte Poly-Ubiquitinylierung und ein proteasomaler Abbau ermittelt werden. Gleichzeitig wurden die Beteiligung etlicher Proteasen und eine veränderte Synthese oder Prozessierung der HDAC2-mRNA als Mechanismen ausgeschlossen.
Expressionsanalysen identifizierten die E2 Ubiquitinkonjugase Ubc8 als von HDAC-Inhibitoren induziertes Gen. Mittels transienter Überexpression („Gain-of-Function“) und siRNA-Experimenten („Loss-of-Function“) konnte dieses Gen als limitierender Faktor des HDAC2-Umsatzes in vivo erkannt werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass die E3 Ubiquitinligase RLIM spezifisch mit HDAC2 interagiert. Die Expression von RLIM beziehungsweise seine enzymatische Funktion beeinflusst die HDAC2-Konzentration in vivo. Hierbei kann VPA klar von dem HDACInhibitor Trichostatin A (TSA) abgegrenzt werden. Dieser hemmt ein breites Spektrum an HDACs und induziert Ubc8, führt aber gleichzeitig zu einem proteasomal vermittelten Abbau des RLIM-Proteins. Analysen mit überexprimiertem RLIM zeigten, dass TSA aufgrund dieses Mechanismus nicht in der Lage ist, den Abbau von HDAC2 zu induzieren. Somit ist im Rahmen dieser Arbeit die Ubiquitinylierungs-Maschinerie für HDAC2 charakterisiert worden. Hierdurch sind neue Aspekte zum Zusammenspiel zwischen dem Ubiquitin-Proteasom-System und der Transkriptionsrepression nachgewiesen worden.
Isoenzymspezifische HDAC-Inhibitoren können zur Aufklärung der Funktion einzelner Histondeacetylasen beitragen, insbesondere wenn Knock-Out-Studien zu aufwendig oder aufgrund embryonaler Letalität nicht durchführbar sind. Die Wichtigkeit dieser Analysen wird gerade bei HDAC2 deutlich, da diese Histondeacetylase in vielen soliden und hämatologischen Tumoren überexprimiert ist, und ihre Deregulation möglicherweise zur Krebsentstehung beiträgt. Die in der vorliegenden Arbeit identifizierte Regulation dieses HDAC-Isoenzyms könnte Hinweise auf den Ablauf eines malignen Transformationsprozesses geben. Darüber hinaus zeigt der nachgewiesene Regulationsmechanismus Erfordernisse und potentielle Zielstrukturen einer pharmakologischen Intervention auf. Schließlich könnten die Selektivität von VPA für Klasse I HDACs zusammen mit der Spezifität für HDAC2 die Gründe für die geringen Nebenwirkungen der VPA-Behandlung bei gleichzeitigem Auftreten antitumoraler Effekte sein.
The tumor necrosis factor family member Fas ligand (FasL) induces apoptosis in Fas receptor-expressing target cells and is an important cytotoxic effector molecule used by CTL- and NK-cells. In these hematopoietic cells, newly synthesized FasL is stored in specialized secretory lysosomes and only delivered to the cell surface upon activation and target cell recognition. FasL contains an 80-amino acid-long cytoplasmic tail, which includes a proline-rich domain as a bona fide Src homology 3 domain-binding site. This proline-rich domain has been implicated in FasL sorting to secretory lysosomes, and it may also be important for reverse signaling via FasL, which has been described to influence T-cell activation. Here we report the identification of the Src homology 3 domain-containing adaptor protein PSTPIP as a FasL-interacting partner, which binds to the proline-rich domain. PSTPIP co-expression leads to an increased intracellular localization of Fas ligand, thereby regulating extracellular availability and cytotoxic activity of the molecule. In addition, we demonstrate recruitment of the tyrosine phosphatase PTP-PEST by PSTPIP into FasL·PSTPIP·PTP-PEST complexes which may contribute to FasL reverse signaling.
The receptor tyrosine kinase ErbB2 (HER2) is overexpressed in multiple human tumors of epithelial origin. High ErbB2 expression is functionally involved in tumorigenesis and correlates with poor clinical prognosis. For immunotherapy of ErbB2 expressing tumors, we developed a strategy to supply the tumor cells with costimulatory activity. A bispecific fusion protein was constructed (BIg5), containing the IgV-like domain of huCD86, the CH2/CH3 domain of huIgG1 and the ErbB2-specific single chain antibody fragment scFv(FRP5). A similar fusion protein lacking the CD86 domain (Ig5) was used as a control. Upon binding of BIg5 to ErbB2 on tumor cells, these cells display CD86 on their surface and thus can deliver costimulatory signals for T-cell activation. In addition, NK cells could be activated by CD86 binding to CD28. BIg5 is secreted by eukaryotic cells as a homodimer with increased stability compared to monomers and possibly enhanced costimulatory activity due to crosslinking of CD28 on effector cells. By FACS analysis, specific binding of the scFv(FRP5) domain to ErbB2 as well as CD86 IgV binding to CTLA-4 could be demonstrated. Together with anti-CD3 antibody, BIg5 stimulates proliferation of human CD2-purified lymphocytes in vitro. After binding to ErbB2 on murine Renca-lacZ/ErbB2 tumor cells, about 50% of initially bound BIg5 is still present on the cell surface after 4 hours. For delivery of chimeric fusion proteins in vivo, we used syngeneic, stably transfected HC11 mammary epithelial cells continuously secreting the proteins. Inoculation of these bystander cells close to subcutaneously growing Renca-lacZ/ErbB2 tumors should provide a long-lasting source to achieve high local concentrations of BIg5 at the tumor site. In vivo HC11-BIg5 cells proved to be non-tumorigenic and secreted BIg5 for several weeks, causing a strong anti-BIg5 antibody response. Treatment of established Renca-lacZ/ErbB2 or ErbB2-negative Renca-lacZ tumors by peritumoral inoculation of either HC11-BIg5 or HC11-Ig5 cells led to rejection of all Renca-lacZ/ErbB2, but none of the Renca-lacZ tumors. HC11neo control cells had no effect on tumor growth. Rejection of ErbB2+ tumors led to long-term protection also against subsequent challenge with intravenously injected ErbB2- tumor cells. Intraperitoneal injection of bystander cells secreting the fusion proteins did not lead to tumor regression suggesting that high local concentrations at the tumor site are necessary to target ErbB2 on tumor cells and to overcome elimination of BIg5 or Ig5 by neutralizing antibodies. The CD86 IgV domain of BIg5 did not play a major role in the observed antitumoral immune response suggesting NK-cell mediated ADCC as the initial effector mechanism followed by activation of tumor specific T cells. Targeting of ErbB2 on tumor cells with antibody fusion proteins that interact specifically with the host immune system could be an efficient and specific approach for therapy of solid ErbB2+ tumors.
Bispezifische transmembrane Antikörperfragmente zur Inhibierung von ErbB-Wachstumsfaktor-Rezeptoren
(2014)
Der epidermale Wachstumsfaktor-Rezeptor (EGFR) und das ErbB2 Molekül sind Mitglieder der ErbB-Rezeptortyrosinkinase-Familie. Die Bindung von Peptidliganden an die extrazelluläre Domäne (ECD) von EGFR führt zu einer Konformationsänderung, die den Dimerisierungs-kompetenten Zustand des Rezeptors stabilisiert und eine Homodimerisierung oder Heterodimerisierung mit anderen ErbB-Rezeptoren erlaubt. ErbB2 liegt dagegen ohne Ligandenbindung dauerhaft in einer Dimerisierungskompetenten Konformation vor. Die Rezeptordimerisierung stimuliert die intrazelluläre Kinaseaktivität, was zu einer Autophosphorylierung distinkter Tyrosine im C-terminalen Schwanz der Rezeptoren führt. Diese Phosphotyrosine dienen als Bindungsstellen unterschiedlicher intrazellulärer Substrate und Adaptorproteine, die Zellwachstums-, Migrations- und Überlebens-fördernde Signalkaskaden auslösen. Eine Über- oder Fehlfunktion dieser Rezeptoren wurde in vielen Karzinomen epithelialen Ursprungs sowie in Glioblastomen beschrieben und mit einem aggressiven Krankheitsverlauf in Verbindung gebracht.
Der therapeutische Antikörper Cetuximab inhibiert das Tumorwachstum, indem er an die ECD von EGFR bindet und dabei die Ligandenbindung und Rezeptoraktivierung unterbindet. Dieselben Eigenschaften weist das single chain fragment variable (scFv) 225 auf, das die gleiche Antigenbindungsdomäne besitzt. Ein weiteres scFv-Antikörperfragment, scFv(30), wurde in vorangegangenen Arbeiten der Gruppe aus einer scFv-Bibliothek isoliert und bindet als zytoplasmatisch stabil exprimierbares Molekül an die intrazelluläre Domäne (ICD) des EGFR.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde das bislang unbekannte Epitop des scFv(30) Antikörperfragments mittels Peptid-Spotting Experimenten bestimmt. Die Bindungsstelle des scFv(30) Proteins wurde dabei am C-terminalen Ende der EGFR Sequenz lokalisiert und umfasst die Aminosäuresequenz GIFKGSTAE (AS 1161-1169 des reifen EGFR Proteins).
Die Expression von Antikörperfragmenten als sogenannte Intrabodies in Tumorzellen stellt einen wirkungsvollen Ansatz zur selektiven Interferenz mit wichtigen physiologischen und pathophysiologischen Prozessen dar. Im zweiten Teil der vorgelegten Arbeit wurde das EGFR-ECD-spezifische Antikörperfragment scFv(225) über eine Transmembrandomäne und eine flexible Gelenkregion mit dem EGFR-ICD-spezifischen scFv(30) Molekül zu einem neuartigen bispezifischen Antikörper verbunden. Die konstitutive Expression dieses 225.TM.30 Intrabodies und der monospezifischen Variante 225.TM nach lentiviraler Transduktion von EGFR-überexprimierenden MDA MB468 und A431 Tumorzellen resultierte in einer substanziellen Reduktion der EGFR-Oberflächenexpression und einer Blockierung der Liganden-induzierten EGFR-Autophosphorylierung, begleitet von einer deutlichen Inhibition des Zellwachstums. Eine weitere Analyse der 225.TM.30-induzierten molekularen Prozesse in diesen Tumorzellen im Vergleich zu den beiden monospezifischen Varianten 225.TM und TM.30 erfolgte mittels eines Tetracyclin-induzierbaren Expressionssystems. Dazu wurden A431, MDA-MB468 und EGFR-negative MDA-MB453 Zellen zunächst mit retroviralen Vektorpartikeln transduziert, die für den optimierten reversen Tetracyclin-kontrollierten Transaktivator (M2) kodieren. Anschließend erfolgte die Tansduktion mit retroviralen transmembranen Antikörperkonstrukten, kontrolliert von einem Tetracyclin-induzierbaren Promoter (T6). Die Doxycyclin (Dox)-induzierte Expression von 225.TM.30 und 225.TM bestätigte die im konstitutiven Expressionssystem beobachteten Ergebnisse. TM.30-exprimierende Zellen zeigten dagegen keinen Unterschied in der Oberflächenexpression oder Aktivierbarkeit von EGFR zu parentalen Zellen, wiesen aber dennoch eine deutliche Inhibition des Wachstums auf. Konfokale Laserscanning Mikroskopie Studien zeigten eine Co-Lokalisation von 225.TM und EGFR hauptsächlich an der Zelloberfläche, während 225.TM.30 und TM.30 im endoplasmatischen Retikulum detektiert wurden und EGFR in diesem Kompartiment festhielten. Die TM.30/EGFR-Komplexe im ER könnten eine ER-Stress-Antwort auslösen und damit das reduzierte Wachstum TM.30-exprimierender Zellen erklären. Tatsächlich wurden in MDA MB468/M2/iTM.30 und A431/M2/iTM.30 Zellen erhöhte Proteindisulfidisomerase (PDI) und teilweise GRP78/BiP Proteinmengen detektiert, die auf eine ER-Stress-Antwort hindeuten. Das bispezifische 225.TM.30 Molekül vereinte die Eigenschaften der monospezifischen Antikörpervarianten. Es hielt wie TM.30 Anteile des EGFR im ER zurück und war wie 225.TM in der Lage, die EGFR-Oberflächenexpression zu reduzieren und die EGFR-Autophosphorylierung zu inhibieren.
Die Expression der drei transmembranen Antikörper in EGFR-negativen MDA-MB453/M2 Zellen hatte dagegen keinen Einfluss auf das Wachstum dieser Zellen, was die EGFR-Spezifität der vorgestellten Moleküle unterstreicht.
Im letzten Teil der vorgelegten Arbeit wurde die scFv(225) Domäne in 225.TM.30 gegen das ErbB2-ECD-spezifische scFv(FRP5) Molekül ausgetauscht, und somit ein ErbB2-ECD- und EGFR-ICD-spezifischer Intrabody generiert (5.TM.30). Nach der Dox-induzierten Expression des 5.TM.30 Moleküls in EGFR- und/oder ErbB2-exprimierenden Tumorzellen wurde die Funktionalität beider Bindungsdomänen verifiziert. Die 5.TM.30 Expression resultierte dabei in ErbB2-positiven Tumorzellen in einer verringerten Oberflächen- und Gesamtexpression von ErbB2 und in EGFR-positiven Zellen in einer Reduktion der EGFR-Gesamtproteinmenge. Dies lässt auf eine erhöhte, 5.TM.30-induzierte Degradation der beiden Rezeptoren schließen. Die Expression des 5.TM.30 Proteins führte zudem zu einer Inhibition des Wachstums EGFR- und/oder ErbB2-positiver Zellen. Weiterhin wurde auch in 5.TM.30-exprimierenden MDA-MB468/M2 Zellen, wie für 225.TM.30 und TM.30 beschrieben, eine Co-Lokalisation des transmembranen Antikörperfragments mit EGFR im ER gezeigt.
Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse weisen erstmals die Funktionalität von membranverankerten mono- und bispezifischen Antikörpermolekülen als Intrabodies nach, und zeigen ihr Potenzial zur gerichteten Interferenz mit der Wachstumsfaktor-abhängigen Signaltransduktion. Durch den Austausch der extra- und intrazellulären Antikörperdomänen könnte diese Strategie ebenso zur Analyse oder Blockade weiterer Signalmoleküle und Signalkomplexe eingesetzt werden.
Cancer research has become a global enterprise, and the number of researchers, as well as the cost for their activities, has skyrocketed. The budget for the National Cancer Institute of the United States National Institutes of Health alone was US$5.2 billion in 2015. Since most of the research is funded by public money, it is perfectly legitimate to ask if these large expenses are worth it. In this brief commentary, we recapitulate some of the breakthroughs that mark the history of breast cancer research over the past decades and emphasize the resulting benefits for afflicted women. In 1971, only 40% of women diagnosed with breast cancer would live another 10 years. Today, nearly 80% of women reach that significant milestone in most developed countries. This dramatic change has afforded breast cancer patients many productive years and a better quality of life. Progress resulted largely from advances in the understanding of the molecular details of the disease and their translation into innovative, rationally designed therapies. These developments are founded on the revolution in molecular and cellular biology, an entirely new array of methods and technologies, the enthusiasm, optimism, and diligence of scientists and clinicians, and the considerable funding efforts from public and private sources. We were lucky to be able to spend our productive years in a period of scientific upheaval in which methods and concepts were revolutionized and that allowed us to contribute, within the global scientific community, to the progress in basic science and clinical practice.
Die aktuellen HIV Medikamente basieren sich zum größten Teil auf Substanzen, die gegen virale Proteine gerichtet sind. Ein großer Nachteil dieser Medikamente besteht darin, dass das HI-Virus durch Mutationen Resistenzen gegen diese Substanzen entwickeln kann. Zelluläre Co-Faktoren als antivirales Ziel in der HIV-Therapie zu nutzen, könnte ein neuer Lösungsansatz sein, da das menschliche Genom stabiler ist als das virale. Der Schwerpunkt dieser Arbeit konzentriert sich auf die RNA Helikase DDX3, welche als zellulärer Co-Faktor für die HIV-1 Replikation identifiziert wurde.
Im Rahmen der Dissertation wurde die RNA-Helikase DDX3 durch biochemische Untersuchungen von DDX3Wt und DDX3-Mutanten näher charakterisiert. Die Versuche zeigten, dass die konservierten Motive V und VI bei DDX3Wt für die Bindung und Hydrolyse von ATP essentiell sind. Die spezifische DDX3 Insertion wies ebenfalls eine mutmaßliche Rolle bei der ATP-Bindung und bei Ausbildung der ATP-Bindestelle auf. Ferner konnte für die spezifische Insertion von DDX3 eine Funktion bei der Bindung von viraler RNA Bindungsnachweise nachgewiesen werden. Daher bietet diese Insertion von DDX3 ein mögliches Ziel für die spezifische Modulation bzw. Manipulation der Interaktion von DDX3Wt und viralen Interaktionspartnern sein, ohne weitere RNA Helikasen zu beeinflussen.
Zusätzlich wurden weitere Eigenschaften von DDX3Wt entdeckt. Die ATPase-Aktivität von DDX3Wt konnte durch die Zugabe von ssDNA deutlicher stimuliert werden, als durch die Zugabe ssRNA. Das DDX3Wt eine höhere katalytische Effizienz durch DNA aufweist ist neu, da die meisten DEAD-box Helikasen eine Präferenz für RNA als Co-Faktor für die ATPase-Aktivität besitzen. Des Weiteren konnte erstmalig nachgewiesen werden, dass DDX3 neben der ATPase-Aktivität auch eine Exonuklease-Aktivität besitzt. Die Versuche zeigten, dass DDX3Wt in der Lage war, ssDNA und dsDNA effizient zu spalten. In der DDX3Wt AS-Sequenz wurden fünf Aminosäuresequenz-Motive, sogenannte Exonuklease-Boxen identifiziert, die mit der Exonukleaseaktivität in Verbindung gebracht werden. Die Untersuchung der Bindungseigenschaften von DDX3Wt zeigte auf, dass DDX3Wt auch ohne den zellulären Co-Faktor XPO1 in der Lage ist, virale HIV-1 RNA und DNA direkt zu binden. Diese Erkenntnisse tragen dazu bei, die Funktionen von DDX3Wt im zellulären System besser zu verstehen. Eine genaue Analyse ist Voraussetzung für die Entwicklung von spezifischen Inhibitoren, die die Interaktion von HIV-1 und DDX3Wt hemmen sollen ohne dabei zelluläre Prozesse negativ zu beeinflussen.
Durch Lokalisationsstudien konnte ein neuer relevanter Angriffspunkt für die Inhibition der HIV-1 Replikation identifiziert werden. Denn entgegen den Literaturangaben spielt das putative Leucin-reiche Exportsignal im N-Terminus von DDX3Wt eine wichtige Rolle beim Export aus dem Zellkern und somit auch für die Interaktion mit XPO1.
Mithilfe der Phagen-Display-Technologie konnte im Rahmen dieser Arbeit ein Sequenz-spezifischer Peptid-Ligand für die Insertion von DDX3 identifiziert werden, der eine Aminosäurehomologie zu dem zellulären Co-Faktor XPO1 zeigt. Das identifizierte Peptid DDX3-INS1 wurde für weitere Untersuchungen in Verbindung mit einer Proteintransduktionsdomäne synthetisiert. Das Peptid DDX3-INS1 ist in HIV-1 infizierten Zellen funktionell aktiv und inhibiert die Produktion von HI-Viren ab einer Konzentration von 20 µM ohne dabei toxische oder virolytische Effekte auszuüben. Weitere funktionelle Untersuchungen werden zeigen, ob das selektionierte Peptid DDX3-INS1 als therapeutisches Medikament für die Inhibition von HIV-1 geeignet ist.
nefficient intracellular protein trafficking is a critical issue in the pathogenesis of a variety of diseases and in recombinant protein production. Here we investigated the trafficking of factor VIII (FVIII), which is affected in the coagulation disorder hemophilia A. We hypothesized that chemical chaperones may be useful to enhance folding and processing of FVIII in recombinant protein production, and as a therapeutic approach in patients with impaired FVIII secretion. A tagged B-domain-deleted version of human FVIII was expressed in cultured Chinese Hamster Ovary cells to mimic the industrial production of this important protein. Of several chemical chaperones tested, the addition of betaine resulted in increased secretion of FVIII, by increasing solubility of intracellular FVIII aggregates and improving transport from endoplasmic reticulum to Golgi. Similar results were obtained in experiments monitoring recombinant full-length FVIII. Oral betaine administration also increased FVIII and factor IX (FIX) plasma levels in FVIII or FIX knockout mice following gene transfer. Moreover, in vitro and in vivo applications of betaine were also able to rescue a trafficking-defective FVIII mutant (FVIIIQ305P). We conclude that chemical chaperones such as betaine might represent a useful treatment concept for hemophilia and other diseases caused by deficient intracellular protein trafficking.
Tumor-specific T lymphocytes can be regarded as a highly effective mechanism for tumor rejection. A substantial number of T-cell defined tumor antigens including mutated oncoproteins and differentiation antigens have been identified. However, while most spontaneous tumors appear to be antigenic, few are immunogenic. Activation of tumor-specific cytotoxic T cells (CTL) requires presentation of tumor antigens by professional antigen presenting cells (APCs) via MHC I molecules. Due to their crucial role in T-cell activation, APCs are being exploited for active cancer immunotherapy. Present experimental strategies include the incubation of dendritic cells with synthetic, tumor specific peptides to achieve uptake of tumor antigens and presentation in the context of MHC molecules. Alternatively, gene therapeutic approaches are aimed at the endogenous expression of tumor antigens in APCs upon transfer of suitable vector constructs. Our strategy for the presentation of tumor antigens by APCs is based on the intracellular delivery of tumor antigens as part of a fusion protein specifically targeted to APC cell surface receptors. We have constructed prototype molecules that contain a soluble fragment of CTLA-4 for cell binding via interaction with B7 molecules, genetically fused to a protein fragment derived from the tumor-associated antigen ErbB2. To improve uptake and direct the antigenic determinant preferentially to the MHC class I pathway, in one of these protein vaccines also the translocation domain of the bacterial Pseudomonas exotoxin A has been included. In the parental toxin this protein domain facilitates escape from the endosomal compartment to the cytosol upon receptor mediated endocytosis. Here we have investigated the in vitro cell binding activity of such reagents and their antitumoral activity in immunocompetent murine model systems. Specific binding to B7 molecules and uptake of bacterially expressed protein vaccines could be demonstrated. Ex vivo restimulation with an ErbB2-derived peptide of splenocytes from Balb/c mice injected with the fusion proteins resulted in enhanced IFN-gamma production by T cells. Protective and therapeutic effects of ErbB2 protein vaccines were also investigated. Vaccinated animals were protected against subsequent challenge with syngeneic ErbB2 expressing tumor cells. Likewise, s.c. injection of ErbB2 protein vaccines in the vicinity of established tumors resulted in tumor rejection and long lasting protection indicating that immunological memory was induced. Our results suggest that chimeric proteins combining a tumor antigen and specific recognition of APCs in a single molecule are suitable for targeted delivery of antigens to professional APCs and might become valuable tools for cancer immunotherapy.
Tumorerkrankungen, insbesondere solche im metastasierenden Stadium, erfordern effiziente Therapien. Krebstherapien wie Bestrahlung oder Chemotherapie wirken über die Induktion von Apoptose. Resistenz gegen diese Behandlungsansätze geht einher mit der Blockierung relevanter apoptotischer Signalwege. Dennoch haben Tumorzellen nicht grundsätzlich die Fähigkeit verloren, apoptotischen Zelltod zu sterben, d. h. mit einem geeigneten Stimulus kann in jeder Tumorzelle Apoptose induziert werden. In dieser Arbeit wurden Proteine entwickelt, die Enzyme apoptotischer Signalkaskaden selektiv in Tumorzellen einschleusen. Um Spezifität für transformierte Zellen zu erlangen, wurden diese Proteine mit Zellbindungsdomänen gekoppelt, die an tumorassoziierte Antigene binden. Als Zielstrukturen auf der Oberfläche von Krebszellen dienten die Rezeptoren der ErbB Familie „epidermal growth factor receptor“ (EGFR) und ErbB2. Überexpression dieser Rezeptoren wird auf einer Vielzahl von Tumoren epithelialen Ursprungs beobachtet und ist ursächlich beteiligt an der malignen Transformation. Als Apoptoseinduktoren wurden die Serinprotease Granzym B (GrB) sowie das Protein „apoptosis inducing factor“ (AIF) eingesetzt. GrB induziert Apoptose durch direkte Aktivierung von Caspasen und Spaltung zentraler Caspasen-Substrate. Damit greift die Protease am unteren Effektorende apoptotischer Signalwege ein und umgeht so die meisten Resistenzmechanismen transformierter Zellen. Um GrB in Tumorzellen einzuschleusen, wurde die Protease mit dem ErbB2 spezifischen Antikörperfragment scFv(FRP5) gekoppelt. Zunächst wurde eine biotinylierte Variante der Protease (bGrB) über die hochaffine Streptavidin/ Biotin Interaktion mit einem Fusionsprotein komplexiert, das aus dem scFv(FRP5) und Streptavidin besteht (SA-5). Komplexe aus enzymatisch aktivem bGrB und SA-5 wiesen selektive cytotoxische Aktivität gegenüber ErbB2 exprimierenden Zellen auf, die allerdings von der Präsenz des endosomolytischen Reagenz Chloroquin abhing. Dies zeigt die Notwendigkeit einer Translokation vom endosomalen Kompartiment, um internalisiertem GrB Zugang zu seinen cytosolischen Substraten zu ermöglichen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen, die grundsätzlich nachweisen, daß das Einbringen von GrB in Tumorzellen ausreichend ist, um in diesen Zellen Apoptose zu induzieren, wurden Fusionsproteine abgeleitet, in denen GrB direkt mit Zellbindungsdomänen fusioniert ist. Neben dem scFv(FRP5) wurde auch der EGFR-Ligand TGFalpha eingesetzt. Fusionsproteine bestehend aus reifem GrB und scFv(FRP5) (GrB-5) bzw. TGFalpha (GrB-T) wurden in der Hefe Pichia pastoris exprimiert und mit hohen Ausbeuten gereinigt. GrB-5 und GrB-T zeigten enzymatische Aktivität und wiesen Affinität zu ErbB2 bzw. EGFR auf. In Gegenwart von Chloroquin zeigten GrB-5 und GrB-T selektive cytotoxische Aktivität gegenüber Zellen, die den jeweiligen Zielrezeptor exprimieren. Die IC50 Werte der Proteine lagen im pico- bis nanomolaren Bereich und sind damit vergleichbar mit denen rekombinanter Immun- bzw. Wachstumsfaktortoxine, die Exotoxin A (ETA) aus Pseudomonas aeruginosa als Effektor nutzen. Induktion von Apoptose erfolgte durch GrB-5 und GrB-T allerdings deutlich schneller (3 h) als durch ETA Fusionsproteine (72 h), da GrB im Gegensatz zu ETA direkt in apoptotische Signalkaskaden eingreift. Um die weitere Charakterisierung von GrB-5 und GrB-T zu erleichtern, wurden in der vorliegenden Arbeit Möglichkeiten für eine Optimierung der Expression dieser Fusionsproteine in Hefe untersucht. Dazu wurde eine Strategie entwickelt, die auf der Beobachtung beruht, daß die Löslichkeit und Stabilität von Proteinen durch Fusion mit solchen Domänen erhöht werden kann, die selbst eine hohe Löslichkeit und Stabilität besitzen. Ein Protein mit diesen Eigenschaften ist das Maltose Bindungsprotein (MBP) aus E. coli. In dieser Arbeit wurde MBP bei der Expression rekombinanter Proteine in P. pastoris eingesetzt, um die Ausbeute löslicher Proteine zu steigern. Es wurde eine Strategie entwickelt, die es erlaubt, MBP posttranslational in vivo vom Fusionspartner zu trennen. Hierzu wurde eine Erkennungssequenz der Protease Furin (furS) zwischen MBP und Fusionspartner eingefügt. Zunächst wurde untersucht, ob GrB als MBP Fusionsprotein in enzymatisch aktiver Form exprimiert werden kann, was eine Grundvoraussetzung für die Expression tumorspezifischer GrB Fusionsproteine in diesem System darstellt. Die Ausbeute von GrB konnte durch diese Strategie erheblich gesteigert werden. Daneben war eine vollständige Prozessierung der Fusionsproteine innerhalb der Furin-Erkennungssequenz nachweisbar. Als MBP Fusionsprotein exprimiertes GrB wies allerdings keine enzymatische Aktivität auf. Weitere Untersuchungen zeigten, daß das terminale Serin der furS-Sequenz, das nach Spaltung durch Furin am N-Terminus von GrB zurückbleibt, die enzymatische Aktivität der Serinprotease inhibiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher nicht weiter versucht, die Ausbeute an tumorspezifischen GrB Fusionsproteinen durch Fusion mit löslichen Proteindomänen zu erhöhen. Für Proteine, die ein N-terminales Serin tolerieren, stellt das hier entwickelte System allerdings eine neuartige Strategie dar, um die Ausbeute in P. pastoris um ein Vielfaches zu steigern. Dies wurde anhand von rekombinantem ErbB2 als Modellprotein bestätigt. Als alternativer Effektor in tumorspezifischen Fusionsproteinen wurde AIF als caspasenunabhängig agierendes proapoptotisches Signalmolekül eingesetzt. In apoptotischen Zellen bewirkt die Freisetzung von AIF aus dem mitochondrialen Intermembranraum die nachfolgende Translokation des Proteins in den Zellkern, woraufhin DNA-Fragmentierung induziert wird. Zum Einschleusen von AIF in Tumorzellen wurde das Flavoprotein mit dem scFv(FRP5) fusioniert (5-AIF). Um eine cytosolische Translokation von AIF zu erreichen, wurde ein Konstrukt abgeleitet, das zusätzlich die Translokationsdomäne von Exotoxin A enthält (5-E-AIF). Diese Domäne ist beim Wildtyp-Toxin notwendig für dessen retrograden Transport vom Endosom über den Golgi Apparat und das ER in das Cytosol. Innerhalb der Translokationsdomäne findet zudem eine Prozessierung durch die endosomale Protease Furin statt. AIF Fusionsproteine wurden in E. coli exprimiert, gereinigt und renaturiert. Die Proteine wiesen Affinität für ErbB2 auf und interagierten mit DNA, eine Eigenschaft, die essentiell für die proapoptotische Aktivität von AIF ist. 5-E-AIF zeigte gegenüber ErbB2 exprimierenden Zellen cytotoxische Aktivität, die vergleichbar mit der des Immuntoxins scFv(FRP5)-ETA war. Diese Aktivität war allerdings nur in Gegenwart von Chloroquin gegeben. Das Protein 5-AIF, in dem die Translokationsdomäne fehlt, zeigte auch in Kombination mit Chloroquin keine Cytotoxizität. Eine mögliche Folgerung hieraus ist, daß die N-terminale Antikörperdomäne der Fusionsproteine die proapoptotische Aktivität der AIF Domäne blockiert. 5-E-A wird sehr wahrscheinlich durch die endosomale Protease Furin „aktiviert“, die den scFv(FRP5) durch proteolytische Spaltung innerhalb der ETA-Domäne entfernt haben könnte. Für die eigentliche Translokation reicht der ETA-Anteil allerdings nicht aus, wahrscheinlich, weil in dem hier abgeleiteten Konstrukt ein für die Funktionsweise des Wildtyp-Toxins essentielles ER Retentionssignal fehlte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, daß durch Einsatz apoptotischer Signalmoleküle in tumorzellspezifischen Fusionsproteinen hohe und selektive cytotoxische Aktivitäten erzielt werden können. Eine weitere Entwicklung dieser Proteine als mögliche Tumortherapeutika erscheint daher sinnvoll.
Chronic myeloid leukemia (CML) has been a “model disease” with a long history. Beginning with the first discovery of leukemia and the description of the Philadelphia Chromosome and ending with the current goal of achieving treatment-free remission after targeted therapies, we describe here the journey of CML, focusing on molecular pathways relating to signaling, metabolism and the bone marrow microenvironment. We highlight current strategies for combination therapies aimed at eradicating the CML stem cell; hopefully the final destination of this long voyage.
Background and aims: Expression of carbonic anhydrase IX (CA9), an enzyme expressed in response to hypoxia, acidosis and oncogenic alterations, is reported to be a prognostic factor in HCC patients. Here we evaluated serum CA9 levels in HCC and cirrhosis patients.
Methods: HCC and cirrhosis patients were prospectively recruited and CA9 levels were determined. CA9 levels were compared to stages of cirrhosis and HCC stages. The association of the CA9 levels and overall survival (OS) was assessed. Furthermore, immunohistochemical CA9 expression in HCC and cirrhosis was evaluated.
Results: 215 patients with HCC were included. The median serum CA9 concentration in patients with HCC was 370 pg/ml and significantly higher than in a healthy cohort. Patients with advanced cancer stages (BCLC and ALBI score) had hid significant higher levels of CA9 in the serum. HCC patients with high serum CA9 concentrations (>400 pg/ml) had an increased mortality risk (hazard ratio (HR) 1.690, 95% confidence interval (CI) 1.017–2.809, P = 0.043). Serum CA9 concentration in cirrhotic patients did not differ significantly from HCC patients. Higher CA9 levels in cirrhotic patients correlated with portal hypertension and esophageal varices. Patients with ethanol induced cirrhosis had the highest CA9 levels in both cohorts. Levels of CA9 did not correlate with immunohistochemical expression.
Conclusions: We conclude that a high CA9 level is a possible prognostic indicator for a poor outcome in HCC patients. The high CA9 levels are probably mainly associated with portal hypertension. Ductular reactions might be a possible source of serum CA9.
Following publication of the data presented by von Minckwitz and colleagues it has been brought to our attention that some patients should be scored differently. Stable disease was seen in three of the eighteen patients instead of two of the eighteen patients: one patient with transitional cell carcinoma treated at 4 µg/kg scFv(FRP5)-ETA per day, and two breast cancer patients treated at 4 and 12.5 µg/kg scFv(FRP5)-ETA per day. Disease progression occured in 9 of the eighteen patients evaluated (see corrected Table 2 overleaf). This does not affect the conclusions of our study. In addition we would like to correct the following errors: patient IDs for patients U01 and U02 in the original Table 2 were interchanged. In addition, patient N03 had a grade 3 elevation of gamma-glutamyl transferase, and not grade 2 (see corrected Table 2 overleaf).
Correction to: The ISME Journal
https://doi.org/10.1038/ismej.2016.40
Since publication of the original paper the authors realised the following funding body was missing from the article’s Acknowledgements:
"FP and this work was also supported by the European Research Council (ERC, Advanced Grant Ares(2013)3687660)".
The authors apologise for any inconvenience caused.
The p53-family member p73 plays a role in various cellular signaling pathways during development and growth control and it can have tumor suppressor properties. Several isoforms of p73 exist with considerable differences in their function. Whereas the functions of the N-terminal isoforms (TA and delta Np73) and their opposing pro- and antiapoptotic roles have become evident, the functional differences of the distinct C-terminal splice forms of TAp73 have remained unclear. Here, we characterized the global genomic binding sites for TAp73alpha and TAp73beta by chromatin immunoprecipitation sequencing as well as the transcriptional responses by performing RNA sequencing. We identified a specific p73 consensus binding motif and found a strong enrichment of AP1 motifs in close proximity to binding sites for TAp73alpha. These AP1 motif-containing target genes are selectively upregulated by TAp73alpha, while their mRNA expression is repressed upon TAp73beta induction. We show that their expression is dependent on endogenous c-Jun and that recruitment of c-Jun to the respective AP1 sites was impaired upon TAp73beta expression, in part due to downregulation of c-Jun. Several of these AP1-site containing TAp73alpha-induced genes impinge on apoptosis induction, suggesting an underlying molecular mechanism for the observed functional differences between TAp73alpha and TAp73beta.
Allogeneic stem cell transplantation (allo-SCT) has become an important treatment modality for patients with high-risk acute myeloid leukemia (AML) and is also under investigation for soft tissue sarcomas. The therapeutic success is still limited by minimal residual disease (MRD) status ultimately leading to patients’ relapse. Adoptive donor lymphocyte infusions based on MRD status using IL-15-expanded cytokine-induced killer (CIK) cells may prevent relapse without causing graft-versus-host-disease (GvHD). To generate preclinical data we developed mouse models to study anti-leukemic- and anti-tumor-potential of CIK cells in vivo. Immunodeficient mice (NOD/SCID/IL-2Rγc−, NSG) were injected intravenously with human leukemic cell lines THP-1, SH-2 and with human rhabdomyosarcoma (RMS) cell lines RH41 and RH30 at minimal doses required for leukemia or tumor engraftment. Mice transplanted with THP-1 or RH41 cells were randomly assigned for analysis of CIK cell treatment. Organs of mice were analyzed by flow cytometry as well as quantitative polymerase chain reaction for engraftment of malignant cells and CIK cells. Potential of CIK cells to induce GvHD was determined by histological analysis. Tissues of the highest degree of THP-1 cell expansion included bone marrow followed by liver, lung, spleen, peripheral blood (PB), and brain. RH30 and RH41 engraftment mainly took place in liver and lung, but was also detectable in spleen and PB. In spite of delayed CIK cell expansion compared with malignant cells, CIK cells injected at equal amounts were sufficient for significant reduction of RH41 cells, whereas against fast-expanding THP-1 cells 250 times more CIK than THP-1 cells were needed to achieve comparable results. Our preclinical in vivo mouse models showed a reliable 100% engraftment of malignant cells which is essential for analysis of anti-cancer therapy. Furthermore our data demonstrated that IL-15-activated CIK cells have potent cytotoxic capacity against AML and RMS cells without causing GvHD.
Background: The complex cellular networks within tumors, the cytokine milieu, and tumor immune escape mechanisms affecting infiltration and anti-tumor activity of immune cells are of great interest to understand tumor formation and to decipher novel access points for cancer therapy. However, cellular in vitro assays, which rely on monolayer cultures of mammalian cell lines, neglect the three-dimensional architecture of a tumor, thus limiting their validity for the in vivo situation.
Methods: Three-dimensional in vivo-like tumor spheroid were established from human cervical carcinoma cell lines as proof of concept to investigate infiltration and cytotoxicity of NK cells in a 96-well plate format, which is applicable for high-throughput screening. Tumor spheroids were monitored for NK cell infiltration and cytotoxicity by flow cytometry. Infiltrated NK cells, could be recovered by magnetic cell separation.
Results: The tumor spheroids were stable over several days with minor alterations in phenotypic appearance. The tumor spheroids expressed high levels of cellular ligands for the natural killer (NK) group 2D receptor (NKG2D), mediating spheroid destruction by primary human NK cells. Interestingly, destruction of a three-dimensional tumor spheroid took much longer when compared to the parental monolayer cultures. Moreover, destruction of tumor spheroids was accompanied by infiltration of a fraction of NK cells, which could be recovered at high purity.
Conclusion: Tumor spheroids represent a versatile in vivo-like model system to study cytotoxicity and infiltration of immune cells in high-throughput screening. This system might proof useful for the investigation of the modulatory potential of soluble factors and cells of the tumor microenvironment on immune cell activity as well as profiling of patient-/donor-derived immune cells to personalize cellular immunotherapy.
The gut microbiome is significantly altered in inflammatory bowel diseases, but the basis of these changes is not well understood. We have combined metagenomic and metatranscriptomic profiling of the gut microbiome to assess modifications to both bacterial community structure and transcriptional activity in a mouse model of colitis. By using transcriptomic analysis of colonic tissue and luminal RNA derived from the host, we have also characterised how host transcription relates to the microbial transcriptional response in inflammation. In colitis, increased abundance and transcription of diverse microbial gene families involved in responses to nutrient deprivation, antimicrobial peptide production and oxidative stress support an adaptation of multiple commensal genera to withstand a diverse set of environmental stressors in the inflammatory environment. These data are supported by a transcriptional signature of activated macrophages and granulocytes in the gut lumen during colitis, a signature that includes the transcription of the key antimicrobial genes S100a8 and S100a9 (calprotectin). Genes involved in microbial resistance to oxidative stress, including Dps/ferritin, Fe-dependent peroxidase and glutathione S-transferase were identified as changing to a greater extent at the level of transcription than would be predicted by DNA abundance changes, implicating a role for increased oxygen tension and/or host-derived reactive oxygen species in driving transcriptional changes in commensal microbes.
The transcriptional regulator far upstream binding protein 1 (FUBP1) is essential for fetal and adult hematopoietic stem cell (HSC) self-renewal, and the constitutive absence of FUBP1 activity during early development leads to embryonic lethality in homozygous mutant mice. To investigate the role of FUBP1 in murine embryonic stem cells (ESCs) and in particular during differentiation into hematopoietic lineages, we generated Fubp1 knockout (KO) ESC clones using CRISPR/Cas9 technology. Although FUBP1 is expressed in undifferentiated ESCs and during spontaneous differentiation following aggregation into embryoid bodies (EBs), absence of FUBP1 did not affect ESC maintenance. Interestingly, we observed a delayed differentiation of FUBP1-deficient ESCs into the mesoderm germ layer, as indicated by impaired expression of several mesoderm markers including Brachyury at an early time point of ESC differentiation upon aggregation to EBs. Coculture experiments with OP9 cells in the presence of erythropoietin revealed a diminished differentiation capacity of Fubp1 KO ESCs into the erythroid lineage. Our data showed that FUBP1 is important for the onset of mesoderm differentiation and maturation of hematopoietic progenitor cells into the erythroid lineage, a finding that is supported by the phenotype of FUBP1-deficient mice.
Rückschläge werfen eine neue Technologie um Jahrzehnte zurück – besonders, wenn Menschenleben zu beklagen sind. Bei der Gentherapie wird aber oft vergessen, dass sie nur bei Patienten angewendet wird, für die es keine konventionelle Therapie mehr gibt. Nach der Euphorie und den Rückschlägen der Anfangsjahre können Forscher nun die ersten Erfolge vorweisen.
Obtaining sufficient numbers of functional natural killer (NK) cells is crucial for the success of NK-cell-based adoptive immunotherapies. While expansion from peripheral blood (PB) is the current method of choice, ex vivo generation of NK cells from hematopoietic stem and progenitor cells (HSCs) may constitute an attractive alternative. Thereby, HSCs mobilized into peripheral blood (PB-CD34+) represent a valuable starting material, but the rather poor and donor-dependent differentiation of isolated PB-CD34+ cells into NK cells observed in earlier studies still represents a major hurdle. Here, we report a refined approach based on ex vivo culture of PB-CD34+ cells with optimized cytokine cocktails that reliably generates functionally mature NK cells, as assessed by analyzing NK-cell-associated surface markers and cytotoxicity. To further enhance NK cell expansion, we generated K562 feeder cells co-expressing 4-1BB ligand and membrane-anchored IL-15 and IL-21. Co-culture of PB-derived NK cells and NK cells that were ex-vivo-differentiated from HSCs with these feeder cells dramatically improved NK cell expansion, and fully compensated for donor-to-donor variability observed during only cytokine-based propagation. Our findings suggest mobilized PB-CD34+ cells expanded and differentiated according to this two-step protocol as a promising source for the generation of allogeneic NK cells for adoptive cancer immunotherapy.
DNA damage in oocytes induces a switch of the quality control factor TAp63α from dimer to tetramer
(2011)
TAp63a, a homolog of the p53 tumor suppressor, is a quality control factor in the female germline. Remarkably, already undamaged oocytes express high levels of the protein, suggesting that TAp63a’s activity is under tight control of an inhibitory mechanism. Biochemical studies have proposed that inhibition requires the C-terminal transactivation inhibitory domain. However, the structural mechanism of TAp63a inhibition remains unknown. Here, we show that TAp63a is kept in an inactive dimeric state. We reveal that relief of inhibition leads to tetramer formation with ~20-fold higher DNA affinity. In vivo, phosphorylation-triggered tetramerization of TAp63a is not reversible by dephosphorylation. Furthermore, we show that a helix in the oligomerization domain of p63 is crucial for tetramer stabilization and competes with the transactivation domain for the same binding site. Our results demonstrate how TAp63a is inhibited by complex domain-domain interactions that provide the basis for regulating quality control in oocytes.
Background & Aims: Microvillus inclusion disease (MVID) is a congenital intestinal malabsorption disorder caused by defective apical vesicular transport. Existing cellular models do not fully recapitulate this heterogeneous pathology. The aim of this study was to characterize 3-dimensional intestinal organoids that continuously generate polarized absorptive cells as an accessible and relevant model to investigate MVID.
Methods: Intestinal organoids from Munc18-2/Stxbp2-null mice that are deficient for apical vesicular transport were subjected to enterocyte-specific differentiation protocols. Lentiviral rescue experiments were performed using human MUNC18-2 variants. Apical trafficking and microvillus formation were characterized by confocal and transmission electron microscopy. Spinning disc time-lapse microscopy was used to document the lifecycle of microvillus inclusions.
Results: Loss of Munc18-2/Stxbp2 recapitulated the pathologic features observed in patients with MUNC18-2 deficiency. The defects were fully restored by transgenic wild-type human MUNC18-2 protein, but not the patient variant (P477L). Importantly, we discovered that the MVID phenotype was correlated with the degree of enterocyte differentiation: secretory vesicles accumulated already in crypt progenitors, while differentiated enterocytes showed an apical tubulovesicular network and enlarged lysosomes. Upon prolonged enterocyte differentiation, cytoplasmic F-actin–positive foci were observed that further progressed into classic microvillus inclusions. Time-lapse microscopy showed their dynamic formation by intracellular maturation or invagination of the apical or basolateral plasma membrane.
Conclusions: We show that prolonged enterocyte-specific differentiation is required to recapitulate the entire spectrum of MVID. Primary organoids can provide a powerful model for this heterogeneous pathology. Formation of microvillus inclusions from multiple membrane sources showed an unexpected dynamic of the enterocyte brush border.
Background: Rhabdomyosarcoma is the most common soft tissue sarcoma in childhood and has a poor prognosis. Here we assessed the capability of ex vivo expanded cytokine-induced killer cells to lyse both alveolar and embryonic rhabdomyosarcoma cell lines and investigated the mechanisms involved.
Design and Methods: Peripheral blood mononuclear cells from six healthy donors were used to generate and expand cytokine-induced killer cells. The phenotype and composition of these cells were determined by multiparameter flow cytometry, while their cytotoxic effect against rhabdomyosarcoma cells was evaluated by a europium release assay.
Results: Cytokine-induced killer cells efficiently lysed cells from both rhabdomyosarcoma cell lines. Antibody-mediated masking of either NKG2D molecule on cytokine-induced killer cells or its ligands on rhabdomyosarcoma cells (major histocompatibility antigen related chain A and B and UL16 binding protein 2) diminished this effect by 50%, suggesting a major role for the NKG2D molecule in rhabdomyosarcoma cell killing. No effect was observed after blocking CD11a, CD3 or TCRαβ molecules on cytokine-induced killer cells or CD1d on rhabdomyosar-coma cells. Remarkably, cytokine-induced killer cells used tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) to activate caspase-3, as the main caspase responsible for the execution of apoptosis. Accordingly, blocking TRAIL receptors on embryonic rhabdomyosarcoma cell lines significantly reduced the anti-tumor effect of cytokine-induced killer cells. About 50% of T cells within the cytokine-induced killer population had an effector memory phenotype, 20% had a naïve phenotype and approximately 30% of the cells had a central memory phenotype. In addition, cytokine-induced killer cells expressed low levels of activation-induced markers CD69 and CD137 and demonstrated a low alloreactive potential.
Conclusions: Our data suggest that cytokine-induced killer cells may be used as a novel adoptive immunotherapy for the treatment of patients with rhabdomyosarcoma after allogeneic stem cell transplantation.
Natural killer (NK) cells are highly specialized effectors of the innate immune system that hold promise for adoptive cancer immunotherapy. Their cell killing activity is primarily mediated by the pro-apoptotic serine protease granzyme B (GrB), which enters targets cells with the help of the pore-forming protein perforin. We investigated expression of a chimeric GrB fusion protein in NK cells as a means to augment their antitumoral activity. For selective targeting to tumor cells, we fused the epidermal growth factor receptor (EGFR) peptide ligand transforming growth factor α (TGFα) to human pre-pro-GrB. Established human NKL natural killer cells transduced with a lentiviral vector expressed this GrB-TGFα (GrB-T) molecule in amounts comparable to endogenous wildtype GrB. Activation of the genetically modified NK cells by cognate target cells resulted in the release of GrB-T together with endogenous granzymes and perforin, which augmented the effector cells' natural cytotoxicity against NK-sensitive tumor cells. Likewise, GrB-T was released into the extracellular space upon induction of degranulation with PMA and ionomycin. Secreted GrB-T fusion protein displayed specific binding to EGFR-overexpressing tumor cells, enzymatic activity, and selective target cell killing in the presence of an endosomolytic activity. Our data demonstrate that ectopic expression of a targeted GrB fusion protein in NK cells is feasible and can enhance antitumoral activity of the effector cells.
Einfluss des Transkriptionsfaktors Tal1 auf die Osteoklastogenese durch Regulation von DC-STAMP
(2012)
Das menschliche Knochengewebe unterliegt einem ständigen Auf- und Abbau. Der Knochenumbau, die so genannte Knochenremodellierung, findet stetig statt und etwa 10 % des gesamten Knochengewebes werden innerhalb eines Jahres erneuert (Lerner UH, 2006). Während der Knochenremodellierung befindet sich die Zellaktivität der Knochenaufbauenden Osteoblasten und der Knochen-abbauenden Osteoklasten in einem empfindlichen Gleichgewicht (Karsenty G und Wagner EF, 2002; Teitelbaum SL, 2000).
Durch Störung des Gleichgewichts zwischen Osteoblasten und Osteoklasten kann es zu Knochen-assoziierten Krankheiten wie Osteoporose oder Osteopetrose kommen (Helfrich MH, 2003; Sambrook P und Cooper C, 2006). Osteoklasten sind multinukleäre Zellen, die in der Lage sind die Knochenmatrix zu resorbieren (Teitelbaum SL, 2000). Sie entstehen aus pluripotenten, hämatopoetischen Stammzellen durch Differenzierung und Zellfusion von Monozyten/Makrophagen-Vorläuferzellen (Menaa C et al., 2000, Yavropoulou MP und Yovos JG, 2008). Die Osteoklasten-Differenzierung wird hauptsächlich durch die Zytokine M-CSF (macrophage colony stimulating factor) und RANKL (receptor activator of nuclear factor k b ligand) induziert. Sie initiieren ein spezifisches Expressionsmuster Osteoklasten-spezifischer Gene und aktivieren die Zellfusion in Osteoklasten-Vorläuferzellen zur Bildung reifer Osteoklasten (Boyle WJ et al., 2003; Asagiri M und Takayanagi H, 2007). Die RANKL-vermittelte Induktion der Osteoklastogenese beruht auf der Initiierung eines streng regulierten Netzwerks aus Transkriptionsfaktoren (Yang X und Karsenty G, 2002). Einige Transkriptionsfaktoren, die während der Osteoklasten-Differenzierung induziert und exprimiert werden, sind nicht auf Osteoklasten beschränkt. Sie erfüllen auch Aufgaben in anderen hämatopoetischen Differenzierungsprozessen (Engel I und Murre C et al., 1999), so dass vermutlich die Kombination der Transkriptionsfaktoren entscheidend für die Osteoklastogenese ist.
Der basic helix-loop-helix-Transkriptionsfaktor Tal1 (T-cell acute lymphocytic leukemia 1, auch Scl1, stem cell leukemia 1) ist ein entscheidender Faktor in der primitiven und der definitiven Hämatopoese (Bloor AJ et al., 2002; Shivdasani RA et al., 1996). Die Expression von Tal1 konnte bisher in verschiedenen hämatopoetischen Zelllinien gezeigt werden, u.a. in monozytischen Zellen (Elefanty AG et al., 1998; Green AR et al., 1992; Pulford K et al., 1995; Dey S et al., 2010).
In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des Transkriptionsfaktors Tal1 in Monozyten und reifen Osteoklasten, vor allem in Bezug auf genregulatorische Prozesse während der Osteoklasten-Differenzierung, untersucht. Der Transkriptionsfaktor Tal1 wird in vitro und in vivo in Osteoklasten-Vorläuferzellen und reifen Osteoklasten exprimiert. Die Proteinexpression von Tal1 wird durch die Inkubation der Zellen mit RANKL induziert, jedoch wurde dies in Bezug auf die mRNA-Expression von Tal1 nicht beobachtet, so dass vermutlich eine posttranskriptionelle Regulation von Tal1 vorliegt.
Die Überexpression von Tal1 sorgte für eine Blockade der Differenzierung von Osteoklasten-Vorläuferzellen in reife Osteoklasten. Der Verlust von Tal1 in primären Monozyten/Makrophagen-Zellen führte zur veränderten Expression von über 1200 Genen, wobei jeweils etwa 600 Gene herauf- bzw. herabreguliert waren. Dies verdeutlicht, dass Tal1 sowohl an der Aktivierung als auch an der Reprimierung der Genexpression in Osteoklasten-Vorläuferzellen beteiligt ist. Die Liste der herabregulierten Gene beinhaltete u.a. das Osteoklasten-spezifische Enzym Acp5 (auch TRAP, tartrate resistant acid phosphatase), die Liste der herauf regulierten Gene beinhaltete u.a. DC-STAMP (dendritic cell specific transmembrane protein) und ATP6V0D2 (d2 isoform of vascuolar ATPase V0 domain), beide werden im Zusammenhang mit der Zellfusion während der Osteoklasten-Differenzierung beschrieben (Kim K et al., 2008; Kim T et al., 2010; Yagi M et al., 2005). Der Promotor von DC-STAMP beinhaltet mehrere potentielle Bindestellen für Tal1 und Osteoklastenspezifische Transkriptionsfaktoren. Es konnte gezeigt werden, dass Tal1, PU.1 und MITF im Bereich um 343 bp vor dem Transkriptionsstartpunkt des DC-STAMP-Promotors binden und dass Tal1 mit den Osteoklasten-spezifischen Transkriptionsfaktoren PU.1 und MITF interagiert. Der inhibitorische Effekt von Tal1 auf die Osteoklasten-Differenzierung kommt durch die Reprimierung der Aktivität der Osteoklasten-spezifischen Transkriptionsfaktoren PU.1 und MITF auf dem DC-STAMP-Promotor in Osteoklasten-Vorläuferzellen zustande. Während der Osteoklastogenese kommt es zu einer verringerten Tal1-Bindung auf dem DCSTAMP-Promotor, wodurch die Tal1-vermittelte Inhibierung der Expression aufgehoben wird.
Die Bindung von PU.1 und MITF auf dem Promotor von DC-STAMP nimmt während der Osteoklasten-Differenzierung zu. Die Expression von DC-STAMP wird im Verlauf der Osteoklastogenese induziert, wodurch es zur Zell-Zell-Fusion kommt.
Die Analyse des transkriptionellen Netzwerks, das die Fusion mononukleärer Zellen in reife Osteoklasten reguliert, vertieft das molekulare Verständnis der Osteoklasten-Differenzierung und kann zur Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze beitragen, die in der Behandlung von Osteoporose, Riesenzelltumoren und anderen Osteoklastenassoziierten Krankheiten verwendet werden können.
Specialized surveillance mechanisms are essential to maintain the genetic integrity of germ cells, which are not only the source of all somatic cells but also of the germ cells of the next generation. DNA damage and chromosomal aberrations are, therefore, not only detrimental for the individual but affect the entire species. In oocytes, the surveillance of the structural integrity of the DNA is maintained by the p53 family member TAp63α. The TAp63α protein is highly expressed in a closed and inactive state and gets activated to the open conformation upon the detection of DNA damage, in particular DNA double-strand breaks. To understand the cellular response to DNA damage that leads to the TAp63α triggered oocyte death we have investigated the RNA transcriptome of oocytes following irradiation at different time points. The analysis shows enhanced expression of pro-apoptotic and typical p53 target genes such as CDKn1a or Mdm2, concomitant with the activation of TAp63α. While DNA repair genes are not upregulated, inflammation-related genes become transcribed when apoptosis is initiated by activation of STAT transcription factors. Furthermore, comparison with the transcriptional profile of the ΔNp63α isoform from other studies shows only a minimal overlap, suggesting distinct regulatory programs of different p63 isoforms.
Enzymatic and antisense effects of a specific anti-Ki-ras ribozyme in vitro and in cell culture
(1999)
Due to their mode of action, ribozymes show antisense effects in addition to their specific cleavage activity. In the present study we investigated whether a hammerhead ribozyme is capable of cleaving mutated Ki-ras mRNA in a pancreatic carcinoma cell line and whether antisense effects contribute to the activity of the ribozyme. A 2[prime]-O-allyl modified hammerhead ribozyme was designed to cleave specifically the mutated form of the Ki-ras mRNA (GUU motif in codon 12). The activity was monitored by RT-PCR on Ki-ras RNA expression by determination of the relative amount of wild type to mutant Ki-ras mRNA, by 5-bromo-2[prime]-deoxy-uridine incorporation on cell proliferation and by colony formation in soft agar on malignancy in the human pancreatic adenocarcinoma cell line CFPAC-1, which is heterozygous for the Ki-ras mutation. A catalytically inactive ribozyme was used as control to differentiate between antisense and cleavage activity and a ribozyme with random guide sequences as negative control. The catalytically active anti-Ki-ras ribozyme was at least 2-fold more potent in decreasing cellular Ki-ras mRNA levels, inhibiting cell proliferation and colony formation in soft agar than the catalytically inactive ribozyme. The catalytically active anti-Ki-ras ribozyme, but not the catalytically inactive or random ribozyme, increased the ratio of wild type to mutated Ki-ras mRNA in CFPAC-1 cells. In conclusion, both cleavage activity and antisense effects contribute to the activity of the catalytically active anti-Ki-ras hammerhead ribozyme. Specific ribozymes might be useful in the treatment of pancreatic carcinomas containing an oncogenic GTT mutation in codon 12 of the Ki-ras gene.
Brain metastases are the most common intracranial tumor in adults and are associated with poor patient prognosis and median survival of only a few months. Treatment options for brain metastasis patients remain limited and largely depend on surgical resection, radio- and/or chemotherapy. The development and pre-clinical testing of novel therapeutic strategies require reliable experimental models and diagnostic tools that closely mimic technologies that are used in the clinic and reflect histopathological and biochemical changes that distinguish tumor progression from therapeutic response. In this study, we sought to test the applicability of magnetic resonance (MR) spectroscopy in combination with MR imaging to closely monitor therapeutic efficacy in a breast-to-brain metastasis model. Given the importance of radiotherapy as the standard of care for the majority of brain metastases patients, we chose to monitor the post-irradiation response by magnetic resonance spectroscopy (MRS) in combination with MR imaging (MRI) using a 7 Tesla small animal scanner. Radiation was applied as whole brain radiotherapy (WBRT) using the image-guided Small Animal Radiation Research Platform (SARRP). Here we describe alterations in different metabolites, including creatine and N-acetylaspartate, that are characteristic for brain metastases progression and lactate, which indicates hypoxia, while choline levels remained stable. Radiotherapy resulted in normalization of metabolite levels indicating tumor stasis or regression in response to treatment. Our data indicate that the use of MR spectroscopy in addition to MRI represents a valuable tool to closely monitor not only volumetrical but also metabolic changes during tumor progression and to evaluate therapeutic efficacy of intervention strategies. Adapting the analytical technology in brain metastasis models to those used in clinical settings will increase the translational significance of experimental evaluation and thus contribute to the advancement of pre-clinical assessment of novel therapeutic strategies to improve treatment options for brain metastases patients.
Chronic granulomatous disease (CGD) is a primary immunodeficiency characterized by impaired antimicrobial activity in phagocytic cells. As a monogenic disease affecting the hematopoietic system, CGD is amenable to gene therapy. Indeed in a phase I/II clinical trial, we demonstrated a transient resolution of bacterial and fungal infections. However, the therapeutic benefit was compromised by the occurrence of clonal dominance and malignant transformation demanding alternative vectors with equal efficacy but safety-improved features. In this work we have developed and tested a self-inactivating (SIN) gammaretroviral vector (SINfes.gp91s) containing a codon-optimized transgene (gp91(phox)) under the transcriptional control of a myeloid promoter for the gene therapy of the X-linked form of CGD (X-CGD). Gene-corrected cells protected X-CGD mice from Aspergillus fumigatus challenge at low vector copy numbers. Moreover, the SINfes.gp91s vector generates substantial amounts of superoxide in human cells transplanted into immunodeficient mice. In vitro genotoxicity assays and longitudinal high-throughput integration site analysis in transplanted mice comprising primary and secondary animals for 11 months revealed a safe integration site profile with no signs of clonal dominance.
HIV neutralizing antibodies (nAbs) represent an important tool in view of prophylactic and therapeutic applications for HIV-1 infection. Patients chronically infected by HIV-1 represent a valuable source for nAbs. HIV controllers, including long-term non-progressors (LTNP) and elite controllers (EC), represent an interesting subgroup in this regard, as here nAbs can develop over time in a rather healthy immune system and in the absence of any therapeutic selection pressure. In this study, we characterized two particular antibodies that were selected as scFv antibody fragments from a phage immune library generated from an LTNP with HIV neutralizing antibodies in his plasma. The phage library was screened on recombinant soluble gp140 envelope (Env) proteins. Sequencing the selected peptide inserts revealed two major classes of antibody sequences. Binding analysis of the corresponding scFv-Fc derivatives to various trimeric and monomeric Env constructs as well as to peptide arrays showed that one class, represented by monoclonal antibody (mAb) A2, specifically recognizes an epitope localized in the pocket binding domain of the C heptad repeat (CHR) in the ectodomain of gp41, but only in the trimeric context. Thus, this antibody represents an interesting tool for trimer identification. MAb A7, representing the second class, binds to structural elements of the third variable loop V3 and neutralizes tier 1 and tier 2 HIV-1 isolates of different subtypes with matching critical amino acids in the linear epitope sequence. In conclusion, HIV controllers are a valuable source for the selection of functionally interesting antibodies that can be selected on soluble gp140 proteins with properties from the native envelope spike.
Für eine erfolgreiche Gentherapie ist zunächst ein effizientes Gentransfersystem nötig, das das Transgen in möglichst vielen Zellen einbaut und es aktiv hält. Damit sich dann der Anteil der geschützten Zellen vergrößert, muss eine Selektivität der genmodifizierten Zellen gegenüber den nativen Zellen gegeben sein, wobei die Sicherheit nicht außer Acht gelassen werden darf, da ein ungünstiger Einbau des Transgens eine Insertionsmutagenese und somit Tumoren induzieren kann. Der durch die Arbeitsgruppe von Laer entwickelte retrovirale Vektor M87o codiert den membranständigen Fusionsinhibitor maC46 (membran-anchored C-Peptid 46), der den Eintritt von HIV (Human Immunodeficiency Virus) in die Zielzelle effektiv verhindert. Diese Gentherapie mit M87o wurde in einer klinischen Studie an T-Lymphozyten von 10 weit fortgeschrittenen AIDS (Acquired Immune Deficiency Syndrome)-Patienten durchgeführt, wobei die Therapie gut verträglich war und keine Toxizität zeigte. Allerdings hatten die Patienten auch keinen klaren Vorteil von der Therapie. In der vorliegenden Arbeit wurden SIN Vektoren (Self-inactivating Vektoren) in 5 verschiedenen Konstruktionen getestet, um die optimale Vektordesign zu ermitteln und eine langfristige hohe Expression zu ermöglichen. Da die SIN Vektoren im Vergleich zu konventionellen gammaretroviralen Vektoren ein geringeres Risiko bezüglich der Insertionsmutagenese aufweisen, stellen sie ein sichereres Vektorsystem dar. Um eine bessere Transgenexpression zu erzielen, wurde in den SIN Vektoren entweder ein zellulärer Promotor oder ein viraler SFFV (spleen focus forming virus) als internen Promotor verwendet. Zusätzliche regulatorische Elemente, wie wPRE (Woodchuck Posttranscriptional Regulatory Element), cHS4 (chicken Hypersensitive Site) Insulator und SAR (Scaffold Attachment Region) Element wurden dann in unterschiedlichen Kombinationen zu stärkeren und langanhaltenden Expressionen integriert, wobei wPRE die RNA Prozessierung verbessert und somit die RNA Stabilität erhöht und SAR und cHS4 Insulator dem Silencing entgegenwirken und so die Expression aufrechterhalten. Diese fünf SIN Konfigurationen wurden untereinander und mit dem klassischen gammaretroviralen Vektor M87o bezüglich des Titers, der Expressionsstärke und der Langzeit-Genexpression verglichen. Dazu wurden zunächst humane T-Zelllinien PM-1 und primäre humane T-Zellen als Testzellen verwendet. Die Versuche wurden dann mit murinen T-Zellen wiederholt, die in die immundefiziten Mäuse transplantiert wurden, um die Genexpression in vivo weiter zu verfolgen. Die SIN Konstrukte zeigten jedoch eine deutlich schwächere Expression als die LTR (Long Terminal Repeat)-getriebene Vektoren und nur ein Konstrukt mit dem viralen Promotor und wPRE zeigte eine annähernd so hohe Expression wie die konventionellen Vektoren. Während der virale SFFV Promotor eine höhere Expressionsstärke gegenüber dem zellulären EF1α (Elongationsfaktor 1 alpha) Promotor zeigte, hatte der cHS4 Insulator nur geringfügige Einflüsse sowohl auf den Titer als auch auf die Expressionsstärke. Der Vektor mit dem SAR-Element zeigte zwar die geringsten Titer und Expressionsstärke, aber in Langzeitbeobachtung wies er sowohl in vitro als auch in vivo eine relativ konstante Anzahl von transgenpositiven Zellen auf. SIN Vektoren, in denen mit einer Kombination von wPRE und SAR-Element die RNA Prozessierung verbessert und das methylationsbedingte Silencing verhindert wird, könnten eine weitere Optimierungsmöglichkeit des Gentransfersystems bei der Gentherapie darstellen.
Funktionelle Charakterisierung von Peptidliganden für das komplexe HIV-1-RNA-Verpackungssignal PSI
(2008)
Im Laufe der vergangenen Jahre hat die Identifizierung von Peptidleitstrukturen in der Wirkstoffentwicklung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die Phage Display Technologie ist eine Methode, welche zur Selektion von inhibitorischen Peptiden weit verbreitet ist. Prinzipiell eignet sich dieser Ansatz auch für die Suche nach neuen Leitstrukturen für die Therapie der HIV-Infektion, welche in hochspezifische und -regulierte Schritte im HIV-Replikationszyklus eingreifen sollen. Bei der Verpackung viraler RNA in neu entstehende Virionen handelt es sich um einen Prozess, welcher auf der gezielten Erkennung der dreidimensionalen Struktur der PSI-Region am 5'-Ende ungespleißter, viraler RNA durch die NCp7-Domäne des Gagp55-Vorläuferproteins basiert. Darüber hinaus partizipiert das NCp7-Protein noch an der Reversen Transkription der HIV-RNA sowie an der Integration proviraler DNA und spielt somit eine zentrale Rolle im HIV-1 Replikationszyklus. In vorangegangenen Arbeiten konnten wir mittels der Phage Display Technologie Peptidliganden für die HIV-1 PSI-RNA selektieren, welche die PSI-RNA-NCp7-Interaktion hemmten und in Folge dessen die Verpackung viraler RNA verhindern sollten. Die Bindung der identifizierten tryptophanreichen Peptide an die PSI-RNA konnte zwar zum Teil in vitro mit NCp7 kompetitiert werden, jedoch wiesen die Peptide eine relativ geringe Affinität für die PSI-RNA auf. Im Vordergrund der vorliegenden Arbeit stand nach Optimierung der Affinität eine umfassende funktionelle Charakterisierung der Peptide hinsichtlich ihrer antiviralen Aktivität in vitro. Zunächst gelang es mittels Spot-Synthese-Membranen die Affinität der PSI-RNA-bindenden Peptide um etwa das 30-fache zu verbessern. Der KD-Wert des optimierten HKWPWW-Peptids lag bei 1,1 µM für ein Teilelement der PSI-RNA, das allein über Verpackungsaktivitäten verfügt. Die folgende Analyse der Bindungseigenschaften des HKWPWW-Peptids an die PSI-RNA über NMR und Fluoreszenz-Spektroskopie offenbarte, dass das Peptid über die hydrophoben Aminosäuren an eine charakteristische Schleifenregion in der Sekundärstruktur der PSI-RNA bindet, ähnlich wie der natürliche Ligand NCp7. Gestützt auf diese Ergebnisse, wurde im Hauptteil des Projekts untersucht, ob das HKWPWW-Peptid in der Lage ist, die Verpackung viraler RNA in HI-Virionen zu hemmen. Hierfür erfolgte die Etablierung diverser Testsysteme, welche die intrazelluläre Expression des Peptids ermöglichten. Die Expression von HKWPWW in Fusion mit RFP in Pseudoviren-produzierenden Zellen über transiente Transfektion führte in der höchsten getesteten DNA-Konzentration (2,5 µg) zu einer 95%igen Reduktion des infektiösen Titers. Dieser inhibitorische Effekt war spezifisch für lentivirale Pseudoviren, da die Produktion gammaretroviraler Pseudoviren nicht durch die Anwesenheit des Peptids beeinflusst wurde. Mittels einer stabilen HKWPWW-exprimierenden T-Zelllinie gelang es nachzuweisen, dass das Peptid sogar in der Lage ist, replikationskompetentes HIV über einen Zeitraum von fünf Tagen zu hemmen. Die Synthese des HKWPWW-Peptids in Fusion mit einer Proteintransduktionsdomäne ermöglichte die direkte Behandlung von HIV-infizierten Zellen und führte zu einer verminderten Freisetzung infektiöser HI-Viren in die Zellkulturüberstände. Dabei lagen die IC50- und IC90-Werte des HKWPWW-Peptids nach zweimaliger Peptidzugabe bei 5, 7 bzw. 28,6 µM. Eine in der Literatur oftmals beschriebene Beobachtung ist, dass bei einer reinen Hemmung der HIV-Verpackung Viren entstehen, welche keine virale RNA enthalten. Das Phänomen war in Anwesenheit des HKWPWW-Peptids wenig ausgeprägt wie Korrelationen von p24-Antigen-ELISA und die Quantifizierung viraler RNA in Viruspartikeln zeigten. Diese Gegebenheit sowie das Wissen über die mannigfaltigen Funktionen des NCp7-Proteins im HIV-Replikationszyklus ließen vermuten, dass HKWPWW noch zusätzlich andere Schritte im HIV-Replikationszyklus hemmen könnte. Unterstützt wurde diese Annahme dadurch, dass HKWPWW Ähnlichkeiten zu der hydrophoben Plattform von NCp7 aufweist, welche essentiell für die Verpackung viraler RNA sowie die Reverse Transkription ist. Damit in Einklang steht, das neben einer Bindung an die PSI-RNA auch eine schwächere Interaktion des HKWPWW-Peptids mit den viralen TAR- und PBS-Strukturen nachgewiesen werden konnte. Die auch beobachtete Hemmung der frühen HIV-Replikationsschritte durch HKWPWW könnte somit mit einer möglichen Hemmung der Transkription viraler Gene, der Reversen Transkription oder Integration erklärt werden. Jedoch zeigte die elektronenmikroskopische Analyse, dass nicht nur weniger Viren in Anwesenheit des HKWPWW-Peptids entstehen, sondern dass diese zum Teil einen weniger kondensierten Kern aufweisen. Dies kann als ein Anhaltspunkt angesehen werden, dass HKWPWW tatsächlich auch auf der Ebene der RNA-Verpackung bzw. der viralen Partikelentstehung einen hemmenden Effekt ausübt. Somit resultiert die beobachtete antivirale Aktivität des HKWPWW-Peptids vermutlich aus kombinierten inhibitorischen Effekten auf mehreren Ebenen der HIV-Replikation.
During erythropoiesis, haematopoietic stem cells (HSCs) differentiate in successive steps of commitment and specification to mature erythrocytes. This differentiation process is controlled by transcription factors that establish stage- and cell type-specific gene expression. In this study, we demonstrate that FUSE binding protein 1 (FUBP1), a transcriptional regulator important for HSC self-renewal and survival, is regulated by T-cell acute lymphocytic leukaemia 1 (TAL1) in erythroid progenitor cells. TAL1 directly activates the FUBP1 promoter, leading to increased FUBP1 expression during erythroid differentiation. The binding of TAL1 to the FUBP1 promoter is highly dependent on an intact GATA sequence in a combined E-box/GATA motif. We found that FUBP1 expression is required for efficient erythropoiesis, as FUBP1-deficient progenitor cells were limited in their potential of erythroid differentiation. Thus, the finding of an interconnection between GATA1/TAL1 and FUBP1 reveals a molecular mechanism that is part of the switch from progenitor- to erythrocyte-specific gene expression. In summary, we identified a TAL1/FUBP1 transcriptional relationship, whose physiological function in haematopoiesis is connected to proper erythropoiesis.
Gene therapy on the move
(2013)
The first gene therapy clinical trials were initiated more than two decades ago. In the early days, gene therapy shared the fate of many experimental medicine approaches and was impeded by the occurrence of severe side effects in a few treated patients. The understanding of the molecular and cellular mechanisms leading to treatment- and/or vector-associated setbacks has resulted in the development of highly sophisticated gene transfer tools with improved safety and therapeutic efficacy. Employing these advanced tools, a series of Phase I/II trials were started in the past few years with excellent clinical results and no side effects reported so far. Moreover, highly efficient gene targeting strategies and site-directed gene editing technologies have been developed and applied clinically. With more than 1900 clinical trials to date, gene therapy has moved from a vision to clinical reality. This review focuses on the application of gene therapy for the correction of inherited diseases, the limitations and drawbacks encountered in some of the early clinical trials and the revival of gene therapy as a powerful treatment option for the correction of monogenic disorders.
Zur erfolgreichen Behandlung von Tumorerkrankungen sind effiziente Therapien notwendig. Oftmals kommt es nach einer klassischen Tumortherapie zum Auftreten von Rezidiven, die aus residuellen Tumorzellen hervorgehen. Grund hierfür können eine bereits erfolgte Metastasierung oder Resistenzmechanismen der Tumorzellen sein. Auf Grund ihrer Fähigkeit Gewebe aktiv zu infiltrieren bietet der Einsatz zytotoxischer Lymphozyten im Rahmen einer zellulären Immuntherapie den Vorteil, auch bereits metastasierte Tumorzellen zu erreichen. Dadurch können auch Tumorzellen eliminiert werden, die Resistenzmechanismen meist im oberen Teil apoptotischer Signalkaskaden aufweisen. Eine spezifische Ausrichtung zytotoxischer Lymphozyten auf Tumorantigene ist grundsätzlich über chimäre Antigenrezeptoren möglich. Dabei bietet die Generierung von Tumor-spezifischen zytotoxischen Effektorzelllinien den Vorteil, Zellklone mit definierter Aktivität und Spezifität bereitstellen zu können. Im Hinblick auf einen klinischen Einsatz scheint hierfür die Natürliche Killerzelllinie NK-92 besonders geeignet. Die Ergebnisse einer klinischen Studie mit parentalen NK-92 Zellen zeigten eine gute Verträglichkeit ohne Nebenwirkungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden NK-92 Zellen genetisch so modifiziert, dass sie chimäre Antigenrezeptoren mit Spezifität für die Tumorantigene CD20, EpCAM, GD2 und CD138 exprimieren. In der Tumortherapie stellen das mit Tumoren der B-Zell-Reihe assoziierte CD20-Molekül und das auf den meisten Tumorzellen epithelialen Ursprungs exprimierte EpCAM-Protein wichtige Zielantigene monoklonaler Antikörper dar. Studien zeigten, dass auch die auf Tumorzellen des Neuroblastoms bzw. Multiplen Myeloms exprimierten Moleküle GD2 bzw. CD138 geeignete Angriffspunkte für immuntherapeutische Ansätze sein könnten. Die chimären Antigenrezeptoren sind aus einem Antigenspezifischen scFv-Antikörperfragment aufgebaut, das über ein Fragment der CD8alpha-Kette mit der CD3zeta-Kette als Signaltransduktionsdomäne verbunden ist. Nach retroviraler Transduktion zeigte sich eine hohe und homogene Oberflächenexpression dieser Rezeptoren auf modifizierten NK-92 Zellen. Auf das Oberflächenprotein CD20 ausgerichtete NK-92-scFv(Leu-16)-Zeta Zellen wiesen gegen CD20- positive Tumorzelllinien und primäre Tumorzellen eine hohe zytotoxische Aktivität auf. Im Vergleich waren parentale NK-92 Zellen gegen diese Tumorzellen nicht oder deutlich weniger aktiv. Dabei war die zytotoxische Aktivität der NK-92-scFv(Leu-16)-Zeta Zellen mit dem monoklonalen anti-CD20 Antikörper Rituximab kompetitierbar. Mit Hilfe der gegen parentale und modifizierte NK-92 Zellen resistenten Zelllinie NIH3T3 wurde gezeigt, dass allein über die stabile Expression des CD20-Proteins in NIH3T3 Zellen die Resistenz gegen modifizierte NK-92 Zellen überwunden werden kann. NK-92-scFv(Leu-16)-Zeta Zellen waren in der Lage, CD20-positive NIH3T3-CD20 Zellen auch bei niedrigen E/T-Verhältnissen effizient abzutöten. In Mischkulturen aus NIH3T3 und NIH3T3-CD20 Zellen war zudem eine selektive zytotoxische Aktivität der NK-92-scFv(Leu-16)-Zeta Zellen ausschließlich gegen Antigen-positive Zellen nachweisbar. Über die Analyse von Zellkonjugaten zwischen zytotoxischen Effektorzellen und ihren Zielzellen, deren Bildung grundsätzliche Voraussetzung für eine Eliminierung ist, wurden Hinweise erhalten, dass der chimäre Antigenrezeptor hierzu keinen Beitrag zu leisten scheint, sondern vor allem die anschließende Aktivierung der modifizierten NK-92 Zellen bewirkt. Mit EpCAM-spezifischen NK-92-scFv(MOC31)-Zeta Zellen war auch bei niedrigen E/T-Verhältnissen eine effiziente Abtötung von unterschiedlichen Tumorzelllinien epithelialen Ursprungs möglich. Eine erfolgreiche Blockierung dieser zytotoxischen Aktivität mit dem monoklonalen Antikörper MOC31 bestätigte, dass diese spezifisch über den chimären Antigenrezeptor vermittelt wurde. Die untersuchten epithelialen Zelllinien erwiesen sich dagegen als vollkommen resistent gegen parentale bzw. mit demleeren Expressionsvektor modifizierte NK-92-Mock Zellen. Weitere Ergebnisse zeigten, dass die zytotoxische Aktivität von NK-92-scFv(MOC31)-Zeta Zellen tatsächlich über Granzym B vermittelt wird. Eine erhöhte FasL-Oberflächenexpression infolge der Cokultur mit Antigen-positiven Zielzellen war dagegen nicht nachweisbar. Anhand dieser Ergebnisse kann eine signifikante Beteiligung von FasL an der zytotoxischen Aktivität der modifizierten NK-92 Zellen ausgeschlossen werden. Weiterhin wurden therapeutische Effekte von NK-92-scFv(MOC31)-Zeta Zellen in einem Xenograftmodell in NOD-scid/scid Mäusen mit einer humanen EpCAM-positiven Tumorzelllinie untersucht. Hier wurde im Vergleich zur Kontrollgruppe durch Behandlung mit EpCAM-spezifischen NK-92 Zellen, unerwarteterweise aber auch mit NK-92-Mock Zellen, ein signifikant längeres Überleben der Tiere beobachtet. Nach der Ableitung CD138-spezifischer NK-92-scFv(B-B4)-Zeta Zellen wurde zwar eine hohe zytotoxische Aktivität gegen CD138-positive Zelllinien erhalten. Es war jedoch keine im Vergleich zu parentalen NK-92 Zellen weiter verstärkte Zytotoxizität nachweisbar. Als Ursache hierfür ist eine mangelnde Funktionalität des scFv-Antikörperfragments im Kontext des chimären Antigenrezeptors denkbar. Da die Bindungseigenschaften von scFv-Fragmenten entscheidend durch die Anordnung ihrer schweren und leichten Antikörperketten zueinander beeinflusst werden können, wurden NK-92 Zellen etabliert, die ein scFv-Fragment mit umgekehrter Orientierung der Antikörperketten in ihrem chimären Antigenrezeptor tragen. Diese werden derzeit im Rahmen einer externen Zusammenarbeit auf ihre Funktionalität hin überprüft. Zur Konstruktion gegen das Disialogangliosid GD2 gerichteter chimärer Antigenrezeptoren wurden parallel zwei scFv-Fragmente des Antikörpers ch14.18 eingesetzt, die sich in der Orientierung der schweren und leichten Antikörperketten zueinander unterscheiden. Mit den Antigenrezeptorkonstrukten modifizierte NK-92 Zellen zeigten eine im Vergleich zu parentalen NK-92 und NK-92-Mock Zellen stark erhöhte Zytotoxizität gegen GD2 exprimierende humane Tumorzelllinien. Dabei wurde weder bei der Expressionsdichte der chimären Antigenrezeptoren noch in der zytotoxischen Aktivität modifizierter NK-92 Zellen mit unterschiedlicher Anordnung der variablen Antikörperdomänen im scFv Antikörperfragment ein signifikanter Unterschied beobachtet. Mit der extrazellulären Domäne von CTLA-4 als Modellprotein wurde der mögliche Einsatz einer zu scFv-Antikörperfragmenten alternativen Antigenbindungsdomäne geprüft. CTLA-4 wird normalerweise auf T-Zellen exprimiert und bindet an CD80 bzw. CD86 auf APCs. CD80- und/oder CD86-positive Zielzellen wurden von NK-92-sCTLA-4-Zeta Zellen im Vergleich zu parentalen NK-92 Zellen spezifisch und mit hoher Effizienz lysiert. In Zytotoxizitätsassays wurde mit Hilfe einer sowohl gegen parentale als auch modifizierte NK-92 Zellen resistenten Tumorzelllinie gezeigt, dass allein die stabile Expression des CD86 Proteins in dieser Zelllinie ausreicht, um die Resistenz gegen NK-92-sCTLA-4-Zeta Zellen aufzuheben. Daraus kann geschlossen werden, dass grundsätzlich auch der Einsatz von zu scFv- Antikörperfragmenten alternativen Antigenbindungsdomänen eine spezifische Ausrichtung und effiziente Aktivierung von NK-92 Zellen gewährleistet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die genetische Modifikation der Natürlichen Killerzelllinie NK-92 zur Ausrichtung auf Tumor-spezifische Zielstrukturen einen grundsätzlich geeigneten Ansatz zur Behandlung maligner Erkrankungen darstellt. Eine Weiterentwicklung Antigen-spezifischer NK-92 Derivate als mögliche Zelltherpeutika erscheint daher sinnvoll und vielversprechend.
The continuously growing natural killer (NK) cell line NK-92 is highly cytotoxic against malignant cells of various origin without affecting normal human cells. Based on this selectivity, the potential of NK-92 cells for adoptive therapy is currently being investigated in phase I clinical studies. To further enhance the antitumoral activity of NK-92 cells and expand the range of tumor entities suitable for NK-92-based therapies, here by transduction with retroviral vectors we have generated genetically modified NK-92 cells expressing chimeric antigen receptors specific either for the tumor-associated ErbB2 (HER2/neu) antigen or the human Epithelial Cell Adhesion Molecule (Ep-CAM). Both antigens are overexpressed by many tumors of epithelial origin. The chimeric antigen receptors consist of either the ErbB2 specific scFv(FRP5) antibody fragment or the Ep-CAM specific scFv(MOC31), a flexible hinge region derived from CD8, and transmembrane and intracellular regions of the CD3 zeta chain. Transduced NK-92-scFv(FRP5)-zeta or NK-92-scFv(MOC31)-zeta cells express high levels of the fusion proteins on the cell surface as determined by FACS analysis. In europium release assays no difference in cytotoxic activity of NK-92 and transduced NK-92 cells towards ErbB2 or Ep-CAM negative targets was found. However, even at low effector to target ratios transduced NK-92 cells specifically and efficiently lysed established ErbB2 or Ep-CAM expressing tumor cells that were completely resistant to cytolytic activity of parental NK-92 cells. Similarly, ErbB2-positive primary breast cancer cells isolated from pleural effusions of patients with recurrent disease were selectively killed by NK-92-scFv(FRP5)-zeta. In an in vivo model in immunodeficient mice treatment with retargeted NK-92-scFv(FRP5)-zeta, but not parental NK-92 cells resulted in markedly delayed growth of ErbB2 transformed cancer cells. These results demonstrate that efficient retargeting of NK-92 cytotoxicity can be achieved, and might allow the generation of potent cell-based therapeutics for the treatment of ErbB2 and Ep-CAM expressing malignancies. This therapeutic approach might be applicable for a large variety of different cancers where suitable cell surface antigens have been identified.
Gene-modified autologous hematopoietic stem cells (HSC) can provide ample clinical benefits to subjects suffering from X-linked chronic granulomatous disease (X-CGD), a rare inherited immunodeficiency characterized by recurrent, often life-threatening bacterial and fungal infections. Here we report on the molecular and cellular events observed in two young adults with X-CGD treated by gene therapy in 2004. After the initial resolution of bacterial and fungal infections, both subjects showed silencing of transgene expression due to methylation of the viral promoter, and myelodysplasia with monosomy 7 as a result of insertional activation of ecotropic viral integration site 1 (EVI1). One subject died from overwhelming sepsis 27 months after gene therapy, whereas a second subject underwent an allogeneic HSC transplantation. Our data show that forced overexpression of EVI1 in human cells disrupts normal centrosome duplication, linking EVI1 activation to the development of genomic instability, monosomy 7 and clonal progression toward myelodysplasia.
Im Jahre 2004 sind am Universitätsklinikum Frankfurt zwei Patienten mit X-CGD gentherapeutisch behandelt worden. Nach einer initialen Phase mit Nachweis ausreichender Mengen Oxidase-positiver Zellen im Blut der Patienten und einer deutlichen klinischen Besserung vorbestehender Infektionsherde kam es zu einem Verlust der Transgenexpression durch epigenetische Veränderungen des viralen Promotors. Ferner entwickelte sich durch Insertionsmutagenese eine klonale Expansion in der Hämatopoese und schließlich ein myelodysplastisches Syndrom mit Monosomie 7 bei beiden Patienten. In der Zusammenschau mit anderen Gentherapiestudien zur X-CGD zeigt sich, dass bislang ein langanhaltendes Engraftment funktionierender genkorrigierter Zellen nur im Zusammenhang mit einer Insertionsmutagenese beobachtet wurde. Zukünftige gentherapeutische Strategien zur Behandlung der X-CGD müssen das Risiko einer Insertionsmutagenese minimieren und gleichzeitig die Effektivität des Engraftments genkorrigierter Zellen steigern. Dies soll durch den Einsatz von SIN-Vektoren sowie einer Intensivierung der Konditionierung der Patienten erreicht werden.
Introduction The prolactin-Janus-kinase-2-signal transducer and activator of transcription-5 (JAK2-STAT5) pathway is essential for the development and functional differentiation of the mammary gland. The pathway also has important roles in mammary tumourigenesis. Prolactin regulated target genes are not yet well defined in tumour cells, and we undertook, to the best of our knowledge, the first large genetic screen of breast cancer cells treated with or without exogenous prolactin. We hypothesise that the identification of these genes should yield insights into the mechanisms by which prolactin participates in cancer formation or progression, and possibly how it regulates normal mammary gland development. Methods We used subtractive hybridisation to identify a number of prolactin-regulated genes in the human mammary carcinoma cell line SKBR3. Northern blotting analysis and luciferase assays identified the gene encoding heat shock protein 90-alpha (HSP90A) as a prolactin-JAK2-STAT5 target gene, whose function was characterised using apoptosis assays. Results We identified a number of new prolactin-regulated genes in breast cancer cells. Focusing on HSP90A, we determined that prolactin increased HSP90A mRNA in cancerous human breast SKBR3 cells and that STAT5B preferentially activated the HSP90A promoter in reporter gene assays. Both prolactin and its downstream protein effector, HSP90α, promote survival, as shown by apoptosis assays and by the addition of the HSP90 inhibitor, 17-allylamino-17-demethoxygeldanamycin (17-AAG), in both untransformed HC11 mammary epithelial cells and SKBR3 breast cancer cells. The constitutive expression of HSP90A, however, sensitised differentiated HC11 cells to starvation-induced wild-type p53-independent apoptosis. Interestingly, in SKBR3 breast cancer cells, HSP90α promoted survival in the presence of serum but appeared to have little effect during starvation. Conclusions In addition to identifying new prolactin-regulated genes in breast cancer cells, we found that prolactin-JAK2-STAT5 induces expression of the HSP90A gene, which encodes the master chaperone of cancer. This identifies one mechanism by which prolactin contributes to breast cancer. Increased expression of HSP90A in breast cancer is correlated with increased cell survival and poor prognosis and HSP90α inhibitors are being tested in clinical trials as a breast cancer treatment. Our results also indicate that HSP90α promotes survival depending on the cellular conditions and state of cellular transformation.
Hematopoietic differentiation is controlled by key transcription factors, which regulate stem cell functions and differentiation. TAL1 is a central transcription factor for hematopoietic stem cell development in the embryo and for gene regulation during erythroid/megakaryocytic differentiation. Knowledge of the target genes controlled by a given transcription factor is important to understand its contribution to normal development and disease. To uncover direct target genes of TAL1 we used high affinity streptavidin/biotin-based chromatin precipitation (Strep-CP) followed by Strep-CP on ChIP analysis using ChIP promoter arrays. We identified 451 TAL1 target genes in K562 cells. Furthermore, we analysed the regulation of one of these genes, the catalytic subunit beta of protein kinase A (PRKACB), during megakaryopoiesis of K562 and primary human CD34+ stem cell/progenitor cells. We found that TAL1 together with hematopoietic transcription factors RUNX1 and GATA1 binds to the promoter of the isoform 3 of PRKACB (Cβ3). During megakaryocytic differentiation a coactivator complex on the Cβ3 promoter, which includes WDR5 and p300, is replaced with a corepressor complex. In this manner, activating chromatin modifications are removed and expression of the PRKACB-Cβ3 isoform during megakaryocytic differentiation is reduced. Our data uncover a role of the TAL1 complex in controlling differential isoform expression of PRKACB. These results reveal a novel function of TAL1, RUNX1 and GATA1 in the transcriptional control of protein kinase A activity, with implications for cellular signalling control during differentiation and disease.
Autologous chimeric antigen receptor-modified (CAR) T cells with specificity for CD19 showed potent antitumor efficacy in clinical trials against relapsed and refractory B-cell acute lymphoblastic leukemia (B-ALL). Contrary to T cells, natural killer (NK) cells kill their targets in a non-antigen-specific manner and do not carry the risk of inducing graft vs. host disease (GvHD), allowing application of donor-derived cells in an allogenic setting. Hence, unlike autologous CAR-T cells, therapeutic CD19-CAR-NK cells can be generated as an off-the-shelf product from healthy donors. Nevertheless, genetic engineering of peripheral blood (PB) derived NK cells remains challenging and optimized protocols are needed. In our study, we aimed to optimize the generation of CD19-CAR-NK cells by retroviral transduction to improve the high antileukemic capacity of NK cells. We compared two different retroviral vector platforms, the lentiviral and alpharetroviral, both in combination with two different transduction enhancers (Retronectin and Vectofusin-1). We further explored different NK cell isolation techniques (NK cell enrichment and CD3/CD19 depletion) to identify the most efficacious methods for genetic engineering of NK cells. Our results demonstrated that transduction of NK cells with RD114-TR pseudotyped retroviral vectors, in combination with Vectofusin-1 was the most efficient method to generate CD19-CAR-NK cells. Retronectin was potent in enhancing lentiviral/VSV-G gene delivery to NK cells but not alpharetroviral/RD114-TR. Furthermore, the Vectofusin-based transduction of NK cells with CD19-CARs delivered by alpharetroviral/RD114-TR and lentiviral/RD114-TR vectors outperformed lentiviral/VSV-G vectors. The final generated CD19-CAR-NK cells displayed superior cytotoxic activity against CD19-expressing target cells when compared to non-transduced NK cells achieving up to 90% specific killing activity. In summary, our findings present the use of RD114-TR pseudotyped retroviral particles in combination with Vectofusin-1 as a successful strategy to genetically modify PB-derived NK cells to achieve highly cytotoxic CD19-CAR-NK cells at high yield.
Constitutive Wnt activation upon loss of Adenoma polyposis coli (APC) acts as main driver of colorectal cancer (CRC). Targeting Wnt signaling has proven difficult because the pathway is crucial for homeostasis and stem cell renewal. To distinguish oncogenic from physiological Wnt activity, we have performed transcriptome and proteome profiling in isogenic human colon organoids. Culture in the presence or absence of exogenous ligand allowed us to discriminate receptor-mediated signaling from the effects of CRISPR/Cas9-induced APC loss. We could catalog two nonoverlapping molecular signatures that were stable at distinct levels of stimulation. Newly identified markers for normal stem/progenitor cells and adenomas were validated by immunohistochemistry and flow cytometry. We found that oncogenic Wnt signals are associated with good prognosis in tumors of the consensus molecular subtype 2 (CMS2). In contrast, receptor-mediated signaling was linked to CMS4 tumors and poor prognosis. Together, our data represent a valuable resource for biomarkers that allow more precise stratification of Wnt responses in CRC.
Hypoxia-induced long non-coding RNA Malat1 is dispensable for renal ischemia/reperfusion-injury
(2018)
Renal ischemia-reperfusion (I/R) injury is a major cause of acute kidney injury (AKI). Non-coding RNAs are crucially involved in its pathophysiology. We identified hypoxia-induced long non-coding RNA Malat1 (Metastasis Associated Lung Adenocarcinoma Transcript 1) to be upregulated in renal I/R injury. We here elucidated the functional role of Malat1 in vitro and its potential contribution to kidney injury in vivo. Malat1 was upregulated in kidney biopsies and plasma of patients with AKI, in murine hypoxic kidney tissue as well as in cultured and ex vivo sorted hypoxic endothelial cells and tubular epithelial cells. Malat1 was transcriptionally activated by hypoxia-inducible factor 1-α. In vitro, Malat1 inhibition reduced proliferation and the number of endothelial cells in the S-phase of the cell cycle. In vivo, Malat1 knockout and wildtype mice showed similar degrees of outer medullary tubular epithelial injury, proliferation, capillary rarefaction, inflammation and fibrosis, survival and kidney function. Small-RNA sequencing and whole genome expression analysis revealed only minor changes between ischemic Malat1 knockout and wildtype mice. Contrary to previous studies, which suggested a prominent role of Malat1 in the induction of disease, we did not confirm an in vivo role of Malat1 concerning renal I/R-injury.
Der programmierte Zelltod (Apoptose) ist ein wichtiger Mechanismus zur Eliminierung von beschädigtem Gewebe und entarteten Zellen. Die Deregulierung der Apoptose führt zu zahlreichen Erkrankungen wie neuro-degenerativen Störungen und Krebs. Insbesondere in Tumoren wird der programmierte Zelltod mit Hilfe von hochregulierten, anti-apoptotischen Proteinen umgangen und es entstehen Resistenzen gegen Chemotherapien. Um innovative therapeutische Ansätze zu finden, wurden in diesem Projekt mit Hilfe eines Hefe-Survival-Screens neue, potentiell anti-apoptotische Proteine im Pankreaskarzinom identifiziert. Von den insgesamt 38 identifizierten Genprodukten wurden zwei für eine weiterführende Analyse ausgewählt.
Eins der näher untersuchten Proteine ist die Pyruvoyl-tetrahydrobiopterin-Synthase (PTS), ein wichtiges Enzym für die Biosynthese von Tetrahydrobiopterin (BH4). BH4 ist ein Kofaktor, der von mehreren Enzymen der Zelle für ihre Funktionen benötigt wird. In Zellkultur-Experimenten konnte gezeigt werden, dass eine Überexpression von PTS die Zellen vor Apoptose schützen kann, während eine Herunterregulation durch genetischen knockdown die Zellen gegenüber Apoptose-Stimuli sensibilisiert und ihr Wachstum beeinträchtigt. In Xenograft-Experimenten mit NOD/SCID-Mäusen konnte zudem gezeigt werden, dass Tumore mit einem PTS-Knockdown signifikant langsamer wachsen als die der Kontrollgruppe. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse auf eine Rolle von PTS bei der Apoptose-Regulation und beim Tumorwachstum hin, was das Protein zu einem attraktiven Target für die Krebstherapie macht.
Als zweites wurde ein Protein analysiert, das eine Untereinheit des respiratorischen Komplex I bildet: NDUFB5 (NADH-Dehydrogenase 1 beta Subcomplex, 5). Das besondere an diesem Protein sind die verschiedenen Isoformen, die durch alternatives Splicing zustandekommen. Eine Isoform, der die Exone 2 und 3 fehlen, wurde im Hefe-Survival-Screen identifiziert. Bei Überexpression in Zelllinien konnte sie im Gegensatz zum Volllänge-Protein die Apoptoserate reduzieren. Und auch Ergebnisse aus Versuchen mit Isoformen-spezifischem knockdown deuten an, dass hauptsächlich die verkürzte Isoform sNDUFB5 für die Regulation von Apoptose und Proliferation verantwortlich ist. Diese Beobachtungen konnten mit denselben Zellen im Xenograft-Tiermodell jedoch nicht bestätigt werden. Die Ursachen dafür blieben unklar. Zusätzlich wurden immunhistochemische Analysen von Pankreaskarzinomen und normalem Pankreasgewebe durchgeführt. Sie ergaben, dass die kurze Isoform sNDUFB5 im Tumor stark überexpremiert ist, während die Expression des Volllänge-Proteins in normalem und Tumorgewebe ähnlich hoch ausfällt. Dieser Befund macht NDUFB5 zu einem interessanten therapeutischen Target.
Die näher untersuchten Kandidaten-Gene zeigen beide Potential als neue Angriffspunkte für eine molekulare Krebstherapie. Andere in dem Hefe-Survival-Screen identifizierte Proteine wurden bereits als anti-apoptotisch und/oder in Krebszellen überexprimiert beschrieben. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass ein funktionelles, Hefe-basiertes Screeningsystem geeignet ist, neue bisher unbekannte Proteine mit anti-apoptotischer Funktion zu identifizieren. Auch zeigen die Befunde, dass bereits bekannte Proteine weitere bisher unbekannte Funktionen wie z.B. die Inhibition von Apoptose aufweisen können. Basierend auf solchen mehrfachen Proteinfunktionen lassen sich weitere therapeutische Möglichkeiten ableiten.
Tumoren epithelialen Ursprungs weisen häufig eine vermehrte Expression und/oder Mutationen des epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptors (EGFR) auf. Durch die übermäßig starke bzw. permanente Vermittlung von Überlebens- und Proliferationssignalen an die betroffene Zelle trägt dies direkt zum Voranschreiten der Tumorerkrankung bei. Für eine Reihe von Tumorentitäten ist bekannt, dass eine abnorme Expression von EGFR mit einer schlechteren Prognose für den Krankheitsverlauf und die mittlere Überlebenszeit betroffener Krebspatienten korreliert. Begleitend zur systemischen Chemotherapie solcher Tumoren wird eine gerichtete Therapie zur Eindämmung der EGFR-vermittelten Signaltransduktion durch den Einsatz von Tyrosinkinase-Inhibitoren (TKI) oder EGFR-spezifischer monoklonaler Antikörper (mAb) erzielt. Bei der therapeutischen Anwendung monoklonaler anti-EGFR Antikörper wurden in einigen Fällen lediglich milde Nebenwirkungen wie z.B. Hautausschläge beobachtet, wobei das Auftreten dieser Effekte mit dem Therapieerfolg korrelierte. Eine Reihe von monoklonalen Antikörpern, die gegen ErbB Rezeptor-Tyrosinkinasen gerichtet sind, sind mittlerweile zur Tumortherapie zugelassen, darunter der chimäre anti-EGFR Antikörper Cetuximab (Erbitux®, ImClone/BMS/Merck) zur Behandlung von metastasierenden Kolonkarzinomen sowie Karzinomen des Kopf- und Halsbereichs, der humane anti-EGFR Antikörper Panitumumab (Vectibix®, Amgen) bei metastasierenden Kolonkarzinomen, und der humanisierte anti-ErbB2 Antikörper Trastuzumab (Herceptin®, Genentech/Roche) bei Brustkrebs. Weitere Antikörper befinden sich derzeit in fortgeschrittenen Phasen der klinischen Entwicklung, darunter der humanisierte anti-EGFR Antikörper Matuzumab (Merck/Takeda). Klinische Daten zeigen, dass Patienten mit EGFR positiven Tumoren, die gegenüber etablierter Chemotherapie resistent sind, von der Behandlung mit anti-EGFR Antikörpern profitieren. Durch aktivierte EGF-Rezeptoren induzierte mitogene Signale werden vermindert bzw. blockiert, indem die Antikörper mit hoher Affinität an ErbB Rezeptoren auf der Zelloberfläche binden und die Ligandenbindung bzw. die Dimerisierung verhindern, die zur Bildung aktivierter Rezeptor Dimere nötig ist. Auf diese Weise wird die mitogene Signalübertragung aktivierter ErbB-Rezeptor Dimere verhindert und die Proliferation der Tumorzelle wird verlangsamt oder kommt zum Stillstand. Es gibt Hinweise, dass darüber hinaus sekundäre Effektormechanismen des Immunsystems wie die antikörperabhängige zellvermittelte Zytotoxizität (ADCC) oder die komplementabhängige Zytotoxizität (CDC) gegen Antikörper-markierte Tumorzellen die anti-tumorale Wirksamkeit dieser Antikörper noch verstärken. Die lebensverlängernde Wirkung der Behandlung mit diesen Antikörpern ist ein Beispiel für die erfolgreiche Anwendung einer zielgerichteten Krebstherapie durch passive Immuntherapie. Zu Beginn dieser Arbeit waren die genauen Bindungsstellen der therapeutischen anti-EGFR Antikörper Cetuximab und Matuzumab noch unbekannt. Die Kenntnis der Lage der Epitope auf dem EGFR Molekül könnte wichtige Hinweise zur Aufklärung der Wirkungsmechanismen dieser Antikörper liefern und Ansätze zur weiteren Optimierung dieser Therapeutika aufzeigen. Aus vorangegangenen Experimenten war bekannt, dass Cetuximab und Matuzumab Epitope auf dem EGFR erkennen, die eine intakte Raumstruktur des Rezeptors voraussetzen. Diese Beobachtungen konnten in dieser Arbeit bestätigt werden, ferner konnte die Lage der Epitope auf die EGFR Ektodomäne III/L2 eingegrenzt werden. Da sowohl Cetuximab als auch Matuzumab nicht-lineare, konformationelle Epitope erkennen, wurde eine Variante der Phage Display Methode zur Identifizierung von Peptiden gewählt, die mit den hypervariablen Regionen (CDR) dieser Antikörper interagieren, welche die Bindungsspezifität der Antikörper vermitteln. Ziel dieser Experimente war die Identifizierung von Peptiden, welche die konformationellen Epitope von Cetuximab bzw. Matuzumab in linearer bzw. zyklisch restringierter Form nachbilden. Die Aminosäuresequenzen solcher sogenannter Mimotope könnten zur Identifizierung entsprechender Oberflächenstrukturen am EGFR Molekül herangezogen werden. In der vorliegenden Arbeit wurden aus kommerziell erhältlichen Bibliotheken genetisch modifizierter M13 Bakteriophagen, die randomisierte lineare bzw. zyklische Peptide als N-terminale Fusion am Oberflächenprotein pIII exponieren (M13KE), unter Anwendung der „Delayed Infectivity Panning“ (DIP) Methode Peptide angereichert, die von Cetuximab bzw. Maztuzumab erkannt werden. Zur Anreicherung von M13KE Bakteriophagen mit CDR-spezifischen Fusionspeptiden mittels DIP wurde zunächst ein „single-chain“ Antikörperfragment aus der cDNA von Matuzumab konstruiert und in den bakteriellen Expressionsvektor pIB-Tx kloniert. Mit dem resultierenden Konstrukt pIB-Tx-scFv(E72K) bzw. dem bereits vorhandenen analogen Konstrukt pIB-Tx-scFv(225), welches das „single-chain“ Antikörperfragment von Cetuximab enthält, wurden E. coli HB101 Bakterien transformiert, um die bakterielle Oberflächenexpression dieser Antikörperfragmente zum Einsatz in DIP Experimenten zu erreichen. In alternierenden positiven und negativen Selektionsrunden wurden unter Einsatz dieser scFv-exprimierenden E. coli HB101 Bakterien in Biopanning Experimenten Phagen mit solchen Fusionspeptiden angereichert, die selektiv an die „single-chain“ Antikörperfragmente von Cetuximab bzw. Matuzumab binden. Phagen ELISA Experimente mit M13KE Einzelklonen zeigten, dass aus allen eingesetzten Bibliotheken Phagen mit Fusionspeptiden isoliert werden konnten, die an den jeweiligen parentalen Antikörper des zur Selektion eingesetzten „single-chain“ Antikörperfragmentes binden. Ein Teil der Phagenklone wies eine zumindest partielle Kreuzreaktivität zu dem entsprechenden anderen anti-EGFR Antikörper auf, obwohl sie auf Bindung an diesen nicht selektioniert worden waren. Die Sequenzanalyse der Fusionspeptide lieferte keine gemeinsame Consensus Sequenz, es konnten jedoch kurze, gemeinsame Sequenzmotive identifiziert werden. In MTT-Zytotoxizitätsassays wurden diese Klone als mögliche Kompetitoren der Bindung des gegen EGFR gerichteten Immuntoxins scFv(225)-ETA in MTT-Zytotoxizitätsassays eingesetzt. Ein Teil der selektionierten Fusionspeptide war in der Lage, die Bindung der aus dem „single-chain“ Antikörperfragment von Cetuximab scFv(225) bestehenden Zellbindungsdomäne des Immuntoxins scFv(225)-ETA an EGFR exprimierende Zellen zu kompetieren. Auch für einige Fusionspeptide, die zunächst nur auf Bindung an Matuzumab selektioniert worden waren, wurde dies beobachtet. Peptide, welche die Bindung des Immuntoxins an EGFR kompetieren, weisen in ihren pIII-Fusionspeptiden laut Sequenzanalyse die gemeinsamen Sequenzmotive KTL bzw. YPLG auf. Nach einem Abgleich der Sequenzen der kompetierenden, kreuzreaktiven Peptide mit KTL bzw. YPLG Motiven wurden zwei Peptide ausgewählt und zur Immunisierung von Kaninchen eingesetzt. In MTT-Zytotoxizitätsassays wurde zunächst bestätigt, dass die synthetischen Peptide in der Lage sind, durch Kompetition spezifisch die Bindung des gegen EGFR gerichteten Immuntoxins scFv(225)-ETA und dessen zytotoxische Wirkung auf EGFR exprimierende Zellen zu verhindern. Kaninchenseren und aus diesen affinitätsgereinigte anti-Peptid Antikörper zeigten in ELISA Experimenten konzentrationsabhängige Bindung an die immobilisierten synthetischen Peptide. Die Bindung der anti-EGFR Antikörper Cetuximab und Matuzumab an die synthetischen Peptide konnte ebenfalls bestätigt werden. In einer Reihe von Experimenten wurde untersucht, ob die Immunisierung mit potentiellen Mimotopen der anti-EGFR Antikörper eine endogene humorale Immunantwort gegen den humanen EGFR bewirkt hatte. Die Bindung der affinitätsgereinigten anti-Peptid Antikörper an den Rezeptor auf der Oberfläche EGFR-exprimierender Tumorzellen wurde zunächst in Durchflusszytometrie (FACS) Experimenten analysiert. Für die gereinigten anti-Peptid Antikörper wurde spezifische Bindung an murine Renca-lacZ/EGFR Zellen sowie an humane A431 Vulvakarzinomzellen detektiert, die den humanen EGFR auf der Oberfläche exprimieren. Die Bindung an A431 konnte durch Vorinkubation der Antikörper mit einem Überschuss der entsprechenden synthetischen Peptide vollständig verhindert werden. In einer weiteren Serie von FACS Experimenten konnte gezeigt werden, dass die Bindung der Antikörper Cetuximab und Matuzumab an EGFR durch eine Vorinkubation von Renca-lacZ/EGFR Zellen mit den gereinigten anti-Peptid Antikörpern deutlich reduziert werden konnte. Dies ist ein Beweis für die Fähigkeit der in Immunisierungsexperimenten generierten anti-Peptid Antikörper, die Bindungsstellen von Cetuximab und Matuzumab am EGFR zumindest teilweise zu besetzen. Diese Beobachtungen zeigen, dass durch Immunisierung mit den hier ausgewählten synthetischen Peptiden in Versuchstieren die Bildung von Antikörpern mit ähnlichen Eigenschaften wie Cetuximab bzw. Matuzumab und somit eine endogene Immunantwort gegen den humanen EGFR ausgelöst werden konnte. In Immunfluoreszenz Experimenten wurde die Bindung der anti-Peptid Antikörper an Renca-lacZ/EGFR Zellen erneut überprüft und mittels konfokaler Laser Scanning Mikroskopie (CLSM) visualisiert. In diesen Experimenten wurde für gereinigte anti-Peptid Antikörper (KTL Motiv bzw. YPLG Motiv) Bindung an die Zelloberfläche bzw. membrannahe intrazelluläre Strukturen beobachtet, die der Lokalisierung der Bindungssignale der parallel getesteten anti-EGFR Antikörper Cetuximab, Matuzumab und dem murinen anti-EGFR Antikörper R-1 entsprach. Die Bindung der anti-Peptid Antikörper konnte durch Zugabe eines Überschusses der jeweiligen synthetischen Peptide verhindet werden. In einer weiteren Serie von Immunfluoreszenz Experimenten wurde der humane EGFR auf Renca-lacZ/EGFR Zellen gleichzeitig mit anti-KTL bzw. anti-YPLG Peptid Antikörpern aus Kaninchen sowie dem murinen anti-EGFR Antikörper R-1 detektiert. Durch eine Überlagerung der Signale konnte eindeutig eine Kolokalisation nachgewiesen werden. Dies ist ein Beweis dafür, dass es sich bei der Bindung der anti-Peptid Antikörper an die Oberfläche von Renca-lacZ/EGFR um Bindung an den humanen EGFR handelt. In Lysaten von EGFR exprimierenden Zelllinien konnte mit gereinigten anti-Peptid Antikörpern ein Protein detektiert werden, dessen Größe dem humanen EGFR entspricht. Die durch Stimulation des humanen EGFR mit dem natürlichen Peptidliganden EGF hervorgerufene Autophosphorylierung des Rezeptors in A431 Zellen konnte durch Zugabe von anti-Peptid Antikörpern teilweise inhibiert werden, allerdings nicht in dem gleichen Ausmaß, wie dies für die als Positivkontrollen eingesetzten anti-EGFR Antikörper Cetuximab und Matuzumab beobachtet wurde. In MTT-Zytotoxizitätsassays konnte darüber hinaus eine teilweise Kompetition der Bindung des rekombinanten Toxins TGF!-ETA an EGFR-exprimierende A431 Zellen, und somit eine teilweise Kompetition des natürlichen Peptidliganden TGF! an EGFR durch Vorinkubation mit anti-Peptid Antikörpern nachgewiesen werden. Zur näherungsweisen Quantifizierung der Affinitäten der anti-Peptid Antikörper und der anti-EGFR Antikörper Cetuximab und Matuzumab für die synthetischen Peptide (KTL Motiv und YPLG Motiv) bzw. für die gereinigte extrazelluläre Domäne des humanen EGFR (sEGFR) wurden ELISA Bindungstests durchgeführt. Die aus den Bindungskurven berechneten Affinitätswerte zeigen, dass die anti-Peptid Antikörper an sEGFR im nanomolaren Bereich binden und damit ca. 200-fach niedrigere Affinitäten für den Rezeptor besitzen als die affinitätsoptimierten anti-EGFR Antikörper Cetuximab bzw. Matuzumab. Die Affinitäten der anti- Peptid Antikörper für die synthetischen Peptide liegen ebenfalls im nanomolaren Bereich, während Cetuximab und Matuzumab lediglich mikromolare Affinitäten für die Peptide besitzen. Durch „Epitope Mapping“ in silico vorhergesagte mögliche Oberflächenstrukturen auf EGFR, welche die Peptidmimotope mit KTL bzw. YPLG Motiven nachbilden, sind direkt benachbart zu den mittlerweile publizierten Bindungsstellen von Matuzumab und Cetuximab bzw. EGF in der Ektodomäne III/L2 von EGFR (Li et al., 2005; Schmiedel et al., 2008) und zeigten im Falle des Peptides mit KTL Motiv Übereinstimungen mit Teilen beider Epitope. Möglicherweise ist dieses Peptid in der Lage, alternative Strukturen mit KTL bzw. KTI Motiven an der Oberfläche von EGFR nachzubilden, die Gemeinsamkeiten mit beiden Epitopen von Cetuximab bzw. Matuzumab besitzen und daher von beiden Antikörpern erkannt werden können. Eine endgültige Klärung der Bindung der hier identifizierten Peptide an Cetuximab bzw. Matuzumab bzw. der Bindung der anti-Peptid Antikörper an EGFR könnte in nachfolgenden Untersuchungen mittels Röntgenkristallographie bzw. NMR strukturell aufgeklärt werden – die hierzu nötigen Peptide bzw. Proteine liegen bereits in gereinigter Form vor. Eine Optimierung der hier identifizierten Mimotope zur Steigerung der Affinitäten der induzierten anti-Peptid Antikörper für EGFR könnte zur Entwickung von Vakzinen führen, die eine Alternative zur wiederholten, kostenintensiven passiven Immunisierung von Patienten mit EGFR-exprimierenden Tumoren mit monoklonalen Antikörpern darstellen könnte.
Inhibition of the IκB kinase complex (IKK) has been implicated in the therapy of several chronic inflammatory diseases including inflammatory bowel diseases. In this study, using mice with an inactivatable IKKα kinase (IkkαAA/AA), we show that loss of IKKα function markedly impairs epithelial regeneration in a model of acute colitis. Mechanistically, this is caused by compromised secretion of cytoprotective IL-18 from IKKα-mutant intestinal epithelial cells because of elevated caspase 12 activation during an enhanced unfolded protein response (UPR). Induction of the UPR is linked to decreased ATG16L1 stabilization in IkkαAA/AA mice. We demonstrate that both TNF-R and nucleotide-binding oligomerization domain stimulation promote ATG16L1 stabilization via IKKα-dependent phosphorylation of ATG16L1 at Ser278. Thus, we propose IKKα as a central mediator sensing both cytokine and microbial stimulation to suppress endoplasmic reticulum stress, thereby assuring antiinflammatory function during acute intestinal inflammation.
IKKα promotes intestinal tumorigenesis by limiting recruitment of M1-like polarized myeloid cells
(2014)
The recruitment of immune cells into solid tumors is an essential prerequisite of tumor development. Depending on the prevailing polarization profile of these infiltrating leucocytes, tumorigenesis is either promoted or blocked. Here, we identify IκB kinase α (IKKα) as a central regulator of a tumoricidal microenvironment during intestinal carcinogenesis. Mice deficient in IKKα kinase activity are largely protected from intestinal tumor development that is dependent on the enhanced recruitment of interferon γ (IFNγ)-expressing M1-like myeloid cells. In IKKα mutant mice, M1-like polarization is not controlled in a cell-autonomous manner but, rather, depends on the interplay of both IKKα mutant tumor epithelia and immune cells. Because therapies aiming at the tumor microenvironment rather than directly at the mutated cancer cell may circumvent resistance development, we suggest IKKα as a promising target for colorectal cancer (CRC) therapy.
IKKβ acts as a tumor suppressor in cancer-associated fibroblasts during intestinal tumorigenesis
(2015)
Cancer-associated fibroblasts (CAFs) comprise one of the most important cell types in the tumor microenvironment. A proinflammatory NF-κB gene signature in CAFs has been suggested to promote tumorigenesis in models of pancreatic and mammary skin cancer. Using an autochthonous model of colitis-associated cancer (CAC) and sporadic cancer, we now provide evidence for a tumor-suppressive function of IKKβ/NF-κB in CAFs. Fibroblast-restricted deletion of Ikkβ stimulates intestinal epithelial cell proliferation, suppresses tumor cell death, enhances accumulation of CD4+Foxp3+ regulatory T cells, and induces angiogenesis, ultimately promoting colonic tumor growth. In Ikkβ-deficient fibroblasts, transcription of negative regulators of TGFβ signaling, including Smad7 and Smurf1, is impaired, causing up-regulation of a TGFβ gene signature and elevated hepatocyte growth factor (HGF) secretion. Overexpression of Smad7 in Ikkβ-deficient fibroblasts prevents HGF secretion, and pharmacological inhibition of Met during the CAC model confirms that enhanced tumor promotion is dependent on HGF–Met signaling in mucosa of Ikkβ-mutant animals. Collectively, these results highlight an unexpected tumor suppressive function of IKKβ/NF-κB in CAFs linked to HGF release and raise potential concerns about the use of IKK inhibitors in colorectal cancer patients.
Radiobiology research in rectal cancer has been limited to cell lines, patient-derived organoids (PDOs), or xenografts. Here, we describe a protocol which recapitulates more efficiently the complex contributions of the tumor microenvironment. This approach establishes a preclinical mouse model of rectal cancer by intrarectal transplantation of genetically modified organoids into immunocompetent mice followed by precise image-guided radiotherapy (IGRT) of organoid-induced tumors. This model represents a useful platform to study the cellular and molecular determinants of therapy resistance in rectal cancer.
Reactive oxygen species (ROS) are derivatives of molecular oxygen (O2) involved in various physiological and pathological processes. In immune cells, ROS are mediators of pivotal functions such as phagocytosis, antigen presentation and recognition, cytolysis as well as phenotypical differentiation. Furthermore, ROS exert immunosuppressive effects on T and natural killer (NK) cells which is of particular importance in the so-called “tumor microenvironment” (TME) of solid tumors. This term describes the heterogenous group of non-malignant cells including tumor-associated fibroblasts and immune cells, vascular cells, bacteria etc. by which cancer cells are surrounded and with whom they engage in functional crosstalk. Importantly, pharmacological targeting of the TME and, specifically, tumor-associated immune cells utilizing immune checkpoint inhibitors - monoclonal antibodies that mitigate immunosuppression - turned out to be a major breakthrough in the treatment of malignant tumors. In this review, we aim to give an overview of the role that ROS produced in tumor-associated immune cells play during initiation, progression and metastatic outgrowth of solid cancers. Finally, we summarize findings on how ROS in the TME could be targeted therapeutically to increase the efficacy of cancer immunotherapy and discuss factors determining therapeutic success of redox modulation in tumors.
Background: The inclusion of immune checkpoint inhibitors (ICIs) in therapeutic algorithms has led to significant survival benefits in patients with various metastatic cancers. Concurrently, an increasing number of neurological immune related adverse events (IRAE) has been observed. In this retrospective analysis, we examine the ICI-induced incidence of cerebral pseudoprogression and propose a classification system.
Methods: We screened our hospital information system to identify patients with any in-house ICI treatment for any tumor disease during the years 2007-2019. All patients with cerebral MR imaging (cMRI) of sufficient diagnostic quality were included. cMRIs were retrospectively analyzed according to immunotherapy response assessment for neuro-oncology (iRANO) criteria.
Results: We identified 12 cases of cerebral pseudoprogression in 123 patients treated with ICIs and sufficient MRI. These patients were receiving ICI therapy for lung cancer (n=5), malignant melanoma (n=4), glioblastoma (n=1), hepatocellular carcinoma (n=1) or lymphoma (n=1) when cerebral pseudoprogression was detected. Median time from the start of ICI treatment to pseudoprogression was 5 months. All but one patient developed neurological symptoms. Three different patterns of cerebral pseudoprogression could be distinguished: new or increasing contrast-enhancing lesions, new or increasing T2 predominant lesions and cerebral vasculitis type pattern.
Conclusion: Cerebral pseudoprogression followed three distinct patterns and was detectable in 3.2% of all patients during ICI treatment and in 9.75% of the patients with sufficient brain imaging follow up. The fact that all but one of the affected patients developed neurological symptoms, which would be classified as progressive disease according to iRANO criteria, mandates vigilance in the diagnosis and treatment of ICI-induced cerebral lesions.
Immunohistochemical assessment of phosphorylated mTORC1-pathway proteins in human brain tumors
(2015)
Background: Current pathological diagnostics include the analysis of (epi-)genetic alterations as well as oncogenic pathways. Deregulated mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) signaling has been implicated in a variety of cancers including malignant gliomas and is considered a promising target in cancer treatment. Monitoring of mTORC1 activity before and during inhibitor therapy is essential. The aim of our study is to provide a recommendation and report on pitfalls in the use of phospho-specific antibodies against mTORC1-targets phospho-RPS6 (Ser235/236; Ser240/244) and phospho-4EBP1 (Thr37/46) in formalin fixed, paraffin embedded material.
Methods and findings: Primary, established cell lines and brain tumor tissue from routine diagnostics were assessed by immunocyto-, immunohistochemistry, immunofluorescent stainings and immunoblotting. For validation of results, immunoblotting experiments were performed. mTORC-pathway activation was pharmacologically inhibited by torin2 and rapamycin. Torin2 treatment led to a strong reduction of signal intensity and frequency of all tested antibodies. In contrast phospho-4EBP1 did not show considerable reduction in staining intensity after rapamycin treatment, while immunocytochemistry with both phospho-RPS6-specific antibodies showed a reduced signal compared to controls. Staining intensity of both phospho-RPS6-specific antibodies did not show considerable decrease in stability in a timeline from 0–230 minutes without tissue fixation, however we observed a strong decrease of staining intensity in phospho-4EBP1 after 30 minutes. Detection of phospho-signals was strongly dependent on tissue size and fixation gradient. mTORC1-signaling was significantly induced in glioblastomas although not restricted to cancer cells but also detectable in non-neoplastic cells.
Conclusion: Here we provide a recommendation for phospho-specific immunohistochemistry for patient-orientated therapy decisions and monitoring treatment response.
Newly emerging influenza A viruses (IAV) pose a major threat to human health by causing seasonal epidemics and/or pandemics, the latter often facilitated by the lack of pre-existing immunity in the general population. Early recognition of candidate pandemic influenza viruses (CPIV) is of crucial importance for restricting virus transmission and developing appropriate therapeutic and prophylactic strategies including effective vaccines. Often, the pandemic potential of newly emerging IAV is only fully recognized once the virus starts to spread efficiently causing serious disease in humans. Here, we used a novel phylogenetic algorithm based on the informational spectrum method (ISM) to identify potential CPIV by predicting mutations in the viral hemagglutinin (HA) gene that are likely to (differentially) affect critical interactions between the HA protein and target cells from bird and human origin, respectively. Predictions were subsequently validated by generating pseudotyped retrovirus particles and genetically engineered IAV containing these mutations and characterizing potential effects on virus entry and replication in cells expressing human and avian IAV receptors, respectively. Our data suggest that the ISM-based algorithm is suitable to identify CPIV among IAV strains that are circulating in animal hosts and thus may be a new tool for assessing pandemic risks associated with specific strains.
Background: On encountering a susceptible target, natural killer (NK) cells mediate cytotoxicity through highly regulated steps of directed degranulation. Cytotoxic granules converge at the microtubule organizing center and are polarized toward the immunological synapse (IS), followed by granule exocytosis. NK cell retargeting by chimeric antigen receptors (CARs) or mAbs represents a promising strategy for overcoming tumor cell resistance. However, little is known about the lytic granule dynamics of such retargeted NK cells toward NK-cell-resistant tumors.
Methods: Here, we used spinning disk confocal microscopy for live-cell imaging to analyze granule-mediated NK cell cytotoxicity in ErbB2-targeted CAR-expressing NK-92 cells (NK-92/5.28.z) and high-affinity FcR transgenic NK-92 cells plus Herceptin toward ErbB2-positive breast cancer cells (MDA-MB-453), which are resistant to parental NK-92.
Results: Unmodified NK-92 cells cocultured with resistant cancer cells showed stable conjugate formation and granule clustering, but failed to polarize granules to the IS. In contrast, retargeting by CAR or FcR+Herceptin toward the MDA-MB-453 cells enabled granule polarization to the IS, resulting in highly effective cytotoxicity. We found that in NK-92 the phosphoinositide 3-kinase pathway was activated after contact with resistant MDA-MB-453, while phospholipase C-γ (PLCγ) and mitogen-activated protein kinase (MEK)/extracellular signal-regulated kinase (ERK) were not activated. In contrast, retargeting by CAR or antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity (ADCC) provided the missing PLCγ and MEK/ERK signals.
Conclusions: These observations suggest that NK cells can create conjugates with resistant cancer cells and respond by granule clustering, but the activation signals are insufficient to induce granule polarization and consequent release of lytic enzymes. Retargeting by CAR and/or the FcR/mAb (ADCC) axis provide the necessary signals, leading to granule polarization and thereby overcoming tumor cell resistance.
The leukemia-associated fusion protein RUNX1/ETO is generated by the chromosomal translocation t(8;21) which appears in about 12% of all de novo acute myeloid leukemias (AMLs). Essential for the oncogenic potential of RUNX1/ETO is the oligomerization of the chimeric fusion protein through the nervy homology region 2 (NHR2) within ETO. In previous studies, we have shown that the intracellular expression of peptides containing the NHR2 domain inhibits RUNX1/ETO oligomerization, thereby preventing cell proliferation and inducing differentiation of RUNX1/ETO transformed cells. Here, we show that introduction of a recombinant TAT-NHR2 fusion polypeptide into the RUNX1/ETO growth-dependent myeloid cell line Kasumi-1 results in decreased cell proliferation and increased numbers of apoptotic cells. This effect was highly specific and mediated by binding the TAT-NHR2 peptide to ETO sequences, as TAT-polypeptides containing the oligomerization domain of BCR did not affect cell proliferation or apoptosis in Kasumi-1 cells. Thus, the selective interference with NHR2-mediated oligomerization by peptides represents a challenging but promising strategy for the inhibition of the leukemogenic potential of RUNX1/ETO in t(8;21)-positive leukemia.
Runt-related transcription factor 1 (RUNX1) is a well-known master regulator of hematopoietic lineages but its mechanisms of action are still not fully understood. Here, we found that RUNX1 localizes on active chromatin together with Far Upstream Binding Protein 1 (FUBP1) in human B-cell precursor lymphoblasts, and that both factors interact in the same transcriptional regulatory complex. RUNX1 and FUBP1 chromatin localization identified c-KIT as a common target gene. We characterized two regulatory regions, at +700 bp and +30 kb within the first intron of c-KIT, bound by both RUNX1 and FUBP1, and that present active histone marks. Based on these regions, we proposed a novel FUBP1 FUSE-like DNA-binding sequence on the +30 kb enhancer. We demonstrated that FUBP1 and RUNX1 cooperate for the regulation of the expression of the oncogene c-KIT. Notably, upregulation of c-KIT expression by FUBP1 and RUNX1 promotes cell proliferation and renders cells more resistant to the c-KIT inhibitor imatinib mesylate, a common therapeutic drug. These results reveal a new mechanism of action of RUNX1 that implicates FUBP1, as a facilitator, to trigger transcriptional regulation of c-KIT and to regulate cell proliferation. Deregulation of this regulatory mechanism may explain some oncogenic function of RUNX1 and FUBP1.
Es war kein Aprilscherz, als das »Time Magazine« am 1. April 2013 auf der Titelseite ankündigte, wie man Krebs heilen kann. Anlass war die Gründung einer Initiative zur besseren Vernetzung von klinischen Forschern und Grundlagenwissenschaftlern, um so neue Therapieansätze wie »Checkpoint-Inhibitoren« bei malignem Melanom (schwarzem Hautkrebs), auch auf andere Krebserkrankungen übertragen zu können. Checkpoint-Inhibitoren sind der erste echte Durchbruch in der Therapie von fortgeschrittenen Krebserkrankungen.
In the absence of an active prophylactic vaccine against HIV-1, passively administered, broadly neutralizing antibodies (bnAbs) identified in some chronically infected persons were shown to prevent HIV-1 infection in animal models. However, passive administration of bnAbs may not be suited to prevent sexual HIV-1 transmission in high-risk cohorts, as a continuous high level of active bnAbs may be difficult to achieve at the primary site of sexual transmission, the human vagina with its acidic pH. Therefore, we used Lactobacillus, a natural commensal in the healthy vaginal microbiome, to express bn nanobodies (VHH) against HIV-1 that we reported previously. After demonstrating that recombinant VHHA6 expressed in E. coli was able to protect humanized mice from mucosal infection by HIV-1Bal, we expressed VHHA6 in a soluble or in a cell-wall-anchored form in Lactobacillus rhamnosus DSM14870. This strain is already clinically applied for treatment of bacterial vaginosis. Both forms of VHHA6 neutralized a set of primary epidemiologically relevant HIV-1 strains in vitro. Furthermore, VHHA6 was still active at an acidic pH. Thus, lactobacilli expressing bn VHH potentially represent an attractive vector for the passive immunization of women in cohorts at high risk of HIV-1 transmission.
Background: Molecular markers for prostate cancer (PCa) are required to improve the early definition of patient outcomes. Atypically large extracellular vesicles (EVs), referred as "Large Oncosomes" (LO), have been identified in highly migratory and invasive PCa cells. We recently developed and characterized the DU145R80 subline, selected from parental DU145 cells as resistant to inhibitors of mevalonate pathway. DU145R80 showed different proteomic profile compared to parental DU145 cells, along with altered cytoskeleton dynamics and a more aggressive phenotype.
Methods: Immunofluorescence staining and western blotting were used to identify blebbing and EVs protein cargo. EVs, purified by gradient ultra-centrifugations, were analyzed by tunable resistive pulse sensing and multi-parametric flow cytometry approach coupled with high-resolution imaging technologies. LO functional effects were tested in vitro by adhesion and invasion assays and in vivo xenograft model in nude mice. Xenograft and patient tumor tissues were analyzed by immunohistochemistry.
Results: We found spontaneous blebbing and increased shedding of LO from DU145R80 compared to DU145 cells. LO from DU145R80, compared to those from DU145, carried increased amounts of key-molecules involved in PCa progression including integrin alpha V (αV-integrin). By incubating DU145 cells with DU145R80-derived LO we demonstrated that αV-integrin on LO surface was functionally involved in the increased adhesion and invasion of recipient cells, via AKT. Indeed either the pre-incubation of LO with an αV-integrin blocking antibody, or a specific AKT inhibition in recipient cells are able to revert the LO-induced functional effects. Moreover, DU145R80-derived LO also increased DU145 tumor engraftment in a mice model. Finally, we identified αV-integrin positive LO-like structures in tumor xenografts as well as in PCa patient tissues. Increased αV-integrin tumor expression correlated with high Gleason score and lymph node status.
Conclusions: Overall, this study is the first to demonstrate the critical role of αV-integrin positive LO in PCa aggressive features, adding new insights in biological function of these large EVs and suggesting their potential use as PCa prognostic markers.
Background/Aims: Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) and Marburg virus (MARV) are among the World Health Organization’s top 8 emerging pathogens. Both zoonoses share nonspecific early symptoms, a high lethality rate, and a reduced number of specific treatment options. Therefore, we evaluated extracorporeal virus and glycoprotein (GP) elimination by lectin affinity plasmapheresis (LAP).
Methods: For both MERS-CoV (pseudovirus) as well as MARV (GPs), 4 LAP devices (Mini Hemopurifiers, Aethlon Medical, San Diego, CA, USA) and 4 negative controls were tested. Samples were collected every 30 min and analyzed for reduction in virus infectivity by a flow cytometry-based infectivity assay (MERS-CoV) and in soluble GP content (MARV) by an immunoassay.
Results: The experiments show a time-dependent clearance of MERS-CoV of up to 80% within 3 h (pseudovirus). Up to 70% of MARV-soluble GPs were eliminated at the same time. Substantial saturation of the binding resins was detected within the first treatment hour.
Conclusion: MERS-CoV (pseudovirus) and MARV soluble GPs are eliminated by LAP in vitro. Considering the high lethality and missing established treatment options, LAP should be evaluated in vivo. Especially early initiation, continuous therapy, and timed cartridge exchanges could be of importance.
The metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1, MALAT1, is a long non-coding RNA (lncRNA) that has been discovered as a marker for lung cancer metastasis. It is highly abundant, its expression is strongly regulated in many tumor entities including lung adenocarcinoma and hepatocellular carcinoma as well as physiological processes, and it is associated with many RNA binding proteins and highly conserved throughout evolution. The nuclear transcript MALAT-1 has been functionally associated with gene regulation and alternative splicing and its regulation has been shown to impact proliferation, apoptosis, migration and invasion.
Here, we have developed a human and a mouse knockout system to study the loss-of-function phenotypes of this important ncRNA. In human tumor cells, MALAT1 expression was abrogated using Zinc Finger Nucleases. Unexpectedly, the quantitative loss of MALAT1 did neither affect proliferation nor cell cycle progression nor nuclear architecture in human lung or liver cancer cells. Moreover, genetic loss of Malat1 in a knockout mouse model did not give rise to any obvious phenotype or histological abnormalities in Malat1-null compared with wild-type animals. Thus, loss of the abundant nuclear long ncRNA MALAT1 is compatible with cell viability and normal development.
Background: The apoptosis-inducing serine protease granzyme B (GrB) is an important factor contributing to lysis of target cells by cytotoxic lymphocytes. Expression of enzymatically active GrB in recombinant form is a prerequisite for functional analysis and application of GrB for therapeutic purposes. Methods and Findings: We investigated the influence of bacterial maltose-binding protein (MBP) fused to GrB via a synthetic furin recognition motif on the expression of the MBP fusion protein also containing an N-terminal alpha-factor signal peptide in the yeast Pichia pastoris. MBP markedly enhanced the amount of GrB secreted into culture supernatant, which was not the case when GrB was fused to GST. MBP-GrB fusion protein was cleaved during secretion by an endogenous furin-like proteolytic activity in vivo, liberating enzymatically active GrB without the need of subsequent in vitro processing. Similar results were obtained upon expression of a recombinant fragment of the ErbB2/HER2 receptor protein or GST as MBP fusions. Conclusions: Our results demonstrate that combination of MBP as a solubility enhancer with specific in vivo cleavage augments secretion of processed and functionally active proteins from yeast. This strategy may be generally applicable to improve folding and increase yields of recombinant proteins.
The binding and activation of the discoidin domain receptor 1 by collagen has led to the conclusion that proteins from the extracellular matrix can directly induce receptor tyrosine kinase-mediated signaling cascades. A region in the extracellular domain of DDR1 homologous to the Dictyostelium discoideum protein discoidin-I is also present in the secreted human protein RS1. Mutations in RS1 cause retinoschisis, a genetic disorder characterized by ablation of the retina. By introducing point mutations into the discoidin domain of DDR1 at positions homologous to the retinoschisis mutations, ligand binding epitopes in the discoidin domain of DDR1 were mapped. Surprisingly, some residues only affected receptor phosphorylation, whereas others influenced both collagen-binding and receptor activation. Furthermore, two truncated DDR1 variants, lacking either the discoidin domain or the stalk region between the discoidin and transmembrane domain, were generated. We showed that (i) the discoidin domain was necessary and sufficient for collagen binding, (ii) only the region between discoidin and transmembrane domain was glycosylated, and (iii) the entire extracellular domain was essential for transmembrane signaling. Using these results, we were able to predict key sites in the collagen-binding epitope of DDR1 and to suggest a potential mechanism of signaling.
FUSE Binding Protein 1 (FUBP1) is a transcriptional regulator, which is overexpressed in various cancer entities, including hepatocellular carcinoma (HCC) and colorectal cancer (CRC). It fulfills pro-proliferative and anti-apoptotic functions in cancer cells, resulting in increased proliferation and reduced sensitivity towards apoptotic stimuli.
Previously, camptothecin (CPT) and its clinically used analog 7-ethyl 10hydroxycamptothecin (SN-38) were shown to inhibit FUBP1 in biophysical interaction displacement assays (AlphaScreen; surface plasmon resonance, SPR), and first insights into the cellular effects of FUBP1 inhibition were obtained. CPT and SN-38 are known to potently inhibit topoisomerase 1 (TOP 1), and until today, these inhibitors were thought to be specific for this target. This could be disproved by our FUBP1 binding studies. An open issue, which is addressed in this thesis, was the contribution of FUBP1 inhibition to SN-38-mediated apoptosis apoptosis.
During this thesis, a low micromolar efficacy of CPT/SN-38-induced inhibition of FUBP1 binding to the Far Upstream Sequence Element (FUSE) oligonucleotide of p21 was determined. Furthermore, FUBP1 was for the first time shown to directly interact with a potential FUSE sequence upstream of the transcription start in pro-apoptotic gene BIK. In proof of-principle experiments, an effective inhibition of the binding of FUBP1 to the FUSE BIK DNA by CPT/SN-38 was verified.
One of the main goals of this thesis was to further elucidate the contribution of cellular FUBP1-inhibition by CPT/SN-38 to the anti-cancer potential of these substances. For this purpose, the TOP 1 mutant and TOP 1 wild type colorectal cancer sub-cell lines HCT116 G7 and HCT116 S were used. CPT/SN-38 was shown to induce apoptosis in single and combinatorial treatments with mitomycin c (MMC), independently of the TOP 1 mutation status of the cells. Furthermore, a prominent induction of a FUBP1 target gene signature was observed upon treatment of both cell lines with CPT/SN-38. Consequently, CPT/SN-38 was able to fulfill its anticancer effects in these cells, although TOP 1 could not be the main target in the mutant cell line.
In a second approach to gain indirect evidence for FUBP1 dependent effects of CPT/SN-38, the TOP 1-specific inhibitors topotecan (TTN) and β lapachone (BL) were used for the treatment of HCC and CRC cell lines. Interestingly, the TOP 1 inhibitors TTN and BL exhibited a reduced potency in apoptosis induction compared to the dual (FUBP1 and TOP 1) inhibitor SN-38.
Finally, two independent screens for a specific FUBP1 inhibitor were performed. In the first approach, a small number of structural and functional CPT-derivatives that exhibited a reduced inhibitory potential against TOP 1, were tested for their ability to interfere with the FUBP1/FUSE binding. Two particular indenoisoquinoline derivatives revealed potent in vitro inhibition of FUBP1 with low micromolar IC50 values.
In a second approach, previously identified candidate FUBP1 inhibitors that had been isolated from the Maybridge Hit Finder library served as lead structures for a structure activity relationship (SAR) study of the inhibition of FUBP1 binding to the FUSE oligonucleotide. After two cycles of optimization, a medium-potent FUBP1 inhibitor was obtained that induced effective deregulation of FUBP1 target genes in cell culture experiments.
Microenvironmental regulation of tumor progression and therapeutic response in brain metastasis
(2019)
Cellular and non-cellular components of the tumor microenvironment (TME) are emerging as key regulators of primary tumor progression, organ-specific metastasis, and therapeutic response. In the era of TME-targeted- and immunotherapies, cancer-associated inflammation has gained increasing attention. In this regard, the brain represents a unique and highly specialized organ. It has long been regarded as an immunological sanctuary site where the presence of the blood brain barrier (BBB) and blood cerebrospinal fluid barrier (BCB) restricts the entry of immune cells from the periphery. Consequently, tumor cells that metastasize to the brain were thought to be shielded from systemic immune surveillance and destruction. However, the detailed characterization of the immune landscape within border-associated areas of the central nervous system (CNS), such as the meninges and the choroid plexus, as well as the discovery of lymphatics and channels that connect the CNS with the periphery, have recently challenged the dogma of the immune privileged status of the brain. Moreover, the presence of brain metastases (BrM) disrupts the integrity of the BBB and BCB. Indeed, BrM induce the recruitment of different immune cells from the myeloid and lymphoid lineage to the CNS. Blood-borne immune cells together with brain-resident cell-types, such as astrocytes, microglia, and neurons, form a highly complex and dynamic TME that affects tumor cell survival and modulates the mode of immune responses that are elicited by brain metastatic tumor cells. In this review, we will summarize recent findings on heterotypic interactions within the brain metastatic TME and highlight specific functions of brain-resident and recruited cells at different rate-limiting steps of the metastatic cascade. Based on the insight from recent studies, we will discuss new opportunities and challenges for TME-targeted and immunotherapies for BrM.
Background: Legionella pneumophila (L. pneumophila) is a causative agent of severe pneumonia. It is highly adapted to intracellular replication and manipulates host cell functions like vesicle trafficking and mRNA translation to its own advantage. However, it is still unknown to what extent microRNAs (miRNAs) are involved in the Legionella-host cell interaction.
Methods: WT and MyD88-/- murine bone marrow-derived macrophages (BMM) were infected with L. pneumophila, the transcriptome was analyzed by high throughput qPCR array (microRNAs) and conventional qPCR (mRNAs), and mRNA-miRNA interaction was validated by luciferase assays with 3´-UTR mutations and western blot.
Results: L. pneumophila infection caused a pro-inflammatory reaction and significant miRNA changes in murine macrophages. In MyD88-/- cells, induction of inflammatory markers, such as Ccxl1/Kc, Il6 and miR-146a-5p was reduced. Induction of miR-125a-3p was completely abrogated in MyD88-/- cells. Target prediction analyses revealed N-terminal asparagine amidase 1 (NTAN1), a factor from the n-end rule pathway, to be a putative target of miR-125a-3p. This interaction could be confirmed by luciferase assay and western blot.
Conclusion: Taken together, we characterized the miRNA regulation in L. pneumophila infection with regard to MyD88 signaling and identified NTAN1 as a target of miR-125a-3p. This finding unravels a yet unknown feature of Legionella-host cell interaction, potentially relevant for new treatment options.
The last decade has seen a sharp increase in the number of scientific publications describing physiological and pathological functions of extracellular vesicles (EVs), a collective term covering various subtypes of cell-released, membranous structures, called exosomes, microvesicles, microparticles, ectosomes, oncosomes, apoptotic bodies, and many other names. However, specific issues arise when working with these entities, whose size and amount often make them difficult to obtain as relatively pure preparations, and to characterize properly. The International Society for Extracellular Vesicles (ISEV) proposed Minimal Information for Studies of Extracellular Vesicles (“MISEV”) guidelines for the field in 2014. We now update these “MISEV2014” guidelines based on evolution of the collective knowledge in the last four years. An important point to consider is that ascribing a specific function to EVs in general, or to subtypes of EVs, requires reporting of specific information beyond mere description of function in a crude, potentially contaminated, and heterogeneous preparation. For example, claims that exosomes are endowed with exquisite and specific activities remain difficult to support experimentally, given our still limited knowledge of their specific molecular machineries of biogenesis and release, as compared with other biophysically similar EVs. The MISEV2018 guidelines include tables and outlines of suggested protocols and steps to follow to document specific EV-associated functional activities. Finally, a checklist is provided with summaries of key points.
MiR144/451 expression is repressed by RUNX1 during megakaryopoiesis and disturbed by RUNX1/ETO
(2016)
Abstract: A network of lineage-specific transcription factors and microRNAs tightly regulates differentiation of hematopoietic stem cells along the distinct lineages. Deregulation of this regulatory network contributes to impaired lineage fidelity and leukemogenesis. We found that the hematopoietic master regulator RUNX1 controls the expression of certain microRNAs, of importance during erythroid/megakaryocytic differentiation. In particular, we show that the erythorid miR144/451 cluster is epigenetically repressed by RUNX1 during megakaryopoiesis. Furthermore, the leukemogenic RUNX1/ETO fusion protein transcriptionally represses the miR144/451 pre-microRNA. Thus RUNX1/ETO contributes to increased expression of miR451 target genes and interferes with normal gene expression during differentiation. Furthermore, we observed that inhibition of RUNX1/ETO in Kasumi1 cells and in RUNX1/ETO positive primary acute myeloid leukemia patient samples leads to up-regulation of miR144/451. RUNX1 thus emerges as a key regulator of a microRNA network, driving differentiation at the megakaryocytic/erythroid branching point. The network is disturbed by the leukemogenic RUNX1/ETO fusion product.
Author Summary: The regulatory network between transcription factors, epigenetic cofactors and microRNAs is decisive for normal hematopoiesis. The transcription factor RUNX1 is important for the establishment of a megakaryocytic gene expression program and the concomitant repression of erythroid genes during megakaryocytic differentiation. Gene regulation by RUNX1 is frequently disturbed by mutations and chromosomal translocations, such as the t(8;21) translocation, which gives rise to the leukemogenic RUNX1/ETO fusion protein. We found that RUNX1 regulates microRNAs, which are of importance at the megakaryocytic/erythroid branching point. Specifically, RUNX1 down-regulates expression of the microRNA cluster miR144/451 during megakaryocytic differentiation by changing the epigenetic histone modification pattern at the locus. We could show that miR451, one of the micorRNAs of the miR144/451 cluster, supports erythroid differentiation. We found that expression of miR451 is repressed by the RUNX1/ETO fusion protein, resulting in up regulation of miR451 target genes. Our data support the notion that RUNX1 suppresses the erythroid gene expression program including the erythroid microRNA miR451 and that the RUNX1/ETO fusion protein interferes with normal gene regulation by RUNX1.
In acute myeloid leukemias (AMLs) with t(8;21), the transcription factor AML1 is juxtaposed to the zinc finger nuclear protein ETO (Eight-Twenty-One), resulting in transcriptional repression of AML1 target genes. ETO has been shown to interact with corepressors, such as N-CoR and mSin3A to form complexes containing histone deacetylases. To define regions of ETO required for maximal repressor activity, we analyzed amino-terminal deletions in a transcriptional repression assay. We found that ETO mutants lacking the first 236 amino acids were not affected in their repressor activity, whereas a further deletion of 85 amino acids drastically reduced repressor function and high molecular weight complex formation. This latter mutant can still homodimerize and bind to N-CoR but shows only weak binding to mSin3A. Furthermore, we could show that a "core repressor domain" comprising nervy homology region 2 and its amino- and carboxyl-terminal flanking sequences recruits mSin3A and induces transcriptional repression. These results suggest that mSin3A and N-CoR bind to ETO independently and that both binding sites cooperate to maximize ETO-mediated transcriptional repression. Thus, ETO has a modular structure, and the interaction between the individual elements is essential for the formation of a stable repressor complex and efficient transcriptional repression.
Introduction: Amniotic fluid harbors cells indicative of all three germ layers, and pluripotent fetal amniotic fluid stem cells (AFSs) are considered potentially valuable for applications in cellular therapy and tissue engineering. We investigated whether it is possible to direct the cell fate of AFSs in vivo by transplantation experiments into a particular microenvironment, the mammary fat pad. This microenvironment provides the prerequisites to study stem cell function and the communication between mesenchymal and epithelial cells. On clearance of the endogenous epithelium, the ductal tree can be reconstituted by the transfer of exogenously provided mammary stem cells. Analogously, exogenously provided stem cells from other tissues can be investigated for their potential to contribute to mammary gland regeneration. Methods: We derived pluripotent murine AFSs, measured the expression of stem cell markers, and confirmed their in vitro differentiation potential. AFSs were transplanted into cleared and non cleared fat pads of immunocompromised mice to evaluate their ability to assume particular cell fates under the instructive conditions of the fat-pad microenvironment and the hormonal stimulation during pregnancy. Results: Transplantation of AFSs into cleared fat pads alone or in the presence of exogenous mammary epithelial cells caused their differentiation into stroma and adipocytes and replaced endogenous mesenchymal components surrounding the ducts in co-transplantation experiments. Similarly, transplantation of AFSs into fat pads that had not been previously cleared led to AFS-derived stromal cells surrounding the elongating endogenous ducts. AFSs expressed the marker protein α-SMA, but did not integrate into the myoepithelial cell layer of the ducts in virgin mice. With pregnancy, a small number of AFS-derived cells were present in acinar structures. Conclusions: Our data demonstrate that the microenvironmental cues of the mammary fat pad cause AFSs to participate in mammary gland regeneration by providing mesenchymal components to emerging glandular structures, but do not incorporate or differentiate into ductal epithelial cells.
Myelodysplastic syndromes (MDSs) represent clonal disorders mainly of the elderly that are characterized by ineffective hematopoiesis and an increased risk of transformation into acute myeloid leukemia. The pathogenesis of MDS is thought to evolve from accumulation and selection of specific genetic or epigenetic events. Emerging evidence indicates that MDS is not solely a hematopoietic disease but rather affects the entire bone marrow microenvironment, including bone metabolism. Many of these cells, in particular mesenchymal stem and progenitor cells (MSPCs) and osteoblasts, express a number of adhesion molecules and secreted factors that regulate blood regeneration throughout life by contributing to hematopoietic stem and progenitor cell (HSPC) maintenance, self-renewal and differentiation. Several endocrine factors, such as erythropoietin, parathyroid hormone and estrogens, as well as deranged iron metabolism modulate these processes. Thus, interactions between MSPC and HSPC contribute to the pathogenesis of MDS and associated pathologies. A detailed understanding of these mechanisms may help to define novel targets for diagnosis and possibly therapy. In this review, we will discuss the scientific rationale of "osteohematology" as an emerging research field in MDS and outline clinical implications.
Es wurden 34 polyvalente Immunoglobulinpräparate zur i.m. und i.v. Anwendung verschiedener Hersteller und verschiedener Chargen sowie 9 spezifische Tetanus-Immunglobulinpräparate auf das Vorhandensein von HBsAg-Immunkomplexen untersucht. Möglicherweise vorhandene Immunkomplexe wurden vorher mit der sauren Dissoziationsmethode gespalten. Der anschließende Nachweis von HBsAg erfolgte mit dem von uns modifizierten AUSRIA* II-725-Test der Firma Abbot. Von den polyvalenten Immunglobulinen wurden 22 positiv für HBsAg gefunden. Von den spezifischen Immunglobulinen waren 3 positiv.
The demand to develop convergent technology platforms, such as bio-functionalized medical devices, is rapidly increasing. However, the loss of biological function of the effector molecules during sterilization represents a significant and general problem. Therefore, we have developed and characterized a nano-coating (NC) formulation capable of maintaining the functionality of proteins on biological-device combination products. As a proof of concept, the NC preserved the structural and functional integrity of an otherwise highly fragile antibody immobilized on polyurethane during deleterious sterilizing irradiation (≥ 25 kGy). The NC procedure enables straight-forward terminal sterilization of bio-functionalized materials while preserving optimal conditioning of the bioactive surface.
Signal transducer and activator of transcription 5 (STAT5) is a transcription factor that activates prolactin (PRL)-dependent gene expression in the mammary gland. For the activation of its target genes, STAT5 recruits coactivators like p300 and the CREB-binding protein (CBP). In this study we analyzed the function of p300/CBP-associated members of the p160/SRC/NCoA-family in STAT5-mediated transactivation of β-casein expression. We found that only one of them, NCoA-1, acts as a coactivator for both STAT5a and STAT5b. The two coactivators p300/CBP and NCoA-1 cooperatively enhance STAT5a-mediated transactivation. For NCoA-1-dependent coactivation of STAT5, both the activation domain 1 and the amino-terminal bHLH/PAS domain are required. The amino-terminal region mediates the interaction with STAT5a in cells. A motif of three amino acids in an α-helical region of the STAT5a-transactivation domain is essential for the binding of NCoA-1 and for the transcriptional activity of STAT5a. Moreover we observed that NCoA-1 is involved in the synergistic action of the glucocorticoid receptor and STAT5a on the β-casein promoter. These findings support a model in which STAT5, in concert with the glucocorticoid receptor, recruits a multifunctional coactivator complex to initiate the PRL-dependent transcription.
Introduction: Efficacy of currently approved anti-HIV drugs is hampered by mutations of the viral enzymes, leading invariably to drug resistance and chemotherapy failure. Recent data suggest that cellular co-factors also represent useful targets for anti-HIV therapy. We have recently provided evidence for the possibility to block HIV-1 replication by targeting its cellular cofactor DDX3.
Material and methods: Molecular modeling and in silico technologies were applied to rationally design small molecules specifically targeting the RNA binding site of human DDX3. Biochemical studies of mutated DDX3 enzymes were also used to identify additional potential drug binding sites.
Results
Optimization of compounds identified by application of a high-throughput docking approach afforded a promising lead compound which proved to inhibit both the helicase and ATPase activity of DDX3 and to reduce the viral load of peripheral blood mononuclear cells (PBMC) infected with HIV-1. A novel interaction site has been also identified in DDX3, which, when blocked, can reduce viral replication, representing an additional target for small molecules inhibitors.
Conclusions: We have identified the first inhibitors of HIV-1 replication targeting the RNA binding site of the cellular cofactor human DDX3. These compounds may offer superior selectivity over the ATP-competitive inhibitors previously developed. In addition, a novel RNA interacting motif specific to DDX3 has been identified, opening new venues for HIV-1 drug development.
Years of endemic infections with highly pathogenic avian influenza (HPAI) A subtype H5N1 virus in poultry and high numbers of infections in humans provide ample opportunity in Egypt for H5N1-HPAIV to develop pandemic potential. In an effort to better understand the viral determinants that facilitate human infections of the Egyptian H5N1-HPAIVvirus, we developed a new phylogenetic algorithm based on a new distance measure derived from the informational spectrum method (ISM). This new approach, which describes functional aspects of the evolution of the hemagglutinin subunit 1 (HA1), revealed a growing group G2 of H5N1-HPAIV in Egypt after 2009 that acquired new informational spectrum (IS) properties suggestive of an increased human tropism and pandemic potential. While in 2006 all viruses in Egypt belonged to the G1 group, by 2011 these viruses were virtually replaced by G2 viruses. All of the G2 viruses displayed four characteristic mutations (D43N, S120(D,N), (S,L)129Δ and I151T), three of which were previously reported to increase binding to the human receptor. Already in 2006–2008 G2 viruses were significantly (p<0.02) more often found in humans than expected from their overall prevalence and this further increased in 2009–2011 (p<0.007). Our approach also identified viruses that acquired additional mutations that we predict to further enhance their human tropism. The extensive evolution of Egyptian H5N1-HPAIV towards a preferential human tropism underlines an urgent need to closely monitor these viruses with respect to molecular determinants of virulence.
Survivin functions as an apoptosis inhibitor and a regulator of cell division during development and tumorigenesis. Since survivin is a highly relevant target for tumor therapy, we investigated whether interference with it’s dynamic cellular localization represents a novel strategy to inhibit survivin’s cancer promoting functions. We confirmed survivin overexpression in head and neck as well as in colorectal cancers and identified an evolutionary conserved Crm1-dependent nuclear export signal (NES) in survivin. Importantly, nuclear export was required for survivin mediated protection against chemo- and radiotherapy-induced apoptosis by securing efficient interference with cytoplasmic caspases. In dividing cells, the NES was required for tethering of survivin and of the survivin/Aurora-B kinase complex to the mitotic machinery, which was inevitable for proper cell division. The clinical relevance of our findings was supported by showing that preferential nuclear localization of survivin correlated with enhanced survival in a cohort of colorectal cancer patients. Targeting survivin’s nuclear export by the application of NES-specific antibodies promoted its nuclear accumulation and inhibited its cytoprotective function. We here show that nuclear export is essential for the tumor promoting activities of survivin and encourage the identification of chemical inhibitors to specifically interfere with survivin’s nuclear export as a novel class of anticancer therapeutics.
The signal transducer and activator of transcription 5 (STAT5) regulates differentiation, survival, proliferation and transformation of hematopoietic cells. Upon cytokine stimulation, STAT5 tyrosine phosphorylation (pYSTAT5) is transient, while in diverse neoplastic cells persistent overexpression and enhanced pYSTAT5 are frequently found. Post-translational modifications might contribute to enhanced STAT5 activation in the context of transformation, but the strength and duration of pYSTAT5 are incompletely understood. We found that O-GlcNAcylation and tyrosine phosphorylation act together to trigger pYSTAT5 levels and oncogenic transcription in neoplastic cells. The expression of a mutated hyperactive gain-of-function (GOF) STAT5 without O-GlcNAcylation resulted in decreased tyrosine phosphorylation, oligomerization and transactivation potential and complete loss of oncogenic transformation capacity. The lack of O-GlcNAcylation diminished phospho-ERK and phospho-AKT levels. Our data show that O-GlcNAcylation of STAT5 is an important process that contributes to oncogenic transcription through enhanced STAT5 tyrosine phosphorylation and oligomerization driving myeloid transformation. O-GlcNAcylation of STAT5 could be required for nutrient sensing and metabolism of cancer cells.
The carnitine transporter CaiT from Escherichia coli belongs to the betaine, choline, and carnitine transporter family of secondary transporters. It acts as an L-carnitine/gamma-butyrobetaine exchanger and is predicted to span the membrane 12 times. Unlike the other members of this transporter family, it does not require an ion gradient and does not respond to osmotic stress (Jung, H., Buchholz, M., Clausen, J., Nietschke, M., Revermann, A., Schmid, R., and Jung, K. (2002) J. Biol. Chem. 277, 39251-39258). The structure and oligomeric state of the protein was examined in detergent and in lipid bilayers. Blue native gel electrophoresis indicated that CaiT was a trimer in detergent solution. This result was further supported by gel filtration and cross-linking studies. Electron microscopy and single particle analysis of the protein showed a triangular structure of three masses or two parallel elongated densities. Reconstitution of CaiT into lipid bilayers yielded two-dimensional crystals that indicated that CaiT was a trimer in the membrane, similar to its homologue BetP. The implications of the trimeric structure on the function of CaiT are discussed.
Oral presentations Background: We selected peptide ligands for the HIV-1 packaging signal PSI by screening phage displayed peptide libraries. Peptide ligands were optimized by screening spot synthesis peptide membranes. The aim of this study is the functional characterization of these peptide ligands with respect to inhibition of HIV-1 replication. Methods: Phage displayed peptide libraries were screened with PSI-RNA structures. The Trp-rich peptide motifs were optimized for specific binding on spot synthesis peptide membranes. The best binding peptide was expressed intracellularly in fusion with RFP or linked to a protein transduction domain (PTD) for intracellular delivery. The effects on virion production were analyzed using pseudotyped lentiviral particles. Results: After positive and negative selection rounds, phages binding specifically to PSI-RNA were identified by ELISA. Peptide inserts contained conserved motifs of aromatic amino acids known to be implicated in binding of PSI-RNA by the natural Gag ligand. The filter assay identified HKWPWW as the best binding ligand for PSI-RNA, which is delivered into several cell lines by addition of a PTD. Compared to a control peptide, the HKWPWW peptide inhibited HIV-1 replication as deduced from reduced titers of culture supernatants. As HKWPWW also binds to the TAR-RNA like the natural nucleocapsid PSI-RNA ligand, the effect on Tat-TAR inhibition will also be analyzed. Currently T-cell lines are established which stably express HKWPWW as well as a control peptide, which will be infected with HIV-1 to monitor the ability of HKWPWW to inhibit wild type HIV-1 replication. Conclusion: The selection of a peptide ligand for PSI-RNA able to inhibit HIV-1 replication proves the suitability of the phage display technology for the selection of peptides binding to RNA-structures. This enables the indentification of peptides serving as leads to interfere with additional targets in the HIV-1 replication cycle.
The transcription factor Tal1 is a critical activator or repressor of gene expression in hematopoiesis and leukaemia. The mechanism by which Tal1 differentially influences transcription of distinct genes is not fully understood. Here we show that Tal1 interacts with the peptidylarginine deiminase IV (PADI4). We demonstrate that PADI4 can act as an epigenetic coactivator through influencing H3R2me2a. At the Tal1/PADI4 target gene IL6ST the repressive H3R2me2a mark triggered by PRMT6 is counteracted by PADI4, which augments the active H3K4me3 mark and thus increases IL6ST expression. In contrast, at the CTCF promoter PADI4 acts as a repressor. We propose that the influence of PADI4 on IL6ST transcription plays a role in the control of IL6ST expression during lineage differentiation of hematopoietic stem/progenitor cells. These results open the possibility to pharmacologically influence Tal1 in leukaemia.