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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.
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.
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.
Transcription factors play a crucial role in regulating differentiation processes during human life and are important in disease. The basic helix-loop-helix transcription factors Tal1 and Lyl1 play a major role in the regulation of gene expression in the hematopoietic system and are involved in human leukemia. Tal2, which belongs to the same family of transcription factors as Tal1 and Lyl1, is also involved in human leukaemia. However, little is known regarding the expression and regulation of Tal2 in hematopoietic cells. Here we show that Tal2 is expressed in hematopoietic cells of the myeloid lineage. Interestingly, we found that usage of the Tal2 promoter is different in human and mouse cells. Two promoters, hP1 and hP2 drive Tal2 expression in human erythroleukemia K562 cells, however in mouse RAW cells only the mP1 promoter is used. Furthermore, we found that Tal2 expression is upregulated during oesteoclastogenesis. We show that Tal2 is a direct target gene of the myeloid transcription factor PU.1, which is a key transcription factor for osteoclast gene expression. Strikingly, PU.1 binding to the P1 promoter is conserved between mouse and human, but PU.1 binding to P2 was only detected in human K562 cells. Additionally, we provide evidence that Tal2 influences the expression of the osteoclastic differentiation gene TRACP. These findings provide novel insight into the expression control of Tal2 in hematopoietic cells and reveal a function of Tal2 as a regulator of gene expression during osteoclast differentiation.
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.
Human endogenous retrovirus (HERV) genomes are chromosomally integrated in all cells of an individual. They are normally transcriptionally silenced and transmitted only vertically. Enhanced expression of HERV-K accompanied by the emergence of anti-HERV-K-directed immune responses has been observed in tumor patients and HIV-infected individuals. As HERV-K is usually not expressed and immunological tolerance development is unlikely, it is an appropriate target for the development of immunotherapies. We generated a recombinant vaccinia virus (MVA-HKenv) expressing the HERV-K envelope glycoprotein (ENV), based on the modified vaccinia virus Ankara (MVA), and established an animal model to test its vaccination efficacy. Murine renal carcinoma cells (Renca) were genetically altered to express E. coli beta-galactosidase (RLZ cells) or the HERV-K ENV gene (RLZ-HKenv cells). Intravenous injection of RLZ-HKenv cells into syngenic BALB/c mice led to the formation of pulmonary metastases, which were detectable by X-gal staining. A single vaccination of tumor-bearing mice with MVA-HKenv drastically reduced the number of pulmonary RLZ-HKenv tumor nodules compared to vaccination with wild-type MVA. Prophylactic vaccination of mice with MVA-HKenv precluded the formation of RLZ-HKenv tumor nodules, whereas wild-type MVA-vaccinated animals succumbed to metastasis. Protection from tumor formation correlated with enhanced HERV-K ENV-specific killing activity of splenocytes. These data demonstrate for the first time that HERV-K ENV is a useful target for vaccine development and might offer new treatment opportunities for diverse types of cancer.
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.
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.
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.
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.
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.
Background: Vesicular stomatitis virus (VSV) is a potent candidate vaccine vector for various viral diseases (e.g. HIV, HCV, RSV). The biggest limitation of VSV, however, is its neurotoxicity, which limits application in humans. The second drawback is that VSV induces neutralizing antibodies rapidly and is thus ineffective as a vaccine vector upon repeated applications. Our group has recently shown that VSV pseudotyped with the glycoprotein (GP) of the lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV), VSV-GP, is not neurotoxic. The aim of this project was to evaluate the potential of VSV-GP as a vaccine vector.
Methods: For this purpose, we used Ovalbumin (OVA) as a model antigen and analyzed immunogenicity of GP-pseudotyped and wildtype VSV containing OVA (VSV-GP-OVA and VSV-OVA) in vitro and in vivo in mouse models.
Results: We showed that both vectors infected murine bone marrow-derived dendritic cells (bmDCs) in vitro. These bmDCs were able to activate OVA specific CD8+ and CD4+ T cells. Immunization experiments in mice revealed that both VSV-OVA and VSV-GP-OVA induced functional OVA-specific cytotoxic T cells (CTLs) after a single immunization. In addition, with both viruses, mice generated antibodies against OVA. However, boosting with the same virus was only possible for the GP-pseudotyped virus but not for wild type VSV. The efficacy of repeated immunization with VSV-OVA was most likely limited by high levels of neutralizing antibodies, which we detected after the first immunization. In contrast, no neutralizing antibodies against VSV-GP were induced even after boosting.
Conclusion: Taken together, we showed that the non-neurotoxic VSV-GP is able to induce specific T cell and B cell responses against the model antigen OVA to the same level as the wild type VSV vector. However, in contrast to wild type VSV, VSV-GP-OVA boosted the immune response upon repeated applications. Thus, VSV-GP is a promising novel vaccine vector.
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.
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.
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.
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.
5-Lipoxygenase (5-LO) catalyzes the two initial steps in the biosynthesis of leukotrienes (LT), a group of inflammatory lipid mediators derived from arachidonic acid. Here, we investigated the regulation of 5-LO mRNA expression by alternative splicing and nonsense-mediated mRNA decay (NMD). In the present study, we report the identification of 2 truncated transcripts and 4 novel 5-LO splice variants containing premature termination codons (PTC). The characterization of one of the splice variants, 5-LOΔ3, revealed that it is a target for NMD since knockdown of the NMD factors UPF1, UPF2 and UPF3b in the human monocytic cell line Mono Mac 6 (MM6) altered the expression of 5-LOΔ3 mRNA up to 2-fold in a cell differentiation-dependent manner suggesting that cell differentiation alters the composition or function of the NMD complex. In contrast, the mature 5-LO mRNA transcript was not affected by UPF knockdown. Thus, the data suggest that the coupling of alternative splicing and NMD is involved in the regulation of 5-LO gene expression.
Ökosystem statt Nutzwald
(2011)
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.
Although a variety of genetic strategies have been developed to inhibit HIV replication, few direct comparisons of the efficacy of these inhibitors have been carried out. Moreover, most studies have not examined whether genetic inhibitors are able to induce a survival advantage that results in an expansion of genetically-modified cells following HIV infection. We evaluated the efficacy of three leading genetic strategies to inhibit HIV replication: 1) an HIV-1 tat/rev-specific small hairpin (sh) RNA; 2) an RNA antisense gene specific for the HIV-1 envelope; and 3) a viral entry inhibitor, maC46. In stably transduced cell lines selected such that >95% of cells expressed the genetic inhibitor, the RNA antisense envelope and viral entry inhibitor maC46 provided the strongest inhibition of HIV-1 replication. However, when mixed populations of transduced and untransduced cells were challenged with HIV-1, the maC46 fusion inhibitor resulted in highly efficient positive selection of transduced cells, an effect that was evident even in mixed populations containing as few as 1% maC46-expressing cells. The selective advantage of the maC46 fusion inhibitor was also observed in HIV-1-infected cultures of primary T lymphocytes as well as in HIV-1-infected humanized mice. These results demonstrate robust inhibition of HIV replication with the fusion inhibitor maC46 and the antisense Env inhibitor, and importantly, a survival advantage of cells expressing the maC46 fusion inhibitor both in vitro and in vivo. Evaluation of the ability of genetic inhibitors of HIV-1 replication to confer a survival advantage on genetically-modified cells provides unique information not provided by standard techniques that may be important in the in vivo efficacy of these genes.