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Hypoxie entsteht, wenn das Sauerstoffangebot bzw. die Sauerstoffversorgung unter ein Niveau sinkt, das benötigt wird, um physiologische O2-Drücke des betreffenden Gewebes aufrecht zu erhalten. Sinkt der Sauerstoff-Partialdruck, so werden adaptive Mechanismen aktiviert. Neben der Anpassung durch das kardiovaskuläre System werden auch verschiedene Gene aktiviert. Die Forschung der letzten Jahre hat gezeigt, dass Hypoxieinduzierte Genexpression insbesondere von zwei Transkriptionsfaktoren, HIF (hypoxia inducible factor) -1 und -2 , gesteuert wird. Man kennt über 70 Gene, die von HIF transaktiviert werden. Dabei handelt es sich um Modulatoren von Angiogenese und Vasodilatation, Erythropoese sowie der Umstellung des Stoffwechsels von oxidativer Phosphorylierung auf Glykolyse. Die Hypoxie-induzierbare Genexpression wird sowohl über eine Steigerung der Transaktivierungsaktivität als auch der Proteinmenge der HIF- -Untereinheiten reguliert. Die Regulation der HIF-Proteinmenge erfolgt über eine vom O2-Partialdruck abhängige Stabilisierung der -Untereinheit des Proteins. Unter normoxischen Bedingungen wird das Protein durch die Prolylhydroxylasen (PHD) O2-abhängig hydroxyliert, pVHL-vermittelt (VHL = von Hippel-Lindau), ubiquitiniert und proteosomal abgebaut. Unter hypoxischen Bedingungen dagegen wird das Protein stabilisiert, akkumuliert im Zellkern und bindet an eine spezifische Zielsequenz, das Hypoxia-responsive element oder HRE, imPromotor von Hypoxie-aktivierten Genen. Die PHDs gehören zu einer Familie von Eisen- und 2-Oxoglutarat-abhängigen Dioxygenasen. Neben diesen Faktoren wird eine Regulation von HIF durch Sauerstoffradikale (ROS, reactive oxygen species) in der Literatur sehr kontrovers diskutiert, da die Wirkung von ROS auf HIF sich unter Normoxie, Hypoxie oder dem Einfluss von Wachstumsfaktoren unterscheidet. Im Rahmen dieser Arbeit sollte die Frage, welche Rolle die PHDs bei der ROS-vermittelten HIF-Regulation spielen, beantwortet werden. Der zugrunde liegende Mechanismus wurde anhand von Glioblastom-Zelllinien untersucht. Die vorliegende Arbeit zeigt eine Stabilisierung von HIF nach Verringerung der ROS-Konzentration unter Normoxie. Eine Erhöhung der ROS-Konzentration führt dagegen zu einer dosisabhängigen Verminderung von HIF und der HIF-Targetgen-Expression. Es konnte eine direkte Abhängigkeit der Destabilisierung von VHL und den Prolylhydroxylasen gezeigt werden, da sowohl eine VHL-Defizienz als auch eine Mutation der Prolylreste oder eine Inhibition der PHDs zu einer Aufhebung des Effekts führen. Eine vergleichbare destabilisierende Wirkung auf HIF übt Ascorbat aus. Überraschenderweise führt sowohl die Zugabe von H2O2 mit seiner oxidativen Wirkung als auch die Zugabe des Reduktionsmittels Ascorbat zu einer Erhöhung des intrazellulären Fe2+-Gehaltes. Dieser Befund kann durch eine Aktivierung von Enzymen mit eisenreduzierenden Eigenschaften erklärt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Proteinfamilie der Ferrireduktasen (FR) identifiziert und fünf Enzyme, die eine Homologie zur cytb561-Domäne aufweisen, kloniert. Eine detaillierte Charakterisierung zeigte, dass die Enzyme tatsächlich eine eisenreduzierende Aktivität aufweisen, die durch die exogene Zugabe von ROS noch erhöht wird. Eine Überexpression der FR führt zu einem erhöhten Abbau von HIF. Ein knock down mittels siRNA führt dagegen zu einer Akkumulation von HIF und die destabilisierende Wirkung von ROS ist nach einemknock down der FR deutlich reduziert. Aufgrund der in dieser Doktorarbeit gezeigten Daten kann folgendes Modell aufgestellt werden: Die primäre oxidative Wirkung von ROS führt vermutlich zu einer Aktivierung der Ferrireduktasen, die in Abhängigkeit von Ascorbat dann vermehrt Eisen reduzieren, so dass dies den PHDs als Substrat zur Verfügung steht. Der regulierende Einfluss auf HIF wird somit vermutlich über eine erhöhte Aktivität der Prolylhydroxylasen durch eine Erhöhung des intrazellulären Fe2+-Gehaltes vermittelt. Die erhobenen Daten deuten an, dass die Familie der Ferrireduktasen ein zentrales Bindeglied im O2-Sensing darstellt, das in Abhängigkeit von Redox-Signalen homeostatische Antworten auf Hypoxie moduliert.
Die Beobachtung, dass Tumorzellen häufig eine Abhängigkeit gegenüber einer einzelnen und treibenden Mutation entwickeln, obwohl sie zahlreiche Mutationen aufweisen, bildet die Grundlage der mittlerweile etablierten, zielgerichteten Tumortherapie (Weinstein, 2002). Mit der Identifikation verantwortlicher Signalwege sowie beteiligter Signalkomponenten, sind Ansatzpunkte für diese Therapieform geschaffen worden, die bereits zu einigen Erfolgen in der Leukämie-, Brustkrebs- oder Lungenkrebsbehandlung geführt haben (Druker et al., 2001; Slamon et al., 2001; Kwak et al., 2010) . In vielen Fällen stellt sich jedoch ein Rückfall aufgrund der Ausbildung von Resistenzen ein oder auch das Nichtanschlagen der Therapien wird beobachtet (Ramos & Bentires-Alj, 2015).
Verschiedenste Mechanismen kommen dabei in Frage, doch häufig werden kompensatorische Veränderungen in den Signalwegen beobachtet, die schließlich zur Umgehung der Inhibition führen (Holohan et al., 2013). Grundlage hierfür ist die Redundanz und Verknüpfung der Signalwege mit- und untereinander, die es der Zelle im Sinne der Homöostase ermöglichen sich flexibel an ihre Umgebung anzupassen (Rosell et al., 2013; Sun & Bernards, 2014) . Daher ist es von äußerster Wichtigkeit, die Mechanismen der Inhibition im Hinblick auf die Signalwege der Zellen genauer zu verstehen, und dabei nicht nur die direkten, sondern auch die indirekten Effekte der Inhibition zu analysieren. So lassen sich Rückschlüsse auf den Einsatz zielgerichteter Medikamenten ziehen, die in besseren Therapiekombinationen resultieren und dadurch die Entstehung von Resistenzen verhindern.
Eine Hyper-Aktivierung von STAT3 sowie das dadurch induzierte Genmuster sind als starkes onkogenes Signal identifiziert worden, und spielen darüber hinaus an der Vermittlung von Resistenzen gegenüber Tumortherapien eine entscheidende Rolle. Durch seine Rolle in diversen zellulären Prozessen, beeinflusst STAT3 die Proliferation und das Überleben von Tumorzellen, ihr migratorisches und invasives Verhalten sowie ihre Kommunikation mit Stroma- und Immunzellen. (Bromberg et al., 1999; Wake & Watson, 2015) Sehr selten ist die aberrante Aktivierung des Transkriptionsfaktors auf eigene Mutationen zurückzuführen, vielmehr sorgen Treiber überhalb für diese (Johnston & Grandis, 2011; Kucuk et al., 2015).
In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene STAT3-Inhibitionen in unterschiedlichen Modellen verglichen um darüber Rückschlüsse auf Kriterien einer Therapie zu ziehen. In einem Gliommodell aus der Maus, dem eine v-SRC-Expression als Treiber zu Grunde liegt (Smilowitz et al., 2007), wurde eine indirekte, BMX-vermittelte STAT3-Inhibition mit einer zielgerichteten STAT3-Hemmung verglichen. BMX, die zur TEC-Kinase-Familie gehört, wird als STAT3-aktivierende Kinase beschrieben. In letzter Zeit wurde ihr Einfluss bei der Tumorentwicklung immer deutlicher (Dai et al., 2006; Hart et al., 2011; Holopainen et al., 2012). Unter anderem konnte in Glioblastom-Stammzellen eine BMX-vermittelte STAT3-Aktivierung als Treiber für die Selbsterneurungskapazität und das tumorigene Potential identifiziert werden (Guryanova et al., 2011). Mit dem Tyrosinkinase-Inhibitor Canertinib ist es gelungen, in den murinen Tu-2449-Gliomzellen eine BMX-vermittelte STAT3-Aktivierung nachzuweisen und zu inhibieren. Dies ist damit die erste Arbeit, in der Canertinib als BMX-Inhibitor in einem endogenen Zellsystem getestet wurde. Die einmalige Canertinib-Gabe resultierte in einem Zellzyklusarrest der G1-Phase und die Aufrechterhaltung der Inhibitorwirkung im Zelltod. Im Vergleich dazu konnte eine RNAivermittelte STAT3-Stilllegung nicht das Absterben dieser Zellen induzieren. Mit der Suche weiterer Zielstrukturen von Canertinib, die die Grundlage dieser unterschiedlichen Phänotypen bilden, konnte eine zusätzliche AKT-Inhibition identifiziert werden. Sehr wahrscheinlich wird die AKT-Inhibition ebenfalls durch BMX vermittelt, da keine Inhibition der ERBB-Familie bestätigt werden konnte. Um die Effekte weiter abzugleichen wurden Canertinib-Versuche mit einem humanen Brustkrebsmodell durchgeführt, das als Treiber eine Überexpression des EGFR aufweist.
In MDA-MB-468-Zellen, in denen keine BMX-Aktivierung vorliegt, resultierte eine Canertinib-Behandlung in der sehr prominenten Inhibition des ERK-Signalweges und in einer weniger ausgeprägten Verminderung der STAT3- und AKT-Aktivierung. Auch in diesen Zellen führte die Canertinib-Behandlung zum Zelltod. Diese Effekte werden sehr wahrscheinlich durch die Inhibition des EGFR induziert, da Canertinib als pan-ERBBInhibitor beschrieben ist (Slichenmyer et al., 2001; Djerf Severinsson et al., 2011) .
Resultate die früher in der Arbeitsgruppe gewonnen wurden, beweisen, dass eine Herunterregulation von STAT3 in der Brustkrebszelllinie MDA-MB-468 ausreicht um ein Absterben der Zellen zu induzieren (Groner et al., 2008).
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass eine Canertinib-Behandlung über die Inhibition unterschiedlicher Signalwege den Zelltod in beiden Zelllinien induziert. Obwohl beide Zelllinien Treiber-vermitteltes, konstitutiv aktives STAT3 aufweisen, stellt nur in den Brustkrebszellen seine Inhibition eine ausreichende Therapiebedingung dar. Somit sind die Unterschiede zwischen den beiden Zelllinien essentiell für ein Überleben der Zellen nach einer STAT3-Inhibition. In Zukunft ist es wichtig, diese Unterschiede zu identifizieren um damit zu definieren, in welchen Patientengruppen eine STAT3-Inhibition zum Erfolg führt.
The reggie protein family consists of two homologous members, reggie-1 and reggie-2, also termed flotillin-2 and flotillin-1, respectively, that are ubiquitously expressed and evolutionarily well conserved, suggesting an important but so far ill-defined function. In various cell types, both reggies have been found to be constitutively associated with lipid rafts by means of acylation modifications and oligomerization. Lipid rafts are glycosphingolipid- and cholesterol-rich membrane microdomains which have been implicated in several cellular processes including membrane transport and signal transduction through growth factor receptors. However, the molecular details of these processes are still poorly understood. With the observation that reggies colocalize with activated glycosylphosphatidylinositolanchored proteins (GPI-APs) and Fyn kinase in rafts, a role for these proteins in signaling events has been suggested. In agreement with that, we have previously shown that reggie-1 becomes multiply tyrosine phosphorylated by Src kinases in response to epidermal growth factor (EGF) stimulation, pointing to a function for reggie-1 in growth factor signaling. Furthermore, overexpression of reggie-1 enhances spreading on fibronectin substrate in a tyrosine-dependent manner, thus revealing a role for reggie-1 in regulation of actin cytoskeleton through growth factor receptors. Due to the similarity shared by reggie proteins at amino acid level and to their ability to form hetero-oligomeric complexes, the first aim of this study was to analyze the putative tyrosine phosphorylation of reggie-2 in growth factor stimulated cells. Similarly to reggie-1, reggie-2 was found to be multiply tyrosine phosphorylated by Src kinase and to exist in a molecular complex with Src, with the degree of co-immunoprecipitation dependent on the activity of Src. Recent studies from us have also shown that administration of EGF results in the endocytosis of reggie-1 from the plasma membrane into endosomes, which is in line with a proposed role for reggies in membrane trafficking processes. In order to characterize in detail the endocytic mechanism that mediates the uptake of reggie-1, the dependency of reggie-1 endocytosis on clathrin and dynamin was investigated by means of overexpressing a variant form of Eps15 or a dominant negative form of dynamin-2. In either case the translocation of reggie-1 into endosomes in response to EGF was not affected, and this, together with the results that reggie-1 colocalized with cholera toxin (CTX) but not with transferrin receptor (TfnR) during EGF signaling, indicates that reggie-1 is taken up by means of a dynaminindependent, raft-mediated pathway. These findings are very well in line with recent data showing the pathway of entry into cells of reggie-2 as a raft-mediated endocytic pathway. The endocytosis of reggie-2 in response to EGF was also analyzed in this study. Similarly to reggie-1, in growth factor stimulated cells reggie-2 underwent a translocation from the plasma membrane to endosomes where the two reggies were found to colocalize with each other, suggesting that epidermal growth factor signaling might trigger the endocytosis of reggie oligomers. In addition, colocalization with both the late endosomal marker LAMP3/CD63 and epidermal growth factor receptor (EGFR) was detected, again indicating a function for reggies in signal transduction through growth factor receptors. EGFR has been reported to localize in rafts but, although this association is thought to be functional during EGF stimulation, how segregation of EGFR into rafts modulates its endocytosis and signaling is still under debate. Since reggie oligomers have recently been suggested to define a raft subtype, a further aim of this study was to investigate whether the depletion of reggies by means of small interfering RNA could interfere with the signaling and the trafficking through EGFR. Knockdown of reggie-2 resulted in an altered tyrosine phosphorylation of EGFR in response to EGF, while the degree of ubiquitination was not affected. Less efficient phosphorylation of tyrosine residues, especially of those which are docking sites for Grb2 and Shc, led in turn to an impaired activation of p38 and ERK1/2 MAPKs. Depletion of reggie-2 did not affect the early trafficking of activated EGFRs, with receptors being endocytosed and delivered to late endosomes as efficiently as in control cells. This would be in line with the normal degree of ubiquitination observed for EGFR, as ubiquitin moieties have been proposed to represent sorting tags that ensure receptor endocytosis into early endosomes and its proper intracellular trafficking. On the contrary, after prolonged EGF stimulation, depletion of reggie-2 resulted in a decreased downregulation of both receptor-bound ligand and EGFR, and in their accumulation in intracellular vesicles, thus pointing to a role for reggie-2 in the degradative pathway. Taken all together, these data ndicate that the association of EGFR with reggie-microdomains is likely to be important for proper receptor trafficking and signaling.
In der vorliegenden Arbeit sollte das basolaterale Targeting des Transmembranproteins shrew-1 in polarisierten Epithelzellen analysiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass die cytoplasmatische Domäne von shrew-1 mehrere spezifische basolaterale Sortingmotive enthält. Die Funktionalität dieser Motive wurde anhand Mutationsanalysen von Schlüsselaminosäuren untersucht. Substitution dieser Aminosäuren führt zu einer apikalen Lokalisation von shrew-1 in polarisierten MDCK Zellen. Durch Analyse der Proteinverteilung von shrew-1 Varianten in polarisierten LLC-PK1 Zellen wurde deutlich, dass das Sorting von shrew-1 in die basolaterale Plasmamembran ein AP-1B-abhängiger Prozess ist. Außerdem konnte mittels Coimmunopräzipitation eine Interaktion zwischen shrew-1 und der Untereinheit my1B aus dem Adapterproteinkomplex AP-1B nachgewiesen werden. Untersuchungen des Targetings von shrew-1 Varianten in polarisierten MDCK und LLCPK1 Zellen mit Hilfe der Transzytoseexperimente zeigten, dass die apikal lokalisierte Mutante shrew-1-NTD5 auf dem Weg zur apikalen Membranregion, trotz fehlender Sortinginformation, die basolaterale Plasmamembran durchquert. Durch Inhibition der Membranfusion mittels Tanninsäure konnte zusätzlich gezeigt werden, dass die Passage der basolateralen Plasmamembran für das Targeting von sowohl shrew-1 als auch von shrew-1-NTD5 essentiell ist. Die Beobachtungen des Turnovers von shrew-1 in der Plasmamembran von lebenden Zellen zeigten, dass shrew-1 aktiv endozytiert wird und dass nachfolgend ein Recycling des Proteins zur Plasmamembran stattfindet. Anhand der durchgeführten Untersuchungen lässt sich zusammenfassend ein Targetingmodell für shrew-1 in polarisierten Epithelzellen aufstellen, das ein postendozytotisches Sorting beschreibt: Dabei wird shrew-1 zunächst in Post-Golgi-Carriern auf unbekanntem Weg zur basolateralen Plasmamembran gebracht, wo seine unmittelbare Internalisierung und ein Weitertransport zum Recyclingendosom stattfinden. Der im Recyclingendosom lokalisierte und am Sorting beteiligte Adapterproteinkomplex AP-1B vermittelt dann den Rücktransport von shrew-1 zur basolateralen Plasmamembran.
Spatio-temporal dynamics of primary lymphoid follicles during organogenesis and lymphneogenesis
(2007)
Primary lymphoid follicles are structures which are important for adaptive immune responses in mammals. Within the follicles follicular dendritic cells (FDC) are maintained by constant stimuli provided by B cells. It is thought that the FDC are important for immune response. It is of interest to know how lymphoid follicles are regulated in order to understand their role in various autoimmune diseases in which these follicles are created ectopically. With the help of a tissue simulation relying on an agent-based cell model on top of a regular triangulation various scenarios suggested by the available experimental data have been investigated. In order to cope with the complexity in the simulation of immune tissue the regular triangulation has been implemented for the use on parallel computers. The algorithms for kinetic and dynamic regular triangulation have been created newly. Also the cell model underlying the simulation has been designed newly in many aspects. The simulations allowed to identify common factors that regulate the formation of lymphoid follicles normally during organogenesis in development and lymphneogenesis in the course of diseases. The generation of FDC from local stromal populations under the influence of B cell aggregates is shown to be possible with the given experimental parameters. The sequence of the organogenesis and lymphneogenesis can be described with regard to the morphology of the B and T zone. Tests for the stability of the primary lymphoid follicle system constraints the regulation of the B cell efflux. The required lymphatic vessels around the lymphoid follicle are shown to be negatively correlated with the FDC network. Moreover it is shown that the adjacent T zone consisting of its own stromal population and T cells has similar regulation principles. This easily explains the intermediate ring of B cells found around the T zone during development and certain signaling molecule deficiencies. A major result of this thesis is that the generation of FDC needs negative regulation while a number of other possible mechanisms is incompatible with the available experimental data. Moreover the observed microanatomy was brought into a functional relationship with data on the cellular level finally culminating in the proposal of new experiments that shed light on the dynamics of the primary lymphoid follicle. One conclusion is that the FDC directly or indirectly influence the angiogenesis and lymphangiogenesis processes in secondary lymphoid tissues. The work presented here may help to guide experiments with the help of computers in order to reduce the amount of experiments and design them in a way to maximize the amount of information about biological systems.
Self-inactivating gammaretroviral vectors for the gene therapy of chronic granulomatous disease
(2008)
Chronic granulomatous disease (CGD) is a rare inherited primary immunodeficiency characterized by defective intracellular oxidative killing of ingested invading microbes by PMN and monocytes. It is caused by mutations in one of the four genes coding for the essential subunits of the NADPH oxidase (gp91phox, p47phox, p67phox and p22phox). Approximately 75% of the CGD cases are due to mutations in the gp91phox gene. If regular care and conventional therapy fail, the recommended therapy is allogeneic bone marrow transplantation (BMT), but only if a matched donor is available. A therapeutic option for patients lacking suitable donors is the genetic modification of autologous hematopoietic stem cells. The gene therapy offers an interesting alternative to BMT since it implies a less invasive treatment and represents a possibly unique curative option for patients with no suitable donor. Gammaretroviral vectors were already used in some gene therapy trials for CGD and other immunodeficiencies showing relevant clinical benefit. However, these trials uncovered an unexpected mutagenic side effect. If the retrovial integration ocurrs near to, or into proto-oncogenes this might lead to clonal dominance or even malignant transformation (Hacein-Bey-Abina et al., 2003a; Ott et al., 2006). Therefore, there was a need to further improve the safety of these vectors and to this end the self-inactivating gammaretroviral vectors were engineered. Non essential sequences for virus infectivity and integration, which might influence the surrounding gene expression, were deleted in these vectors. In the first set of experiments, a series of SIN gamma retroviral vectors was cloned driving the expression of the wild-type gp91phox cDNA under the control of a viral constitutive SFFV promoter. However initial studies with these vectors failed because the titers of the virus produced by transient transfection protocols were extremely low (<5x105 TU/ml). Therefore, a codon optimization of the gp91phox cDNA was considered as an alternative. The codon optimized synthetic gp91phox gene was used to construct a SIN gammaretroviral vector, again under the control of the SFFV promoter (Schambach et al., 2006c). With this vector an increase in titer was observed compared to the native gp91phox sequence, which was due to the improved transcription in 293T transfected cells. The enhancement of the synthetic gp91phox transcription led to a higher internal transcript production and protein expression. An enhanced superoxide production in transduced myelomonocytic X-CGD PLB-985 populations was also detected. All these data indicate that the synthetic gp91phox might represent an excellent alternative to those former constructs expressing the native gp91phox transgene. Since it was postulated that the SFFV promoter could still cause transactivation of neighboring genes due to its strength (Modlich et al., 2006), three different non-viral promoters were tested, one constitutive (the EFs promoter) and two myeloid-specific promoters (the c-fes and MRP8 promoter). The three SIN gammaretroviral vectors were able to generate high titers after transient transfection of 293T packaging cells, to efficiently transduce the X-CGD PLB-985 cell line and to reconstitute the NADPH oxidase activity to a high degree. In mouse transplantation experiments, the EFs promoter showed a high variable transgene expression in the different lineages analyzed, and the c-fes promoter showed also a ubiquitinous expression. In contrast, the MRP8 promoter showed a high myeloid specificity since gp91phox expression in mSca-1+ cells and lymphoid B cells from transplanted mice was extremly low and even absent. However, the lowest levels of transgene expression were observed in the myeloid populations both in bone marrow and peripheral blood with this vector. When the oxidase reconstitution ability of these promoters was tested, the numbers of superoxide producing cells obtained were similar than those observed in the clinical X-CGD trial conducted by the groups of Dr. M. Grez and Prof. R. A. Seger (over 35% in one patient and ~15% in the second), which led to the eradication of therapy refractory infections (Ott et al., 2006). Between the three constructs, the MRP8 promoter was less effective in restoring the NADPH oxidase activity than the EFs and c-fes promoters. The c-fes promoter reached the highest levels of DHR reactive cells in the highest number of mice. Overall, these data showed that between all constructs tested, the c-fes containing construct in combination with the codon optimized gp91phox sequence showed the best performance within the SIN gammaretroviral backbone. It generated the highest titers in combination with a better NADPH oxidase reconstituting ability. One main goal in the development of SIN gammaretroviral vectors is reducing the genotoxic effect due to random vector integration. An improved gene transfer and expression, and a constant performance are also highly desirable. The present study shows that the c-fes SIN vector in combination with the synthetic gp91phox may be considered as an effective gene therapy strategy for the restoration of the NADPH oxidase activity in CGD. It allows the use of a cellular promoter generating adequate physiological levels of the therapeutic protein and reduces the number of vector copies required for a therapeutic effect.
Identifizierung und Charakterisierung von Liganden für Faktor VIII neutralisierende Antikörper
(2008)
Das Fehlen von funktionellem Blutgerinnungsfaktor VIII (FVIII) in Hämophilie A- (HA-) Patienten wird durch Substitution mit FVIII-Präparaten therapiert. Die wesentlichste gegenwärtige Komplikation der FVIII-Ersatz-Therapie besteht in dem Auftreten von FVIII neutralisierenden Antikörpern (Inhibitoren) gegenüber exogenem FVIII. Diese können mittels verschiedener, kostenintensiver Therapien zur Induktion einer Immuntoleranz (ITI) mit unterschiedlichem Erfolg eliminiert werden. Für Patienten mit persistierenden Inhibitoren bedeuten diese nicht nur eine drastische Verminderung der Lebensqualität sondern ein lebensbedrohliches Szenario. Eine Liganden-vermittelte Blockierung von neutralisierenden anti-FVIII Antikörpern sowie die zielgerichtete Ansteuerung des Rezeptors FVIII-spezifischer Gedächtnis-B-Zellen stellen mögliche Ansätze zur Verwirklichung antigenspezifischer ITI-Strategien für eine dauerhafte, vollständige Eliminierung von FVIII-Inhibitoren dar. Zu diesem Zweck wurden in dieser Arbeit durch Screening von phagenpräsentierten, randomisierten Peptidbibliotheken mit Inhibitor-positiven Patientenplasmen Peptidliganden selektioniert. Diese wiesen eine spezifische Bindung von anti-FVIII Antikörpern in den verwendten Plasmen auf. Durch den Einsatz entsprechender Software konnten AS-Konsensusmotive der Peptidsequenzen möglichen, konformationellen, funktionellen Inhibitorepitopen in der A2- sowie C2-Domäne von FVIII zugeordnet werden. Die von in silico-Analysen vorgegebene Domänenspezifität der anti-FVIII Antikörper wurde in Bindungsstudien mit rekombinant exprimierten FVIII-Domänen verfiziert. Die korrespondierenden, synthetischen Peptidliganden blockierten die IgG-Bindung an FVIII und regenerierten partiell dessen Aktivität im Plasma. Die Peptide stellten funktionelle Mimotope der möglichen Inhibitorepitope in der A2- und C2-Domäne dar. Da FVIII neutralisierende Antikörper zumeist Epitope in beiden Domänen erkennen, wurden die Mimotope kombiniert, was in einer noch effektiveren Blockierung von FVIII-Inhibitoren resultierte. Weiterhin wiesen Mimotopkombinationen Kreuzreaktivität mit anti-FVIII IgG in heterologen Patientenplasmen auf. Durch Fusion der Peptide an die Multimerisierungsdomäne der alpha-Kette des humanen C4-Bindeproteins konnten in Zellkultur heptamere Proteine generiert werden. Gegenüber den synthetischen Peptiden wiesen die Multimere aufgrund ihrer Multivalenz sowie der strukturellen Integrität eine deutlich verbesserte Blockierung von anti-FVIII IgG auf. Das Multimerisierungskonzept erlaubte ferner die Kombination unterschiedlicher Peptidliganden in einem Heteromultimer, was anhand der selektierten, funktionellen Mimotope für mögliche A2- und C2-Epitope getestet wurde. Weiterhin zeichneten sich die Inhibitor-spezifischen Multimere gegenüber den synthetischen Peptiden durch deutlich verlängerte Halbwerstzeiten aus. In Präparationen peripherer mononuklearer Zellen (PBMCs) von Patienten färbten synthetische Peptide sowie Fluoreszenz-markierter FVIII B-Zellsubpopulationen mit einem Gedächntis-B-Zell Phänotyp (CD19+IgG+). Gedächtnis-B-Zellen in PBMCs wurden polyklonal stimuliert. Im ELISPOT-Verfahren konnten Tetanusspezifische, jedoch keine FVIII-spezifischen Zellen, detektiert werden. Im Gegensatz zu den verwandten Kontrollen bewirkte eine Präinkubation der Zellen mit dem Peptid 12C6, welches an das toxische D-AS-Peptid (KLAKLAK)2 gekoppelt war, allerdings eine Reduktion von anti-FVIII IgG in den Überständen stimulierter Zellen.
Resistenz polyklonaler, reifer T-Zellen gegenüber der Transformation durch retrovirale Transduktion
(2008)
Nach den ersten Erfolgen der Gentherapie bei angeborenen Immundefekten wurden einige Fälle von Leukämie nach gammaretroviralem Gentransfer in Blutstammzellen bei Patienten mit „severe combined immunodeficiency“ (SCID-X1) veröffentlicht. Diese entfachten eine Diskussion über das Risiko der Insertionsmutagenese bei der Verwendung gammaretroviraler Vektoren. Durch eine insertionsbedingte Transaktivierung potentieller Onkogene und damit verbundenen malignen Veränderungen können gammaretroviral transduzierte Blutstammzellen Leukämien hervorrufen. Aber nicht nur Blutstammzellen werden als Zielzellen in der Gentherapie genutzt. In der Gruppe von Laer wurde in den letzten Jahren eine neue Gentherapie der HIV-1 Infektion entwickelt. Hierbei werden dem Patienten genetisch geschützte, autologe T-Lymphozyten infundiert. Die Gefahr einer Leukämie durch Insertionsmutagenese sollte im Zuge dieser Studie für reife T-Lymphozyten evaluiert werden. In einer vergleichenden Analyse wurde untersucht, ob der gammaretrovirale Gentransfer in reife T-Lymphozyten die gleiche Genotoxizität birgt wie in hämatopoetische Stammzellen. Hierzu wurden reife T-Lymphozyten und hämatopoetische Progenitoren von C57BL/6(Ly5.1)-Mäusen mit multiplen Kopien gammaretroviraler Vektoren transduziert, die für die potenten T-Zell Onkogene LMO2, TCL1, dTrkA oder das Kontrollgen GFP kodierten. Es wurden sehr hohe Transduktionseffizienzen mit bis zu 70% für reife T-Lymphozyten und bis zu 98% für hämatopoetische Progenitoren erzielt, um möglichst leukämiefördernde Bedingungen zu schaffen. Nach Transplantation in kongene Rag-1 defiziente Empfängertiere (Ly5.2) entwickelten Onkogen-modifizierte Stammzellen nach einer charakteristischen Latenzperiode Leukämien/Lymphome. Am häufigsten wurden unreife, CD8+CD4+ doppelpositive T-Vorläufer Leukämien/Lymphome beobachtet. In einigen Rezipienten führte außerdem eine Überexpression von TCL1 in hämatopoetischen Stammzellen zu der Entwicklung von reifzelligen T-Zell Leukämien/Lymphomen und B-Zell Leukämien/Lymphomen. Die Integrationsanalyse ergab oligo- bis monoklonale Tumore, wobei keine offensichtlich tumorfördernden, die gammaretroviralen Insertionen flankierenden Gene identifiziert werden konnten. Bemerkenswerterweise entwickelte keines der T-Zell transplantierten Empfängertiere ein/e Lymphom/Leukämie, obwohl auch diese Zellen mit den gleichen Vektoren modifiziert wurden und über einen sehr langen Zeitraum persistierten. Um die Kontrollmechanismen dieser Resistenz näher zu untersuchen, wurde eine für den TCR monoklonale, adulte T-Zell Population mit dTrkA transduziert. Nach einer kurzen Latenzperiode entwickelten sich reifzellige T-Zell Leukämien/Lymphome. Anscheinend existiert eine Verbindung zwischen der relativen Transformationsresistenz reifer T-Lymphozyten und dem Konkurrenzverhalten verschiedener T-Zell Klone um stimulatorische MHC-TCR Nischen. Weiterhin wurde in vitro durch gammaretroviralen Transfer von LMO2 ein immortalisierter T-Zell Klon generiert. Dieser zeigte zwar nach einer langen Beobachtungszeit einen CD8-CD4-doppelnegativen Phänotyp, aber auch einen rekombinierten TCR. In vitro überwuchs er eine unmanipulierte Kompetitorpopulation, konnte jedoch nach Transplantation kein/e T-Zell Lymphom/Leukämie induzieren. Die LM-PCR Analyse des Klons lieferte eine sehr interessante Integration zwischen den Genen für die alpha-Ketten des IL-2 und des IL-15 Rezeptors, welche dadurch konstitutiv exprimiert wurden. Dies könnte das erste Beispiel für eine insertionsbedingte Immortalisierung eines adulten T-Zell Klons sein. In der vorliegenden Arbeit konnte zum ersten Mal eindeutig gezeigt werden, dass polyklonale, reife T-Zell Populationen in vivo eine hohe Transformationsresistenz aufweisen. Durch bestimmte Bedingungen können jedoch durchaus maligne Veränderung adulter, reifer T-Lymphozyten induziert werden. Für die Sicherheitsabschätzung gammaretroviraler Gentherapie-Studien mit reifen T-Lymphozyten sind die vorgestellten Ergebnisse von großer Bedeutung und könnten darüber hinaus Aufschluss über die populationsdynamischen Kontrollmechanismen reifer T-Zell Leukämien/Lymphome geben.
Eine Reihe kurzer synthetischer Peptide, die auf verschiedenen Ebenen während des mehrstufigen Infektions-Prozesses HIV-1 hemmen konnten, wurden in unserer Gruppe über Phage-Display identifiziert. Diese Peptide hatten allerdings nur geringe Affinitäten zu gp120 und eine kurze Halbwertszeit. In der vorliegenden Arbeit wurden diese und andere HIV-1 „Entry“ hemmende Peptide über gentechnische Methoden in eukaryotischen Zellen exprimiert, um ihre Stabilität und antivirale Aktivität zu verbessern. Durch die angeknüpfte Multimerisierungsdomäne C4bp sind die therapeutischen Peptide groß genug, um von Zellen sekretiert zu werden. Die eukaryotisch sekretierten Multimere sind posttranslational modifiziert, besitzen eine höhere Stabilität und die Anzahl der funktionellen Valenzen ist erhöht. Außerdem bietet das System die Möglichkeit, auch Heteromultimere mit verschiedenen Teilstrukturen in einem Molekül zu kombinieren. Wir konnten zeigen, dass sich das C4bp-System zur Expression des Fusions-Inhibitorischen C46-Peptids in löslicher multimerer Form eignete, welches in monomerer Form nicht vollständig durch ER und den Golgi-Apparat geleitet und sekretiert werden konnte. Außerdem hatte multimeres C46 eine deutlich höhere Plasma-Halbwertszeit und wies eine höhere antivirale Aktivität gegenüber dem monomeren Peptid auf (Dervillez et al. 2006). In dieser Arbeit standen die hoch konservierten CD4i-Epitope von gp120, welche an die HIV Corezeptoren binden, als Target für die HIV-Inhibition im Mittelpunkt. Verschiedene Peptidliganden für diese Epitope, wie die zweite extrazelluläre Schleife und der N-Terminus des CCR5-Rezeptors, die sulfatierte CDR3-Domäne des E51-Antikörpers, sowie durch Phage Display gezielt selektionierte Peptide wurden in den C4bp-Expressionsvektor kloniert und nach Transfektion in 293T-Zellen als lösliche Multimere vom Überstand aufgereinigt und funktionell analysiert. Die Multimere waren sowohl in Protein-Protein-Interaktionsstudien als auch bei in vitro HIV-1 Neutralisationsversuchen funktionell aktiv. In den meisten Hemmversuchen war die HIV-1 Inhibition multimerer Peptide mindestens vergleichbar mit dem Fusionsinhibitor T20. Insbesondere im Hinblick auf eine in vivo Applikation ist zudem die verlängerte Halbwertszeit der Multimere im Plasma von Vorteil, da dadurch möglicherweise die Anzahl der Injektionen verringert werden könnte.
Das Apolipoprotein (Apo) B100 ist der wesentliche Proteinbestandteil der Low Density Li poproteine (LDL). Es spielt als Ligand bei der rezeptorvermittelten Aufnahme der LDL aus dem zirkulierenden Blut in die Leber und andere periphere Gewebe eine wichtige Rolle. Erhöhte Plasmakonzentrationen der LDL gelten als unabhängiger Risikofaktor in der Genese der Koronaren Herzkrankheit (KHK). Eine gestörte Interaktion des LDLRezeptors mit seinem Liganden Apo B100 vermindert die Endozytose der im Blut befindlichen LDL und kann damit eine primäre Hyperlipoproteinämie (HLP) des Typ IIa verursachen. Die Rezeptorbindungsregion des Apo B100, dessen Primärstruktur 4536 Aminosäuren um fasst, ist im carboxyterminalen Bereich des Moleküls lokalisiert. Im Gegensatz zu einer Viel zahl bekannter LDLRezeptormutationen wurden lediglich drei Mutationen am Apo B100 bekannt, die als Auslöser der Typ IIa HLP in Frage kommen. Diese werden in der Literatur als Familiär Defektes Apo B100 (FDB) beschrieben. Bei allen drei FDBVarianten (FDB 3500Q , FDB 3500W , FDB 3531C ) liegen Punktmutationen innerhalb des Exons 26 des Apo B100 Gens vor. In der hier vorliegenden Arbeit wurde versucht, weitere, bisher unbekannte Punktmutationen am Apo B100, die als Ursache bindungsdefekter LDL in Frage kommen, zu finden und zu charakterisieren. Die zunächst durchgeführte Sequenzierung der genomischen DNA einer Pa tientin mit bindungsdefekten LDL, die negativ für FDB war, zeigte keine Abweichungen von der WildtypDNASequenz im Bereich der Rezeptorbindungsregion. Es wurde daraufhin eine genetische ScreeningStrategie für bindungsdefekte Apo B100 entwickelt, die für die Analyse größerer Probenmengen geeignet erschien. Hierzu wurden zunächst parallel zwei Verfahren, der singlestrand conformation polymorphism (SSCP) und die Temperatur Gradienten Gel E lektrophorese (TGGE) getestet. Letztere erwies sich als geeignete Methode. Ein Kollektiv von 297 Typ IIa HLPPatienten, deren LDLCholesterin > 1,55 g/L und Trigly zeridKonzentrationen <2,0 g/l waren, wurde zusammengestellt. Die Blutproben stammten von nicht miteinander verwandten, im Rhein/MainGebiet ansässigen Personen kaukasischer Abstammung. Ein DNA Bereich von 2,8 Kilobasenpaaren korrespondierend zu den Aminosäureresten 3131 3837 und 42694498 des Apo B100 wurde in einzelnen Abschnitten amplifiziert und mit He teroduplexTGGE analysiert. Es wurden neun Substitutionen identifiziert. Diese waren: FDB 3500Q , FDB 3500W , L3350L, Q3405E, R3611Q, I4287V, N4311S, A4454T, und T4457M. Bei 21 Personen (7,1%) wurde FDB 3500Q nachgewiesen. Dies entspricht nach Extrapolation auf die Gesamtbevölkerung einer Mutationshäufigkeit von 1,4% in unserer Region. Es konnte festgestellt werden, dass bei allen Merkmalsträgern die R3500Q Mutation mit einem einheitli chen Haplotypen kosegregiert, so dass eine stammesgeschichtliche Verwandtschaft der Muta tionsträger belegt ist. FDB 3500W wurde bei zwei HLPPatienten diagnostiziert. Dies war insofern überraschend, da diese Mutation zuvor lediglich bei einer Person kaukasischer Abstammung in Großbritannien gefunden worden war. Beide R3500W Mutationen waren mit unterschiedlichen, bisher unbe kannten Haplotypen assoziiert. LDL der beiden heterozygoten Merkmalsträger für FDB 3500W zeigten in einem an normalen humanen Fibroblasten durchgeführten Bindungsassay eine deut lich verminderte Rezeptorbindungsaffinität, jedoch lag diese etwas höher als die der LDL ei ner FDB 3500Q heterozygoten Person. Es ist daher anzunehmen, dass der Austausch eines Argi nins durch Tryptophan an Position 3500 einen geringeren Bindungsverlust der LDL bewirkt als der Austausch von Arginin zu Glutamin. Zwei der in der TGGE identifizierten Punktmutationen stellten bekannte Apo B100 Poly morphismen (MspI 3611 und N4311S) dar, eine weitere stille Mutation an Kodon L3350L wur de bei drei Personen festgestellt. Daneben fand sich ein Merkmalsträger mit einer Punktmuta tion an Kodon 4457 (T4457M). Zwei zuvor beschriebene Substitutionen, Q3405E und A4454T, traten mit einer Prävalenz von 1,3%, bzw. 6,4% im untersuchten Kollektiv auf. LDL eines heterozygoten Merkmalträgers für Q3405E hatten normale Bindungsaffinität an LDL Rezeptoren, zeigten jedoch eine signifikant erniedrigte Internalisation und Degradation im in vitroBindungstest. Schliesslich wurde eine bisher unbekannte Mutation des Apo B100 am Aminosäurerest I4287V, die mit einer Allelfrequenz von 1% im untersuchten Kollektiv auf trat, funktionell überprüft. Dabei zeigte sich sowohl im Fibroblasten Bindungsassay als auch in einem zweiten in vitroTestverfahren, dem U937 Zellen Wachstumsassay keine Assoziati on der I4287V Mutation mit bindungsdefekten LDL in der Familie einer heterozygoten Merkmalsträgerin. Eine funktionelle Relevanz dieses Aminosäureaustausches ist daher un wahrscheinlich. An einem Tryptophanrest an Position 4369 des Apo B100, der bei der Formation der dreidi mensionalen Struktur des Proteins mit Arginin 3500 interagiert, wurden Nukleotidveränderun gen zunächst durch gezielte Mutagenese des Kodon 4369 erzeugt, um sicherzustellen, dass diese Mutationen durch TGGE nachweisbar sind. Nachfolgend wurde bei den Typ IIa HLP Patienten nach Mutationen an dieser Position gesucht. Es konnte festgestellt werden, dass im untersuchten Kollektiv keine Punktmutationen am Aminosäurerest 4369 existierten. Die Vermutung, dass weitere klinisch relevante Apo B100 Mutationen mit einem dem FDB konformen Merkmalsbild bei Typ IIa HLPPatienten vorhanden sind, konnte nicht bestätigt werden. Andererseits wurde eine überraschend hohe Prävalenz (1:72) des FDB 3500Q im Rhein/Main Gebiet festgestellt. Aufgrund der gemeinsamen Abstammung aller Merkmalsträ ger und der hohen Mutationsfrequenz in dieser Region ist es denkbar, dass sich die vermutlich vor ca. 6000 Jahren datierte FounderMutation in diesem Teil Deutschlands ereignete. Da es offensichtlich auch, zwar seltener auftretende, Fälle des FDB 3500W in der hier untersuch ten Region gibt, sind AnalyseMethoden, wie etwa die TGGE, die sich als ein hochsensibles Nachweisverfahren multipler Punktmutationen erwies, bei der differentialdiagnostischen Ab klärung von Fettstoffwechselstörungen solchen Methoden vorzuziehen, die nur auf die Substi tution FDB 3500Q testen.
