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T-cell development is a highly dynamic and stepwise process comprimising T lineage commitment, T-cell receptor (TCR) gene rearrangements and subsequent selection. From a quantitative point of view, only a few hundred progenitor cells migrate from the bone marrow into the thymus. Developing thymocytes (termed double negative (DN), CD4-CD8-) can be further divided into DN1-4 cells based on the expression of CD25 and CD44. These developmental events are interspersed by proliferative bursts which ultimately lead to the generation of millions of double positive (DP, CD4+CD8+) thymocytes that then undergo selection. As a consequence, a proportion of naïve T-cells evolves to ensure adaptive, but not autoreactive immunity.
Previous studies of our lab focused on the quantification of thymus colonization and identified thymus entry to be dependent on expression of the chemokine receptors CCR7 and CCR9 (Krueger et al., 2010; Ziętara et al., 2015). CCR7/9 double knockout (DKO) mice are almost completely devoid of the most immature thymocyte populations (DN1 and DN2), but show near normal DN3 cellularity. Interestingly, a similar defect during early development but a virtually complete recovery of later stages and total thymocyte numbers was also observed in thymi of miR-17~92 deficient mice. Here, a failure of prethymic IL-7 signaling dampens early T-cell development (Regelin et al., 2015). For this reason, we hypothesized a tight regulation of thymocyte population size through alterations in the underlying cell cycle kinetics.
In this thesis, we employed in vivo single- and dual-nucleoside pulse labeling combined with determination of DNA replication over time in different WT thymocyte subsets at steady-state. Based on this, we assessed alterations in cell cycle kinetics of CCR7/9 and miR-17~92 defcicient mice and identified compensatory mechanisms of thymocytes on the level of cell cycle phase distribution and cell cycle speed. In addition, single-cell RNA sequencing helped to obtain information on cell cycle dynamics of early thymocyte subsets, exemplarily shown for WT and CCR7/9 DKO mice. Lastly, we performed cell cycle analyses in a model of endogenous thymic repair upon sublethal total body irradiation which provided insight into intrathymic cell cycle regulation as an adjustable system to re-establish normal thymus cellularity.
In the second part of the thesis, we addressed the role of miR-21 in the thymus. In various studies, we and others identified miRNAs as key posttranscriptional regulators of the immune system and especially for T-cell development (Regelin et al. 2015; Mildner et al. 2017; Li et al. 2007; Ebert et al. 2009; Ziętara et al. 2013; Schaffert et al. 2015). The dynamic expression of miR-21 during T-cell development (Neilson et al. 2007; Kirigin et al. 2012; Kuchen et al. 2010) prompted us to hypothesize that miR-21 has a regulatory function in the thymus. A miR 21-knockout mouse model allowed us to study the role of this miRNA for the development of T-cells in the thymus and the maintenance of T-cells in the periphery. In addition, we performed competitive bone marrow chimera experiments in the context of miR-21 deficiency and overexpression. Further insights were provided by exploring the function of miR-21 in negative selection in vivo as well as in T-cell differentiation in coculture experiments in vitro. To unravel implications of miR-21 to regulate cellular stress responses, we assessed the contribution of miR-21 in a model of endogenous regeneration of the thymus after sublethal irradiation. We could not provide evidence for a prominent role for miR-21 during T-cell development. Together, our experiments revealed that miR-21 is largely dispensable for physiologic T-cell development despite high and dynamic expression in the thymus (Kunze Schumacher et al., 2018). The apparent discrepancy between dynamic expression but lack of a regulatory function in the thymus led us to conclude that miR-21 is rather fine tuning T-cell responses than controlling a developmental event.
The specific and precise arrangement of proteins and biomolecules in 3D is an important prerequisite for the study of cell migration, cellular signal transduction and the production of artificial tissue. In a variety of research approaches, proteins have been immobilized on rigid surfaces such as glass or gold to observe protein-protein or protein-cell interactions. While these commonly used analytical platforms offer advantages such as rapid washing steps and easy use, due to their rigidity and two-dimensionality, they cannot replicate the extracellular matrix (ECM) the native environment of cells. This severe deviation from the natural environment results in significant changes in cell structure and cellular processes such as the polarization of the cell, its morphology, and signal transduction. In order to maintain the functionality of the immobilized proteins, it is also enormously important that the proteins are oriented and anchored in the material under mild conditions.
An immobilization strategy that makes this possible is bioaffinity. For this, the specific interaction of a biomolecule with an interaction partner anchored on a surface is used to immobilize the biomolecule. Such an interaction is for example the nitrilotriacetic acid (NTA)/His-tag binding. NTA is a chelator molecule that, when bound to divalent metal ions such as Ni(II), forms an octahedral complex with oligohistidines. The oligo histidine-tag can be competed out of the complex by free histidine or imidazole due to structural similarity. This is exploited in immobilized metal affinity chromatography (IMAC). The binding of a monoNTA/His-tag complex (KD=10 µM) is not stable enough to be used for immobilizations. Therefore, multivalent variants of the chelator were developed, like trisNTA which has a high affinity for His6 tagged proteins (KD= 10 nM). The PA-trisNTA developed in a preliminary work was the first light-activatable system based on the trisNTA chelator head.
The aim of this work was to synthesize a new two-photon (2P) activatable trisNTA (TPA trisNTA) interaction molecule, to analyze its photophysical characteristics and to apply it for two- and three dimensional (2D/3D) biomolecule patterning. The final goal was to use TPA trisNTA for cellular applications in order to manipulate membrane protein organization. Therefore, TPA trisNTA was designed to maintain a stable autoinhibition enabling the immobilization of proteins under physiological conditions with high precision in the x/y, as well as z dimension only upon light activation. 2P activation brings some outstanding advantages: i) the use of near-infrared (NIR) light is less harmful to cells compared to ultraviolet (UV) light, ii) the longer wavelength allows the radiation to penetrate deeper into tissues, iii) the precision of focal irradiation is more accurate because only a focal volume (about 1 fL) is excited and, unlike UV light, scattered light does not lead to activation.
Several backbones for TPA-trisNTA were considered as 2P cleavable groups due to their 2P absorption ability and small size: 3 nitrodibenzofuran (NDBF), 6 bromo 7 hydroxycoumarin (Bhc), and 7 diethylaminocoumarin (DEAC). Initially, suitable synthetic routes were developed for the respective carbaldehydes, since these represented an important intermediate for both the construction of amino acid (aa) derivatives as well as ß hydroxy acids. ß Hydroxy acids were important intermediates because their photocleavage differs from aa derivatives. To establish the conversion from carbaldehydes to hydroxy acids via Reformatsky reaction, commercially available carbaldehydes of the nitroveratral (NV) or nitropiperonal (NP) group were used in addition. The conversion of NDBF, NV, NP proved to be difficult, whereas the ß-hydroxy acid was successfully synthesized from Bhc as well as from DEAC.
Starting from DEAC ß hydroxy acid, a Fmoc protected amino acid derivative was synthesized. To ensure high cleavage efficiency, the DEAC ß hydroxy acid was linked to monoFmoc ethylenediamine through a carbamate linker. Subsequently, the photocleavable group was successfully incorporated into the linker of TPA-trisNTA by solid-phase peptide synthesis (SPPS).
The functional principle of TPA-trisNTA, similar to PA-trisNTA, is based on the autoinhibition of the multivalent chelator head trisNTA, which is linked to an intramolecular oligohistidine sequence by a peptide linker. In presence of Ni(II) ions, trisNTA forms a metal ion-mediated complex with histidine, causing TPA-trisNTA to self-inactivate. The cleavage site is the DEAC based photocleavable amino acid. In contrast to PA-trisNTA, the incorporation of two photocleavable amino acids was omitted. Instead, only one photocleavable DEAC was incorporated in front of the His tag. To avoid a second DEAC group within the His tag, a His5 tag was used instead of an His6 tag. It is known from preliminary work that a His5 tag is sufficient to maintain autoinhibition in the presence of His6-tagged proteins of interest (POIs), but can be displaced from the complex after light-driven cleavage of the peptide backbone. Placement of a cysteine in the peptide linker between the trisNTA and the DEAC group allowed for permanent surface anchoring after photocleavage of the linker.
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Endolysosomal effectors and their relevance for antiviral activity against the Hepatitis E virus
(2021)
Mit über 20 Millionen registrierter Fälle pro Jahr, repräsentiert das Hepatitis-E-Virus (HEV) eine Hauptursache einer viralen Hepatitis weltweit und stellt ein erhebliches Risiko insbesondere für Schwangere und Immunsupprimierte dar. Jedoch sind Behandlungsoptionen stark limitiert und mit teils schweren Nebenwirkungen verbunden. Neue Erkenntnisse des Wechselspiels zwischen Wirtszelle und HEV werden deshalb benötigt, um neue antivirale Wirkstoffe zu entwickeln. Der Fokus der Arbeit wurde hierbei auf Effektoren des endosomalen Systems gesetzt, welches von HEV zur Freisetzung von Virionen genutzt wird.
Eine virale Infektion führt in der Zelle zur Produktion von Interferonen (IFNs) und weiters zu einer IFN-Antwort. Ein essenzielles Effektormolekül, welches HEV nachweislich effizient repressiert, ist die GTPase guanylate binding protein 1 (GBP1). In dieser Studie wurde beleuchtet, dass Letztere durch eine HEV-Infektion induziert wird. Zusätzlich reduziert die ektopische Expression von GBP1 sowohl die intrazelluläre Menge des HEV Kapsidproteins als auch die Menge freigesetzter Virionen. Mechanistisch liegt diesem Sachverhalt die GBP1-induzierte Inkorporation von Virionen in Lysosomen zugrunde, was schlussendlich deren Abbau nach sich zieht. Erkenntnisse über die Rolle verschiedener GBP1 Proteindomänen innerhalb des Mechanismus wurden unter Verwendung ektopischer Expression von GBP1-Mutanten erlangt. Inkorporation der Mutation R48A führt zum Verlust der GTPase-Aktivität. Andererseits führt eine Inkorporation der Mutation S73A zum Verlust der Homodimerisierung, was die nachfolgende Farnesylierung und gekoppelte Membranassoziation reduziert. Hierbei behält GBP1-R48A Fähigkeiten zur Induktion lysosomalen Abbaus von HEV bei, GBP1-S73A jedoch nicht. Dies wiederum bedeutet, dass eine GBP1 Homodimerisierung notwendig für den antiviralen Mechanismus ist, was eine Adapterfunktion des Moleküls für lysosomale Inkorporation nahelegt. Die Relevanz von GBP1 während einer IFNγ-Antwort wurde deshalb mittels siRNA-basiertem Silencing untersucht. Ähnlich der ektopischen Expression von GBP1 induziert IFNγ die lysosomale Degradation von HEV. In Abwesenheit von GBP1 jedoch, ist dieser Effekt signifikant geringer ausgeprägt, was zu einem Effizienzverlust von IFNy in Bezug auf dessen antiviralen Effekt bedeutet. Dies führte schlussendlich zur Identifizierung von GBP1 als essenziellen Restriktionsfaktor gegen HEV, was seine Rolle in Abhängigkeit seiner Homodimerisierung via Induktion lysosomalen Abbaus erfüllt.
Nebst der Induktion von GBP1, konnte eine Akkumulation von Cholesterin in Lysosomen durch IFNy nachgewiesen werden. Da dieses Lipid einen essenziellen Faktor für endosomale Reifung, Transport und Funktionalität darstellt, wurden Cholesterinspiegel und verbundene transkriptionelle Fußabdrücke im Kontext einer HEV Infektion untersucht. Letztere führt zu einer Dysregulation Cholesterin-assoziierter Genexpression, was eine Reduktion intrazellulären Cholesterins nach sich zieht. Auch in HEV infizierten Patienten liegt eine Abnahme des Serumcholesterins vor. Unter Modulation intrazellulären Cholesterins, wurde deutlich, dass die Inhibition der Cholesterinsynthese durch Simvastatin eine verstärkte Freisetzung von Virionen nach sich zieht, was ebenso in HEV infizierten Patienten nachweisbar war. Im Gegensatz hierzu zieht eine Erhöhung intrazellulären Cholesterins via Supplementierung von Lipoproteinpartikeln niedriger Dichte (LDL) oder 25-Hydroxycholesterin eine signifikante Reduktion des viralen Kapsidproteins und freigesetzter Virionen nach sich. Dem liegt eine verstärkte Inkorporation von HEV in Lysosomen mit anschließender Degradation zugrunde. Ob dieser Mechanismus pharmakologisch nutzbar ist, wurde mittels eines Screenings Lipid modulatorischer Medikamente untersucht. Der p-Glykoprotein Inhibitor PSC833 und besonders der PPARα-Agonist Fenofibrat stellten sich als äußerst effiziente Inhibitoren des HEV heraus. Beide führen zu einer Erhöhung und Akkumulation zellulären Cholesterins in vesikulären Strukturen. Dies zieht eine dramatische Erhöhung lysosomaler Lokalisation von HEV nach sich und führt letzten Endes zu einer signifikanten Reduktion freigesetzter Virionen.
Zusammenfassend konnten in dieser Studie essenzielle Funktionen von GBP1 in Bezug auf dessen restriktiven Effekt gegen HEV identifiziert werden. Weiters wurde dieses als entscheidender Wirtsfaktor für die IFNγ-Antwort gegen das Virus identifiziert. Andererseits legt diese Studie nahe, dass HEV niedrige Cholesterinspiegel innerhalb infizierter Zellen für die Freisetzung von Virionen benötigt. Andererseits sind erhöhte intrazelluläre Cholesterinspiegel schädlich für die virale Freisetzung, da der lysosomale Abbau von Virionen induziert wird. Dies führte zur erfolgreichen Entdeckung eines neuartigen antiviralen Wirkstoffes, welcher diesen cholesterinabhängigen Effekt effizient induziert: Fenofibrat.
Mit 71 Millionen chronisch erkrankten Patienten im Jahr 2015 stellt die chronische Hepatitis C-Virusinfektion eine wichtige Ursache für Zirrhose, Leberdekompensation und Leberkrebs dar.
Eine grundlegende Eigenschaft des Hepatitis C-Virus (HCV) ist die Biogenese modifizierter intrazellulärer Membranen. Das dabei aus dem endoplasmatischen Reticulum (ER) gebildete, sogenannte membranöse Netz (MW, membranous web) dient im Rahmen des HCV-Lebenszyklus als Gerüst für die Assemblierung eines Multi-Protein-Replikase-Komplexes. Das MW wird durch virale nicht-strukturelle Proteine wie NS5A induziert.
Das Multidomänen-Metalloprotein NS5A ist über seine verschiedenen Domänen sowohl bei der Replikation am MW als auch bei der viralen Assemblierung und Freisetzung in der Nähe von Lipidtropfen (LD, lipid droplet) maßgeblich beteiligt. Seine N-terminale amphipathische Helix (AH) spielt dabei über die vermittelte Assoziation von NS5A mit Membranen eine wichtige Rolle. Damit verbundene spezifische Lipidinteraktionen von NS5A unterliegen molekularen Umstrukturierungen, die benötigt werden, um NS5A für seine
verschiedenen Aufgaben im viralen Lebenszyklus anzupassen. Es liegen zwar Röntgen-strukturmodelle von Domäne 1-Dimeren und NMR-Strukturen zur AH vor, allerdings keine experimentellen Strukturen des NS5A-Proteins vollständiger Länge (NS5A fl) in seinem natürlichen Lipidmilieu. Trotz der essentiellen Bedeutung von NS5A für den HCV-Lebens-zyklus und langjähriger Forschung ist bisher nur wenig zur molekularen Funktionsweise von NS5A bekannt.
Dennoch konnten durch Screening hochpotente NS5A-Inhibitoren entdeckt und weiterentwickelt werden. NS5A-Inhibitoren tragen als direkt wirkende antivirale Arzneimittel(DAA, direct-acting antiviral) entscheidend zum Therapieerfolg bei der Behandlung der Hepatitis C bei. Trotz ihrer Bedeutung in der Therapie und intensiver Forschung ist der Wirk-mechanismus von NS5A-Inhibitoren bisher ungeklärt. Eine durch NS5A-Inhibitoren
induzierte intrazelluläre Umverteilung von NS5A und das ausschließliche Auftreten von Resistenz-assoziierten Mutationen (RAM) nahe der NS5A-Lipid-Interaktionsbereiche weisen jedoch auf einen Effekt der Inhibitoren auf die Lipid-NS5A-Interaktion hin.
Als grundlegende Hypothese dieser Arbeit wurde somit vermutet, dass abhängig vom NS5A umgebenden Lipidmilieu (MW oder LD) spezifische Lipid-Protein-Interaktionen Einfluss auf die Struktur und Funktion von NS5A nehmen und NS5A-Inhibitoren über eine Inhibition dieser Interaktionen wirken. Polyphosphoinositide (PPI) könnten dabei als Lipidinteraktionspartner eine besondere Rolle spielen, da sie bedeutend für die Membran-Kennzeichnung verschiedener Zellkompartimente sind und auch die Funktion von Membranproteinen regulieren können. Eine Interaktion von NS5A mit PtdIns(4,5)P2 wurde bereits publiziert.
Um basierend auf der postulierten Hypothese die mechanistischen Details im Wechselspiel von NS5A und intrazellulären Membranen sowie den dabei möglichen Effekt von
NS5A-Inhibitoren zu untersuchen, musste zunächst NS5A in ausreichender Menge, Reinheit und Qualität rekombinant hergestellt werden. Hierfür wurde ein entsprechendes Protokoll zur Proteinexpression durch Baculovirus-vermittelte Expression in Sf9-Insektenzellen und Strep-Tactin-Reinigung für das full length Protein und trunkierte Varianten etabliert.
In Kooperation mit einem Partner konnte unter Verwendung von giant unilamellar vesicles (GUVs) und konfokaler Mikroskopie gezeigt werden, dass unser full length Protein die Struktur von Membranen verändert (Membran-Remodellierung).
Die Stabilität des gereinigten Proteins und damit Effekte auf die Proteinfaltung wurden mittels Thermal shift assay (TSA) untersucht und dabei auch Effekte des NS5A-Inhibitors
Daclatasvir (DCV) und des Metall-Chelators EDTA überprüft. Die Bindung des Inhibitors hatte einen stabilisierenden Effekt auf die Proteinstruktur zur Folge.
Potentielle Interaktionsmuster mit Membranlipiden wurden mit Hilfe eines Protein lipid overlay assays (PLOA) detektiert. Zusätzlich zum in der Literatur bereits beschriebenen
Interaktionspartner PtdIns(4,5)P2 konnten weitere Lipid-Bindungspartner für NS5A identifiziert werden. Dabei legen die gewonnenen Daten nahe, dass die Interaktion über die Domäne 1 von NS5A vermittelt wird, wobei die Domänen 2 und 3 die Affinität zu den Lipidbindungspartnern erhöht, aber nicht das Phospholipid-Bindungsmuster verändert.
DCV hatte im PLOA keine qualitativen Auswirkungen auf das Lipid-Bindungsmuster. Die Lipidinteraktionen wurden mittels eines Liposomen-Rekonstitutionsmodells validiert.
In silico konnten basierend auf verfügbaren, experimentellen Strukturdaten und einem dynamischen Modell drei Cluster basischer Aminosäuren in NS5A-D1-AH als mögliche
PPI-Bindungsstellen identifiziert werden. Basierend auf dem Strukturmodell wurde eine Mutationsstrategie zur Charakterisierung der potentiellen PPI-Bindungsstellen entwickelt.
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