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Institute
IKKα promotes intestinal tumorigenesis by limiting recruitment of M1-like polarized myeloid cells
(2014)
The recruitment of immune cells into solid tumors is an essential prerequisite of tumor development. Depending on the prevailing polarization profile of these infiltrating leucocytes, tumorigenesis is either promoted or blocked. Here, we identify IκB kinase α (IKKα) as a central regulator of a tumoricidal microenvironment during intestinal carcinogenesis. Mice deficient in IKKα kinase activity are largely protected from intestinal tumor development that is dependent on the enhanced recruitment of interferon γ (IFNγ)-expressing M1-like myeloid cells. In IKKα mutant mice, M1-like polarization is not controlled in a cell-autonomous manner but, rather, depends on the interplay of both IKKα mutant tumor epithelia and immune cells. Because therapies aiming at the tumor microenvironment rather than directly at the mutated cancer cell may circumvent resistance development, we suggest IKKα as a promising target for colorectal cancer (CRC) therapy.
Myelodysplastic syndromes (MDSs) represent clonal disorders mainly of the elderly that are characterized by ineffective hematopoiesis and an increased risk of transformation into acute myeloid leukemia. The pathogenesis of MDS is thought to evolve from accumulation and selection of specific genetic or epigenetic events. Emerging evidence indicates that MDS is not solely a hematopoietic disease but rather affects the entire bone marrow microenvironment, including bone metabolism. Many of these cells, in particular mesenchymal stem and progenitor cells (MSPCs) and osteoblasts, express a number of adhesion molecules and secreted factors that regulate blood regeneration throughout life by contributing to hematopoietic stem and progenitor cell (HSPC) maintenance, self-renewal and differentiation. Several endocrine factors, such as erythropoietin, parathyroid hormone and estrogens, as well as deranged iron metabolism modulate these processes. Thus, interactions between MSPC and HSPC contribute to the pathogenesis of MDS and associated pathologies. A detailed understanding of these mechanisms may help to define novel targets for diagnosis and possibly therapy. In this review, we will discuss the scientific rationale of "osteohematology" as an emerging research field in MDS and outline clinical implications.
The metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1, MALAT1, is a long non-coding RNA (lncRNA) that has been discovered as a marker for lung cancer metastasis. It is highly abundant, its expression is strongly regulated in many tumor entities including lung adenocarcinoma and hepatocellular carcinoma as well as physiological processes, and it is associated with many RNA binding proteins and highly conserved throughout evolution. The nuclear transcript MALAT-1 has been functionally associated with gene regulation and alternative splicing and its regulation has been shown to impact proliferation, apoptosis, migration and invasion.
Here, we have developed a human and a mouse knockout system to study the loss-of-function phenotypes of this important ncRNA. In human tumor cells, MALAT1 expression was abrogated using Zinc Finger Nucleases. Unexpectedly, the quantitative loss of MALAT1 did neither affect proliferation nor cell cycle progression nor nuclear architecture in human lung or liver cancer cells. Moreover, genetic loss of Malat1 in a knockout mouse model did not give rise to any obvious phenotype or histological abnormalities in Malat1-null compared with wild-type animals. Thus, loss of the abundant nuclear long ncRNA MALAT1 is compatible with cell viability and normal development.
DNA damage in oocytes induces a switch of the quality control factor TAp63α from dimer to tetramer
(2011)
TAp63a, a homolog of the p53 tumor suppressor, is a quality control factor in the female germline. Remarkably, already undamaged oocytes express high levels of the protein, suggesting that TAp63a’s activity is under tight control of an inhibitory mechanism. Biochemical studies have proposed that inhibition requires the C-terminal transactivation inhibitory domain. However, the structural mechanism of TAp63a inhibition remains unknown. Here, we show that TAp63a is kept in an inactive dimeric state. We reveal that relief of inhibition leads to tetramer formation with ~20-fold higher DNA affinity. In vivo, phosphorylation-triggered tetramerization of TAp63a is not reversible by dephosphorylation. Furthermore, we show that a helix in the oligomerization domain of p63 is crucial for tetramer stabilization and competes with the transactivation domain for the same binding site. Our results demonstrate how TAp63a is inhibited by complex domain-domain interactions that provide the basis for regulating quality control in oocytes.
Tumor cell plasticity is an event that has been observed in several malignancies. In fact, most of the solid tumors are characterized by cellular heterogeneity and undergo constant changes as the tumor develops. The increased plasticity displayed by these cells allows them to acquire additional properties, enabling epithelial-mesenchymal transitions, dedifferentiation and the acquisition of stem cell-like properties. Here we discuss the particular importance of an inflammatory microenvironment for the bidirectional control of cellular plasticity and the potential for therapeutic intervention.
Immunotherapy of cancer utilizes dendritic cells (DCs) for antigen presentation and the induction of tumor-specific immune responses. However, the therapeutic induction of anti-tumor immunity is limited by tumor escape mechanisms. In this study, immortalized dendritic D2SC/1 cells were transduced with a mutated version of the p53 tumor suppressor gene, p53M234I, or p53C132F/E168G, which are overexpressed in MethA fibrosarcoma tumor cells. In addition, D2SC/1 cells were fused with MethA tumor cells to generate a vaccine that potentially expresses a large repertoire of tumor-antigens. Cellular vaccines were transplanted onto Balb/c mice and MethA tumor growth and anti-tumor immune responses were examined in vaccinated animals. D2SC/1-p53M234I and D2SC/1-p53C132F/E168G cells induced strong therapeutic and protective MethA tumor immunity upon transplantation in Balb/c mice. However, in a fraction of immunized mice MethA tumor growth resumed after an extended latency period. Analysis of these tumors indicated loss of p53 expression. Mice, pre-treated with fusion hybrids generated from D2SC/1 and MethA tumor cells, suppressed MethA tumor growth and averted adaptive immune escape. Polyclonal B-cell responses directed against various MethA tumor proteins could be detected in the sera of D2SC/1-MethA inoculated mice. Athymic nude mice and Balb/c mice depleted of CD4(+) or CD8(+) T-cells were not protected against MethA tumor cell growth after immunization with D2SC/1-MethA hybrids. Our results highlight a potential drawback of cancer immunotherapy by demonstrating that the induction of a specific anti-tumor response favors the acquisition of tumor phenotypes promoting immune evasion. In contrast, the application of DC/tumor cell fusion hybrids prevents adaptive immune escape by a T-cell dependent mechanism and provides a simple strategy for personalized anti-cancer treatment without the need of selectively priming the host immune system.
Survivin is a well-established target in experimental cancer therapy. The molecule is over-expressed in most human tumors, but hardly detectable in normal tissues. Multiple functions in different subcellular compartments have been assigned. It participates in the control of cell division, apoptosis, the cellular stress response, and also in the regulation of cell migration and metastasis. Survivin expression has been recognized as a biomarker: high expression indicates an unfavorable prognosis and resistance to chemotherapeutic agents and radiation treatment. Survivin is an unconventional drug target and several indirect approaches have been exploited to affect its function and the phenotype of survivin-expressing cells. Interference with the expression of the survivin gene, the utilization of its messenger RNA, the intracellular localization, the interaction with binding partners, the stability of the survivin protein, and the induction of survivin-specific immune responses have been taken into consideration. A direct strategy to inhibit survivin has been based on the identification of a specifically interacting peptide. This peptide can recognize survivin intracellularly and cause the degradation of the ligand–survivin complex. Technology is being developed that might allow the derivation of small molecular-weight, drug-like compounds that are functionally equivalent to the peptide ligand.
Gene therapy on the move
(2013)
The first gene therapy clinical trials were initiated more than two decades ago. In the early days, gene therapy shared the fate of many experimental medicine approaches and was impeded by the occurrence of severe side effects in a few treated patients. The understanding of the molecular and cellular mechanisms leading to treatment- and/or vector-associated setbacks has resulted in the development of highly sophisticated gene transfer tools with improved safety and therapeutic efficacy. Employing these advanced tools, a series of Phase I/II trials were started in the past few years with excellent clinical results and no side effects reported so far. Moreover, highly efficient gene targeting strategies and site-directed gene editing technologies have been developed and applied clinically. With more than 1900 clinical trials to date, gene therapy has moved from a vision to clinical reality. This review focuses on the application of gene therapy for the correction of inherited diseases, the limitations and drawbacks encountered in some of the early clinical trials and the revival of gene therapy as a powerful treatment option for the correction of monogenic disorders.
HIV neutralizing antibodies (nAbs) represent an important tool in view of prophylactic and therapeutic applications for HIV-1 infection. Patients chronically infected by HIV-1 represent a valuable source for nAbs. HIV controllers, including long-term non-progressors (LTNP) and elite controllers (EC), represent an interesting subgroup in this regard, as here nAbs can develop over time in a rather healthy immune system and in the absence of any therapeutic selection pressure. In this study, we characterized two particular antibodies that were selected as scFv antibody fragments from a phage immune library generated from an LTNP with HIV neutralizing antibodies in his plasma. The phage library was screened on recombinant soluble gp140 envelope (Env) proteins. Sequencing the selected peptide inserts revealed two major classes of antibody sequences. Binding analysis of the corresponding scFv-Fc derivatives to various trimeric and monomeric Env constructs as well as to peptide arrays showed that one class, represented by monoclonal antibody (mAb) A2, specifically recognizes an epitope localized in the pocket binding domain of the C heptad repeat (CHR) in the ectodomain of gp41, but only in the trimeric context. Thus, this antibody represents an interesting tool for trimer identification. MAb A7, representing the second class, binds to structural elements of the third variable loop V3 and neutralizes tier 1 and tier 2 HIV-1 isolates of different subtypes with matching critical amino acids in the linear epitope sequence. In conclusion, HIV controllers are a valuable source for the selection of functionally interesting antibodies that can be selected on soluble gp140 proteins with properties from the native envelope spike.
Chronic granulomatous disease (CGD) is a primary immunodeficiency characterized by impaired antimicrobial activity in phagocytic cells. As a monogenic disease affecting the hematopoietic system, CGD is amenable to gene therapy. Indeed in a phase I/II clinical trial, we demonstrated a transient resolution of bacterial and fungal infections. However, the therapeutic benefit was compromised by the occurrence of clonal dominance and malignant transformation demanding alternative vectors with equal efficacy but safety-improved features. In this work we have developed and tested a self-inactivating (SIN) gammaretroviral vector (SINfes.gp91s) containing a codon-optimized transgene (gp91(phox)) under the transcriptional control of a myeloid promoter for the gene therapy of the X-linked form of CGD (X-CGD). Gene-corrected cells protected X-CGD mice from Aspergillus fumigatus challenge at low vector copy numbers. Moreover, the SINfes.gp91s vector generates substantial amounts of superoxide in human cells transplanted into immunodeficient mice. In vitro genotoxicity assays and longitudinal high-throughput integration site analysis in transplanted mice comprising primary and secondary animals for 11 months revealed a safe integration site profile with no signs of clonal dominance.
Im Jahre 2004 sind am Universitätsklinikum Frankfurt zwei Patienten mit X-CGD gentherapeutisch behandelt worden. Nach einer initialen Phase mit Nachweis ausreichender Mengen Oxidase-positiver Zellen im Blut der Patienten und einer deutlichen klinischen Besserung vorbestehender Infektionsherde kam es zu einem Verlust der Transgenexpression durch epigenetische Veränderungen des viralen Promotors. Ferner entwickelte sich durch Insertionsmutagenese eine klonale Expansion in der Hämatopoese und schließlich ein myelodysplastisches Syndrom mit Monosomie 7 bei beiden Patienten. In der Zusammenschau mit anderen Gentherapiestudien zur X-CGD zeigt sich, dass bislang ein langanhaltendes Engraftment funktionierender genkorrigierter Zellen nur im Zusammenhang mit einer Insertionsmutagenese beobachtet wurde. Zukünftige gentherapeutische Strategien zur Behandlung der X-CGD müssen das Risiko einer Insertionsmutagenese minimieren und gleichzeitig die Effektivität des Engraftments genkorrigierter Zellen steigern. Dies soll durch den Einsatz von SIN-Vektoren sowie einer Intensivierung der Konditionierung der Patienten erreicht werden.
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.
The tumor suppressor p53 plays a crucial role in cellular growth control inducing a plethora of different response pathways. The molecular mechanisms that discriminate between the distinct p53-responses have remained largely elusive. Here, we have analyzed the p53-regulated pathways induced by Actinomycin D and Etoposide treatment resulting in more growth arrested versus apoptotic cells respectively. We found that the genome-wide p53 DNA-binding patterns are almost identical upon both treatments notwithstanding transcriptional differences that we observed in global transcriptome analysis. To assess the role of post-translational modifications in target gene choice and activation we investigated the genome-wide level of phosphorylation of Serine 46 of p53 bound to DNA (p53-pS46) and of Serine 15 (p53-pS15). Interestingly, the extent of S46 phosphorylation of p53 bound to DNA is considerably higher in cells directed towards apoptosis while the degree of phosphorylation at S15 remains highly similar. Moreover, our data suggest that following different chemotherapeutical treatments, the amount of chromatin-associated p53 phosphorylated at S46 but not at pS15 is higher on certain apoptosis related target genes. Our data provide evidence that cell fate decisions are not made primarily on the level of general p53 DNA-binding and that post-translationally modified p53 can have distinct DNA-binding characteristics.
Background: The apoptosis-inducing serine protease granzyme B (GrB) is an important factor contributing to lysis of target cells by cytotoxic lymphocytes. Expression of enzymatically active GrB in recombinant form is a prerequisite for functional analysis and application of GrB for therapeutic purposes. Methods and Findings: We investigated the influence of bacterial maltose-binding protein (MBP) fused to GrB via a synthetic furin recognition motif on the expression of the MBP fusion protein also containing an N-terminal alpha-factor signal peptide in the yeast Pichia pastoris. MBP markedly enhanced the amount of GrB secreted into culture supernatant, which was not the case when GrB was fused to GST. MBP-GrB fusion protein was cleaved during secretion by an endogenous furin-like proteolytic activity in vivo, liberating enzymatically active GrB without the need of subsequent in vitro processing. Similar results were obtained upon expression of a recombinant fragment of the ErbB2/HER2 receptor protein or GST as MBP fusions. Conclusions: Our results demonstrate that combination of MBP as a solubility enhancer with specific in vivo cleavage augments secretion of processed and functionally active proteins from yeast. This strategy may be generally applicable to improve folding and increase yields of recombinant proteins.
Background: Glioblastoma is the most frequent and most malignant primary brain tumor with a poor prognosis. The translation of therapeutic strategies for glioblastoma from the experimental phase into the clinic has been limited by insufficient animal models, which lack important features of human tumors. Lentiviral gene therapy is an attractive therapeutic option for human glioblastoma, which we validated in a clinically relevant animal model. Methodology/Principal Findings: We used a rodent xenograft model that recapitulates the invasive and angiogenic features of human glioblastoma to analyze the transduction pattern and therapeutic efficacy of lentiviral pseudotyped vectors. Both, lymphocytic choriomeningitis virus glycoprotein (LCMV-GP) and vesicular stomatitis virus glycoprotein (VSV-G) pseudotyped lentiviral vectors very efficiently transduced human glioblastoma cells in vitro and in vivo. In contrast, pseudotyped gammaretroviral vectors, similar to those evaluated for clinical therapy of glioblastoma, showed inefficient gene transfer in vitro and in vivo. Both pseudotyped lentiviral vectors transduced cancer stem-like cells characterized by their CD133-, nestin- and SOX2-expression, the ability to form spheroids in neural stem cell medium and to express astrocytic and neuronal differentiation markers under serum conditions. In a therapeutic approach using the suicide gene herpes simplex virus thymidine kinase (HSV-1-tk) fused to eGFP, both lentiviral vectors mediated a complete remission of solid tumors as seen on MRI resulting in a highly significant survival benefit (p<0.001) compared to control groups. In all recurrent tumors, surviving eGFP-positive tumor cells were found, advocating prodrug application for several cycles to even enhance and prolong the therapeutic effect. Conclusions/Significance: In conclusion, lentiviral pseudotyped vectors are promising candidates for gene therapy of glioma in patients. The inefficient gene delivery by gammaretroviral vectors is in line with the results obtained in clinical therapy for GBM and thus confirms the high reproducibility of the invasive glioma animal model for translational research.
DEAD-box proteins are enzymes endowed with nucleic acid-dependent ATPase, RNA translocase and unwinding activities. The human DEAD-box protein DDX3 has been shown to play important roles in tumor proliferation and viral infections. In particular, DDX3 has been identified as an essential cofactor for HIV-1 replication. Here we characterized a set of DDX3 mutants biochemically with respect to nucleic acid binding, ATPase and helicase activity. In particular, we addressed the functional role of a unique insertion between motifs I and Ia of DDX3 and provide evidence for its implication in nucleic acid binding and HIV-1 replication. We show that human DDX3 lacking this domain binds HIV-1 RNA with lower affinity. Furthermore, a specific peptide ligand for this insertion selected by phage display interferes with HIV-1 replication after transduction into HelaP4 cells. Besides broadening our understanding of the structure-function relationships of this important protein, our results identify a specific domain of DDX3 which may be suited as target for antiviral drugs designed to inhibit cellular cofactors for HIV-1 replication.
Background: There is currently no effective AIDS vaccine, emphasizing the importance of developing alternative therapies. Recently, a patient was successfully transplanted with allogeneic, naturally resistant CCR5-negative (CCR5 delta 32) cells, setting the stage for transplantation of naturally resistant, or genetically modified stem cells as a viable therapy for AIDS. Hematopoietic stem cell (HSC) gene therapy using vectors that express various anti-HIV transgenes has also been attempted in clinical trials, but inefficient gene transfer in these studies has severely limited the potential of this approach. Here we evaluated HSC gene transfer of an anti-HIV vector in the pigtailed macaque (Macaca nemestrina) model, which closely models human transplantation. Methods and Findings: We used lentiviral vectors that inhibited both HIV-1 and simian immunodeficiency virus (SIV)/HIV-1 (SHIV) chimera virus infection, and also expressed a P140K mutant methylguanine methyltransferase (MGMT) transgene to select gene-modified cells by adding chemotherapy drugs. Following transplantation and MGMT-mediated selection we demonstrated transgene expression in over 7% of stem-cell derived lymphocytes. The high marking levels allowed us to demonstrate protection from SHIV in lymphocytes derived from gene-modified macaque long-term repopulating cells that expressed an HIV-1 fusion inhibitor. We observed a statistically significant 4-fold increase of gene-modified cells after challenge of lymphocytes from one macaque that received stem cells transduced with an anti-HIV vector (p<0.02, Student's t-test), but not in lymphocytes from a macaque that received a control vector. We also established a competitive repopulation assay in a second macaque for preclinical testing of promising anti-HIV vectors. The vectors we used were HIV-based and thus efficiently transduce human cells, and the transgenes we used target HIV-1 genes that are also in SHIV, so our findings can be rapidly translated to the clinic. Conclusions: Here we demonstrate the ability to select protected HSC-derived lymphocytes in vivo in a clinically relevant nonhuman primate model of HIV/SHIV infection. This approach can now be evaluated in human clinical trials in AIDS lymphoma patients. In this patient setting, chemotherapy would not only kill malignant cells, but would also increase the number of MGMTP140K-expressing HIV-resistant cells. This approach should allow for high levels of HIV-protected cells in AIDS patients to evaluate AIDS gene therapy.
The p53-family member p73 plays a role in various cellular signaling pathways during development and growth control and it can have tumor suppressor properties. Several isoforms of p73 exist with considerable differences in their function. Whereas the functions of the N-terminal isoforms (TA and delta Np73) and their opposing pro- and antiapoptotic roles have become evident, the functional differences of the distinct C-terminal splice forms of TAp73 have remained unclear. Here, we characterized the global genomic binding sites for TAp73alpha and TAp73beta by chromatin immunoprecipitation sequencing as well as the transcriptional responses by performing RNA sequencing. We identified a specific p73 consensus binding motif and found a strong enrichment of AP1 motifs in close proximity to binding sites for TAp73alpha. These AP1 motif-containing target genes are selectively upregulated by TAp73alpha, while their mRNA expression is repressed upon TAp73beta induction. We show that their expression is dependent on endogenous c-Jun and that recruitment of c-Jun to the respective AP1 sites was impaired upon TAp73beta expression, in part due to downregulation of c-Jun. Several of these AP1-site containing TAp73alpha-induced genes impinge on apoptosis induction, suggesting an underlying molecular mechanism for the observed functional differences between TAp73alpha and TAp73beta.
NK cells are part of the innate immune system, and are important players in the body’s first defence line against virus-infected and malignantly transformed cells. While T cells recognize neoplastic cells in an MHC-restricted fashion, NK cells do not require prior sensitization and education about the target. In leukemia and lymphoma patients undergoing allogeneic hematopoietic stem cell transplantation not only T cells but also NK cells have been found to mediate potent graft-versus-tumor effects. Hence, autologous or donor-derived NK cells hold great promise for cancer immunotherapy. Since the generation of highly purified NK cell products for clinical applications is labor-intensive and time consuming, established human NK cell lines such as NK-92 are also being considered for clinical protocols. NK-92 cells display phenotypic and functional characteristics similar to activated primary NK cells. While NK-92 cells are highly cytotoxic towards malignant cells of hematologic origin, they do not affect healthy human tissues. NK-92 cells can be expanded under GMP-compliant conditions, and can therefore be provided in sufficient numbers with defined phenotypic characteristics for clinical applications. Safety of NK-92 cells for adoptive immunotherapy was already shown in two phase I/II clinical trials...
Tumoren epithelialen Ursprungs weisen häufig eine vermehrte Expression und/oder Mutationen des epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptors (EGFR) auf. Durch die übermäßig starke bzw. permanente Vermittlung von Überlebens- und Proliferationssignalen an die betroffene Zelle trägt dies direkt zum Voranschreiten der Tumorerkrankung bei. Für eine Reihe von Tumorentitäten ist bekannt, dass eine abnorme Expression von EGFR mit einer schlechteren Prognose für den Krankheitsverlauf und die mittlere Überlebenszeit betroffener Krebspatienten korreliert. Begleitend zur systemischen Chemotherapie solcher Tumoren wird eine gerichtete Therapie zur Eindämmung der EGFR-vermittelten Signaltransduktion durch den Einsatz von Tyrosinkinase-Inhibitoren (TKI) oder EGFR-spezifischer monoklonaler Antikörper (mAb) erzielt. Bei der therapeutischen Anwendung monoklonaler anti-EGFR Antikörper wurden in einigen Fällen lediglich milde Nebenwirkungen wie z.B. Hautausschläge beobachtet, wobei das Auftreten dieser Effekte mit dem Therapieerfolg korrelierte. Eine Reihe von monoklonalen Antikörpern, die gegen ErbB Rezeptor-Tyrosinkinasen gerichtet sind, sind mittlerweile zur Tumortherapie zugelassen, darunter der chimäre anti-EGFR Antikörper Cetuximab (Erbitux®, ImClone/BMS/Merck) zur Behandlung von metastasierenden Kolonkarzinomen sowie Karzinomen des Kopf- und Halsbereichs, der humane anti-EGFR Antikörper Panitumumab (Vectibix®, Amgen) bei metastasierenden Kolonkarzinomen, und der humanisierte anti-ErbB2 Antikörper Trastuzumab (Herceptin®, Genentech/Roche) bei Brustkrebs. Weitere Antikörper befinden sich derzeit in fortgeschrittenen Phasen der klinischen Entwicklung, darunter der humanisierte anti-EGFR Antikörper Matuzumab (Merck/Takeda). Klinische Daten zeigen, dass Patienten mit EGFR positiven Tumoren, die gegenüber etablierter Chemotherapie resistent sind, von der Behandlung mit anti-EGFR Antikörpern profitieren. Durch aktivierte EGF-Rezeptoren induzierte mitogene Signale werden vermindert bzw. blockiert, indem die Antikörper mit hoher Affinität an ErbB Rezeptoren auf der Zelloberfläche binden und die Ligandenbindung bzw. die Dimerisierung verhindern, die zur Bildung aktivierter Rezeptor Dimere nötig ist. Auf diese Weise wird die mitogene Signalübertragung aktivierter ErbB-Rezeptor Dimere verhindert und die Proliferation der Tumorzelle wird verlangsamt oder kommt zum Stillstand. Es gibt Hinweise, dass darüber hinaus sekundäre Effektormechanismen des Immunsystems wie die antikörperabhängige zellvermittelte Zytotoxizität (ADCC) oder die komplementabhängige Zytotoxizität (CDC) gegen Antikörper-markierte Tumorzellen die anti-tumorale Wirksamkeit dieser Antikörper noch verstärken. Die lebensverlängernde Wirkung der Behandlung mit diesen Antikörpern ist ein Beispiel für die erfolgreiche Anwendung einer zielgerichteten Krebstherapie durch passive Immuntherapie. Zu Beginn dieser Arbeit waren die genauen Bindungsstellen der therapeutischen anti-EGFR Antikörper Cetuximab und Matuzumab noch unbekannt. Die Kenntnis der Lage der Epitope auf dem EGFR Molekül könnte wichtige Hinweise zur Aufklärung der Wirkungsmechanismen dieser Antikörper liefern und Ansätze zur weiteren Optimierung dieser Therapeutika aufzeigen. Aus vorangegangenen Experimenten war bekannt, dass Cetuximab und Matuzumab Epitope auf dem EGFR erkennen, die eine intakte Raumstruktur des Rezeptors voraussetzen. Diese Beobachtungen konnten in dieser Arbeit bestätigt werden, ferner konnte die Lage der Epitope auf die EGFR Ektodomäne III/L2 eingegrenzt werden. Da sowohl Cetuximab als auch Matuzumab nicht-lineare, konformationelle Epitope erkennen, wurde eine Variante der Phage Display Methode zur Identifizierung von Peptiden gewählt, die mit den hypervariablen Regionen (CDR) dieser Antikörper interagieren, welche die Bindungsspezifität der Antikörper vermitteln. Ziel dieser Experimente war die Identifizierung von Peptiden, welche die konformationellen Epitope von Cetuximab bzw. Matuzumab in linearer bzw. zyklisch restringierter Form nachbilden. Die Aminosäuresequenzen solcher sogenannter Mimotope könnten zur Identifizierung entsprechender Oberflächenstrukturen am EGFR Molekül herangezogen werden. In der vorliegenden Arbeit wurden aus kommerziell erhältlichen Bibliotheken genetisch modifizierter M13 Bakteriophagen, die randomisierte lineare bzw. zyklische Peptide als N-terminale Fusion am Oberflächenprotein pIII exponieren (M13KE), unter Anwendung der „Delayed Infectivity Panning“ (DIP) Methode Peptide angereichert, die von Cetuximab bzw. Maztuzumab erkannt werden. Zur Anreicherung von M13KE Bakteriophagen mit CDR-spezifischen Fusionspeptiden mittels DIP wurde zunächst ein „single-chain“ Antikörperfragment aus der cDNA von Matuzumab konstruiert und in den bakteriellen Expressionsvektor pIB-Tx kloniert. Mit dem resultierenden Konstrukt pIB-Tx-scFv(E72K) bzw. dem bereits vorhandenen analogen Konstrukt pIB-Tx-scFv(225), welches das „single-chain“ Antikörperfragment von Cetuximab enthält, wurden E. coli HB101 Bakterien transformiert, um die bakterielle Oberflächenexpression dieser Antikörperfragmente zum Einsatz in DIP Experimenten zu erreichen. In alternierenden positiven und negativen Selektionsrunden wurden unter Einsatz dieser scFv-exprimierenden E. coli HB101 Bakterien in Biopanning Experimenten Phagen mit solchen Fusionspeptiden angereichert, die selektiv an die „single-chain“ Antikörperfragmente von Cetuximab bzw. Matuzumab binden. Phagen ELISA Experimente mit M13KE Einzelklonen zeigten, dass aus allen eingesetzten Bibliotheken Phagen mit Fusionspeptiden isoliert werden konnten, die an den jeweiligen parentalen Antikörper des zur Selektion eingesetzten „single-chain“ Antikörperfragmentes binden. Ein Teil der Phagenklone wies eine zumindest partielle Kreuzreaktivität zu dem entsprechenden anderen anti-EGFR Antikörper auf, obwohl sie auf Bindung an diesen nicht selektioniert worden waren. Die Sequenzanalyse der Fusionspeptide lieferte keine gemeinsame Consensus Sequenz, es konnten jedoch kurze, gemeinsame Sequenzmotive identifiziert werden. In MTT-Zytotoxizitätsassays wurden diese Klone als mögliche Kompetitoren der Bindung des gegen EGFR gerichteten Immuntoxins scFv(225)-ETA in MTT-Zytotoxizitätsassays eingesetzt. Ein Teil der selektionierten Fusionspeptide war in der Lage, die Bindung der aus dem „single-chain“ Antikörperfragment von Cetuximab scFv(225) bestehenden Zellbindungsdomäne des Immuntoxins scFv(225)-ETA an EGFR exprimierende Zellen zu kompetieren. Auch für einige Fusionspeptide, die zunächst nur auf Bindung an Matuzumab selektioniert worden waren, wurde dies beobachtet. Peptide, welche die Bindung des Immuntoxins an EGFR kompetieren, weisen in ihren pIII-Fusionspeptiden laut Sequenzanalyse die gemeinsamen Sequenzmotive KTL bzw. YPLG auf. Nach einem Abgleich der Sequenzen der kompetierenden, kreuzreaktiven Peptide mit KTL bzw. YPLG Motiven wurden zwei Peptide ausgewählt und zur Immunisierung von Kaninchen eingesetzt. In MTT-Zytotoxizitätsassays wurde zunächst bestätigt, dass die synthetischen Peptide in der Lage sind, durch Kompetition spezifisch die Bindung des gegen EGFR gerichteten Immuntoxins scFv(225)-ETA und dessen zytotoxische Wirkung auf EGFR exprimierende Zellen zu verhindern. Kaninchenseren und aus diesen affinitätsgereinigte anti-Peptid Antikörper zeigten in ELISA Experimenten konzentrationsabhängige Bindung an die immobilisierten synthetischen Peptide. Die Bindung der anti-EGFR Antikörper Cetuximab und Matuzumab an die synthetischen Peptide konnte ebenfalls bestätigt werden. In einer Reihe von Experimenten wurde untersucht, ob die Immunisierung mit potentiellen Mimotopen der anti-EGFR Antikörper eine endogene humorale Immunantwort gegen den humanen EGFR bewirkt hatte. Die Bindung der affinitätsgereinigten anti-Peptid Antikörper an den Rezeptor auf der Oberfläche EGFR-exprimierender Tumorzellen wurde zunächst in Durchflusszytometrie (FACS) Experimenten analysiert. Für die gereinigten anti-Peptid Antikörper wurde spezifische Bindung an murine Renca-lacZ/EGFR Zellen sowie an humane A431 Vulvakarzinomzellen detektiert, die den humanen EGFR auf der Oberfläche exprimieren. Die Bindung an A431 konnte durch Vorinkubation der Antikörper mit einem Überschuss der entsprechenden synthetischen Peptide vollständig verhindert werden. In einer weiteren Serie von FACS Experimenten konnte gezeigt werden, dass die Bindung der Antikörper Cetuximab und Matuzumab an EGFR durch eine Vorinkubation von Renca-lacZ/EGFR Zellen mit den gereinigten anti-Peptid Antikörpern deutlich reduziert werden konnte. Dies ist ein Beweis für die Fähigkeit der in Immunisierungsexperimenten generierten anti-Peptid Antikörper, die Bindungsstellen von Cetuximab und Matuzumab am EGFR zumindest teilweise zu besetzen. Diese Beobachtungen zeigen, dass durch Immunisierung mit den hier ausgewählten synthetischen Peptiden in Versuchstieren die Bildung von Antikörpern mit ähnlichen Eigenschaften wie Cetuximab bzw. Matuzumab und somit eine endogene Immunantwort gegen den humanen EGFR ausgelöst werden konnte. In Immunfluoreszenz Experimenten wurde die Bindung der anti-Peptid Antikörper an Renca-lacZ/EGFR Zellen erneut überprüft und mittels konfokaler Laser Scanning Mikroskopie (CLSM) visualisiert. In diesen Experimenten wurde für gereinigte anti-Peptid Antikörper (KTL Motiv bzw. YPLG Motiv) Bindung an die Zelloberfläche bzw. membrannahe intrazelluläre Strukturen beobachtet, die der Lokalisierung der Bindungssignale der parallel getesteten anti-EGFR Antikörper Cetuximab, Matuzumab und dem murinen anti-EGFR Antikörper R-1 entsprach. Die Bindung der anti-Peptid Antikörper konnte durch Zugabe eines Überschusses der jeweiligen synthetischen Peptide verhindet werden. In einer weiteren Serie von Immunfluoreszenz Experimenten wurde der humane EGFR auf Renca-lacZ/EGFR Zellen gleichzeitig mit anti-KTL bzw. anti-YPLG Peptid Antikörpern aus Kaninchen sowie dem murinen anti-EGFR Antikörper R-1 detektiert. Durch eine Überlagerung der Signale konnte eindeutig eine Kolokalisation nachgewiesen werden. Dies ist ein Beweis dafür, dass es sich bei der Bindung der anti-Peptid Antikörper an die Oberfläche von Renca-lacZ/EGFR um Bindung an den humanen EGFR handelt. In Lysaten von EGFR exprimierenden Zelllinien konnte mit gereinigten anti-Peptid Antikörpern ein Protein detektiert werden, dessen Größe dem humanen EGFR entspricht. Die durch Stimulation des humanen EGFR mit dem natürlichen Peptidliganden EGF hervorgerufene Autophosphorylierung des Rezeptors in A431 Zellen konnte durch Zugabe von anti-Peptid Antikörpern teilweise inhibiert werden, allerdings nicht in dem gleichen Ausmaß, wie dies für die als Positivkontrollen eingesetzten anti-EGFR Antikörper Cetuximab und Matuzumab beobachtet wurde. In MTT-Zytotoxizitätsassays konnte darüber hinaus eine teilweise Kompetition der Bindung des rekombinanten Toxins TGF!-ETA an EGFR-exprimierende A431 Zellen, und somit eine teilweise Kompetition des natürlichen Peptidliganden TGF! an EGFR durch Vorinkubation mit anti-Peptid Antikörpern nachgewiesen werden. Zur näherungsweisen Quantifizierung der Affinitäten der anti-Peptid Antikörper und der anti-EGFR Antikörper Cetuximab und Matuzumab für die synthetischen Peptide (KTL Motiv und YPLG Motiv) bzw. für die gereinigte extrazelluläre Domäne des humanen EGFR (sEGFR) wurden ELISA Bindungstests durchgeführt. Die aus den Bindungskurven berechneten Affinitätswerte zeigen, dass die anti-Peptid Antikörper an sEGFR im nanomolaren Bereich binden und damit ca. 200-fach niedrigere Affinitäten für den Rezeptor besitzen als die affinitätsoptimierten anti-EGFR Antikörper Cetuximab bzw. Matuzumab. Die Affinitäten der anti- Peptid Antikörper für die synthetischen Peptide liegen ebenfalls im nanomolaren Bereich, während Cetuximab und Matuzumab lediglich mikromolare Affinitäten für die Peptide besitzen. Durch „Epitope Mapping“ in silico vorhergesagte mögliche Oberflächenstrukturen auf EGFR, welche die Peptidmimotope mit KTL bzw. YPLG Motiven nachbilden, sind direkt benachbart zu den mittlerweile publizierten Bindungsstellen von Matuzumab und Cetuximab bzw. EGF in der Ektodomäne III/L2 von EGFR (Li et al., 2005; Schmiedel et al., 2008) und zeigten im Falle des Peptides mit KTL Motiv Übereinstimungen mit Teilen beider Epitope. Möglicherweise ist dieses Peptid in der Lage, alternative Strukturen mit KTL bzw. KTI Motiven an der Oberfläche von EGFR nachzubilden, die Gemeinsamkeiten mit beiden Epitopen von Cetuximab bzw. Matuzumab besitzen und daher von beiden Antikörpern erkannt werden können. Eine endgültige Klärung der Bindung der hier identifizierten Peptide an Cetuximab bzw. Matuzumab bzw. der Bindung der anti-Peptid Antikörper an EGFR könnte in nachfolgenden Untersuchungen mittels Röntgenkristallographie bzw. NMR strukturell aufgeklärt werden – die hierzu nötigen Peptide bzw. Proteine liegen bereits in gereinigter Form vor. Eine Optimierung der hier identifizierten Mimotope zur Steigerung der Affinitäten der induzierten anti-Peptid Antikörper für EGFR könnte zur Entwickung von Vakzinen führen, die eine Alternative zur wiederholten, kostenintensiven passiven Immunisierung von Patienten mit EGFR-exprimierenden Tumoren mit monoklonalen Antikörpern darstellen könnte.
Introduction: Amniotic fluid harbors cells indicative of all three germ layers, and pluripotent fetal amniotic fluid stem cells (AFSs) are considered potentially valuable for applications in cellular therapy and tissue engineering. We investigated whether it is possible to direct the cell fate of AFSs in vivo by transplantation experiments into a particular microenvironment, the mammary fat pad. This microenvironment provides the prerequisites to study stem cell function and the communication between mesenchymal and epithelial cells. On clearance of the endogenous epithelium, the ductal tree can be reconstituted by the transfer of exogenously provided mammary stem cells. Analogously, exogenously provided stem cells from other tissues can be investigated for their potential to contribute to mammary gland regeneration. Methods: We derived pluripotent murine AFSs, measured the expression of stem cell markers, and confirmed their in vitro differentiation potential. AFSs were transplanted into cleared and non cleared fat pads of immunocompromised mice to evaluate their ability to assume particular cell fates under the instructive conditions of the fat-pad microenvironment and the hormonal stimulation during pregnancy. Results: Transplantation of AFSs into cleared fat pads alone or in the presence of exogenous mammary epithelial cells caused their differentiation into stroma and adipocytes and replaced endogenous mesenchymal components surrounding the ducts in co-transplantation experiments. Similarly, transplantation of AFSs into fat pads that had not been previously cleared led to AFS-derived stromal cells surrounding the elongating endogenous ducts. AFSs expressed the marker protein α-SMA, but did not integrate into the myoepithelial cell layer of the ducts in virgin mice. With pregnancy, a small number of AFS-derived cells were present in acinar structures. Conclusions: Our data demonstrate that the microenvironmental cues of the mammary fat pad cause AFSs to participate in mammary gland regeneration by providing mesenchymal components to emerging glandular structures, but do not incorporate or differentiate into ductal epithelial cells.
Für eine erfolgreiche Gentherapie ist zunächst ein effizientes Gentransfersystem nötig, das das Transgen in möglichst vielen Zellen einbaut und es aktiv hält. Damit sich dann der Anteil der geschützten Zellen vergrößert, muss eine Selektivität der genmodifizierten Zellen gegenüber den nativen Zellen gegeben sein, wobei die Sicherheit nicht außer Acht gelassen werden darf, da ein ungünstiger Einbau des Transgens eine Insertionsmutagenese und somit Tumoren induzieren kann. Der durch die Arbeitsgruppe von Laer entwickelte retrovirale Vektor M87o codiert den membranständigen Fusionsinhibitor maC46 (membran-anchored C-Peptid 46), der den Eintritt von HIV (Human Immunodeficiency Virus) in die Zielzelle effektiv verhindert. Diese Gentherapie mit M87o wurde in einer klinischen Studie an T-Lymphozyten von 10 weit fortgeschrittenen AIDS (Acquired Immune Deficiency Syndrome)-Patienten durchgeführt, wobei die Therapie gut verträglich war und keine Toxizität zeigte. Allerdings hatten die Patienten auch keinen klaren Vorteil von der Therapie. In der vorliegenden Arbeit wurden SIN Vektoren (Self-inactivating Vektoren) in 5 verschiedenen Konstruktionen getestet, um die optimale Vektordesign zu ermitteln und eine langfristige hohe Expression zu ermöglichen. Da die SIN Vektoren im Vergleich zu konventionellen gammaretroviralen Vektoren ein geringeres Risiko bezüglich der Insertionsmutagenese aufweisen, stellen sie ein sichereres Vektorsystem dar. Um eine bessere Transgenexpression zu erzielen, wurde in den SIN Vektoren entweder ein zellulärer Promotor oder ein viraler SFFV (spleen focus forming virus) als internen Promotor verwendet. Zusätzliche regulatorische Elemente, wie wPRE (Woodchuck Posttranscriptional Regulatory Element), cHS4 (chicken Hypersensitive Site) Insulator und SAR (Scaffold Attachment Region) Element wurden dann in unterschiedlichen Kombinationen zu stärkeren und langanhaltenden Expressionen integriert, wobei wPRE die RNA Prozessierung verbessert und somit die RNA Stabilität erhöht und SAR und cHS4 Insulator dem Silencing entgegenwirken und so die Expression aufrechterhalten. Diese fünf SIN Konfigurationen wurden untereinander und mit dem klassischen gammaretroviralen Vektor M87o bezüglich des Titers, der Expressionsstärke und der Langzeit-Genexpression verglichen. Dazu wurden zunächst humane T-Zelllinien PM-1 und primäre humane T-Zellen als Testzellen verwendet. Die Versuche wurden dann mit murinen T-Zellen wiederholt, die in die immundefiziten Mäuse transplantiert wurden, um die Genexpression in vivo weiter zu verfolgen. Die SIN Konstrukte zeigten jedoch eine deutlich schwächere Expression als die LTR (Long Terminal Repeat)-getriebene Vektoren und nur ein Konstrukt mit dem viralen Promotor und wPRE zeigte eine annähernd so hohe Expression wie die konventionellen Vektoren. Während der virale SFFV Promotor eine höhere Expressionsstärke gegenüber dem zellulären EF1α (Elongationsfaktor 1 alpha) Promotor zeigte, hatte der cHS4 Insulator nur geringfügige Einflüsse sowohl auf den Titer als auch auf die Expressionsstärke. Der Vektor mit dem SAR-Element zeigte zwar die geringsten Titer und Expressionsstärke, aber in Langzeitbeobachtung wies er sowohl in vitro als auch in vivo eine relativ konstante Anzahl von transgenpositiven Zellen auf. SIN Vektoren, in denen mit einer Kombination von wPRE und SAR-Element die RNA Prozessierung verbessert und das methylationsbedingte Silencing verhindert wird, könnten eine weitere Optimierungsmöglichkeit des Gentransfersystems bei der Gentherapie darstellen.
Die maligne Transformation von Zellen beruht auf der Mutation von Genen, die entartete Zellen der regulierenden Wachstumskontrolle entziehen, ihre Versorgung sicher stellen und sie unempfindlich gegen apoptoseinduzierende Signale machen (Hanahan und Weinberg, 2000). Klassische Behandlungsmethoden wie Strahlen- und Chemotherapie wirken häufig über die Aktivierung apoptotischer Signalwege, die jedoch in behandlungsresistenten Tumorzellen blockiert sein können. Das selektive Einbringen proapoptotischer Proteine in Tumorzellen stellt daher eine vielversprechende Strategie zur Umgehung solcher Blockaden dar. In dieser Arbeit wurden tumorspezifische Antikörperfusionsproteine generiert, die humane Zelltod auslösende Proteine als Effektorfunktion enthalten. Das mitochondriale Protein „apoptosis inducing factor“ (AIF) wird durch diverse Apoptosesignale in das Zytoplasma freigesetzt. AIF leitet nach der Translokation in den Zellkern Chromatinkondensation und Degradation der nukleären DNA ein (Cande et al., 2004b). Zur selektiven Einschleusung von zytoplasmatischem AIF (AIF!100) in ErbB2 exprimierende Tumorzellen wurde es an das ErbB2-spezifische „single chain“ Antikörperfragment scFv(FRP5) fusioniert, welches von dem monoklonalen Antikörper FRP5 abgeleitet ist (Wels et al., 1992b). Daneben enthält ein zunächst generiertes AIF!100-DT183-378-5 Fusionsprotein eine Translokationsdomäne aus Diphtherietoxin (AA 183-378) als mögliche „endosome escape“ Aktivität. Diese Domäne sollte der Effektordomäne nach rezeptorvermittelter Aufnahme den Übergang in das Zytoplasma erlauben. Die Expression dieses Moleküls in E. coli und der Hefe Pichia pastoris führte jedoch nicht zu funktionellen AIF!100-DT183-378-5 Proteinen. Daher wurde für nachfolgende Arbeiten ein ähnliches AIF-Fusionsprotein (5-E-AIF!100) aus früheren Arbeiten unserer Gruppe eingesetzt und sein Wirkmechanismus eingehend untersucht. Im Gegensatz zu AIF!100-DT183-378-5 enthält 5-E-AIF!100 die Translokationsdomäne aus Pseudomonas Exotoxin A. Bakteriell exprimiertes, gereinigtes und renaturiertes 5-E-AIF!100 zeigte eine hohe Spezifität für ErbB2 exprimierende Tumorzellen. Im Gegensatz zu unfusioniertem AIF!100 induzierte 5-E-AIF!100 nach Mikroinjektion in das Zytoplasma der Zielzellen keine Apoptose. Dies deutet darauf hin, dass möglicherweise die N-terminale Antikörperdomäne die proapoptotische Aktivität der AIF-Domäne blockiert. Erst die rezeptorvermittelte Aufnahme von 5-E-AIF!100 in Anwesenheit von Chloroquin resultierte in einer hohen Zytotoxizität. Auf diesem Weg wird sehr wahrscheinlich durch proteolytische Spaltung der innerhalb der Translokationsdomäne vorhandenen Furin-Schnittstelle der N-terminale Bereich des Fusionsproteins entfernt. Die eigentliche Translokation der AIF-Domäne findet jedoch ohne die Zugabe endosomolytischer Reagenzien nicht statt, was für eine unzureichende Aktivität der Translokationsdomäne spricht. Die vollständige Entfernung der Translokationsdomäne führte dennoch zu einem AIF-Fusionsprotein, das weder in Abwesenheit noch in Gegenwart von Chloroquin zytotoxisch aktiv ist (Dälken, 2005). Somit ist die in der Translokationsdomäne enthaltene Furin- Schnittstelle sehr wahrscheinlich für die Aktivierung von 5-E-AIF!100 von entscheidender Bedeutung. Im Fall des natürlichen Exotoxin A ist zusätzlich zu der in 5-E-AIF!100 verwendeten Translokationsdomäne ein C-terminales ER-Retentionssignal für einen effizienten Übertritt der katalytisch aktiven Toxindomäne ins Zytoplasma notwendig (Jackson et al., 1999). Das Anfügen eines KDEL-Signals an den C-Terminus von 5-E-AIF!100 führte jedoch nicht zur Erhöhung der „endosome escape“ Aktivität der Translokationsdomäne. Die ladungsabhängige DNA-Bindungsaktivität von AIF ist für die proapoptotische Funktion des Proteins essentiell. Bindung an DNA wurde auch für 5-E-AIF!100 nachgewiesen, und konnte durch Vorinkubation mit negativ geladenem Heparin inhibiert werden. Die Komplexierung mit Heparin führte zu einer erheblichen Reduktion der zytotoxischen Aktivität von 5-E-AIF!100. Mit großer Wahrscheinlichkeit ist die Abschwächung der Zytotoxizität auf die intrazelluläre Inhibition der AIF/DNA-Interaktion zurückzuführen. Dies bestätigt, dass diese Wechselwirkung für die zelltodinduzierende Eigenschaft von 5-E-AIF!100 von Bedeutung ist. Die Freisetzung Immuntoxin-ähnlicher Proteine, die sich nach rezeptorvermittelter Aufnahme in endosomalen Kompartimenten finden, erfordert häufig die Zugabe endosomolytischer Reagenzien. Um eine von endosomolytischen Reagenzien unabhängige Zytotoxizität der Antikörperfusionsproteine zu erreichen, wurden in dieser Arbeit Möglichkeiten zur Umgehung dieser Abhängigkeit untersucht. Hierzu wurde die Natürliche Killerzelllinie NK-92 eingesetzt. Die Eliminierung von infizierten und transformierten Zellen durch NK-Zellen geschieht hauptsächlich über die Ausschüttung von zytotoxischen Granula, die das porenbildende Protein Perforin und verschiedene Serinproteasen wie Granzym B (GrB) enthalten (Atkinson et al., 1990; Smyth et al., 2001). Dabei ist Perforin für die zytosolische Translokation der Proteasen verantwortlich (Browne et al., 1999). Anhand des Modellproteins Granzym B-scFv(FRP5) (GrB-5) wurde untersucht, ob Antikörperfusionsproteine mit Hilfe von Perforin in das Zytoplasma der Zielzellen gelangen können. GrB-5 wurde in NK-92 Zellen unter Beibehaltung der Spezifität und enzymatischen Aktivität exprimiert. GrB-5 ist wie Wildtyp GrB in zytotoxischen Granula lokalisiert und wird nach der Degranulation sehr wahrscheinlich zusammen mit Perforin sekretiert. Freigesetztes GrB-5 zeigte Bindung an ErbB2 exprimierende Zellen. Zudem wiesen Überstände von aktivierten NK-92 Zellen, die GrB-5 und Perforin enthielten, im Vergleich zu Überständen von Kontrollzellen eine höhere Zytotoxizität gegenüber ErbB2-positiven Tumorzellen auf. Dies lässt darauf schließen, dass GrB-5 in Abwesenheit exogener endosomolytischer Reagenzien durch einen Perforin-vermittelten Mechanismus in die Zielzellen gelangen konnte. Weiterhin wurden NK-92 Zellen generiert, die den GrB-Inhibitor Protease Inhibitor-9 (PI-9) exprimieren. Diese Zellen zeigten im Vergleich zu parentalen Zellen eine höhere Zytotoxizität, die sich auf eine verbesserte Inaktivierung fehlgeleiteter, zytoplasmatischer GrB-Moleküle durch das ektopisch exprimierte PI-9 zurückführen lässt. NK-92-PI-9 Zellen könnten genutzt werden, um größere Mengen von GrB-Fusionsproteinen zu exprimieren, ohne dabei die Zellen durch die Erhöhung der zytoplasmatischen GrB-Konzentration zu gefährden. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass AIF für den Einsatz als Effektorfunktion in Immuntoxin-ähnlichen Fusionsproteinen geeignet ist. Die Anwendung von NK-Zellen zur Expression und Sekretion tumorspezifischer Antikörperfusionsproteinen zusammen mit Perforin zeigt einen möglichen Lösungsweg für das generelle Aufnahmeproblem von Immuntoxin-ähnlichen Proteinen. Die erzielten Ergebnisse können nun für die weitere Optimierung humanisierter Antikörperfusionsproteine genutzt werden.
Wichtiger Teilerfolg in der Gentherapie : Interview mit Dr. Marion Gabriele Ott und Dr. Manuel Grez
(2006)
Die Septische Granulomatose (CGD) ist eine seltene Erkrankung, die auf einem genetischen Defekt bestimmter weißer Blutzellen beruht, die darauf spezialisiert sind, in den Körper eingedrungene Pilze und Bakterien aufzuspüren und zu vernichten. Frankfurter Ärzten und Wissenschaftlern um Prof. Dr. Dieter Hoelzer vom Klinikum der Johann Wolfgang Goethe-Universität und Dr. Manuel Grez vom Chemotherapeutischen Forschungsinstitut Georg-Speyer-Haus gelang es, eine intakte Kopie des defekten Gens in Blutstammzellen von zwei erwachsenen CGD-Patienten einzuschleusen und so die Funktion der Fresszellen teilweise wieder herzustellen. Eine vollständige Heilung gelang jedoch nicht – ein Patient verstarb zwei Jahre nach der zunächst erfolgreichen Behandlung an seiner Grunderkrankung. Im Gespräch mit Dr. Anne Hardy berichten Dr. Marion Gabriele Ott (Arbeitsgruppe Hoelzer) und Dr. Manuel Grez (Georg-Speyer-Haus) über die Höhen und Tiefen ihrer gentherapeutischen Forschung.
Analysis of knockout/knockin mice that express a mutant FasL lacking the intracellular domain
(2009)
Fas ligand (FasL; CD178; CD95L) is a type II transmembrane protein belonging to the tumour necrosis factor family; its binding to the Fas receptor (CD95; APO-1) triggers apoptosis in the receptor-bearing cell. Signalling through this pathway plays a pivotal role during the immune response and in immune system homeostasis. Similar to other TNF family members, the intracellular domain has been reported to transmit signals to the inside of the FasL-bearing cell (reverse signalling). Recently, we identified the proteases ADAM10 and SPPL2a as molecules important for the processing of FasL. Protease cleavage releases the intracellular domain, which then is able to translocate to the nucleus and to repress reporter gene activity. To study the physiological importance of FasL reverse signalling in vivo, we established knockout/knockin mice with a FasL deletion mutant that lacks the intracellular portion (FasLDeltaIntra). Co-culture experiments confirmed that the truncated FasL protein is still capable of inducing apoptosis in Fas-sensitive cells. Preliminary immune histochemistry data suggest that, in contrast to published data, the absence of the intracellular FasL domain does not alter the intracellular FasL localization in activated T cells. We are currently investigating signalling and proliferative capacities of T cells derived from homozygous FasLDeltaIntra mice to validate a co-stimulatory role of FasL reverse signalling.
Introduction The prolactin-Janus-kinase-2-signal transducer and activator of transcription-5 (JAK2-STAT5) pathway is essential for the development and functional differentiation of the mammary gland. The pathway also has important roles in mammary tumourigenesis. Prolactin regulated target genes are not yet well defined in tumour cells, and we undertook, to the best of our knowledge, the first large genetic screen of breast cancer cells treated with or without exogenous prolactin. We hypothesise that the identification of these genes should yield insights into the mechanisms by which prolactin participates in cancer formation or progression, and possibly how it regulates normal mammary gland development. Methods We used subtractive hybridisation to identify a number of prolactin-regulated genes in the human mammary carcinoma cell line SKBR3. Northern blotting analysis and luciferase assays identified the gene encoding heat shock protein 90-alpha (HSP90A) as a prolactin-JAK2-STAT5 target gene, whose function was characterised using apoptosis assays. Results We identified a number of new prolactin-regulated genes in breast cancer cells. Focusing on HSP90A, we determined that prolactin increased HSP90A mRNA in cancerous human breast SKBR3 cells and that STAT5B preferentially activated the HSP90A promoter in reporter gene assays. Both prolactin and its downstream protein effector, HSP90α, promote survival, as shown by apoptosis assays and by the addition of the HSP90 inhibitor, 17-allylamino-17-demethoxygeldanamycin (17-AAG), in both untransformed HC11 mammary epithelial cells and SKBR3 breast cancer cells. The constitutive expression of HSP90A, however, sensitised differentiated HC11 cells to starvation-induced wild-type p53-independent apoptosis. Interestingly, in SKBR3 breast cancer cells, HSP90α promoted survival in the presence of serum but appeared to have little effect during starvation. Conclusions In addition to identifying new prolactin-regulated genes in breast cancer cells, we found that prolactin-JAK2-STAT5 induces expression of the HSP90A gene, which encodes the master chaperone of cancer. This identifies one mechanism by which prolactin contributes to breast cancer. Increased expression of HSP90A in breast cancer is correlated with increased cell survival and poor prognosis and HSP90α inhibitors are being tested in clinical trials as a breast cancer treatment. Our results also indicate that HSP90α promotes survival depending on the cellular conditions and state of cellular transformation.
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.
Funktionelle Charakterisierung von Peptidliganden für das komplexe HIV-1-RNA-Verpackungssignal PSI
(2008)
Im Laufe der vergangenen Jahre hat die Identifizierung von Peptidleitstrukturen in der Wirkstoffentwicklung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die Phage Display Technologie ist eine Methode, welche zur Selektion von inhibitorischen Peptiden weit verbreitet ist. Prinzipiell eignet sich dieser Ansatz auch für die Suche nach neuen Leitstrukturen für die Therapie der HIV-Infektion, welche in hochspezifische und -regulierte Schritte im HIV-Replikationszyklus eingreifen sollen. Bei der Verpackung viraler RNA in neu entstehende Virionen handelt es sich um einen Prozess, welcher auf der gezielten Erkennung der dreidimensionalen Struktur der PSI-Region am 5'-Ende ungespleißter, viraler RNA durch die NCp7-Domäne des Gagp55-Vorläuferproteins basiert. Darüber hinaus partizipiert das NCp7-Protein noch an der Reversen Transkription der HIV-RNA sowie an der Integration proviraler DNA und spielt somit eine zentrale Rolle im HIV-1 Replikationszyklus. In vorangegangenen Arbeiten konnten wir mittels der Phage Display Technologie Peptidliganden für die HIV-1 PSI-RNA selektieren, welche die PSI-RNA-NCp7-Interaktion hemmten und in Folge dessen die Verpackung viraler RNA verhindern sollten. Die Bindung der identifizierten tryptophanreichen Peptide an die PSI-RNA konnte zwar zum Teil in vitro mit NCp7 kompetitiert werden, jedoch wiesen die Peptide eine relativ geringe Affinität für die PSI-RNA auf. Im Vordergrund der vorliegenden Arbeit stand nach Optimierung der Affinität eine umfassende funktionelle Charakterisierung der Peptide hinsichtlich ihrer antiviralen Aktivität in vitro. Zunächst gelang es mittels Spot-Synthese-Membranen die Affinität der PSI-RNA-bindenden Peptide um etwa das 30-fache zu verbessern. Der KD-Wert des optimierten HKWPWW-Peptids lag bei 1,1 µM für ein Teilelement der PSI-RNA, das allein über Verpackungsaktivitäten verfügt. Die folgende Analyse der Bindungseigenschaften des HKWPWW-Peptids an die PSI-RNA über NMR und Fluoreszenz-Spektroskopie offenbarte, dass das Peptid über die hydrophoben Aminosäuren an eine charakteristische Schleifenregion in der Sekundärstruktur der PSI-RNA bindet, ähnlich wie der natürliche Ligand NCp7. Gestützt auf diese Ergebnisse, wurde im Hauptteil des Projekts untersucht, ob das HKWPWW-Peptid in der Lage ist, die Verpackung viraler RNA in HI-Virionen zu hemmen. Hierfür erfolgte die Etablierung diverser Testsysteme, welche die intrazelluläre Expression des Peptids ermöglichten. Die Expression von HKWPWW in Fusion mit RFP in Pseudoviren-produzierenden Zellen über transiente Transfektion führte in der höchsten getesteten DNA-Konzentration (2,5 µg) zu einer 95%igen Reduktion des infektiösen Titers. Dieser inhibitorische Effekt war spezifisch für lentivirale Pseudoviren, da die Produktion gammaretroviraler Pseudoviren nicht durch die Anwesenheit des Peptids beeinflusst wurde. Mittels einer stabilen HKWPWW-exprimierenden T-Zelllinie gelang es nachzuweisen, dass das Peptid sogar in der Lage ist, replikationskompetentes HIV über einen Zeitraum von fünf Tagen zu hemmen. Die Synthese des HKWPWW-Peptids in Fusion mit einer Proteintransduktionsdomäne ermöglichte die direkte Behandlung von HIV-infizierten Zellen und führte zu einer verminderten Freisetzung infektiöser HI-Viren in die Zellkulturüberstände. Dabei lagen die IC50- und IC90-Werte des HKWPWW-Peptids nach zweimaliger Peptidzugabe bei 5, 7 bzw. 28,6 µM. Eine in der Literatur oftmals beschriebene Beobachtung ist, dass bei einer reinen Hemmung der HIV-Verpackung Viren entstehen, welche keine virale RNA enthalten. Das Phänomen war in Anwesenheit des HKWPWW-Peptids wenig ausgeprägt wie Korrelationen von p24-Antigen-ELISA und die Quantifizierung viraler RNA in Viruspartikeln zeigten. Diese Gegebenheit sowie das Wissen über die mannigfaltigen Funktionen des NCp7-Proteins im HIV-Replikationszyklus ließen vermuten, dass HKWPWW noch zusätzlich andere Schritte im HIV-Replikationszyklus hemmen könnte. Unterstützt wurde diese Annahme dadurch, dass HKWPWW Ähnlichkeiten zu der hydrophoben Plattform von NCp7 aufweist, welche essentiell für die Verpackung viraler RNA sowie die Reverse Transkription ist. Damit in Einklang steht, das neben einer Bindung an die PSI-RNA auch eine schwächere Interaktion des HKWPWW-Peptids mit den viralen TAR- und PBS-Strukturen nachgewiesen werden konnte. Die auch beobachtete Hemmung der frühen HIV-Replikationsschritte durch HKWPWW könnte somit mit einer möglichen Hemmung der Transkription viraler Gene, der Reversen Transkription oder Integration erklärt werden. Jedoch zeigte die elektronenmikroskopische Analyse, dass nicht nur weniger Viren in Anwesenheit des HKWPWW-Peptids entstehen, sondern dass diese zum Teil einen weniger kondensierten Kern aufweisen. Dies kann als ein Anhaltspunkt angesehen werden, dass HKWPWW tatsächlich auch auf der Ebene der RNA-Verpackung bzw. der viralen Partikelentstehung einen hemmenden Effekt ausübt. Somit resultiert die beobachtete antivirale Aktivität des HKWPWW-Peptids vermutlich aus kombinierten inhibitorischen Effekten auf mehreren Ebenen der HIV-Replikation.
Tumorerkrankungen, insbesondere solche im metastasierenden Stadium, erfordern effiziente Therapien. Krebstherapien wie Bestrahlung oder Chemotherapie wirken über die Induktion von Apoptose. Resistenz gegen diese Behandlungsansätze geht einher mit der Blockierung relevanter apoptotischer Signalwege. Dennoch haben Tumorzellen nicht grundsätzlich die Fähigkeit verloren, apoptotischen Zelltod zu sterben, d. h. mit einem geeigneten Stimulus kann in jeder Tumorzelle Apoptose induziert werden. In dieser Arbeit wurden Proteine entwickelt, die Enzyme apoptotischer Signalkaskaden selektiv in Tumorzellen einschleusen. Um Spezifität für transformierte Zellen zu erlangen, wurden diese Proteine mit Zellbindungsdomänen gekoppelt, die an tumorassoziierte Antigene binden. Als Zielstrukturen auf der Oberfläche von Krebszellen dienten die Rezeptoren der ErbB Familie „epidermal growth factor receptor“ (EGFR) und ErbB2. Überexpression dieser Rezeptoren wird auf einer Vielzahl von Tumoren epithelialen Ursprungs beobachtet und ist ursächlich beteiligt an der malignen Transformation. Als Apoptoseinduktoren wurden die Serinprotease Granzym B (GrB) sowie das Protein „apoptosis inducing factor“ (AIF) eingesetzt. GrB induziert Apoptose durch direkte Aktivierung von Caspasen und Spaltung zentraler Caspasen-Substrate. Damit greift die Protease am unteren Effektorende apoptotischer Signalwege ein und umgeht so die meisten Resistenzmechanismen transformierter Zellen. Um GrB in Tumorzellen einzuschleusen, wurde die Protease mit dem ErbB2 spezifischen Antikörperfragment scFv(FRP5) gekoppelt. Zunächst wurde eine biotinylierte Variante der Protease (bGrB) über die hochaffine Streptavidin/ Biotin Interaktion mit einem Fusionsprotein komplexiert, das aus dem scFv(FRP5) und Streptavidin besteht (SA-5). Komplexe aus enzymatisch aktivem bGrB und SA-5 wiesen selektive cytotoxische Aktivität gegenüber ErbB2 exprimierenden Zellen auf, die allerdings von der Präsenz des endosomolytischen Reagenz Chloroquin abhing. Dies zeigt die Notwendigkeit einer Translokation vom endosomalen Kompartiment, um internalisiertem GrB Zugang zu seinen cytosolischen Substraten zu ermöglichen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen, die grundsätzlich nachweisen, daß das Einbringen von GrB in Tumorzellen ausreichend ist, um in diesen Zellen Apoptose zu induzieren, wurden Fusionsproteine abgeleitet, in denen GrB direkt mit Zellbindungsdomänen fusioniert ist. Neben dem scFv(FRP5) wurde auch der EGFR-Ligand TGFalpha eingesetzt. Fusionsproteine bestehend aus reifem GrB und scFv(FRP5) (GrB-5) bzw. TGFalpha (GrB-T) wurden in der Hefe Pichia pastoris exprimiert und mit hohen Ausbeuten gereinigt. GrB-5 und GrB-T zeigten enzymatische Aktivität und wiesen Affinität zu ErbB2 bzw. EGFR auf. In Gegenwart von Chloroquin zeigten GrB-5 und GrB-T selektive cytotoxische Aktivität gegenüber Zellen, die den jeweiligen Zielrezeptor exprimieren. Die IC50 Werte der Proteine lagen im pico- bis nanomolaren Bereich und sind damit vergleichbar mit denen rekombinanter Immun- bzw. Wachstumsfaktortoxine, die Exotoxin A (ETA) aus Pseudomonas aeruginosa als Effektor nutzen. Induktion von Apoptose erfolgte durch GrB-5 und GrB-T allerdings deutlich schneller (3 h) als durch ETA Fusionsproteine (72 h), da GrB im Gegensatz zu ETA direkt in apoptotische Signalkaskaden eingreift. Um die weitere Charakterisierung von GrB-5 und GrB-T zu erleichtern, wurden in der vorliegenden Arbeit Möglichkeiten für eine Optimierung der Expression dieser Fusionsproteine in Hefe untersucht. Dazu wurde eine Strategie entwickelt, die auf der Beobachtung beruht, daß die Löslichkeit und Stabilität von Proteinen durch Fusion mit solchen Domänen erhöht werden kann, die selbst eine hohe Löslichkeit und Stabilität besitzen. Ein Protein mit diesen Eigenschaften ist das Maltose Bindungsprotein (MBP) aus E. coli. In dieser Arbeit wurde MBP bei der Expression rekombinanter Proteine in P. pastoris eingesetzt, um die Ausbeute löslicher Proteine zu steigern. Es wurde eine Strategie entwickelt, die es erlaubt, MBP posttranslational in vivo vom Fusionspartner zu trennen. Hierzu wurde eine Erkennungssequenz der Protease Furin (furS) zwischen MBP und Fusionspartner eingefügt. Zunächst wurde untersucht, ob GrB als MBP Fusionsprotein in enzymatisch aktiver Form exprimiert werden kann, was eine Grundvoraussetzung für die Expression tumorspezifischer GrB Fusionsproteine in diesem System darstellt. Die Ausbeute von GrB konnte durch diese Strategie erheblich gesteigert werden. Daneben war eine vollständige Prozessierung der Fusionsproteine innerhalb der Furin-Erkennungssequenz nachweisbar. Als MBP Fusionsprotein exprimiertes GrB wies allerdings keine enzymatische Aktivität auf. Weitere Untersuchungen zeigten, daß das terminale Serin der furS-Sequenz, das nach Spaltung durch Furin am N-Terminus von GrB zurückbleibt, die enzymatische Aktivität der Serinprotease inhibiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher nicht weiter versucht, die Ausbeute an tumorspezifischen GrB Fusionsproteinen durch Fusion mit löslichen Proteindomänen zu erhöhen. Für Proteine, die ein N-terminales Serin tolerieren, stellt das hier entwickelte System allerdings eine neuartige Strategie dar, um die Ausbeute in P. pastoris um ein Vielfaches zu steigern. Dies wurde anhand von rekombinantem ErbB2 als Modellprotein bestätigt. Als alternativer Effektor in tumorspezifischen Fusionsproteinen wurde AIF als caspasenunabhängig agierendes proapoptotisches Signalmolekül eingesetzt. In apoptotischen Zellen bewirkt die Freisetzung von AIF aus dem mitochondrialen Intermembranraum die nachfolgende Translokation des Proteins in den Zellkern, woraufhin DNA-Fragmentierung induziert wird. Zum Einschleusen von AIF in Tumorzellen wurde das Flavoprotein mit dem scFv(FRP5) fusioniert (5-AIF). Um eine cytosolische Translokation von AIF zu erreichen, wurde ein Konstrukt abgeleitet, das zusätzlich die Translokationsdomäne von Exotoxin A enthält (5-E-AIF). Diese Domäne ist beim Wildtyp-Toxin notwendig für dessen retrograden Transport vom Endosom über den Golgi Apparat und das ER in das Cytosol. Innerhalb der Translokationsdomäne findet zudem eine Prozessierung durch die endosomale Protease Furin statt. AIF Fusionsproteine wurden in E. coli exprimiert, gereinigt und renaturiert. Die Proteine wiesen Affinität für ErbB2 auf und interagierten mit DNA, eine Eigenschaft, die essentiell für die proapoptotische Aktivität von AIF ist. 5-E-AIF zeigte gegenüber ErbB2 exprimierenden Zellen cytotoxische Aktivität, die vergleichbar mit der des Immuntoxins scFv(FRP5)-ETA war. Diese Aktivität war allerdings nur in Gegenwart von Chloroquin gegeben. Das Protein 5-AIF, in dem die Translokationsdomäne fehlt, zeigte auch in Kombination mit Chloroquin keine Cytotoxizität. Eine mögliche Folgerung hieraus ist, daß die N-terminale Antikörperdomäne der Fusionsproteine die proapoptotische Aktivität der AIF Domäne blockiert. 5-E-A wird sehr wahrscheinlich durch die endosomale Protease Furin „aktiviert“, die den scFv(FRP5) durch proteolytische Spaltung innerhalb der ETA-Domäne entfernt haben könnte. Für die eigentliche Translokation reicht der ETA-Anteil allerdings nicht aus, wahrscheinlich, weil in dem hier abgeleiteten Konstrukt ein für die Funktionsweise des Wildtyp-Toxins essentielles ER Retentionssignal fehlte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, daß durch Einsatz apoptotischer Signalmoleküle in tumorzellspezifischen Fusionsproteinen hohe und selektive cytotoxische Aktivitäten erzielt werden können. Eine weitere Entwicklung dieser Proteine als mögliche Tumortherapeutika erscheint daher sinnvoll.
Präklinische Untersuchungen zur Gentherapie der HIV-Infektion mit dem retroviralen Vektor M87o
(2007)
Mit der Einführung der hochaktiven antiretroviralen Therapie (HAART) 1995 wandelte sich die HIV-Infektion in den Industrieländern von einer akut lebensbedrohlichen zu einer chronisch verlaufenden und scheinbar gut kontrollierten Erkrankung. Das Virus wird allerdings nie vollständig aus dem Körper eliminiert, sodass die Betroffenen zeitlebens Medikamente einnehmen müssen. Die Langzeit-Medikation wird häufig von schweren Nebenwirkungen begleitet, führt zur Selektion resistenter Viren und muss häufig umgestellt werden. Gentherapeutische Verfahren, die die CD4+ Zielzellen durch die Expression antiviraler Gene vor der Infektion durch HIV schützen („intrazelluläre Immunisierung“), stellen viel versprechende Therapiealternativen dar. Der in der Arbeitsgruppe von Laer entwickelte retrovirale Vektor M87o (EGELHOFER et al. 2004, EGELHOFER 2004) exprimiert das 46 Aminosäuren lange membran-verankerte Peptid C46, das in der Lage ist, die gp41-vermittelte Fusion von Virus- und Zellmembran zu inhibieren. In Zelllinien und primären Lymphozyten konnte gezeigt werden, dass M87o die Infektion durch unterschiedliche HIV-Isolate sehr effektiv verhindert. Im Rahmen vorklinischer Untersuchungen konnte in vitro gezeigt werden, dass die retrovirale Transduktion mit M87o das Transformationsrisiko und damit das Risiko der Entstehung von Neoplasien nicht steigert. An primären peripheren T-Zellen konnte zeigt werden, dass M87o die Zielzellen weder phänotypische noch funktionelle verändert. Für die Untersuchung der retroviralen Gentherapie im Rhesusaffenmodell wurde zunächst ein Gentransferprotokoll für periphere Affenlymphozyten entwickelt, mit dem in Vorversuchen Gentransferraten von ca. 50% erreicht werden konnten. Das Transduktionsprotokoll wurde anschließend im Rahmen einer präklinischen Studie zur Toxizität und Immunogenität der M87o-Gentherapie, bei der Herstellung zweier Studientransplantate angewandt. Beide Zellpräparate wurden den Versuchstieren transplantiert. Während des Eingriffs traten keine akuttoxischen Reaktionen auf. M87o+-Zellen konnten bis 140 Tage nach der Transplantation mittels PCR nachgewiesen werden. Immunologische Untersuchungen (Cytokinfärbung, Proliferationsassay, ELISPOT) ergaben keine Hinweise auf zelluläre oder humorale Immunreaktionen. M87o-spezifische Antikörper waren im Serum nicht nachweisbar. Für die Durchführung einer klinischen Studie zur Toxizität und Wirksamkeit (Phase I/II) an HIV-infizierten Probanden wurde ein Protokoll zur Produktion M87o-modifizierter T-Zellen (mindestens 5 × 108 M87o+ CD4-T-Zellen pro Spender) entwickelt. In die klinische Prüfung wurden Patienten aufgenommen, die nach multiplem Therapieversagen durch das Auftreten multiresistenter HIV eine CD4-Zellzahl von 50 bis 200 µl-1 Blut, sowie eine Viruslast von >5.000 Kopien ml-1 Blut aufwiesen. Im Versuchsmaßstab konnte ein Transduktionsprotokoll erarbeitet werden, mit dem im Mittel 46% der CD4+ T-Zellen mit M87o transduziert werden konnten. Innerhalb von 10 Tagen expandierte die Zellzahl im Mittel um den Faktor 153, wobei die HIV-Replikation vollständig inhibiert wurde. Das Protokoll wurde erfolgreich vom Versuchsmaßstab in den klinisch relevanten Produktionsmaßstab übersetzt. In drei Versuchsläufen wurde im Mittel eine Transduktionsrate von 29% erreicht und die Zellzahl um den Faktor 44 vermehrt. Der Anteil an CD3+/CD4+ Zellen an der Gesamtpopulation lag im Mittel bei 91%. Insgesamt konnten mit dem etablierten Protokoll durchschnittlich 2,3 × 109 CD3+/CD4+/M87o+ Zellen, bei gleichzeitig vollständiger Inhibition der HIV-Replikation, generiert werden. Im Rahmen einer klinischen Studie zur Toxizität und Wirksamkeit der M87o-Gentherapie wurden 10 Studientransplantate gemäß dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Protokoll hergestellt. Alle Transplantate wurden am Universitäts-Krankenhaus Eppendorf in Hamburg transfundiert und von den Patienten sehr gut vertragen.
Safety concerns associated with the use of viral vectors in gene therapy applications have attracted considerable attention towards the development of nonviral vectors as alternatives for DNA delivery. While nonviral vectors are commonly not associated with safety problems, they are still very inefficient compared to viral vectors, and require significant improvements to approach the efficiency of their viral counterparts. Meanwhile ligands or single-chain antibody fragments that bind to cell surface receptors for increased and/or specific cellular uptake, endosome escape activities, and nuclear localization sequences (NLSs) to enhance transport of plasmid DNA into the nucleus, have become available that can be incorporated into nonviral vectors to improve their efficacy. However, as gene delivery is a multistep process, the challenge is to incorporate multiple of these functional elements into a single nonviral vector system, while retaining their specific activities. A promising method to attach such entities to plasmid DNA is the use of multifunctional fusion proteins that bind to DNA through a DNA-binding domain. In principle, two types of DNA-binding domains/proteins can be used to anchor additional functional domains or peptides to a plasmid, namely sequence-specific DNA-binding domains, described in the first part of this thesis, or those that bind DNA independent of its sequence, exemplified in the second part of this work by a derivative of the human HMGB2 protein. The first fusion protein constructed and analyzed contained the E. coli LexA repressor as a sequence-specific DNA-binding domain. In addition, this DNA-carrier protein, termed TEL, included a bacterial translocation domain as an integrated endosome escape activity, and human TGF-a for specific targeting to the EGF-receptor (EGFR). TEL was expressed in E. coli and purified under both native and denaturing conditions. Purified, denatured TEL was refolded and subsequently shown to bind specifically to EGFR-expressing cells. However, inclusion of TEL in complexes of plasmid DNA and poly-L-lysine (pL) did not lead to increased gene delivery into EGFR-expressing COS-1 cells. Most likely this was due to the absence of DNA-binding activity of the LexA moiety in TEL. In contrast, native TEL was able to interact specifically with DNA. Nevertheless, since this interaction was rather weak, and refolding of denatured TEL had not resulted in functional activity of all of its protein domains, it seemed unlikely that fusion proteins containing LexA would exhibit gene transfer capabilities superior to those of similar DNA-carrier proteins previously constructed in our group. Further work therefore focused on the use of the E2C-Sp1C protein as an alternative sequencespecific DNA-binding domain. This artificial zinc-finger protein was fused to the single-chain antibody fragment scFv(FRP5), directed against the human ErbB2 growth factor receptor. The resulting 5-E2C fusion protein was expressed in E. coli and purified under native and denaturing conditions. Refolded and native 5-E2C were found to bind specifically to ErbB2-expressing cells, indicating that scFv(FRP5) in 5-E2C was functional in both preparations. In contrast, whereas refolded 5-E2C bound DNA only weakly, significant DNA binding was observed for native 5-E2C. In addition, it could not only be shown that the interaction of native 5-E2C with DNA containing its recognition sequence was specific, but also that this protein was able to bind DNA and recombinant ErbB2 simultaneously, demonstrating the functionality of both domains in native 5-E2C. Despite these encouraging results, the inclusion of native 5-E2C in pL- or polyethyleneimine (PEI)-DNA complexes did not lead to an (5-E2C-specific) enhancement of gene transfer efficiency, irrespective of the presence of the endosome-disruptive reagent chloroquine during transfection. In the second part of this thesis an alternative approach for the development of DNA-carrier proteins for nonviral gene delivery is described, based on human HMGB2, a DNA-binding protein without sequence specificity. HMGB2 contains an acidic C-terminus that has been found to decrease the affinity of the protein for DNA. Therefore, this C-terminal tail was deleted, resulting in an HMGB2-variant consisting of amino acids 1-186. HMGB2186, purified under native conditions from E. coli lysates, was able to interact with DNA and bound to the surface of different cell lines. Importantly, after binding to plasmid DNA HMGB2186 mediated gene delivery into COS-7 cells with higher efficiency than pL. In addition, HMGB2186-mediated gene transfer was strongly enhanced in the presence of chloroquine, indicating that the endocytic pathway was involved in cellular uptake. To improve internalization and intracellular routing of HMGB2186 as a DNA-carrier, a derivative containing the TAT47-57 cell-penetrating peptide (CPP), reported to facilitate cell entry independent of endocytosis, was constructed. Since this peptide also contains an NLS, in addition an HGMB2186-variant containing the SV40-NLS was constructed to investigate the effect of a peptide that has only nuclear localizing properties. Interestingly, the resulting TAT-HMGB2186 and SV40-HMGB2186 fusion proteins displayed DNA-binding activities similar to HMGB2186, but mediated gene delivery into different cell lines clearly more efficiently than the parental molecule. Furthermore, the efficacy of both fusion proteins was enhanced markedly in the presence of chloroquine, an indication that endocytosis was involved in the transfection process mediated by these proteins. This suggests that the increased transfection efficiency observed for TAT-HMGB2186 was more likely due to the NLS function present in the TAT47-57 peptide, rather than to its ‘cell penetrating properties’. Finally, the incorporation of functional peptides derived from human proteins into HMGB2186 was investigated. An uncharged CPP originating from Kaposi-FGF, reported to facilitate efficient cellular uptake of fused protein domains in an endocytosis-independent manner, was fused to HMGB2186 together with the SV40-NLS. Interestingly, the resulting KSV40-HMGB2186 fusion protein bound DNA similarly as previously tested DNA-carrier proteins, but did not mediate enhanced transfection compared to HMGB2186. In addition, the importin-b-binding (IBB) domain derived from human importin-a2 was investigated as a component of a DNA-carrier protein. Since the IBB domain can function as an NLS, it was fused to HMGB2186 resulting in the DNA-carrier protein IBBHMGB2186. Although IBB-HMGB2186 bound DNA in a similar manner as the other HMGB2186-derivatives, gene delivery mediated by IBB-HMGB2186 was only as effective as HMGB2186 mediated transfection, suggesting no significant role of the IBB domain. However, addition of chloroquine resulted in a remarkable enhancement of IBB-HMGB2186-mediated gene transfer, which was now more efficient than with any other HMGB2186-variant tested, and not much lower than gene transfer mediated by PEI, one of the most efficient transfection reagents available to date. To enhance nonviral gene delivery even further, the HMGB2186-based DNA-carrier proteins described in this thesis might now serve as building blocks for novel fusion proteins that include additional complementing activities. In this respect it seems particularly promising that, under conditions of effective end some escape, IBB-HMGB2186, which consists entirely of protein domains of human origin, was the most efficient of all proteins tested in this work.