TY - JOUR A1 - Tsoneva, Desislava A1 - Stritzker, Jochen A1 - Bedenk, Kristina A1 - Zhang, Qian A1 - Cappello, Joseph A1 - Fischer, Utz A1 - Szalay, Aladar A. T1 - Drug-encoded Biomarkers for Monitoring Biological Therapies JF - PLoS One N2 - Blood tests are necessary, easy-to-perform and low-cost alternatives for monitoring of oncolytic virotherapy and other biological therapies in translational research. Here we assessed three candidate proteins with the potential to be used as biomarkers in biological fluids: two glucuronidases from E. coli (GusA) and Staphylococcus sp. RLH1 (GusPlus), and the luciferase from Gaussia princeps (GLuc). The three genes encoding these proteins were inserted individually into vaccinia virus GLV-1h68 genome under the control of an identical promoter. The three resulting recombinant viruses were used to infect tumor cells in cultures and human tumor xenografts in nude mice. In contrast to the actively secreted GLuc, the cytoplasmic glucuronidases GusA and GusPlus were released into the supernatants only as a result of virus-mediated oncolysis. GusPlus resulted in the most sensitive detection of enzyme activity under controlled assay conditions in samples containing as little as 1 pg/ml of GusPlus, followed by GusA (25 pg/ml) and GLuc (≥375 pg/ml). Unexpectedly, even though GusA had a lower specific activity compared to GusPlus, the substrate conversion in the serum of tumor-bearing mice injected with the GusA-encoding virus strains was substantially higher than that of GusPlus. This was attributed to a 3.2 fold and 16.2 fold longer half-life of GusA in the blood stream compared to GusPlus and GLuc respectively, thus a more sensitive monitor of virus replication than the other two enzymes. Due to the good correlation between enzymatic activity of expressed marker gene and virus titer, we conclude that the amount of the biomarker protein in the body fluid semiquantitatively represents the amount of virus in the infected tumors which was confirmed by low light imaging. We found GusA to be the most reliable biomarker for monitoring oncolytic virotherapy among the three tested markers. KW - mouse models KW - vaccinia virus KW - luciferase KW - biomarkers KW - cytolysis KW - viral replication KW - cell cultures KW - blood Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-125265 VL - 10 IS - 9 ER - TY - THES A1 - Bedenk, Kristina T1 - Biochemische und strukturelle Charakterisierung der Genexpressionsmaschinerie des Vaccinia Virus T1 - The biochemical and structural characterization of the gene expression machinery of the Vaccinia virus N2 - Die Familie der Pockenviren zeichnet sich durch ein komplexes DNA Genom aus und hat großes medizinisches Potential. Am eindrucksvollsten ist dies für das Vaccinia-Virus (VACV) belegt, welches nicht nur als Pocken-Impfstoff eingesetzt wird, sondern auch als onkolytisches Virus in der Tumorbiologie. VACV hat einen außergewöhnlichen Replikationszyklus, welcher ausschließlich im Zytoplasma der Wirtszelle stattfindet. Somit ist die gesamte virale Genexpressionsmaschinerie völlig unabhängig von kernvermittelten Reaktionen des Wirts und somit auch aus Sicht der Grundlagenforschung von größtem Interesse. Die Schlüsselkomponente der viralen Genexpression ist die makromolekulare DNA-abhängige RNA Polymerase (vvRPO), deren Untereinheiten allesamt Virus-kodiert sind. Zwar wurden in den letzten Jahren Protokolle zur biochemischen und funktionellen Charakterisierung der vvRPO etabliert, ein detailliertes Wissen über deren Zusammenlagerung in vivo und die räumlichen und zeitlichen Interaktionen mit den Transkriptions- bzw. Prozessierungsfaktoren sind aber weitgehend unbekannt. Diese Arbeit umfasst Untersuchungen zur strukturellen und funktionellen Charakterisierung der vvRPO und seiner assoziierten Faktoren. Grundlage hierfür war die Etablierung eines Reinigungsprotokolls mithilfe eines neu konstruierten rekombinanten VACV (GLV-1h439). Diese Strategie erlaubte es hoch-molekulare native vvRPO Komplexe zu isolieren. Ein transkriptions-inaktiver Komplex (Komplex I) mit einer kalkulierten Masse von 575 kDa bestand aus den acht Untereinheiten des vvRPO Holoenzyms und den Polymerase-assoziierten Faktoren RAP94 und D6. Ein zweiter, transkriptionell aktiver Komplex (Komplex II) mit einer Masse von 803 kDa enthielt, neben dem Holoenzym der vvRPO, noch weitere Faktoren, die primär die Erkennung der DNA-Matrize und die Prozessierung der naszierenden RNA vermitteln. Hierbei handelt es sich um RAP94, das virale Capping Enzym bestehend aus den zwei Untereinheiten D1 und D12, A7 und dem Terminationsfaktor NPH I. Interessanterweise enthielt dieser Komplex zusätzlich mit E11 eine bislang unbekannte weitere Protein-Komponente, sowie tRNAGln und tRNAArg. Der isolierte Kompelx II ist daher ein Ribonukleoprotein (RNP). Die Verfügbarkeit von hoch-reinen vvRPO Komplexen erlaubte es erstmals deren strukturelle Architektur zu untersuchen. Hierfür wurden drei experimentelle Ansätze, die klassische Röntgenstrukturanalyse, die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) und Quervernetzungssstudien miteinander kombiniert. Die Strukturen der Komplexe I und II haben eine Auflösung von 11-12 Å, wobei auffällig war, dass beide eine markante strukturelle Ähnlichkeit zur eukaryotischen RNA Polymerase II aufwiesen. Darüber hinaus gelang es zusätzliche Bereiche im Komplex II zu definieren, welche die Polymerase-assoziierten Prozessierungsfaktoren beherbergen. Zudem konnte die atomare Struktur von E11, mittels Röntgenstrukturanalyse bei einer Auflösung von 1,9 Å, gelöst werden. Das E11 Protein besitzt ein neuartiges Faltungsmuster und weist einen intensiven Dimerisierungskontakt auf, welcher sich über vier ß-Faltblätter ausbildet. Die im Rahmen dieser Arbeit erhaltenen Daten legen die Grundlage für ein detailliertes Verständnis der räumlichen Organisation der viralen Transkriptonsmaschinerie. Darüber hinaus werden sie funktionelle Studien ermöglichen, welche die Rolle der einzelnen Proteine, sowie der tRNAs bei der mRNA Synthese klären helfen. N2 - Poxviruses comprise a diverse family of complex DNA-genome viruses with great medical potenial. This is exemplified by vaccinia virus, which not only served as a vaccine against smallpox but is also used as a promising tool in viral anti-cancer therapies. A key feature that distinguishes the poxvirus family from other DNA viruses is their replication cycle, which is confined to the cytoplasm. This results in a high level of independence from the host cell, which supports transcription and replication events only in the nucleus. Accordingly, virus specific, rather than host cell enzymes mediate most processes including DNA replication and mRNA synthesis. The key component of viral gene expression is the DNA-dependent RNA polymerase (vvRPO), which constitutes the virus-encoded macromolecular machine ensuring viral mRNA synthesis. Although this enzyme has been studied in some details in the past years, neither its mode of assembly in vivo nor its spatio-temporal association with transcription and processing factors has been understood in detail. In this thesis I present work that focuses on the structural and functional characterization of vvRPO and its associated factors. To gain insights into the structure and the assembly of the VACV transcription system we established an efficient purification protocol by generating recombinant virus strains expressing tagged subunits of vvRPO (GLV-1h439). These recombinant virus strains enabled the isolation of high molecular weight vvRPO complexes. Complex I, which was transcriptionally inactive in vitro displayed a calculated mass of about 575 kDa, consisted of eight subunits of the vvRPO holoenzym and two additional polymerase-associated factors termed RAP94 and D6. A second, transcriptionally active complex (complex II) with a mass of 803 kDa, was related to the first one. It consisted apart from the factors of the holoenzyme already found in complex I additional factors that mediate primarily binding of the polymerase to its DNA template and the processing of nascent RNA. These factors comprise the viral capping enzyme (D1, D12), A7 and the termination factor NPH I. Interestingly, complex II contained in addition the viral protein E11, thus far not connected to viral transcription als well as tRNAGln, tRNAArg). Complex II is hence a ribonucleoprotein (RNP). The availability of highly pure vvRPO complexes allowed for the first time to investigate their structure. To this end, three experimental approaches, the classic X-ray crystallography, cryo-electron microscopy (cryo-EM) and chemical crosslinking were combined. Structures of both polymerase complexes were obtained at a resolution of 11-12 Å and revealed a striking structural similarity to eukaryotic RNA polymerase II. Moreover, it was possible to allocate positions in the structure of complex II that are likely to harbour the polymerase-associated processing factors. In addition we were able to solve atomic structure of E11 by X-ray crystallography at a resolution of 1.9 Å. Interestingly, the structure of E11 showed a novel folding pattern that forms a dimer, which is mostly composed of four ß-sheets. These studies provide the basis for a detailed investigation of the architecture of the viral transcriptional machinery. Furthermore, the pave the way for functional studies aimed at elucidating the function of individual proteins and tRNA in the generation of viral mRNA. KW - Vaccinia-Virus KW - Vaccinia-Virus KW - Genexpressionsmaschinerie KW - RNA-Polymerase KW - Struktur KW - Genexpression Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-135538 ER -