TY  - THES
A1  - Winkler, Ann-Cathrin Nicole
T1  - Identification of human host cell factors involved in \(Staphylococcus\) \(aureus\) 6850 infection
T1  - Identifizierung von humanen Wirtszellfaktoren die eine Rolle bei der \(Staphylococcus\) \(aureus\) Infektion spielen
N2  - Staphylococcus aureus is both a human commensal and a pathogen. 20%-30% of all individuals are permanently or occasionally carriers of S. aureus without any symptoms. In contrast to this, S. aureus can cause life-threatening diseases e.g. endocarditis, osteomyelitis or sepsis. Here, the increase in antibiotic resistances makes it more and more difficult to treat these infections and hence the number of fatalities rises constantly. Since the pharmaceutical industry has no fundamentally new antibiotics in their pipeline, it is essential to better understand the interplay between S. aureus and the human host cell in order to find new, innovative treatment options. 
In this study, a RNA interference based whole genome pool screen was performed to identify human proteins, which play a role during S. aureus infections. Since 1,600 invasion and 2,271 cell death linked factors were enriched at least 2 fold, the big challenge was to filter out the important ones. Here, a STRING pathway analysis proved to be the best option. Subsequently, the identified hits were validated with the help of inhibitors and a second, individualised small interfering RNA-based screen. 
In the course of this work two important steps were identified, that are critical for host cell death: the first is bacterial invasion, the second phagosomal escape. The second step is obligatory for intracellular bacterial replication and subsequent host cell death. Invasion in turn is determining for all following events. Accordingly, the effect of the identified factors towards these two crucial steps was determined. Under screening conditions, escape was indirectly measured via intracellular replication. Three inhibitors (JNKII, Methyl-beta-cyclodeytrin, 9-Phenantrol) could be identified for the invasion process. In addition, siRNAs targeted against 16 different genes (including CAPN2, CAPN4 and PIK3CG), could significantly reduce bacterial invasion. Seven siRNAs (FPR2, CAPN4, JUN, LYN, HRAS, AKT1, ITGAM) were able to inhibit intracellular replication significantly. Further studies showed that the IP3 receptor inhibitor 2-APB, the calpain inhibitor calpeptin and the proteasome inhibitor MG-132 are able to prevent phagosomal escape and as a consequence intracellular replication and host cell death. 
In this context the role of calpains, calcium, the proteasome and the mitochondrial membrane potential was further investigated in cell culture. Here, an antagonistic behaviour of calpain 1 and 2 during bacterial invasion was observed. Intracellular calcium signalling plays a major role, since its inhibition protects host cells from death. Beside this, the loss of mitochondrial membrane potential is characteristic for S. aureus infection but not responsible for host cell death. The reduction of membrane potential can be significantly diminished by the inhibition of the mitochondrial Na+/Ca2+ exchanger.
All together, this work shows that human host cells massively contribute to different steps in S. aureus infection rather than being simply killed by bacterial pore-forming toxins. Various individual host cell factors were identified, which contribute either to invasion or to phagosomal escape and therefore to S. aureus induced cytotoxicity. Finally, several inhibitors of S. aureus infection were identified. One of them, 2-APB, was already tested in a sepsis mouse model and reduced bacterial load of kidneys. 
Thus, this study shows valuable evidence for novel treatment options against S. aureus infections, based on the manipulation of host cell signalling cascades.
N2  - Staphylococcus aureus kann sowohl ein Bestandteil der natürlichen Hautflora als auch ein Krankheitserreger sein. 20%-30% aller Menschen werden, permanent oder zeitweise, von S. aureus besiedelt, ohne Krankheitssymptome aufzuweisen. Im Gegensatz dazu kann S. aureus lebensbedrohliche Krankheiten wie Endokarditis, Osteomyelitis oder Sepsis verursachen. Diese Infektionen können immer schlechter behandelt werden, da immer mehr Stämme Resistenzen gegen die vorhandenen Antibiotika aufweisen. Dies führt zu einer steigenden Anzahl an Todesfällen, die auf Staphylokokkeninfektionen zurückzuführen sind. Da die Pharmaindustrie keine grundlegend neuen Antibiotika kurz vor der Marktreife hat, ist ein besseres Verständnis für das Wechselspiel zwischen Staphylokokken und ihren menschlichen Wirtszellen unbedingt notwendig, um neue, innovative Behandlungsmöglichkeiten finden zu können. 
Dafür wurde in dieser Arbeit ein genomweiter RNA-interferenz basierter Screen durchgeführt. Es sollten so die Proteine identifiziert werden, die eine Rolle bei der Staphylokokkeninfektion spielen. Da 1.600 invasionsrelevante und 2.271 zelltodrelevante Faktoren mindestens 2-fach angereichert waren, musste ein Weg gefunden werden die wichtigen Faktoren herauszufiltern. Eine STRING-Pathwayanalyse stellte sich als die beste Methode hierfür heraus. In einem zweiten Schritt wurden die so identifizierten Faktoren mit Inhibitoren oder einzelnen siRNAs ein weiteres Mal herunterreguliert, um ihre tatsächlichen Auswirkungen auf den Infektionsverlauf zu untersuchen. 
Im Verlauf dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass dem S. aureus induzierten Wirtszelltod mindestens zwei wichtige Schritte vorausgehen müssen. Erstens die Invasion der Wirtszelle und zweitens der Ausbruch aus dem Phagosom. Nur so können sich im dritten Schritt die Bakterien intrazellulär vermehren und die Zelle töten. 
Daher wurde der Einfluss der identifizierten Faktoren auf diese beiden entscheidenden Prozesse untersucht. Der Ausbruch wurde unter Screenkonditionen indirekt über die intrazelluläre Vermehrung bestimmt. Es konnten drei Inhibitoren (JNKII, Methyl-beta-cyclodeytrin, 9-Phenantrol) identifiziert werden, die die bakterielle Invasion vermindern. Darüber hinaus wurden 16 Proteine (unter anderem CAPN2, CAPN4 und PIK3CG) gefunden, deren Herunterregulation durch siRNAs, eine signifikant reduzierte Invasion zur Folge hatten. Sieben siRNAs (FPR2, CAPN4, JUN, LYN, HRAS, AKT1, ITGAM) waren in der Lage die intrazelluläre Vermehrung signifikant zu verringern. In nachfolgenden Versuchen konnte gezeigt werden, dass der IP3-Rezeptorinhibitor 2-APB, der Calpaininhibitor Calpeptin und der Proteasominhibitor MG-132 den Ausbruch aus dem Phagosom, sowie die darauffolgenden Ereignisse (intrazelluläre Vermehrung und Wirtszelltod) inhibieren können.
In diesem Zusammenhang wurden die Einflüsse von Calpainen, Calcium, dem Proteasom sowie dem mitochondrialen Membranpotentialverlust im Zellkulturmodell im Detail weiter untersucht. So konnte eine gegensätzliche Rolle von Calpain 1 und 2 bei der S. aureus Invasion festgestellt werden. Die intrazelluläre calciumabhängige Signalweiterleitung spielt eine bedeutende Rolle bei der S. aureus Infektion, da ihre Inhibition eine normale Infektion verhindert. Das mitochondriale Membranpotential (MMP) sinkt während einer S. aureus infektion, ist aber nicht für den Zelltod verantwortlich. Das Sinken des MMPs kann mit einem Inhibitor, der den mitochondrialen Na+/Ca2+ Austausch verhindert, signifikant reduziert werden. 
Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass die menschliche Wirtszelle selbst relevant zu den verschiedenen Schritten der Staphylokokkeninfektion beiträgt, und nicht einfach, wie häufig angenommen, von porenbildenden bakteriellen Toxinen zerstört wird. Entsprechend konnten einzelne Wirtszellproteine identifiziert werden, die entweder zur bakteriellen Invasion oder zum phagosomalen Ausbruch und somit zum induzierten Wirtszelltod beitragen. Überdies konnte gezeigt werden, dass Inhibitoren, die diese Wirtszellproteine hemmen, die Wirtszellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten vor einer S. aureus Infektion schützen können. 
Folglich liefert diese Arbeit wertvolle Hinweise für neue Behandlungsmöglichkeiten von S. aureus Infektionen, die auf der Manipulation von Wirtszellsignalkaskaden beruhen.
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - Wirtszelle
KW  - RNS-Interferenz
KW  - Host cell death
KW  - RNAi
KW  - 2-APB
KW  - intracellular replication
KW  - calpain
KW  - Human Host
KW  - Inhibitor
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-114300
ER  - 
TY  - THES
A1  - Grimm, Johannes
T1  - Autocrine and paracrine effects of BRAF inhibitor induced senescence in melanoma
T1  - Autokrine und parakrine Effekte BRAF-Inhibitor-induzierter Seneszenz im Melanom
N2  - The FDA approval of targeted therapy with BRAFV600E inhibitors like vemurafenib and dabrafenib in 2011 has been the first major breakthrough in the treatment of metastatic melanoma since almost three decades. Despite increased progression free survival and elevated overall survival rates, complete responses are scarce due to resistance development approximately six months after the initial drug treatment. It was previously shown in our group that melanoma cells under vemurafenib pressure in vitro and in vivo exhibit features of drug-induced senescence. It is known that some cell types, which undergo this cell cycle arrest, develop a so-called senescence associated secretome and it has been reported that melanoma cell lines also upregulate the expression of different factors after senescence induction. This work describes the effect of the vemurafenib-induced secretome on cells. Conditioned supernatants of vemurafenib-treated cells increased the viability of naive fibroblast and melanoma cell lines. RNA analysis of donor melanoma cells revealed elevated transcriptional levels of FGF1, MMP2 and CCL2 in the majority of tested cell lines under vemurafenib pressure, and I could confirm the secretion of functional proteins. Similar observations were also done after MEK inhibition as well as in a combined BRAF and MEK inhibitor treatment situation. Interestingly, the transcription of other FGF ligands (FGF7, FGF17) was also elevated after MEK/ERK1/2 inhibition. As FGF receptors are therapeutically relevant, I focused on the analysis of FGFR-dependent processes in response to BRAF inhibition. Recombinant FGF1 increased the survival rate of melanoma cells under vemurafenib pressure, while inhibition of the FGFR pathway diminished the viability of melanoma cells in combination with vemurafenib and blocked the stimulatory effect of vemurafenib conditioned medium. The BRAF inhibitor induced secretome is regulated by active PI3K/AKT signaling, and the joint inhibition of mTor and BRAFV600E led to decreased senescence induction and to a diminished induction of the secretome-associated genes. In parallel, combined inhibition of MEK and PI3K also drastically decreased mRNA levels of the relevant secretome components back to basal levels.
In summary, I could demonstrate that BRAF inhibitor treated melanoma cell lines acquire a specific PI3K/AKT dependent secretome, which is characterized by FGF1, CCL2 and MMP2. This secretome is able to stimulate other cells such as naive melanoma cells and fibroblasts and contributes to a better survival under drug pressure. These data are therapeutically highly relevant, as they imply the usage of novel drug combinations, especially specific FGFR inhibitors, with BRAF inhibitors in the clinic.
N2  - Die Zulassung der spezifischen BRAFV600E Inhibitoren Vemurafenib und Dabrafenib im Jahr 2011 war der erste wirksame Schritt nach Jahrzehnten der Stagnation in der Behandlung des metastasierenden Melanoms. Allerdings zeigte sich, dass trotz erhöhter Gesamtüberlebensrate und gestiegenem progressionsfreien Überleben komplette Remissionen selten waren. Wir konnten in vorangegangenen Versuchen zeigen, dass eine Behandlung BRAFV600E-mutierter Melanom Zelllinien mit Vemurafenib mit der Induktion von Seneszenz-assoziierten Merkmalen einhergeht. Da bekannt ist, dass seneszente Zellen, darunter auch Melanom Zellen, ein sogenanntes Sekretom ausbilden können, welches andere Zellen beeinflussen kann, war die Identifizierung und Charakterisierung von Vemurafenib-induzierten sezernierten Faktoren das Ziel meiner Arbeit. Initiale Versuche zeigten, dass konditionierter Überstand von Vemurafenib behandelten Zellen das Wachstum naiver Zelllinien erhöhen kann. Ich konnte in weiteren Versuchen zeigen, dass sich die Transkription und Expression des Cytokins CCL2, der Matrixmetalloprotease MMP2 und des Wachstumsfaktors FGF1 nach Vemurafenib Behandlung erhöht. Darüber hinaus konnte ich interessanterweise auch eine gesteigerte Transkription anderer FGF Liganden (FGF7, FGF17) feststellen, was meinen Fokus auf die Analyse von FGFR abhängigen Prozessen als Antwort auf die BRAF Inhibition gelenkt hat. Es zeigte sich, dass sich Melanomzellen mittels Zugabe von FGF1 besser gegen die Vemurafenib-induzierte MEK/ERK1/2 Hemmung behaupten können. Darüber hinaus konnte durch den Einsatz eines spezifischen FGFR Inhibitors die Viabilität von Melanomzellen unter Vemurafenib Behandlung vermindert werden. Auch der stimulierende Effekt des Vemurafenib konditionierten Überstandes konnte dadurch teilweise aufgehoben werden. Die Induktion des BRAF Inhibitor assoziierten Sekretoms ist auf einen aktiven PI3K/AKT Signalweg angewiesen. So führt eine gleichzeitige Hemmung des MEK/ERK1/2 und PI3K/AKT Signalwegs zu einer verminderten Seneszenzinduktion und einer niedrigeren Transkription der Seneszenz-assoziierten Gene. Zudem konnte ich feststellen, dass auch eine gemeinsame Hemmung von BRAF und MEK Seneszenz und das damit einhergehende Sekretom unter Beteiligung von CCL2, MMP2 und den FGFs induziert.
Zusammenfassend zeigen meine Daten, dass BRAFV600E-mutierte Melanomzellen nach Vemurafenib Behandlung ein Sekretom ausbilden, welches potentiell wachstumsfördernde und matrix-modellierende Faktoren beinhaltet. Dies ist abhängig vom PI3K/AKT Signalweg und charakterisiert durch die Sekretion von FGF1, CCL2 und MMP2. Klinische Relevanz erlangen diese Erkenntnisse durch die Möglichkeit, diese Faktoren im Rahmen einer Kombinationstherapie, z.B. mit einem spezifischen FGFR Inhibitor, zu inaktivieren.
KW  - Melanoma
KW  - Inhibitor
KW  - Melanom
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-181161
ER  -