TY  - THES
A1  - Zheng, Peilin
T1  - Ptpn22 silencing in the NOD model of type 1 diabetes indicates the human susceptibility allele of PTPN22 is a gain-of-function variant
T1  - Ptpn22 knockdown im NOD Modell für Diabetes Typ 1 belegt einen Aktivitätsgewinn der humanen Krankheitsvariante
N2  - PTPN22 encodes the lymphoid tyrosine phosphatase Lyp that can dephosphorylate Lck, ZAP-70 and Fyn to attenuate TCR signaling. A single-nucleotide polymorphism (C1858T) causes a substitution from arginine (R) to tryptophan (W) at 620 residue (R620W). Lyp-620W has been confirmed as a susceptible allele in multiple autoimmune diseases, including type 1 diabetes (T1D). Several independent studies proposed that the disease-associated allele is a gain-of-function variant. However, a recent report found that in human cells and a knockin mouse containing the R620W homolog that Ptpn22 protein degradation is accelerated, indicating Lyp-620W is a loss-of-function variant. Whether Lyp R620W is a gain- or loss-of-function variant remains controversial. To resolve this issue, we generated two lines (P2 and P4) of nonobese diabetic (NOD) mice in which Ptpn22 can be inducibly silenced by RNAi. We found long term silencing of Ptpn22 increased spleen cellularity and regulatory T (Treg) cell numbers, replicating the effect of gene deletion reported in the knockout (KO) B6 mice. Notably, Ptpn22 silencing also increased the reactivity and apoptotic behavior of B lymphocytes, which is consistent with the reduced reactivity and apoptosis of human B cells carrying the alleged gain-of-function PTPN22 allele. Furthermore, loss of Ptpn22 protected P2 KD mice from spontaneous and Cyclophosphamide (CY) induced diabetes. Our data support the notion that Lyp-620W is a gain-of-function variant. Moreover, Lyp may be a valuable target for the treatment of autoimmune diseases.
N2  - PTPN22 kodiert die lymphoid tyrosine phosphatase Lyp, die Lck, ZAP-70 und Fyn dephosphorilieren kann, um T Zell Rezeptor Signale zu vermindern. Ein Polymorphismus (C1858T) verursacht einen Aminosäurenaustausch auf Position 620 von Arginin zu Tryptophan (R620W). Lyp-620W erhöht das Risiko einer Vielfalt von Autoimmunerkrankungen, darunter auch Diabetes Typ 1 (T1D). Mehrere Studien haben belegt, dass dieses Krankheitsallel die Funktion von Lyp verstärkt. Eine neuere Studie hat andererseits gezeigt, dass die R620W Variante schneller degradiert wird, was bedeuten würde, dass das C1858T Allel einen Funktionsverlust verursachen könnte. Ob Lyp R620W die Funktion dieser Phosphatase erhöht oder mindert bleibt demnach bis jetzt ungewiss. Um diese Frage zu klären haben wir zwei transgene Mauslinien (P2 und P4) im diabetischen Hintergrund der NOD Maus generiert, in denen Ptpn22 auf induzierbare Weise durch RNAi gehemmt werden kann. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die langfristige Hemmung von Ptpn22 zu einer Zunahme der Milzzellularität und der Anzahl regulatorischer T Zellen führt, was dem Phänotyp des Ptpn22 knockout im B6 Hintergrund entspricht. Bemerkenswert ist, dass die Hemmung von Ptpn22 auch zu einer Zunahme der Reaktivität und des apoptotischen Verhaltens von B Lymphozyten führt, also dem entgegengesetzten Phänotypen, der in menschlichen B Zellen beobachtet wurde, die das Krankheitsallel exprimierten. Zusätzlich konnte die Ptpn22 Inhibierung NOD Mäuse vor spontanem und Cyclophosphamid-induziertem Diabetes schützen. Unsere Daten unterstützen also die Hypothese, dass Lyp-620W eine stärkere Aktivität vorweist. Dies würde auch bedeuten, dass Ptpn22 möglicherweise zu therapeutischen Zwecken inhibiert werden könnte, um Autoimmunerkrankungen zu bekämpfen.
KW  - Diabetes mellitus
KW  - Typ 1
KW  - Genexpression
KW  - Ptpn22
KW  - Diabetes Typ 1
KW  - Type 1 diabetes
KW  - PTPN22
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-73869
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhang, Guoliang
T1  - Phytochemical Research on Two Ancistrocladus Species, Semi-Synthesis of Dimeric Naphthylisoquinoline Alkaloids, and Structure Optimization of Antitumoral Naphthoquinones
T1  - Phytochemische Untersuchungen an zwei Ancistrocladus-Arten, Semi-Synthese dimerer Naphthylisochinolin-Alkaloide und Strukturoptimierung von antitumoralen Naphthochinonen
N2  - Plant-derived natural products and their analogs continue to play an important role in the discovery of new drugs for the treatment of human diseases. Potentially promising representatives of secondary metabolites are the naphthylisoquinoline alkaloids, which show a broad range of activities against protozoan pathogens, such as plasmodia, leishmania, and trypanosoma. Due to the increasing resistance of those pathogens against current therapies, highly potent novel agents are still urgently needed. Thus, it is worthy to discover new naphthylisoquinoline alkaloids hopefully with pronounced bioactivities by isolation from plants or by synthesis. The naphthylisoquinoline alkaloids are biosynthetically related to another class of plant-derived products, the naphthoquinones, some of which have been recently found to display excellent anti-multiple myeloma activities without showing any cytotoxicities on normal blood cells. Multiple myeloma still remains incurable, although remissions may be induced with co-opted therapeutic treatments. Therefore, more potent naphthoquinones are urgently required, and can be obtained by isolation from plants or by synthesis. In detail, the results in this thesis are listed as follows: 1) Isolation and characterization of naphthylisoquinoline alkaloids from the stems of a Chinese Ancistrocladus tectorius species. Nine new naphthylisoquinoline alkaloids, named ancistectorine A1 (60), N-methylancistectorine A1 (61), ancistectorine A2 (62a), 5-epi-ancistectorine A2 (62b), 4'-O-demethylancistectorine A2 (63), ancistectorine A3 (64), ancistectorine B1 (65), ancistectorine C1 (66), and 5-epi-ancistrolikokine D (67) were isolated from the Chinese A. tectorius and fully characterized by chemical, spectroscopic, and chiroptical methods. Furthermore, the in vitro anti-infectious activities of 60-62 and 63-66 have been tested. Three of the metabolites, 61, 62a, and 62b, exhibited strong antiplasmodial activities against the strain K1 of P. falciparum without showing significant cytotoxicities. With IC50 values of 0.08, 0.07, and 0.03 μM, respectively, they were 37 times more active than the standard chloroquine (IC50 = 0.26 μM). Moreover, these three compounds displayed high antiplasmodial selectivity indexes ranging from 100 to 3300. According to the TDR/WHO guidelines, they could be considered as lead compounds. In addition, seven alkaloids, 69-74 (structures not shown here), were isolated from A. tectorius that were known, but new to the plant, together with another fourteen known compounds (of these, only the structures of the three main alkaloids, 5a, 5b, and 78 are shown here), which had been previously found in the plant. The three metabolites ancistrocladine (5a), hamatine (5b), and (+)-ancistrocline (78) were found to show no or moderate activities against the MM cell lines. 2) Isolation and characterization of naphthylisoquinoline alkaloids from the root bark of a new, botanically yet undescribed Congolese Ancistrocladus species. An unprecedented dimeric Dioncophyllaceae-type naphthylisoquinoline alkaloid, jozimine A2 (84), as first recognized by G. Bauckmann from an as yet undescribed Ancistrocladus species, was purified and characterized as part of this thesis. Its full structural assignment was achieved by spectroscopic and chiroptical methods, and further confirmed by an X-ray diffraction analysis, which had never succeeded for any other dimeric naphthylisoquinoline alkaloids before. Structurally, the dimer is composed of two identical 4'-O-demethyldioncophylline A halves, coupled through a sterically hindered central axis at C-3',3'' of the two naphthalene moieties. Pharmacologically, jozimine A2 (84) showed an extraordinary antiplasmodial activity (IC50 = 1.4 nM) against the strain NF54 of P. falciparum. Beside jozimine A2 (85), another new alkaloid, 6-O-demethylancistrobrevine C (84), and four known ones, ancistrocladine (5a), hamatine (5b), ancistrobrevine C (86), and dioncophylline A (6) were isolated from the Ancistrocladus species, the latter in a large quantity (~500 mg), showing that the plant produces Ancistrocladaceae-type, mixed-Ancistrocladaceae/Dioncophyllaceae-type, and Dioncophyllaceae-type naphthyl- isoquinoline alkaloids. Remarkably, it is one of the very few plants, like A. abbreviatus, and A. barteri, that simultaneously contain typical representatives of all the above three classes of alkaloids. 3) Semi-synthesis of jozimine A2 (85), 3'-epi-85, jozimine A3 (93) and other alkaloids from dioncophylline A (6). The dimeric naphthylisoquinoline alkaloids, jozimine A2 (85) and 3'-epi-85, constitute rewarding synthetic targets for a comparative analysis of their antiplasmodial activities and for a further confirmation of the assigned absolute configurations of the isolated natural product of 85. They were semi-synthesized in a four-step reaction sequence from dioncophylline A (6) in cooperation with T. Büttner. The key step was a biomimetic phenol-oxidative dimerization at C-3' of the N,O-dibenzylated derivative of 89 by utilizing Pb(OAc)4. This is the first time that the synthesis of such an extremely sterically hindered (four ortho-substituents) naphthylisoquinoline alkaloid – with three consecutive biaryl axes! – has been successfully achieved. A novel dimeric naphthylisoquinoline, jozimine A3 (93), bearing a 6',6''-central biaryl axis, was semi-synthesized from 5'-O-demethyldioncophylline A (90) by a similar biomimetic phenol-oxidative coupling reaction as a key step, by employing Ag2O. HPLC analysis with synthetic reference material of 3'-epi-85 and 93 for co-elution revealed that these two alkaloids clearly are not present in the crude extract of the Ancistrocladus species from which jozimine A2 (85) was isolated. This evidences that jozimine A2 (85) is very specifically biosynthesized by the plant with a high regio- and stereoslectivity. Remarkably, the two synthetic novel dimeric naphthylisoquinoline alkaloids 3'-epi-85 and 93 were found to display very good antiplasmodial activities, albeit weaker than that of the natural and semi-synthetic product 85. Additionally, the two compounds 3'-epi-85 and 93 possessed high or moderate selectivity indexes, which were much lower than that of 85. However, they can still be considered as new lead structures. Two unprecedented oxidative products of dioncophylline A, the diastereomeric dioncotetralones A (94a) and B (94b), were synthesized from dioncophylline A (6) in a one-step reaction. Remarkably, the aromatic properties in the “naphthalene” and the “isoquinoline” rings of 94a and 94b are partially lost and the “biaryl” axis has become a C,C-double bond, so that the two halves are nearly co-planar to each other, which has never been found among any natural or synthetic naphthylisoquinoline alkaloid. Their full structural characterization was accomplished by spectroscopic methods and quantum-chemical CD calculations (done by Y. Hemberger). The presumed reaction mechanism was proposed in this thesis. In addition, one of the two compounds, 94a, exhibited a highly antiplasmodial activity (IC50 = 0.09 μM) with low cytotoxicity, and thus, can be considered as a new promising lead structure. Its 2'-epi-isomer, 94b, was inactive, evidencing a significant effect of chirality on the bioactivity. Of a number of naphthylisoquinoline alkaloids tested against the multiple-myeloma cell lines, the three compounds, dioncophylline A (6), 4'-O-demethyldioncophylline A (89), and 5'-O-demethyldioncophylline A (90) showed excellent activities, even much stronger than dioncoquinones B (10), C (102), the epoxide 175, or the standard drug melphalan. 4) Isolation and characterization of bioactive naphthoquinones from cell cultures of Triphyophyllum peltatum. Three new naphthoquinones, dioncoquinones C (102), D (103), and E (104), the known 8-hydroxydroserone (105), which is new to this plant, and one new naphthol dimer, triphoquinol A (107), were isolated from cell cultures of T. peltatum in cooperation with A. Irmer. Dioncoquinone C (102) showed an excellent activity against the MM cells, very similar to that of the previously found dioncoquinone B (10), without showing any inhibitory effect on normal cells. The other three naphthoquinones, 103105, were inactive or only weakly active. 5) Establishment of a new strategy for a synthetic access to dioncoquinones B (10) and C (102) on a large scale for in vivo experiments and for the synthesis of their analogs for first SAR studies. Before the synthesis of dioncoquinone B (10) described in this thesis, two synthetic pathways had previously been established in our group. The third approach described here involved the preparation of the joint synthetic intermediate 42 with the previous two routes. The tertiary benzamide 135 was ortho-deprotonated by using s-BuLi/TMEDA, followed by transmetallation with MgBr2▪2Et2O, and reaction with 2-methylallyl bromide (139). It resulted in the formation of ortho-allyl benzamide 140, which was cyclized by using methyl lithium to afford the naphthol 42. This strategy proved to be the best among the established three approaches with regard to its very low number of steps and high yields. By starting with 136, this third strategy yielded the related bioactive natural product, dioncoquinone C (102), which was accessed by total synthesis for the first time. To identify the pharmacophore of the antitumoral naphthoquinones, a library of dioncoquinone B (10) and C (102) analogs were synthesized for in vitro testing. Among the numerous naphthoquinones tested, the synthetic 7-O-demethyldioncoquinone C (or 7-O-hydroxyldioncoquinone B) (145), constitutes another promising basic structure to develop a new anti-MM agent. Furthermore, preliminary SAR results evidence that the three hydroxy functions at C-3, C-5, and C-6 are essential for the biological properties as exemplarily shown through the compounds 10, 102, and 145. All other mixed OH/OMe- or completely OMe-substituted structures were entirely inactive. By a serendipity the expoxide 175 was found to display the best anti-MM activity of all the tested isolated metabolites from T. peltatum, the synthesized naphthoquinones, and their synthetic intermediates. Toxic effects of 175 on normal cells were not observed, in contrast to the high toxicities of all other epoxides. Thus, the anti-MM activity of 175 is of high selectivity. The preliminary SAR studies revealed that the 6-OMe group in 175 is required, thus differed with the above described naphthoquinones (where 6-OH is a requisite in 10, 102, and 145), which evidenced potentially different modes of action for these two classes of compounds. 6) The first attempted total synthesis of the new naturally occurring triphoquinone (187a), which was recently isolated from the root cultures of T. peltatum in our group. A novel naphthoquinone-naphthalene dimer, 187a (structure shown in Chapter 10), was isolated in small quantities from the root cultures of T. peltatum. Thus, its total synthesis was attempted for obtaining sufficient amounts for selected biotestings. The key step was planned to prepare the extremely sterically hindered (four ortho-substituents) binaphthalene 188 by a coupling reaction between the two 2-methylnaphthalene derivatives. Test reactions involving a system of two simplified 2-methylnaphthylboron species and 2-methylnaphthyl bromide proved the Buchwald ligand as most promising. The optimized conditions were then applied to the two true - highly oxygenated - coupling substrates, between the 2-methylnaphthylboron derivatives 210, 211, 213, or 214 and the 2-methylnaphthyl iodides (or bromides) 215 (206), 215 (206), 212 (205), or 212 (205), respectively. Unfortunately, this crucial step failed although various bases and solvent systems were tested. This could be due to the high electron density of the two coupling substrates, both bearing strongly OMOM/OMe-donating function groups. Therefore, a more powerful catalyst system or an alternative synthetic strategy must be explored for the total synthesis of 187a. 7) Phytochemical investigation of the Streptomyces strain RV-15 derived from a marine sponge. Cyclodysidins A-D (216-219), four new cyclic lipopeptides with a- and ß-amino acids, were isolated from the Streptomyces strain RV15 derived from a marine sponge by Dr. U. Abdelmohsen. Their structures were established as cyclo-(ß-AFA-Ser-Gln-Asn-Tyr-Asn-Ser-Thr) by spectroscopic analysis using 2D NMR techniques and CID-MS/MS in the course of this thesis. In conclusion, the present work contributes to the discovery of novel antiplasmodial naphthylisoquinoline alkaloids and antitumoral naphthoquinones, which will pave the way for future studies on these two classes of compounds.
N2  - Naturstoffe pflanzlichen Ursprungs und deren Derivate waren seit jeher eine wichtige Quelle für die Entdeckung neuer Arzneistoffe. Darunter stellen die Naphthylisochinolin-Alkaloide eine besonders bedeutsame Klasse an Sekundärmetaboliten dar, die gegen eine breite Vielfalt an pathogenen Protozoen, wie z.B. Plasmodien, Leishmanien und Trypanosomen, aktiv sind. Die zunehmende Resistenz dieser Krankheitserreger gegen vorhandene Therapeutika macht die Erschließung neuer hochwirksamer Substanzen – durch direkte Isolierung aus Pflanzenmaterial oder chemische Synthese – zu einer lohnenswerten Aufgabe. Kürzlich wurde entdeckt, dass Naphthochinone, eine biosynthetisch eng mit den Naphthylisochinolin-Alkaloiden verwandte Naturstoffklasse, exzellente Aktivitäten gegen das Multiple Myelom aufweist. Diese Krebserkrankung ist mit gegenwärtigen Arzneimitteln nicht heilbar, wenngleich unterstützende Therapeutika zu einer Remission führen können. Die Suche nach pharmakologisch wirksamen Naphthochinonen, mittels Isolierung aus Pflanzen oder durch chemische Synthese, ist daher dringend geboten. Die Ergebnisse dieser Arbeit umfassen im Detail die folgenden Teilbereiche: 1) Isolierung diverser Naphthylisochinolin-Alkaloide aus dem Stamm der chinesischen Ancistrocladus tectorius Spezies. Es Wurch neun neue Naphthylisochinlin-Alkaloide aus der in China beheimateten Pflanze A. tectorius. Diese umfassten die sechs 5,1'-gekuppelten Verbindungen Ancistectorin A1 (60), N-Methylancistectorin A1 (61), Ancistectorin A2 (62a), 5-epi-Ancistectorin A2 (62b), 4'-O-Demethylancistectorin A2 (63), Ancistectorin A3 (64), das 7,1'-gekuppelte Ancistectorin B1 (65), das 7,8'-verknüpfte Ancistectorin C1 (66), sowie das 5,8'-verknüpfte 5-epi-Ancistrolikokin D (65) die allesamt vollständig charakterisiert und auf ihre antiplasmodiale Aktivität untersucht wurden. Drei dieser Metabolite, 61, 62a, und 62b, zeigten eine starke antiplasmodiale Aktivität gegen den Stamm K1 von P. falciparum und dennoch keine signifikante Cytotoxizität. Mit IC50-Werten von 0.08, 0.07 und 0.03 μM waren sie 37 mal aktiver als der Standard Chloroquin (IC50 = 0.26 μM). Darüber hinaus verfügten diese drei Verbindungen über einen hohen antiplasmodialen Index von 100 bis 300. Laut WHO-Richtlinien können diese erfolgversprechenden Antimalaria-Wirkstoffe als neue Leitstrukturen angesehen werden. Des Weiteren wurden sieben bekannte Alkaloide, 69-74 (nicht abgebildet), erstmals aus A. tectorius isoliert. 14 weitere, aus dieser Pflanze bereits bekannte, Verbindungen (z.B. 5a, 5b, und 78) wurden ebenfalls gefunden. Die drei Hauptalkaloide Ancistrocladin (5a), Hamatin (5b) und (+)-Ancistroclin (78) hatten jedoch keine bzw. nur mäßige Aktivitäten gegen MM-Zelllinien. 2) Isolierung der Naphthylisochinolin-Alkaloide aus der Stammrinde einer neuen und botanisch noch unbeschriebenen, kongolesichen Ancistrocladus Spezies. Ein beispielloses dimeres Naphthylisochinolin-Alkaloid aus der Klasse der Dioncophyllaceae, Jozimin A2 (85), wurde aus einer bis dahin noch nicht beschriebenen Ancistrocladus Spezies in Zusammenarbeit mit G. Bauckmann isoliert. Mithilfe von spektroskopischen und chiroptischen Methoden erfolgte die vollständige Strukturaufklärung. Zum ersten Mal bei einem dimeren Naphthylisochinolin-Alkaloid wurde darüber hinaus dessen Struktur mittels Röntgenstrukturanalyse verifiziert. Die Struktur weist zwei identische miteinander verknüpfte 4'-O-Demethyldioncophyllin A Hälften auf, die in den Naphthalin-Einheiten an C-3' und C-3'' sterisch so stark gehindert sind, dass eine dritte rotationsstabile – und daher chirale – Achse vorliegt. Jozimin A2 (85) ragt pharmakologisch betrachtet durch die beste bis dahin gemessene antiplasmodiale Aktivität (IC50 = 1.4 nM, P. falciparum NF54) aller natürlichen monomeren und dimeren Naphthylisochinoline heraus. Neben Jozimin A2 (85) wurde ein weiteres neues Alkaloid, 6-O-Demethylancistrobrevin C (84), und die vier bekannten Monomere Ancistrocladin (5a), Hamatin (5b), Dioncophyllin A (6), und Ancistrobrevin C (86) aus dieser Ancistrocladus Spezies isoliert. Man konnte zeigen, dass die Pflanze Naphthylisochinolin-Alkaloide vom Ancistrocladaceae Typ, vom gemischten Ancistrocladaceae/Dioncophyllaceae Typ und vom Dioncophyllaceae Typ produziert. Dies ist umso bemerkenswerter, als dass nur wenige Pflanzen wie A. abbreviatus und A. barteri bekannt sind, die typische Vertreter aller drei Alkaloid-Klassen beinhalten. 3) Semi-Synthese des dimeren Naphthylisochinolin-Alkaloids Jozimine A2 (85) und seiner Derivate. Aufgrund seiner exzellenten antiplasmodialen Aktivität stellte das Naphthylisochinolin-Alkaloid Jozimin A2 (85), eine lohneswerte Zielstruktur für eine Synthese dar. Die Verbindung wurde durch Semisynthese in vier Stufen aus Dioncophyllin A (6) in Zusammenarbeit mit T. Büttner erschlossen. Als Schlüsselschritt erwies sich die biomimetische, oxidative Kupplung von 89 an C-3’ unter Verwendung von Pb(OAc)4. Der Aufbau einer solch sterisch gehinderten, zentralen Achse mit vier ortho-Substituenten wurde zum ersten Mal an Naphthylisochinolin-Alkaloiden erfolgreich durchgeführt. Zusammen mit Jozimin A2 (85) erhielt man sein 3',3''-Atropisomer 3'-epi-85. Parallel dazu wurde Jozimine A3 (93) dargestellt, dessen 6',6''-Zentral-Achse ebenfalls ausgehend von Dioncophyllin A (6) in einer Schlüsselsequenz mittels Ag2O aufgebaut wurde. HPLC-Coelutionsexperimente der synthetisch erhaltenen Verbindungen 3'-epi-85 und 93 zeigten zweifelsfrei, dass die beiden Alkaloide nicht im Rohextrakt der bisher unbestimmten Ancistrocladus-Art, aus welcher Jozimin A2 (85) isoliert wurde, vorhanden waren. Die Biosynthese von 85 erfolgt in der Pflanze offensichtlich mit hoher Spezifität. Die neuen synthetisch hergestellten, dimeren Naphthylisochinolin-Alkaloide 3'-epi-85 und 93 zeigten sehr gute, wenn auch im Vergleich zum natürlichen und semi-synthetisch erhaltenen 85 schwächere, antiplasmodiale Aktivitäten. Desweiteren besitzen die beiden Verbindungen 3'-epi-85 und 93 hohe bzw. moderate Selektivitäts-Indices, welche allerdings weit unter dem Wert von 85 liegen. Nichtsdestotrotz können sie als neue Leitstrukturen betrachtet werden. Im Verlauf der Synthese von Jozimin A2-Derivaten wurden des weiteren die zwei unbekannten Diastereoisomere, Dioncophynon A (94a) and B (94b), synthetisiert. Man erhielt diese in einer Stufe aus Dioncophyllin A (6). Die Strukturen von 94a und 94b zeichneten sich durch einen partiellen Verlust der Aromatizität am Naphthalin-Ring und eine C,C-Doppelbindung an der früheren Biarylachse aus. Die gefundenen Strukturmotive waren bis dahin weder von natürlichen noch von synthetischen Naphthylisochinolinen bekannt. Die vollständige Charakterisierung gelang durch spektroskopische Methoden und quantenchemische CD-Berechnungen (Y. Hemberger). Ein möglicher Mechanismus zur Bildung dieser Moleküle wurde ebenfalls in dieser Arbeit vorgestellt. Darüber hinaus zeigte eine dieser Verbindungen, 94a, eine hohe antiplasmodiale Aktivität (IC50 = 0.09 μM) bei gleichzeitig nur geringer Toxizität und konnte daher als vielversprechende Leitstruktur betrachtet werden. Dagegen war 94b inaktiv, was den signifikanten Effekt stereogener Elemente auf die Bioaktivität unterstrich. Aus einer ganzen Reihe von Naphthylisochinolin-Alkaloiden, die bzgl. ihrer Aktivität gegen das Multiple Myelom getestet wurden, zeigten v.a. drei Verbindungen, nämlich Dioncophyllin A (6), 4'-O-Demethyldioncophyllin A (89) und 5'-O-Demethyldioncophyllin A (90), exzellente Wirksamkeiten und übertrafen dabei sogar die Dioncochinone B (10) und C (102), das Epoxid 175 und die Referenzsubstanz Melphalan. 4) Isolierung der bioaktiven Naphthochinone aus Zellkulturen von Triphyophyllum peltatum. Drei neue Dioncochinone C (102), D (103) und E (104), das für diese Pflanze noch unbekannte 8-Hydroxydroseron (105) und ein neues Naphthalin-Dimer 107 wurden aus Zellkulturen von T. peltatum in Kooperation mit A. Irmer isoliert. Dioncochinon C (102) wies eine ausgezeichnete Aktivität gegen MM-Zellen, ähnlich zu der von Dioncochinon B, auf, wobei jedoch kein inhibierender Effekt auf normale Zellen beobachtet wurde. Die anderen drei Naphthochinone 103105 waren inaktiv oder nur sehr schwach aktiv gegenüber MM-Zellen. 5) Etablierung neuer Strategien für einen Zugang zu den Dioncochinonen B und C im großen Maßstab für In-vivo-Biotests sowie Synthese von Dioncochinon B-Analoga für SAR-Untersuchungen. Vor Beginn dieser Arbeiten zur Synthese von Dioncochinon B (10) existierten bereits zwei, in unserem Arbeitskreis erschlossene, Synthesewege. Die hier beschriebene dritte Möglichkeit zur Darstellung von Dioncochinon B (10) etablierte einen neuen Zugang zu dem gemeinsamen Intermediat 42. Man ortho-deprotonierte zunächst das tertiäre Amid 135 mit sec-BuLiTMEDA, führte anschließend eine Transmetallierung mit MgBr2▪2Et2O durch und setzte das Intermediat mit 2-Methylallylbromid (139) zum ortho-Allylbenzamid 140 um, welches schließlich mit Methyllithium zum Naphthol 42 zyklisiert wurde. Diese Strategie war den beiden früheren Ansätzen hinsichtlich der hohen Ausbeute und der geringen Anzahl an Synthesestufen überlegen. Darauf aufbauend gelang die erste Totalsynthese des bioaktiven Naturstoffes Dioncochinon C (102). Zur Untersuchung der Struktur-Wirkungs-Beziehung und zur Identifizierung des Pharmakophors der antitumoralen Naphthochinone wurden ca. 30 Analoga von Dioncochinon B (10) und C (102) synthetisiert und auf ihre Anti-MM-Wirkung getestet. Unter den zahlreichen dabei untersuchten Derivaten stellte die synthetische Verbindung 7-O-Demethyldioncochinon C (oder 7-O-Hydroxyldioncochinon B) (145) eine weitere vielversprechende Leitstruktur für die Entwicklung neuer Anti-MM-Kandidaten dar. Als besonders bemerkenswert erwiesen sich die antitumoralen Eigenschaften der Verbindungen 10, 102, und 145. Diese besitzen drei Hydroxygruppen an C-3, C-5 und C-6, die für Ihre biologischen Eigenschaften essentiell zu sein scheinen, da alle anderen Strukturen mit einem gemischten OH/OMe-Muster und jene vollständig OMe-substituierten Verbindungen inaktiv waren. Das Expoxid 175, zeigte unter allen natürlich vorkommenden als auch synthetischen Naphthochinonen und deren Derivaten die beste Aktivität gegen das Multiple Myelom. Gleichzeitig wurde keine Toxizität gegenüber normalen Zellen festgestellt. Dies stand im Gegensatz zu anderen Epoxiden, die über recht hohe Toxizitäten verfügten, wenngleich bei sehr guten Anti-MM-Aktivitäten. Umso bemerkenswerter ist die hohe Selektivität von 175 gegenüber Multiple-Myelom-Zellen. Einleitende SAR Studien zu 175 zeigten, dass die O-Me-Gruppe unbedingt erforderlich ist. Dies lässt auf einen von den Naphthochinonen 10, 102 und 145 verschiedenen Wirkmechanismus schließen, da die drei genannten Verbindungen an C-6 eine OH-Funktionalität tragen. 6) Die erste Totalsynthese eines neuen natürlichen Dimers aus T. peltatum, bestehend aus einer Naphthalin- und einer 1,2-Naphthochinon-Einheit. Man isolierte nur in Spuren ein neuartiges Naphthochinon-Naphthalin-Dimer 187a aus Wurzelkulturen von T. peltatum. Die Totalsynthese von 187a sollte deshalb ausreichende Mengen für ausgewählte Biotests verfügbar machen. Den Schlüsselschritt stellte die Kupplung von zwei sterisch sehr stark gehinderten 2-Methylnaphthalin-Ringen mit jeweils zwei ortho-Substituenten dar. Die Kupplung der 2-Methylnaphthylboronsäure -Derivate mit 2-Methylnaphthylbromid führte unter Verwendung des von Buchwald entwickelten Liganden 196, Pd2(dba)3 und geeigneten Lösungsmitteln und Basen zum racemischen Produkt. Die für das oben beschriebene System optimierten Bedingungen wurden auf die beiden genuinen – hoch-oxygenierten – Substrate die 2-Methylnaphthyl boronsäure-Derivate 210, 211, 213, oder 214 und 2-Methylnaphthyliodide (oder -bromide) 215 (206), 215 (206), 212 (205) oder 212 (205) angewandt. Leider führten zahlreiche Versuche unter Erprobung diverser Basen- und Lösungsmittelsysteme nicht zum Erfolg. Eine mögliche Erklärung liegt in der hohen Elektronendichte der beiden Kupplungspartner, die von den zwei bzw. drei Sauerstoffsubstituenten herrührt. Eine alternative Synthesestrategie oder der Einsatz eines leistungsfähigeren Katalysatorsystems muss deshalb zur Totalsynthese von 187a in Erwägung gezogen werden. 7) Phytochemische Untersuchung des marinen Streptomyces-Stammes RV-15 aus Schwämmen. Die vier neuen cyclischen Lipopeptide Cyclodysidin A-D (216219), welche sowohl aus - als auch - Aminosäuren aufgebaut sind, wurden aus RV-15, einem Streptomyces- Stamm, der mit Schwämmen vergesellschaft ist, isoliert. In Zusammenarbeit mit Dr. U. Abdelmohsen identifizierte man deren Struktur als Cyclo-(ß-AFA-Ser-Gln-Asn-Tyr-Asn- Ser-Thr) mithilfe von 2D-NMR-Spektroskopie und CID-MS/MS.
KW  - Ancistrocladus
KW  - dimerer Naphthylisochinolin-Alkaloide
KW  - Naphthochinonen
KW  - Ancistrocladus
KW  - Dimeric Naphthylisoquinoline Alkaloids
KW  - Naphthoquinones
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72734
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wippel, Carolin
T1  - Alterations of brain dendrite and synapse structure by the Streptococcus pneumoniae neurotoxin pneumolysin - Insights and pharmacological modulation
T1  - Morphologische Veränderungen von Dendriten und Synapsen durch das Neurotoxin Pneumolysin - Einblicke und pharmakologischer Ansatz
N2  - Streptococcus pneumoniae (Pneumococcus) is one of the leading causes of childhood meningitis,pneumonia and sepsis. Despite the availability of childhood vaccination programs and antimicrobial agents, childhood pneumococcal meningitis is still a devastating illness with mortality rates among the highest of any cause of bacterial meningitis. Especially in low-income countries, where medical care is less accessible, mortality rates up to 50 % have been reported. In surviving patients, neurological sequelae, including hearing loss, focal neurological deficits and cognitive impairment, is reported in 30 to 50 %. Growing resistance of pneumococci towards conventional antibiotics emphasize the need for effective therapies and development of effective vaccines against Streptococcus pneumoniae. One major virulence factor of Streptococcus pneumoniae is the protein toxin Pneumolysin (PLY). PLY belongs to a family of structurally related toxins, the so-called cholesterol-dependent cytolysins (CDCs). Pneumolysin is produced by almost all clinical isolates of the bacterium. It is expressed during the late log phase of bacterial growth and gets released mainly through spontaneous autolysis of the bacterial cell. After binding to cholesterol in the host cell membranes, oligomerization of up to 50 toxin monomers and rearrangement of the protein structure, PLY forms large pores, leading to cell lysis in higher toxin concentrations. At sub-lytic concentrations, however, PLY mediates several other effects, such as activation of the classic complement pathway and the induction of apoptosis. First experiments with pneumococcal strains, deficient in pneumolysin, showed a reduced virulence of the organism, which emphasizes the contribution of this toxin to the course of bacterial meningitis and the urgent need for the understanding of the multiple mechanisms leading to invasive pneumococcal disease. The aim of this thesis was to shed light on the contribution of pneumolysin to the course of the disease as well as to the mental illness patients are suffering from after recovery from pneumococcal meningitis. Therefore, we firstly investigated the effects of sub-lytic pneumolysin concentrations onto primary mouse neurons, transfected with a GFP construct and imaged with the help of laser scanning confocal microscopy. We discovered two major morphological changes in the dendrites of primary mouse neurons: The formation of focal swellings along the dendrites (so-called varicosities) and the reduction of dendritic spines. To study these effects in a more complex system, closer to the in vivo situation, we established a reproducible method for acute brain slice culturing. With the help of this culturing method, we were able to discover the same morphological changes in dendrites upon challenge with sub-lytic concentrations of pneumolysin. We were able to reverse the seen alterations in dendritic structure with the help of two antagonists of the NMDA receptor, connecting the toxin´s mode of action to a non-physiological stimulation of this subtype of glutamate receptors. The loss of dendritic spines (representing the postsynapse) in our brain slice model could be verified with the help of brain slices from adult mice, suffering from pneumococcal meningitis. By immunohistochemical staining with an antibody against synapsin I, serving as a presynaptic marker, we were able to identify a reduction of synapsin I in the cortex of mice, infected with a pneumococcal strain which is capable of producing pneumolysin. The reduction of synapsin I was higher in these brain slices compared to mice infected with a pneumococcal strain which is not capable of producing pneumolysin, illustrating a clear role for the toxin in the reduction of dendritic spines. The fact that the seen effects weren´t abolished under calcium free conditions clarifies that not only the influx of calcium through the pneumolysin-pore is responsible for the alterations. These findings were further supported by calcium imaging experiments, where an inhibitor of the NMDA receptor was capable of delaying the time point, when the maximum of calcium influx upon PLY challenge was reached. Additionally, we were able to observe the dendritic beadings with the help of immunohistochemistry with an antibody against MAP2, a neuron-specific cytoskeletal protein. These observations also connect pneumolysin´s mode of action to excitotoxicity, as several studies mention the aggregation of MAP2 in dendritic beadings in response to excitotoxic stimuli. All in all, this is the first study connecting pneumolysin to excitotoxic events, which might be a novel chance to tie in other options of treatment for patients suffering from pneumococcal meningitis.
N2  - Streptococcus pneumoniae ist einer der Hauptauslöser für bakterielle Meningitis, Lungenentzündung und Sepsis. Ungeachtet der Tatsache, dass es heutzutage viele Impfprogramme zur Prävention, sowie Antibiotika zur Behandlung gibt, ist die bakterielle Meningitis im Kindesalter, ausgelöst durch S. pneumoniae, immer noch eine ernstzunehmende Krankheit mit Sterberaten von bis zu 50 %. Bei 30 bis 50 % der Patienten, die die Krankheit überstehen, bleiben teilweise schwere neurologische Störungen zurück. Die steigende Resistenz des Erregers gegenüber herkömmlichen Antibiotika macht zudem die Dringlichkeit zur Entwicklung effektiver Therapieansätze deutlich. Ein Hauptpathogenitätsfaktor von Streptococcus pneumoniae ist das Proteintoxin Pneumolysin (PLY). PLY gehört zu einer Familie strukturell verwandter Toxine; die sogenannten cholesterinabhängigen Cytolysine (CDCs). Das Toxin wird hauptsächlich nach spontaner Autolyse des Bakteriums freigesetzt. Nach Bindung des Proteins an das Cholesterin in den Zellmembranen des Wirtsorganismus, Oligomerisierung von bis zu 50 Toxinmonomeren und Umordnung der Proteinstruktur, bildet das Toxin Poren in der Zellmembran, die in höheren Konzentrationen von PLY zur Zelllyse führen. In niedrigeren Konzentrationen löst das Toxin jedoch verschiedene andere Prozesse, darunter Apoptose und Aktivierung des Komplementsystems, aus. Erste Experimente, die mit einem mutierten Pneumokokkenstamm (unfähig, Pneumolysin zu exprimieren) durchgeführt wurden, konnten eine reduzierte Virulez des Erregers zeigen, was die Beteiligung des Toxins am Verlauf der Krankheit verdeutlicht. Ziel vorliegender Arbeit war, die Beteiligung von Pneumolysin sowohl am Verlauf der bakteriellen Meningitis, hervorgerufen durch Pneumolysin, zu erforschen, als auch dessen Beteiligung an der Entstehung von neurologischen Störungen, wie sie auch nach Rehabilitation von einer Meningitis noch bestehen können. Dafür wurden zuerst die Effekte von sublytischen Konzentrationen des Toxins auf primäre Mausneuronen (transfiziert mit GFP und mit Hilfe eines Konfokalmikroskopes aufgenommen) erfasst. Dabei zeigten sich hauptsächlich zwei morphologische Veränderungen in den Dendriten der mikroskopierten Neurone: Die Entstehung von fokalen Schwellungen der Dendriten (sogenannte „varicosities“) sowie eine Verminderung der Anzahl von dendritischen Dornfortsätzen (sogenannte „dendritic spines“). Um diese Effekte in einem komplexeren System näher untersuchen zu können, entwickelten wir eine reproduzierbare Methode um akute Gehirnschnitte über längere Zeit kultivieren zu können. Mithilfe dieser Methode konnten wir die Veränderungen, die wir schon in der Primärkultur beobachteten, ebenso nachweisen. Die Entwicklung der fokalen Schwellungen der Dendriten konnten mithilfe zweier Antagonisten des NMDA Rezeptors rückgängig gemacht werden, wodurch erstmals eine Verbindung der Effekte mit einer Aktivierung von Glutamatrezeptoren aufgezeigt wurde. Die Verminderung der Anzahl dendritischer Dornfortsätze im Gehirnschnittmodell wurde untermauert von den Ergebnissen, die wir durch Gehirnschnitte von Mäusen, die tatsächlich an pneumokokkaler Meningitis erkrankt waren, erlangen konnten. Durch immunohistologische Färbungen mit einem Antikörper gegen Synapsin I (ein präsynaptisches Protein) konnten wir eine Reduktion dieses Proteins im Cortex erkrankter Mäuse nachweisen. Die Tatsache, dass die morphologischen Veränderungen der Dendriten ebenfalls in calciumfreiem Puffer beobachtet werden konnten, macht deutlich, dass nicht nur der Calciuminflux durch die Pneumolysinpore verantwortlich ist für dessen Neurotoxizität. Diese These wird untermauert durch die Ergebnisse, die wir mithilfe der Calciummikroskopie erhielten: Die Applikation eines Antagonisten des NMDA Rezeptors konnte den Zeitpunkt des maximalen Calciuminfluxes in die Zelle nach Behandlung mit Pneumolysin hinauszögern. Zudem konnten wir die Schwellungen in den Dendriten auch durch einen Antikörper gegen MAP2 (ein neuronenspezifisches Protein des Zytoskeletts) darstellen, was ebenfalls eine Verbindung von Pneumolysin zu „excitotoxicity“ (Toxizität aufgrund einer Übererregung von Glutamatrezeptoren) darstellt, da verschiedene Studien die Aggregation von MAP2 in fokalen dendritischen Schwellungen als Reaktion auf die Einwirkung von „excitotoxischen“ Stimuli nachweisen konnten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dies die erste Studie ist, die Pneumolysin in Zusammenhang mit einer Überaktivierung von Glutamatrezeptoren bringt, was eine komplett neue Sichtweise darstellt und eventuell neue Möglichkeiten der Therapie für Patienten, die an dieser Form der bakteriellen Hirnhautentzündung leiden, eröffnet.
KW  - Nervenzelle
KW  - Nervennetz
KW  - Bakterien
KW  - Bakterielle Hirnhautentzündung
KW  - Bakteriengift
KW  - Bacterial meningitis
KW  - Pneumolysin
KW  - Excitotoxicity
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72016
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wech, Tobias
T1  - Compressed Sensing in der funktionellen kardialen Magnetresonanztomographie
T1  - Compressed sensing in functional cardiac magnetic resonance imaging
N2  - Die MRT des Herzens wird aufgrund hoher Reproduzierbarkeit und geringer Variabilität als Referenzstandard für die Bestimmung der kardialen Funktion betrachtet. Auch in der präklinischen Forschung bietet die MRT eine ausgezeichnete Charakterisierung der kardialen Funktion und ermöglicht eine exzellente Analyse modellierter Krankheitsbilder. In beiden Fällen besteht jedoch weiterhin Optimierungsbedarf. Die klinische Herz-MRT stellt ein aufwendiges Verfahren mit relativ langer Messzeit dar und ist dadurch mit hohen Untersuchungskosten verbunden. In der präklinischen Kleintierbildgebung müssen zum Erreichen der notwendigen höheren Orts- und Zeitauflösung ebenfalls lange Aufnahmezeiten in Kauf genommen werden. Um die kardiale MRT dort routinemäßig in großen Studienkollektiven anwenden zu können, ist eine schnellere Bildgebung essentiell. Neben einer Verbesserung der Tomographen-Hardware und der Optimierung von Bildgebungssequenzen standen im letzten Jahrzehnt vermehrt informationstheoretische Ansätze zur Beschleunigung der MR-Datenakquisition im Fokus der Entwicklung. Während zu Beginn des Jahrtausends die Parallele Bildgebung (PI) einen Forschungsschwerpunkt repräsentierte, spielte sich in den letzten fünf Jahren vermehrt die von Donoho und Candès eingeführte Compressed Sensing (CS) Theorie in den Vordergrund. Diese ermöglicht eine Signalrekonstruktion aus unvollständig gemessenen Koeffizienten einer linearen Messung (z.B. Fouriermessung) unter Ausnutzung der Sparsität des Signals in einer beliebigen Transformationsbasis. Da sich die MRT hervorragend für den Einsatz von CS eignet, wurde die Technik in der Forschung bereits vielfach angewendet. Die zur Rekonstruktion unterabgetasteter Aufnahmen nötigen CS-Algorithmen haben jedoch eine signifikante Veränderung des Bildgebungsprozesses der MRT zur Folge. Konnte dieser zuvor in guter Näherung als linear und stationär betrachtet werden, so repräsentiert die CS-Rekonstruktion eine nichtlineare und nichtstationäre Transformation. Objektinformation wird nicht mehr ortsunabhängig und proportional zur Intensität in die Abbildung transportiert. Das Bild ist viel mehr das Ergebnis eines Optimierungsprozesses, der sowohl die Konsistenz gegenüber der unterabgetasteten Messung als auch die Sparsität des Signals maximiert. Der erste Teil dieser Dissertation beschreibt eine Methode, die eine objektive Einschätzung der Bildqualität CS-rekonstruierter MR-Bilder ermöglicht. Die CS-Beschleunigung verspricht eine Verkürzung der Messzeit ohne Verlust an Bildqualität, wobei letztere bisher größtenteils qualitativ bzw. quantitativ nur unzureichend beurteilt wurde. Konnte der Bildgebungsprozess der klassischen MRT (linear und stationär) durch die Bestimmung einer Punktspreizfunktion (PSF) robust und effektiv validiert und optimiert werden, erlauben die CS-Algorithmen aufgrund ihres nichtlinearen und nichtstationären Verhaltens ohne Weiteres keine äquivalente Analyse. Um dennoch eine entsprechende Evaluierung des CS-Bildgebungsprozesses zu ermöglichen, wurde die Anwendung einer lokalen Punktspreizfunktion (LPSF) für den in der Folge verwendeten Iterative Soft Thresholding Algorithmus untersucht. Die LPSF berücksichtigt die Ortsabhängigkeit der CS-Rekonstruktion und muss daher für jeden Ort (Pixel) eines Bildes bestimmt werden. Darüber hinaus wurde die LPSF im linearen Bereich der CS-Transformation ermittelt. Dazu wurde das zu bewertende Bild nach Anwenden einer kleinen lokalen Störung rekonstruiert. Die Breite des Hauptmaximums der LPSF wurde schließlich verwendet, um ortsaufgelöste Auflösungsstudien durchzuführen. Es wurde sowohl der Einfluss typischer Unterabtastschemata für CS als auch der Einsatz diskreter Gradienten zur Sparsifizierung eines Phantombildes untersucht. Anschließend wurde die Prozedur zur Bestimmung der räumlichen und zeitlichen Auflösung in der Herzbildgebung getestet. In allen Beispielen ermöglichte das vorgeschlagene Verfahren eine solide und objektive Analyse der Bildauflösung CS-rekonstruierter Aufnahmen. Wurde zuvor meist ausschließlich auf Vergleiche mit einer vollständig abgetasteten Referenz zur Qualitätsbeurteilung zurückgegriffen, so stellt die vorgestellte Auflösungsbestimmung einen Schritt in Richtung einer standardisierten Bildanalyse bei der Verwendung der Beschleunigung mittels CS dar. Die Analyse der Abtastmuster zeigte, dass auch bei der Anwendung von CS die Berücksichtigung der nominell höchsten Frequenzen k_max unerlässlich ist. Frühere Publikationen schlagen Abtastfolgen mit einer teils starken Gewichtung der Messpunkte zum k-Raum-Zentrum hin vor. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit relativieren ein derartiges Vorgehen, da zumindest bei den durchgeführten Untersuchungen ein Auflösungsverlust bei analoger Vorgehensweise zu verzeichnen war. Ebenso zeigten sich dynamische Aufnahmen, die unter Verwendung des x-f-Raums als sparse Basis rekonstruiert wurden, durchaus anfällig für zeitliches Blurring. Dieses resultiert aus der Unterdrückung hoher zeitlicher Frequenzen und konnte durch die ortsaufgelösten Auflösungskarten sichtbar gemacht werden. Neben der Auflösung ist für eine umfassende Analyse der Bildqualität auch die Untersuchung potentieller Aliasing-Artefakte sowie des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (SNR) notwendig. Während Aliasing mit Hilfe der Einträge der LPSF außerhalb des Hauptmaximums untersucht werden kann, wurde in Kap. 5 eine Modifikation der Multi-Replika-Methode von Robson et al. zur Rauschanalyse bei Verwendung nichtlinearer Algorithmen vorgestellt. Unter Einbeziehung aller genannten Qualitätsparameter ist eine robuste Bewertung der Bildqualität auch bei einer Verwendung von CS möglich. Die differenzierte Evaluierung ebnet den Weg hin zu einem objektiven Vergleich neuer Entwicklungen mit bisherigen Standard-Techniken und kann dadurch den Einzug von CS in die klinische Anwendung vorantreiben. Nach den theoretischen Betrachtungen der Bildqualität behandelt die Dissertation die erstmalige Anwendung von CS zur Beschleunigung der funktionellen Herzdiagnostik in der präklinischen MR-Kleintierbildgebung. Diese Studien wurden in Zusammenarbeit mit der British Heart Foundation Experimental Magnetic Resonance Unit (BMRU) der University of Oxford durchgeführt. Die Algorithmen für eine Beschleunigung mittels der CS-Theorie wurden anhand der dort am 9,4T Tomographen gemessenen (unterabgetasteten) Datensätze entwickelt und optimiert. Zunächst wurde eine Beschleunigung ausschließlich mittels CS untersucht. Dazu wurde die segmentierte, EKG- und Atemgetriggerte kartesische Cine-Aufnahme in Phasenkodierrichtung unterabgetastet und mittels CS rekonstruiert. Die sparse Darstellung wurde durch Ermitteln zeitlicher Differenzbilder für jede Herzphase erhalten. Durch Variation der Abtastmuster in der zeitlichen Dimension konnte ein vollständig abgetastetes zeitliches Mittelbild bestimmt werden, das anschließend von jedem einzelnen Herzphasenbild subtrahiert wurde. In einer Validierungsphase wurden an der Maus vollständig aufgenommene Cine-Akquisitionen retrospektiv unterabgetastet, um die maximal mögliche Beschleunigung mittels CS zu ermitteln. Es wurden u.a. funktionelle Herz-Parameter für jede Gruppe des jeweiligen Beschleunigungsfaktors bestimmt und mittels einer statistischen Analyse verglichen. Die Gesamtheit aller Ergebnisse zeigte die Möglichkeit einer dreifachen Beschleunigung ohne eine Degradierung der Genauigkeit der Methode auf. Die ermittelte Maximalbeschleunigung wurde in einer unterabgetastet gemessenen Bilderserie mit anschließender CS-Rekonstruktion validiert. Die Abtastschemata wurden dazu mit Hilfe der Transformations-Punktspreizfunktion weiter optimiert. In einer Erweiterung der Studie wurde zum Zweck einer noch höheren Beschleunigung die CS-Technik mit der PI kombiniert. Erneut fand eine Unterabtastung der Phasenkodierrichtung einer kartesischen Trajektorie statt. Die Messungen erfolgten mit einer 8-Kanal-Mäusespule an einem 9,4T Tomographen. Um das Potential beider Beschleunigungstechniken auszunutzen, wurden die Methoden CS und PI in serieller Weise implementiert. Für die PI-Beschleunigung wurde der vollständig abgetastete k-Raum zunächst gleichmäßig unterabgetastet. Auf dem resultierenden Untergitter wurde zusätzlich eine Unterabtastung nach Pseudo-Zufallszahlen durchgeführt, um eine Beschleunigung mittels CS zu ermöglichen. Die entwickelte Rekonstruktion erfolgte ebenfalls seriell. Zunächst wurde mittels CS das äquidistante Untergitter rekonstruiert, um anschließend mittels GRAPPA die noch fehlenden Daten zu berechnen. Um eine zusätzliche Messung zur Kalibrierung der GRAPPA-Faktoren zu umgehen, wurde das äquidistant unterabgetastete Untergitter von Herzphase zu Herzphase um je einen Phasenkodierschritt weitergeschoben. Dieses Vorgehen erlaubt die Ermittlung eines vollständig abgetasteten k-Raums mit einer geringeren zeitlichen Auflösung, der die notwendige Bestimmung der Wichtungsfaktoren ermöglicht. Folgende Kombinationen von Beschleunigungsfaktoren wurden mittels retrospektiver Unterabtastung eines vollständig aufgenommenen Datensatzes untersucht: R_CS x R_PI = 2 x 2, 2 x 3, 3 x 2 und 3 x 3. Die Analyse des Bildrauschens, des systematischen Fehlers und der Auflösung führte zu dem Schluss, dass eine sechsfache Beschleunigung mit Hilfe der hybriden Rekonstruktionstechnik möglich ist. Während mit steigender CS-Beschleunigung der systematische Fehler leicht anstieg, führte ein höherer PI-Beschleunigungsfaktor zu einer leichten Verstärkung des statistischen Fehlers. Der statistische Fehler zeigte jedoch ebenfalls eine Verringerung bei steigender Beschleunigung mittels CS. Die Fehler waren allerdings stets auf einem Niveau, das durchaus auch Beschleunigungen bis R_CS x R_PI =3 x 3 zulässt. Die LPSF-Analyse zeigte einen Verlust der räumlichen Auflösung von ca. 50 % bei R=6 sowie einen mittleren Verlust von 64 % bei R=9. Offensichtlich ging die ebenfalls beobachtete Minimierung des Bildrauschens durch den CS-Algorithmus im Falle der relativ stark verrauschten Kleintieraufnahmen zu Lasten der Bildauflösung. Die mit zunehmender Beschleunigung stärker geblurrten Grenzen zwischen Blutpool und Myokardgewebe erschweren die Segmentierung und stellen eine mögliche Fehlerquelle dar. Unter Beachtung aller Ergebnisse ist eine sechsfache Beschleunigung (R_CS x R_PI = 2 x 3, 3 x 2) vertretbar. Die Hinzunahme der PI ermöglicht somit im Vergleich zur alleinigen Verwendung von CS eine weitere Beschleunigung um einen Faktor von zwei. Zusammenfassend ermöglicht der Einsatz von CS in der präklinischen funktionellen Herzbildgebung am Kleintier eine deutliche Reduktion der Messzeit. Bereits ohne Vorhandensein von Mehrkanalspulen kann die notwendige Datenmenge ohne signifikante Beeinflussung der Messergebnisse auf ein Drittel reduziert werden. Ist der Einsatz von Spulenarrays möglich, kann die mit PI mögliche dreifache Beschleunigung um einen weiteren Faktor zwei mittels CS auf R=6 erweitert werden. Dementsprechend kann CS einen wesentlichen Beitrag dazu leisten, dass das Potential Herz-MRT am Kleintier in großen Studienkollektiven effektiver abgerufen werden kann. Im letzten Teil der Arbeit wurde eine Technik für die funktionelle klinische MR-Herzbildgebung entwickelt. Hier wurde eine Beschleunigung mittels CS verwendet, um die Aufnahme des gesamten Herzens innerhalb eines Atemstillstandes des Patienten zu ermöglichen. Bei der derzeitigen Standardmethode werden üblicherweise 10-15 2D-Schichten des Herzens akquiriert, wobei jede einzelne Aufnahme einen Atemstillstand des Patienten erfordert. Für die notwendige Beschleunigung wurde eine unterabgetastete 3D-Trajektorie verwendet. Durch Phasenkodierung einer Richtung sowie radiale Projektionen in den beiden anderen Dimensionen konnte eine effiziente Aufnahme unterhalb des Nyquist-Kriteriums erreicht werden. Die Sparsifizierung erfolgte, wie bereits in der beschriebenen präklinischen Anwendung, durch die Subtraktion eines zeitlichen Mittelbildes. In einer Simulation anhand eines retrospektiv unterabgetasteten Datensatzes konnte die theoretische Funktionalität der Rekonstruktionstechnik bei einer Beschleunigung bezüglich der Nyquist-Abtastung von R ~ 10 validiert werden. Die Unterschiede zum vollständig abgetasteten Datensatz waren vernachlässigbar klein, so dass die vorgeschlagene Abtastfolge am Tomographen implementiert wurde. Mit dieser Sequenz wurde anschließend eine funktionelle Bilderserie an einem gesunden Probanden mit vollständiger Herzabdeckung innerhalb eines Atemstopps aufgenommen. Fehlende Daten wurden analog zur Simulation mit Hilfe des vorgeschlagenen Algorithmus rekonstruiert. Im Vergleich zur Simulation ergaben sich aufgrund des Schichtprofils der 3D-Slab-Anregung zusätzliche Aliasing-Artefakte in den äußeren Partitionen. Die für radiale Aufnahmen typischen Streifenartefakte waren im rekonstruierten Bild, wenn auch mit sehr geringer Amplitude, noch erkennbar. Davon abgesehen wurde die Dynamik jedoch über das gesamte Herz hinweg gut dargestellt. Der hohe Kontrast zwischen Myokard und Blutpool bescheinigt den Bildern eine hervorragende Eignung für die Bestimmung funktioneller Herzparameter mittels einer Segmentierung. Zusammengefasst erlaubt die entwickelte Methode aufgrund der drastischen Reduktion der notwendigen Atemstopps des Patienten einen deutlich erhöhten Patientenkomfort sowie einen schnelleren Durchsatz aufgrund der verkürzten Messzeit.
N2  - Because of its high reproducibility and its low variability, magnetic resonance imaging (MRI) of the heart is considered the gold-standard for assessing the cardiac function. In preclinical research, magnetic resonance imaging equally provides an accurate characterization of the cardiac function and enables an excellent analysis of modeled diseases. However, there is still a need for improvement in both applications. Clinical cardiac MRI represents a sophisticated procedure featuring long scan times. This renders the examination comparatively expensive. In preclinical imaging of small animals, long scan times have to be accepted to obtain the required high spatial and temporal resolution. Fast imaging is thus essential for an effective application of cardiac MRI in large collectives. Besides the improvement of the scanner hardware and the optimization of imaging sequences, research in the last decade concentrated on procedures to accelerate MR-data acquisition by exploiting information theory. While numerous publications were associated with parallel imaging (PI) at the beginning of this millennium, the compressed sensing theory (CS) recently gained more and more interest. The latter technique enables the reconstruction of signals from undersampled linear measurements (e.g. the Fourier basis) by exploiting the sparsity of the signal in any known transform domain. As MRI is perfectly qualified for an application of CS, a lot of publications already report on dedicated research. However, the algorithms needed for the reconstruction of undersampled data significantly alter the imaging process of MRI. Classical MRI could be assumed to be linear and stationary in a sufficiently good approximation. The introduction of CS into MRI means a change towards a non-linear and non-stationary transformation. Object information is no longer transferred into an image independently from its location and proportional to its intensity. The image is rather the result of an optimization process maximizing both the fidelity to measured data as well as the sparsity of the signal. The first chapter of this thesis describes a method to objectively evaluate the image quality of MR images reconstructed by CS algorithms. The acceleration with CS promises a reduction of scan time while preserving the image quality. The latter, however, has only been assessed qualitatively or in an insufficient quantitative manner. While classical (linear and stationary) MRI could be validated robustly and effectively by determining a point spread function (PSF), CS algorithms prohibit a corresponding analysis in an analogous manner due to their non-linear and non-stationary behavior. Therefore, the application of a local point spread function (LPSF) was investigated for the iterative soft thresholding (IST) algorithm used in this thesis, to enable a comparative evaluation for imaging systems including CS. The LPSF considers the local dependency of the CS algorithm and thus has to be determined in every location (pixel) of an image. In addition, the LPSF was defined in the linear part of the CS transformation. Small local perturbation on the image to be evaluated were reconstructed for this purpose. The width of the main lobe of the LPSF was used to perform spatially resolved studies on the resolution. The influence of typical undersampling schemes for CS as well as the usage of a discrete gradient transform for a further sparsification were investigated. Subsequently, the procedure was used to assess the spatial and temporal resolution in cardiac MRI. For all CS reconstructions performed in this work, the method allowed a solid and objective analysis of the image resolution. While up to now, comparisons to a fully sampled reference are widely used for a quality assessment, the proposed resolution evaluation represents a step towards a standardized analysis of images obtained by exploiting CS acceleration. The study on sampling schemes revealed, that also for CS accelerated acquisitions, the highest frequencies of the desired k-space have to be included. Former publications proposed undersampling patterns which partly featured a strong weight towards the center of k-space. The results of this thesis put these findings into perspective, as a loss in resolution has been observed for according approaches, at least for the simulations performed in this work. The dynamic acquisitions which were reconstructed exploiting x-f-sparsity proved to be prone to temporal blurring. This is substantiated by the suppression of high temporal frequencies and was analyzed by means of spatially resolved maps. Besides the resolution, an investigation of potential aliasing artifacts as well as the signal-to-noise-ratio (SNR) is essential for a comprehensive quality evaluation. While aliasing may also be investigated by means of the entries of the LPSF outside the main lobe, a modification of the multi-replica method proposed by Robson et al. was presented in chapter 5 to analyze the noise in CS reconstructed images. Taking into account all quality parameters, a robust evaluation of image quality is possible, even when CS is included in the imaging process. This allows a more objective comparison between new developments and present standard procedures and thus may aid the introduction of CS in clinical imaging. After the theoretical analysis on image quality, the next part of this thesis reports on the first application of CS to accelerate functional cardiac MRI of small animals. The studies were performed in cooperation with the British Heart Foundation Experimental Magnetic Resonance Unit (BMRU) of the University of Oxford. The algorithms needed for the CS acceleration were developed and optimized by means of the data acquired by the BMRU at their 9,4 T scanner.\\ An acceleration solely based on CS was investigated first. For this purpose, an ECG- and respiratory gated Cartesian cine acquisition was undersampled in phase encoding direction and reconstructed using CS. The dynamic time series was sparsified by determining temporal difference images for every time frame. A fully sampled temporal average image was obtained by varying the sampling pattern in the temporal dimension. Subsequently, this average image was subtracted from the images of individual heart phases, yielding the sparse temporal difference images. In the validation stage of the study, fully sampled cine acquisitions of mouse hearts were retrospectively undersampled in order to figure out the maximum possible CS acceleration. Cardiac functional parameters were determined for each group of a certain undersampling factor and compared by a statistical analysis. It was shown that a three-fold acceleration is possible without any degradation in the accuracy of the method. This undersampling factor was then validated in an accelerated measurement with a subsequent CS reconstruction. For this purpose, the sampling patterns were further optimized using the transform point spread function. In the subsequent chapter, the CS theory was combined with PI to further increase the acceleration. Again, the phase encoding direction of a Cartesian trajectory was undersampled. The acquisitions were performed using a 9,4 T scanner equipped with an 8 channel mouse coil. In order to exploit the potential of both techniques, CS and PI were combined in a serial manner. First, the k-space was equidistantly undersampled to enable the application of PI. An additional undersampling according to pseudo random numbers was then performed on the resulting sub-grid to allow an acceleration by CS. In consequence, the reconstruction was performed in a serial manner, too. CS was first applied to reconstruct the equidistantly undersampled sub-grid. GRAPPA was used subsequently to compute the still missing data. The equidistantly undersampled sub-grid was shifted from heart phase to heart phase in order to obtain a fully sampled low temporal resolution k-space for a calibration of the GRAPPA-weights. This procedure spares the acquisition time of a separate calibration scan. The following combinations were investigated by retrospectively undersampling a fully sampled cine dataset: R_CS x R_PI = 2 x 2, 2 x 3, 3 x 2 and 3 x 3. The analysis of the noise behavior, the systematic error and the resolution leads to the conclusion that a six-fold acceleration is possible using the proposed hybrid technique. While an increasing factor of the CS acceleration resulted in a slightly larger systematic error, a higher PI acceleration factor led to a slight noise enhancement. However, noise was suppressed for increasing CS acceleration at the same time. In summary, the deviations were at a level which allowed accelerations of up to R_CS x R_PI = 3 x 3. The determination of LPSFs showed a loss in spatial resolution of approximately 50% for a six-fold and up to 64% for nine-fold acceleration. Obviously, the observed suppression of noise was paid by a reduced image resolution for the comparatively noisy acquisitions in small animals. The increased blurring at the endocardial border impedes the segmentation and represents a possible source of error. Taking into consideration all results, a six-fold acceleration (R_CS x R_PI = 2 x 3, 3 x 2) seems reasonable. The additional usage of PI thus enables a further acceleration by a factor of 2 in comparison to an exclusive application of CS. In summary, CS enables a distinct reduction of scan time in preclinical functional cardiac MRI of small animals. Even if no phased-array-coils are available, the necessary amount of data can be reduced to one third without impairing the accuracy of left-ventricular volumes and mass measurements. For acquisitions performed with phased-array-coils, the three-fold acceleration by PI can be extended by an additional two-fold CS acceleration to a joint factor of R=6. Therefore, CS may contribute to an effective application of cardiac MRI in small animals for large collectives. In the last part of the thesis, a modality for clinical functional MRI of the heart was developed. CS was used to enable the acquisition of the whole heart in a single breath-hold of the patient. The current method of choice usually acquires 10-15 2D-slices of the heart, while each measurement requires a separate breath-hold. An undersampled 3D-trajectory was used to reach the necessary acceleration. Phase-encoding in one direction and radial projections in the two remaining ones allowed for an effective acquisition below the Nyquist-criterion. The sparsification of the image series was achieved by subtracting a temporal average image as performed for the preclinical studies. The functionality of the reconstruction technique at an acceleration factor of R ~ 10 was validated in a simulation based on a retrospectively undersampled dataset. The differences between the CS reconstructed and the fully sampled dataset were negligible and thus, the proposed trajectory was implemented at the scanner. An image series depicting the cardiac function with coverage of the full heart was acquired in a single breath-hold of a healthy volunteer using this sequence. Data not covered by the trajectory were reconstructed by the algorithm developed in the validation stage. Due to the slice profile of the fast excitation pulses, additional aliasing artifacts were present in the outer partitions with respect to the images obtained in the simulation. Streaking artifacts of a low intensity were still visible. Apart from that, the dynamics of the heart were excellently captured. The high contrast between the blood pool and the myocardium perfectly qualifies the images for the assessment of cardiac functional parameters. Therefore, the method allows for a higher patient comfort and throughput compared to the gold standard by drastically reducing the amount of necessary breath-holds to a single one.
KW  - Kernspintomografie
KW  - Magnetresonanztomographie
KW  - Kardiale MR-Bildgebung
KW  - Compressed Sensing
KW  - magnetic resonance imaging
KW  - cardiac magnetic resonance imaging
KW  - compressed sensing
KW  - Signalregenerierung
KW  - NMR-Tomographie
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-77179
ER  - 
TY  - THES
A1  - Waider, Jonas
T1  - The effects of serotonin deficiency in mice: Focus on the GABAergic system
T1  - Die Effekte einer Serotonindefizienz in der Maus: Das GABAerge System im Blickpunkt
N2  - Based on genetic association and functional imaging studies, reduced function of tryptophan hydroxylase-2 (TPH2) has been shown to be critically involved in the pathophysiology of anxiety-disorders and depression. In order to elucidate the impact of a complete neuronal 5-HT deficiency, mice with a targeted inactivation of the gene encoding Tph2 were generated. Interestingly, survival of Tph2-/- mice, the formation of serotonergic neurons and the pathfinding of their projections was not impaired. Within this thesis, I investigated the influence of 5-HT deficiency on the γ-amino butyric acid (GABA) system. The GABAergic system is implicated in the pathophysiology of anxiety disorders. Therefore, measurement of GABA concentrations in different limbic brain regions was carried out. These measurements were combined with immunohistochemical estimation of GABAergic cell subpopulations in the dorsal hippocampus and amygdala. In Tph2-/- mice GABA concentrations were increased exclusively in the dorsal hippocampus. In heterozygous Tph2+/- mice concentrations of GABA were increased in the amygdala compared to Tph2-/- and wt control mice, while the reverse was found in the prefrontal cortex. The changes in GABA concentrations were accompanied by altered cell density of GABAergic neurons within the basolateral complex of the amygdala and parvalbumin (PV) neurons of the dorsal hippocampus and by adaptational changes of 5-HT receptors. Thus, adaptive changes during the development on the GABA system may reflect altered anxiety-like and depressive-like behavior in adulthood. Moreover, chronic mild stress (CMS) rescues the depressive-like effects induced by 5-HT deficiency. In contrast, 5-HT is important in mediating an increased innate anxiety-like behavior under CMS conditions. This is in line with a proposed dual role of 5-HT acting through different mechanisms on anxiety and depressive-like behavior, which is influenced by gene-environment interaction effects. Further research is needed to disentangle these complex networks in the future.
N2  - Genomweite Assoziationsstudien in Kombination mit bildgebenden Studien zeigten, dass eine verringerte Funktion der Tryptophanhydroxylase-2 (Tph2) eine zentrale Rolle in der Pathophysiologie von Angststörungen und Depression spielt. Jedoch sind die einer Angststörung oder Depression zugrundeliegenden genauen Mechanismen noch nicht verstanden. Um den Einfluss einer 5-HT Defizienz zu untersuchen, wurden Tph2 ablatierte (Tph2-/-) Mäuse mittels zielgerichteter Mutagenese generiert. Der Verlust des Tph2 Gens hatte interessanterweise keinen Einfluss auf die Entwicklung vormals serotonerger Neurone und das Überleben der Tiere. In vorherigen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass 5-HT das GABAerge System, welches in der Pathophysiologie von Angststörungen eine zentrale Rolle spielt, in seiner Entwicklung beeinflusst. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit in verschiedenen Gehirnregionen des limbischen Systems Konzentrationen von GABA gemessen. Außerdem wurden mittels immunhistologischer Untersuchungen die Auswirkungen einer 5-HT Defizienz auf GABAerge Neuronenpopulationen hin untersucht. In Tph2-/- Mäusen wurden erhöhte Konzentrationen im Vergleich zu Tph2+/- und wt Kontrollen von GABA im Hippocampus festgestellt. In der Amygdala zeigten die Tph2+/- Mäuse dagegen eine erhöhte Konzentration von GABA. Dieser Effekt auf Tph2+/- Mäuse war umgekehrt im PFC Kortex zu finden, der erniedrigte GABA Konzentrationen in Tph2+/- aufwies. Die Veränderungen auf der neurochemischen Ebene wurden begleitet von veränderten GABAergen Zelldichten im basolateralen Komplex der Amygdala und parvalbuminergen GABAergen Neuronen in der CA3 Region des dorsalen hippocampus. Zudem waren 5-HT1A Rezeptoren und ihre Signalwege hochreguliert. Es scheint, dass der Verlust von 5-HT adaptive Veränderungen in der Entwicklung auf das GABAerge System zur Folge hat und die Basis für verändertes angstähnliches und depressionsähnliches Verhalten im Erwachsenenalter darstellt. Zusätzlich scheint eine 5-HT Defizienz den depressiven Phänotyp im Porsolt Test auszugleichen. Demgegenüber scheint 5-HT wichtig für ein erhöhtes angstähnliches Verhalten unter CMS Bedingungen zu sein. Dies unterstützt die Hypothese einer Doppelrolle von 5-HT innerhalb von Signalwegen und Mechanismen des angst- und depressionsähnlichem Verhalten, die durch Umweltfaktoren wie Stress stark beeinflusst werden. Um den Patienten noch besser helfen zu können erfordert dies in der Zukunft weiterhin eine fundierte Entschlüsselung der dahinter verborgenen Mechanismen.
KW  - Knockout <Molekulargenetik>
KW  - Serotonin
KW  - Maus
KW  - Knockout-Maus
KW  - GABA
KW  - serotonin deficiency
KW  - GABA
KW  - knockout-mice
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-74565
ER  - 
TY  - THES
A1  - Tyagi, Anu
T1  - Role of SWI/SNF in regulating pre-mRNA processing in Drosophila melanogaster
T1  - Funktion von SWI/SNF in der Regulation der prämRNA-Prozessierung in Drosophila melanogaster
N2  - ATP dependent chromatin remodeling complexes are multifactorial complexes that utilize the energy of ATP to rearrange the chromatin structure. The changes in chromatin structure lead to either increased or decreased DNA accessibility. SWI/SNF is one of such complex. The SWI/SNF complex is involved in both transcription activation and transcription repression. The ATPase subunit of SWI/SNF is called SWI2/SNF2 in yeast and Brahma, Brm, in Drosophila melanogaster. In mammals there are two paralogs of the ATPase subunit, Brm and Brg1. Recent studies have shown that the human Brm is involved in the regulation of alternative splicing. The aim of this study was to investigate the role of Brm in pre-mRNA processing. The model systems used were Chironomus tentans, well suited for in situ studies and D. melanogaster, known for its full genome information. Immunofluorescent staining of the polytene chromosome indicated that Brm protein of C. tentans, ctBrm, is associated with several gene loci including the Balbiani ring (BR) puffs. Mapping the distribution of ctBrm along the BR genes by both immuno-electron microscopy and chromatin immunoprecipitation showed that ctBrm is widely distributed along the BR genes. The results also show that a fraction of ctBrm is associated with the nascent BR pre-mRNP. Biochemical fractionation experiments confirmed the association of Brm with the RNP fractions, not only in C. tentans but also in D. melanogaster and in HeLa cells. Microarray hybridization experiments performed on S2 cells depleted of either dBrm or other SWI/SNF subunits show that Brm affects alternative splicing and 3´ end formation. These results indicated that BRM affects pre-mRNA processing as a component of SWI/SNF complexes. 1
N2  - ATP abhängige Chromatin Remodelling Komplexe bestehen aus diversen Faktoren, welche die bei der Umsetzung von ATP freiwerdende Energie dazu nutzen, die Chromatinstruktur neu zu ordnen. Diese Veränderungen führen zu einer Zu- bzw. Abnahme in der Zugänglichkeit der DNA. Ein Beispiel dafür ist der SWI/SNF-Komplex, der sowohl in die Aktivierung als auch die Inhibierung der Transkription involviert ist. Die ATPase-Untereinheit von SWI/SNF heißt in Hefe SWI2/SNF2 und in Drosophila melanogaster Brahma (Brm). Im Gegensatz dazu besitzen Säuger zwei Paraloge der ATPase-Einheit, nämlich Brm und Brg1. Neueste Studien haben gezeigt, dass das humane Brm in der Regulation des Alternativen Spleißen beteiligt ist. Ziel dieser Arbeit ist es, die Rolle von Brm in der prä-mRNA-Prozessierung zu untersuchen. Als Versuchssysteme wurden Chironomus tentans und D. melanogaster herangezogen. Dabei eignete sich C. tentans vor allem für die in situ Studien während bei D. melanogaster das vollständig sequenzierte Genom von Vorteil war. Immunfluoreszenzfärbungen von Polytän-Chromosomen zeigen eine Assoziation von Brm von C. tentans, ctBrm; mit unterschiedlichen Genloci, einschließlich der Balbiani-Ringe (BR). Mit Hilfe von Immun-Elektronenmikroskopie und Chromatin-Immunpräzipitation (ChIP) wird die Verteilung von ctBrm entlang der BR-Gene untersucht. Dabei zeigt ctBrm eine weite Streuung. Die Ergebnisse lassen außerdem darauf schließen, dass ein Teil des ctBrm-Proteins mit naszierenden BRprä- mRNPs interagiert. Biochemische Fraktionierungs-experimente bestätigen die Assoziation von Brm mit RNP-Fraktionen nicht nur in C. tentans, sondern auch in D. melanogaster und in HeLa-Zellen. Microarray-Untersuchungen in S2-Zellen, in denen entweder dBrm oder eine andere Untereinheit von SWI/SNF depletiert war, zeigen, dass BRM als eine Komponente des SWI/SNF-Komplexes sowohl Alternatives Spleißen und die Formierung des 3´ Endes, als auch die prä-mRNA-Prozessierung beeinflusst.
KW  - Taufliege
KW  - Messenger-RNS
KW  - Prozessierung
KW  - SWI/SNF
KW  - mRNA processing
KW  - SWI/SNF
KW  - mRNA processing
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72253
ER  - 
TY  - THES
A1  - Troge, Anja
T1  - Studien am Flagellensystem des Escherichia coli Stammes Nissle 1917 (EcN) im Hinblick auf seine Funktion als Probiotikum
T1  - Studies on the flagellar system of Escherichia coli Nissle 1917 (EcN) with regard to its function as a probiotic
N2  - Escherichia coli Nissle 1917 (EcN) gehört zu den am besten untersuchten und charakterisierten probiotischen Bakterienstämmen. Seit Beginn des letzten Jahrhunderts wird er als Medikament eingesetzt, um verschiedene Darmerkrankungen wie z.B. Diarrhöe, entzündliche Darmerkrankungen und Verstopfung zu behandeln. Die Flagelle des EcN vermittelt Beweglichkeit und kann die Produktion von humanem β-Defensin 2 (hBD2) durch Epithelzellen induzieren. Somit ist dieses Organell direkt in die probiotische Funktion des EcN involviert. Es konnte gezeigt werden, dass die Flagellen anderer Bakterien, wie z.B. dem probiotischen Stamm Bacillus cereus CH oder den pathogenen Stämmen Pseudomonas aeruginosa und Clostridium difficile, die Adhäsion an intestinalen Mucus, welcher von Epithelzellen sekretiert wird, vermitteln. Allerdings blieb unklar, welcher Teil der Flagelle an welche Mucuskomponente bindet. Die Fähigkeit effizient an Wirtgewebe zu adhärieren wird als wichtiges Attribut eines probiotischen Stammes angesehen. Ex vivo Adhäsionsstudien mit Kryoschnitten humaner Darmbiopsien haben gezeigt, dass die Flagelle des EcN in die effiziente Adhäsion an humanes Darmgewebe involviert sein muss. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit die Funktion der Flagelle des EcN als Adhäsin untersucht. Zunächst wurde die hyperflagellierte Variante EcN ATHF isoliert und durch verschiedene Experimente, z.B. Schwärmagartests und Elektronenmikroskopie, charakterisiert. Weitere ex vivo Adhäsionsstudien mit EcN ATHF zeigten eine höhere Adhäsionseffizienz dieser hyperflagellierten Variante und bestätigten damit die Rolle der Flagelle bei der effizienten Adhäsion von EcN an die Kryoschnitte der humanen Darmbiopsien. Interessanterweise fungierte die Flagelle in in vitro Studien mit den humanen Epithelzellen Caco-2 und T24 nicht als Adhäsin. Diese Unterschiede zwischen den in vitro und ex vivo Studien führten zu der Annahme, dass die Flagelle des EcN in vivo die Adhäsion an Mucus vermittelt, welcher von den Caco-2- und T24-Zellen nicht produziert wird, aber in den Kryoschnitten der Darmbiopsien nachgewiesen wurde. Diese Vermutung wurde durch in vitro Adhäsionsstudien mit der Mucin-produzierenden Epithelzelllinie LS174-T bestätigt, da die Flagellen für eine effektive Adhäsion an diese Zellen essentiell waren. Zudem reduzierte die Präinkubation flagellierter EcN-Stämme mit Mucin2 ihre Adhäsionseffizienz an Kryoschnitte humaner Darmbiopsien. Um die direkte Interaktion zwischen Flagellen des EcN Wildtyps und Mucus zu zeigen, wurde ein ELISA etabliert. Es konnte eine direkte konzentrationsabhängige Interaktion zwischen isolierten Flagellen des EcN Wildtyps und Mucin2, bzw. humanem Mucus (Kolon) beobachtet werden. Interessanterweise konnte keine Interaktion zwischen isolierten Flagellen des EcN Wildtyps und murinem Mucus (Duodenum, Ileum, Caecum, Colon) festgestellt werden. Dies weist darauf hin, dass die Mucuszusammensetzung zwischen verschiedenen Spezies variiert. Verschiedene Kohlenhydrate, welche bekannte Mucusbestandteile sind, wurden auf ihre Interaktion mit der Flagelle von EcN getestet und Gluconat wurde als ein Rezeptor identifiziert. Die Präinkubation isolierter Flagellen mit Gluconat reduzierte ihre Interaktion mit Mucin2, bzw. humanem Mucus signifikant. Zudem wurde die oberflächenexponierte Domäne D3 des Flagellins, der Hauptuntereinheit der Flagelle, als möglicher Interaktionspartner von Mucin2, bzw. humanem Mucus ausgeschlossen. Flagellen, die aus einer Domäne D3 Deletionsmutante isoliert wurden, zeigten sogar eine effizientere Bindung an Mucin2, bzw. humanen Mucus. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Änderungen des pH-Wertes signifikante Effekte auf die Interaktion zwischen Mucus und isolierten Flagellen hatten, vermutlich aufgrund von Konformationsänderungen. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit die Flagelle als neues und scheinbar wichtigstes Adhäsin in vivo für den probiotischen Stamm EcN identifiziert. Hierfür wurden sowohl eine hyperflagellierte Variante, eine ΔfliC Mutante, sowie der dazugehörige komplementierte Stamm verwendet. EcN ist zudem der erste probiotische Stamm für den eine direkte Bindung der Flagellen an humanen Mucus nachgewiesen werden konnte. Die Mucuskomponente Gluconat konnte dabei als wichtiger Rezeptor identifiziert werden. Da einige pathogene Bakterien ihre Flagelle zur Adhäsion an Wirtsgewebe nutzen, könnte dieses Organell EcN dazu befähigen, mit Pathogenen um die erfolgreiche Kolonisierung des Darms zu konkurrieren, was als wichtige Eigenschaft eines Probiotikums betrachtet wird.
N2  - Escherichia coli Nissle 1917 (EcN) is one of the best studied and characterized probiotic bacterial strains. It is in use as a drug since the beginning of last century to treat various diseases and dysfunctions of the human intestinal tract, e.g. diarrhea, inflammatory bowel diseases and obstipation. The flagellum of EcN mediates motility and is able to induce human beta defensin 2 (hBD2) production by epithelial cells. Therefore, this organelle is directly involved in EcN’s probiotic function. It has been shown that the flagella of several other bacteria, including the probiotic strain Bacillus cereus CH or the pathogenic strains Pseudomonas aeruginosa and Clostridium difficile, mediate adhesion to intestinal mucus, which is secreted by epithelial cells. However it remained unclear which part of the flagella binds to which mucus component. The ability to adhere efficiently to host tissue is considered to be an important attribute for a probiotic strain. Ex vivo adhesion studies with cryosections of human gut biopsies have revealed, that the flagellum of EcN must be involved in efficient adhesion to human intestinal tissue. Thus, the function of EcN’s flagellum as an adhesin was investigated in this work. First, the hyperflagellated variant EcN ATHF was isolated and characterized by several experiments, e.g. motility tests and electron microscopy. Further ex vivo adhesion studies with EcN ATHF demonstrated a higher adhesion efficiency of this hyperflagellated variant confirming the role of the flagellum for adhesion of EcN to cryosections of human gut biopsies. Interestingly, EcN’s flagellum did not function as an adhesin in in vitro adhesion studies with the human epithelial cells Caco-2 and T24. These differences between the in vitro and ex vivo studies led to the assumption, that in vivo the flagellum of EcN mediates adhesion to mucus, which is not produced by Caco-2 and T24 cells, but was shown to be present in the cryosections of human gut biopsies. This was confirmed by in vitro adhesion studies with the mucin-producing epithelial cell line LS174-T, as flagella were essential for efficient adhesion to these cells. Furthermore, preincubation of flagellated EcN strains with mucin2 (porcine stomach) reduced their adhesion effiency to cryosections of human gut biopsies. To demonstrate the direct interaction between flagella from EcN wildtype and mucus, an ELISA was established. A direct concentration-dependent interaction between isolated flagella from EcN wildtype and mucin2 as well as human mucus (Colon) could be observed. In contrast, there was no direct interaction between isolated flagella from EcN wildtype and murine mucus (Duodenum, Ileum, Ceacum, Colon), indicating that mucus composition varies among different species. By testing different carbohydrates - known to be constituents of mucus - for their interaction with the flagellum of EcN, gluconate was identified as one receptor. Preincubation of isolated flagella with gluconate significantly reduced their interaction with mucin2 or human mucus. Additionally, the surface exposed domain D3 of flagellin, the major subunit of the flagellum, could be excluded to be responsible for the interaction with mucin2 or human mucus. Flagella, which were isolated from a domain D3 deficient mutant, bound even more efficient to mucin2 as well as to human mucus. Furthermore the change of pH had significant effects on the interaction between mucus and isolated flagella, probably due to conformational changes. In summary, this study identified the flagellum as a novel and apparently major adhesin in vivo of the probiotic EcN by employing a hyperflagellated variant, a ΔfliC mutant as well as the corresponding complemented strain. Additionally, EcN is so far the first probiotic strain, for which it has been shown, that its flagella directly bind to human mucus. Thereby the mucus component gluconate was identified as an important receptor. As some pathogens have been reported to use their flagella for adhesion to human host tissue, this organelle might enable EcN to compete with pathogens for successful colonization of the gut, which has been postulated to be a prerequisite for probiotics.
KW  - Escherichia coli
KW  - Probiotikum
KW  - Geißel <Biologie>
KW  - Adhäsion
KW  - Adhärenz
KW  - E.coli Nissle 1917
KW  - Flagelle
KW  - adhesion
KW  - E. coli Nissle 1917
KW  - flagellum
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-74201
ER  - 
TY  - THES
A1  - Thakur, Chitra
T1  - Lineage tracing of metastasis in a mouse model for Non-small cell lung cancer (NSCLC)
T1  - Untersuchung metastatischer Prozesse durchgenetische Zellmarkierung in einem Mausmodelldes nichtkleinzelligen Lungenkarzinoms (NSCLC)
N2  - Non-small cell lung cancer (NSCLC) is the deadliest form of lung cancer and has a poor prognosis due to its high rate of metastasis. Notably, metastasis is one of the leading causes of death among cancer patients. Despite the clinical importance, the cellular and molecular mechanisms that govern the initiation, establishment and progression of metastasis remain unclear. Moreover, knowledge gained on metastatic process was largely based on cultured or in vitro manipulated cells that were reintroduced into immune-compromised recipient mice. In the present study, a spontaneous metastasis mouse model for NSCLC was generated with a heritable fluorescent tag (DsRed) driven by CAG (combination of cytomegalovirus early enhancing element and chicken beta actin) promoter in alveolar type II cells (SpC-rtTA/TetO-Cre/LSL-DsRed). This approach is essential, keeping in mind the reprogramming nature of Myc oncogene (Rapp et al, 2009). Such genetic lineage tracing approach not only allowed us to monitor molecular and cellular changes during development of primary tumor but also led us to identify the different stages of secondary tumor development in distant organs. Upon combined expression of oncogenic C Raf-BXB and c-Myc (MYC-BXB-DsRed) in lung alveolar type II epithelial cells, macroscopic lung tumors arose comprising of both cuboidal and columnal cellular features. C Raf-BXB induced tumors (CRAF-DsRed) exhibit cuboidal morphology and is non-metastatic whereas Myc-BXB induced lung tumors (Myc-BXB-DsRed) present cuboidal-columnar cellular features and is able to undergo metastasis mainly in liver. Surprisingly, cystic lesions which were negative for SpC (Surfactant protein C) and CCSP (Clara cell secretory protein), strongly expressed DsRed proteins indicating its origin from lung alveolar type II cells. Moreover, early lung progenitor markers such as GATA4 (GATA-binding protein 4) and TTF1 (Thyroid Transcription Factor 1) were still expressed in these early cystic lesions suggesting metastasis as a faulty recapitulation of ontogeny (Rapp et al, 2008). Interestingly, mixed cystic lesions and metastatic tumors contained DsRed and SpC positive cells. These results demonstrate secondary tumor progression from cystic, mixed cystic to malignant transformation. Our results shed tremendous light on reprogramming of metastasizing cells during secondary tumor development. Moreover, such fluorescent tagged metastatic mice model can also be used to track the migration ability of metastatic cancer cell to different organs and its potential to differentiate into other cell types such as blood vessel or stromal cell within the primary tumor.
N2  - Das nichtkleinzellige Lungenkarzinom (‚non-small cell lung cancer‘, NSCLC) ist die tödlichste Form des Lungenkrebses mit schlechter Prognose aufgrund hoher Metastasierungsneigung. Metastasierung ist eine der häufigsten Todesursachen bei Krebspatienten. Trotz ihrer klinischen Bedeutung sind die zellulären und molekularen Mechanismen der Entstehung, Etablierung und Progression von Metastasen weiterhin unklar. Darüberhinaus basiert das bisherige Wissen über den Metastasierungsprozess überwiegend auf Zellen, die entweder in vitro kultiviert oder manipuliert und danach in immundefiziente Mäuse rückübertragen wurden.In der vorliegenden Studie wurde ein Mausmodell mit erblichem Fluoreszenzmarker (DsRed) zur spontanen Metastasierung bei NSCLC entwickelt, der durch den CAG-Promotor (‚combination of cytomegalovirus early enhancing element and chicken beta actin‘) in alveolären Typ II-Zellen (SpC-rtTA/TetO-Cre/LSL-DsRed) exprimiert wird. Aufgrund des Reprogrammierungscharakters des Myc-Onkogens war dieser Ansatz essentiell (Rapp et al, 2009). Die Markierung der Zellpopulation auf genetischem Weg erlaubte uns zum einen, die molekularen und zellulären Veränderungen während der Bildung des Primärtumors zu verfolgen, zum anderen konnte so die Entwicklung von Sekundärtumoren unterschiedlicher Stadien in entfernten Organen identifiziert werden. Bei kombinierter Expression von onkogenem C Raf-BXB und c-Myc (MYC-BXB-DsRed) in Lungenalveolar-Epithelzellen vom Typ II entstanden makroskopische Tumore in der Lunge, die auf zellulärer Ebene sowohl kuboidalen als auch kolumnaren Charakter aufwiesen und Metastasen, vorwiegend in der Leber, ausbildeten. Durch C Raf-BXB (CRAF-DsRed) induzierte Tumore erschienen morphologisch als kuboidal ohne Metastasierungsneigung. Überraschenderweise exprimierten zystische Läsionen in der Leber, obwohl negativ für SpC (‚surfactant protein C‘) und CCSP (‚Clara cell secretory protein‘), als Kennzeichen für deren Ursprung aus Lungenalveolarzellen Typ II stark das DsRed-Protein. Darüberhinaus sind in den frühen zystischen Läsionen Marker für frühe Lungenvorläuferzellen wie GATA4 (‚GATA-binding protein 4‘) und TTF1 (‚thyroid transcription factor 1‘) weiterhin exprimiert, was auf den Metastasierungsprozess als gestörte Rekapitulation der Ontogenese hindeutet (Rapp et al, 2008). Metastatische Tumore und Mischformen zu zystischen Läsionen enthielten DsRed- und SpC-positive Zellpopulationen. Diese Ergebnisse weisen in Sekundärtumoren den Übergang von zystischer Läsion zur Mischform mit zystischem Anteil und zur malignen Transformation nach.Unsere Resultate werfen ein neues Licht auf Reprogrammierungsprozesse metastasierender Zellen bei der Bildung von Sekundärtumoren. Das vorgestellte fluoreszenzmarkierte und metastasenbildende Mausmodell kann zum einen zur Untersuchung der Migrationsfähigkeit metastasierender Krebszellen in unterschiedliche Organe verwendet werden. Darüberhinaus ermöglicht dieses Mausmodell die Untersuchung des Differenzierungspotenzials markierter Zellen in andere Zelltypen wie Blutgefäße oder Stromazellen im Primärtumor.
KW  - Lungenkrebs
KW  - Metastase
KW  - Lungenkrebs
KW  - Metastasierung
KW  - Lung Cancer metastasis
KW  - Maus
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85420
ER  - 
TY  - THES
A1  - Simon, Nina Monica
T1  - Molecular interactions of the malaria parasite Plasmodium falciparum during the sexual reproduction in the mosquito midgut
T1  - Molekulare Wechselwirkungen des Malariaparasiten Plasmodium falciparum während der sexuellen Fortpflanzung im Mitteldarm der Mücke
N2  - The sexual phase of Plasmodium falciparum begins with the differentiation of intraerythrocytic sexual stages, termed gametocytes, in the human host. Mature gametocytes circulate in the peripheral blood and are taken up by the mosquito during the blood meal. These stages are essential for the spread of the malaria disease and form gametes in the mosquito midgut within minutes. A highly conserved family of six secreted proteins has been identified in Plasmodium falciparum. They comprise multiple adhesive domains and are termed PfCCp1 through PfCCp5, and PfFNPA. It was revealed in this work that PfCCp multi-domain adhesion proteins form protein complexes in gametocytes and on the surface of newly emerged macrogametes by adhesion domain-mediated binding. Co-Immunoprecipitation assays with activated gametocyte lysates show interactions between PfCCp proteins and indicate surface association via Pfs230 and Pfs25. Pfs230 is connected with the plasma membrane of the parasite by its interaction partner Pfs48/45. This protein is linked to the plasma membrane by a GPI anchor and presumably retains the multi-protein complex on the surface of newly emerged macrogametes in the mosquito midgut. A WD40 domain containing protein was identified to be part of this protein complex. It might serve as platform for the assembly of the multi protein complex or mediate the interplay among proteins, as suggested from known functions of the WD40 domain repeats. During egress from the host erythrocyte, the emerging gametes become vulnerable to factors of the human complement, which is taken up with the blood meal. In this thesis it was found that the complement system is active for about one hour post feeding. Macrogametes defend against complement-mediated lysis by co-opting the human complement regulators Factor H and FHL-1 from the blood-meal. These serum proteins bind via its SCR domains 5-7 to the surface of macrogametes. Once bound, they trigger complement inactivation of the alternative pathway, which prevents induction of complement lysis on the surface of the malaria parasite. Antibodies against Factor H are able to impair the sexual development in vitro and are able to block transmission to the mosquito. Interaction studies on endogenous proteins and immobilized recombinant proteins revealed the PfGAP50 protein as binding partner of Factor H and FHL-1. This protein was hitherto described as a glideosome-associated protein in invasive parasite stages, but has not yet been characterized in gametes. First localization studies indicate a relocation of PfGAP50 from the inner membrane complex to the surface of macrogametes. Malaria still persists as one of the deadliest infectious diseases worldwide. Investigations on the essential transmissive stages, gametocytes and gametes of Plasmodium falciparum, stood in the background of research for a long time. This work deciphered details on protein interactions on the surface of the malaria parasite and provides first information about coactions between the parasite and the human complement in the mosquito midgut.
N2  - Die Sexualphase von Plasmodium falciparum beginnt mit der Ausbildung von intraerythrozytären Sexualstadien, sogenannten Gametozyten, im menschlichen Wirt. Reife Gametozyten zirkulieren im peripheren Blut und werden während der Blutmahlzeit von der Mücke aufgenommen. Dieses Parasitenstadium ist ausschlaggebend für die Verbreitung von Malaria und bildet im Mückendarm innerhalb von Minuten Gameten. In Plasmodium falciparum wurde eine hochkonservierte Familie bestehend aus sechs sekretierten Proteinen entdeckt. Diese bestehen aus verschiedenen Adhäsionsdomänen und werden PfCCp1 bis PfCCp5 und PfFNPA genannt. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass PfCCp Multiadhäsionsproteine Komplexe in Gametozyten und auf der Oberfläche von jungen Makrogameten mittels domänenvermittelter Bindungen bilden. Ko-Immunpräzipitationen mit Lysat aus aktivierten Gametozyten zeigten oberflächenvermittelte Interaktionen der PfCCp Proteine durch Pfs230 und Pfs25. Pfs230 ist mit seinen Interaktionspartner Pfs48/45 durch einen GPI-Anker mit der Plasmamembran des Parasiten verbunden. Der Multi-Proteinkomplex wird somit auf der Oberfläche von jungen weiblichen Gameten festgehalten. Zudem wurde in dem neu identifizierten Proteinkomplex ein Protein entschlüsselt welches WD40-Domänen aufweist. Bereits bekannte Funktionen von sich wiederholenden WD40-Domänen lassen vermuten, dass dieses Protein möglicher-weise als Plattform für den Zusammenbau des Proteinkomplexes dient oder das Wechselspiel zwischen Proteinen vermittelt. Während des Ausbruchs aus der Wirtszelle, dem Erythrozyten, werden Gameten angreifbar für Faktoren des humanen Komplements, welches mit der Blutmahlzeit in den Mückendarm aufgenommen wird. In dieser Arbeit wurde ermittelt, dass das Komplementsystem nach der Blutmahlzeit etwa eine Stunde lang im Mückendarm aktiv ist. Durch die Bindung der Regulatoren Faktor H und FHL-1 des menschlichen Komplementsystems aus der Blutmahlzeit, schützen sich Makrogameten gegen eine komplementvermittelte Lyse. Diese Serumproteine binden mittels ihrer SCR-Domänen 5-7 an die Oberfläche von Makrogameten und vermitteln damit die Inaktivierung des alternativen Komplementweges. Dadurch schützen sie sich vor der komplementinduzierten Lyse auf der Oberfläche des Parasiten. Antikörper gegen Faktor H vermindern die sexuelle Entwicklung in vitro und können die Weiterentwicklung des Erregers in der Mücke blockieren. Interaktionsstudien mit endogenen Proteinen und immoblilisierten rekombinanten Proteinen offenbarten PfGAP50 als Bindungspartner von Faktor H und FHL-1. PfGAP50 wurde bislang einem Motorkomplex zugeschrieben, welcher für die Parasitenbewegung von invasiven Stadien zuständig ist. Es wurde jedoch bis heute nicht in Gameten charakterisiert. Erste Lokalisationsstudien weisen auf eine Relokalisierung von PfGAP50 vom inneren Membrankomplex zur Oberfläche von Makrogameten hin. Malaria ist weiterhin eine der tödlichsten Infektionskrankheiten weltweit. Die Erforschung dieser für die Übertragung essentiellen Stadien, den Gametozyten und Gameten von Plasmodium falciparum, stand lange im Hintergrund der Forschung. Diese Arbeit entschlüsselt Details über Proteininteraktionen auf der Oberfläche des Malariaparasiten und beschreibt das Zusammenwirken des Parasiten mit dem menschlichen Komplementsystem im Darm der Mücke.
KW  - Plasmodium falciparum
KW  - Sexuelle Entwicklung
KW  - Malaria
KW  - Transmissionsblockierende Impfstoffe
KW  - Oberflächenproteine der Sexualstadien
KW  - Malaria
KW  - Gametozyt
KW  - humaner Faktor H
KW  - transmission blocking vaccine
KW  - sexual stage surface proteins
KW  - malaria
KW  - gametocyte
KW  - human factor H
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72403
ER  - 
TY  - THES
A1  - Seo, Ean Jeong
T1  - Construction of recombinant E. coli Nissle 1917 (EcN) strains for the expression and secretion of defensins
T1  - Konstruktion von rekombinanten E. coli Nissle 1917 (EcN) Stämmen, die Defensine exprimieren bzw. sekretieren
N2  - Der probiotische Escherichia coli Stamm Nissle 1917 (EcN) ist eines der wenigen Probiotika, die als aktive Komponente eines Medikaments in mehreren Ländern zugelassen sind. Am besten ist die Wirksamkeit des EcN für die Remissionserhaltung von an Colitis Ulcerosa leidenden Patienten dokumentiert. Diese Fähigkeit ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass EcN in der Lage ist die Produktion des humanen beta-Defensins 2 (HBD2) mittels seiner Flagelle zu Induzieren. In dieser Studie wurden rekombinante EcN Stämme konstruiert, die ein Defensin zu produzieren vermögen. Zu diesem Zweck wurden Kodon-optimierte Defensingene in Expressionsplasmidvektoren kloniert, die entweder die Proform mit der Signalsequenz oder die reife Defensinform des humanen -Defensins 5 (HD5) oder des humanen -Defensins 2 (HBD2) unter der Kontrolle des T7-Promotors kodieren. Die Synthese dieser Defensine wurde mittels Western-Blot nach der Induktion der Expression und der Lyse der rekombinanten EcN Stämme demonstriert. Das rekombinante reife HBD2 mit einem N-terminalen His-Tag konnte mittels Ni-Säulen-Chromatographie aufgereinigt werden. Das so gewonnene HBD2 zeigte antimikrobielle Aktivität gegen E. coli, Salmonella enterica Serovar Typhimurium und Listeria monocytogenes. In einem zweiten Ansatz wurde der Teil des HBD2-Gens mit dem yebF-Gen fusioniert, der das reife HBD2 kodiert. Das resultierende Fusionsprotein YebFMHBD2 wurde von dem entsprechenden EcN Stamm nach Induktion der Expression sekretiert. Die Präsenz von YebFMHBD2 im Medium war nicht das Ergebnis von Zellyse wie Western-Blots spezifisch für die -Galaktosidase und das Maltose-Bindeprotein mit dem Kulturüberstand zeigten. Dieser Kulturüberstand inhibierte das Wachstum von E. coli, Salmonella enterica Serovar Typhimurium und Listeria monocytogenes nach Dialyse und Aufkonzentration sowohl in Agardiffusionsassays als auch in Flüssigcokultur. Damit konnte gezeigt werden, dass EcN ein für die Produktion von bestimmten humanen Defensinen geeignetes Probiotikum darstellt. EcN ist bei der Behandlung von Morbus Crohn Patienten nicht aktiv. Dies ist vermutlich in der genetisch bedingten Unfähigkeit zur ausreichenden Defensinproduktion solcher Individuen begründet. Als ein erster Schritt in der Entwicklung von alternativen Ansätzen zur Behandlung Morbus Crohn Patienten wurden in dieser Arbeit EcN Stämme konstruiert, die in der Lage sind HD5 oder HBD2 zu produzieren.
N2  - The probiotic Escherichia coli strain Nissle 1917 (EcN) is one of the few probiotics licensed as a medication in several countries. Best documented is its effectiveness in keeping patients suffering from ulcerative colitis (UC) in remission. This might be due to its ability to induce the production of human beta defensin 2 (HBD2) in a flagellin-dependent way in intestinal epithelial cells. In contrast to ulcerative colitis, for Crohn´s disease (CD) convincing evidence is lacking that EcN might be clinically effective, most likely due to the genetically based inability of sufficient defensin production in CD patients. As a first step in the development of an alternative approach for the treatment of CD patients, EcN strains were constructed which were able to produce human alpha-defensin 5 (HD5) or beta-defensin 2 (HBD2). For that purpose codon-optimized defensin genes encoding either the proform with the signal sequence or the mature form of human alpha defensin 5 (HD5) or the gene encoding HBD2 with or without the signal sequence were cloned in an expression vector plasmid under the control of the T7 promoter. Synthesis of the encoded defensins was shown by Western blots after induction of expression and lysis of the recombinant EcN strains. Recombinant mature HBD2 with an N-terminal His-tag could be purified by Ni-column chromatography and showed antimicrobial activity against E. coli, Salmonella enterica serovar Typhimurium and Listeria monocytogenes. In a second approach, that part of the HBD2-gene which encodes mature HBD2 was fused with yebF gene. The resulting fusion protein YebFMHBD2 was secreted from the encoding EcN mutant strain after induction of expression. Presence of YebFMHBD2 in the medium was not the result of leakage from the bacterial cells, as demonstrated in the spent culture supernatant by Western blots specific for ß-galactosidase and maltose-binding protein. The dialyzed and concentrated culture supernatant inhibited the growth of E. coli, Salmonella enterica serovar Typhimurium and Listeria monocytogenes in radial diffusion assays as well as in liquid coculture. This demonstrates EcN to be a suitable probiotic E. coli strain for the production of certain defensins.
KW  - Escherichia coli
KW  - Probiotikum
KW  - Rekombinante DNS
KW  - Genexpression
KW  - Defensine
KW  - Probiotic
KW  - Recombinant defensins
KW  - E. coli Nissle 1917
KW  - HBD2
KW  - HD5
KW  - Antimicrobial activity
KW  - Secretion
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72005
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schnitzer, Johannes K.
T1  - Mechanism of dendritic cell-based vaccination against Leishmania major
T1  - Mechanismus der auf dendritischen Zellen beruhenden Impfung gegen Leishmania major
N2  - Die Impfung mittels Antigen-beladener dendritischer Zellen [DZ] ist mittlerweile eine gut etablierte Technik, die dann zum Einsatz kommt, wenn Standard-Impftechniken versagen, vor Krankheiten zu schützen beziehungsweise diese zu heilen. Die Effizienz dieser Technik konnte bereits für diverse Infektionskrankheiten und Krebserkrankungen in experimentellen Tiermodellen sowie am Menschen gezeigt werden. Hierbei ist die Möglichkeit zur wohldefinierten Manipulation und Antigenbeladung der DZ ein großer Vorteil gegenüber den konventionellen Ansätzen. Jedoch ist vor allem bei der Anwendung im klinischen Bereich die Präparation, Herstellung und Manipulation dieser autologen DZ mit einem erheblichen technischen, zeitlichen sowie finanziellen Aufwand verbunden. Hinsichtlich einer Präventivimpfung gegen eine pandemische Infektionskrankheit, die in hauptsächlich unterentwickelten Ländern vorkommt, wird dieser Aufwand sicherlich ein Hindernis darstellen. Daher muss für solche Fälle ein maßgeschneiderter Impfstoff entwickelt werden, der sich am Vorbild des effektiven DZ-basierten Impfstoffs orientiert. Für die Impfung gegen die Leishmania Parasiten besteht so ein DZ-basierter Impfstoff bereits. Dessen Wirkung, eine T-Zell Antwort vom Typ Th1 zu induzieren, wurde bereits in mehreren Veröffentlichungen demonstriert. Zusätzlich hat aber eine unserer Studien gezeigt, dass das typische Th1-bezogene Zytokin IL-12 zur Differenzierung naiver T-Zellen nicht von den injizierten DZ bereitgestellt werden muss, sondern von der geimpften Maus. Dies gab erste Hinweise auf eine stärkere Beteiligung des Wirts-Immunsystems als zuvor angenommen. Daher sollte hier vertieft der Mechanismus dieser DZ-basierten Impfung untersucht werden, wobei modifizierte Impfstoff-Ansätze zum Einsatz kommen sollten. Dabei wurden die Fragen nach der vom Impfstoff transportierten Information und dem Empfänger dieser Information berücksichtigt. Das aktuelle Paradigma zur DZ-basierten Impfung besagt, dass transferierte DZ im direkten Kontakt mittels dreier Signale T-Zellen stimulieren und aktivieren. Dafür müssen diese DZ mit dem entsprechenden Antigen beladen und aktiviert worden sein um das Antigen-Peptide mittels MHC Molekül im Kontext der Co-Stimulation präsentieren zu können. Jedoch zeigt diese Studie hier, dass weder eine Aktivierung der DZ noch die Präsentation des Antigens mittels passender MHC Moleküle notwendig ist für die Induktion einer protektiven Immunantwort gegen Leishmania Parasiten. Aufgeschlossene, mit Antigen beladene DZ müssen nicht vor dem Transfer mit CpG ODN aktiviert worden sein, um entsprechende Immunität zu verleihen. Ebenso hat der MHC Typ in diesem Falle auch keinen Einfluss auf die Effektivität des Impfstoffs. Da im Weiteren aufgeschlossene mit Leishmania-Antigen beladene Makrophagen nach Impfung die gleiche Wirkung erzielen, wie vorangegangene DZ-basierte Impfstoffe, können keine DZ spezifischen Mechanismen Schlüsselkomponenten der Induktion einer protektiven Immunität sein. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die DZ der geimpften Mäuse, eine maßgebliche Rolle bei der Verarbeitung transferierter Signale spielen. Suspensionen aufgeschlossener DZ stellen eine Kombination aus freigesetzten löslichen Molekülen sowie Membranvesikeln dar, die sich nach dem Aufschluss gebildet haben. Nach Auftrennung dieser beiden Fraktionen konnte gezeigt werden, dass ausschließlich die Membran-Fraktion nach Verimpfung eine geeignete Immunantwort zum Schutz vor Leishmania Parasiten induzieren kann. Als Vorteil dieser Aufreinigung erweist sich zudem die stabile Lagermöglichkeit bei -80°C. Somit ist klar gezeigt, dass die Immunität-verleihende Einheit dieser Impfstoffvarianten in der Membran-Fraktion liegt. Verfolgt man die Induktion Th1-zugehöriger Zytokine in in vivo Experimenten so ergibt sich im Falle der Gesamtsuspension aufgeschlossener, mit Leishmania-Antigen beladener DZ ein klares Bild. Diese Suspension erzeugt das volle Spektrum der DZ-basierten Impfung gegen Leishmania Parasiten. Es kann sowohl Produktion von IL-12 und IL-2 als auch eine antigenspezifische T-Zell Proliferation nach Stimulation von Splenozyten mit der entsprechenden Suspension verzeichnet werden. Außerdem produzieren Splenozyten von entsprechend geimpften Mäusen nach Stimulation mit Leishmania-Antigen erhebliche Mengen des entscheidenden Zytokins IFNγ. Obwohl jedoch die Verimpfung aufgereinigter Membranvesikel dieses Ansatzes im Tierversuch zu biologisch sowie statistisch signifikanten Ergebnissen führt, lassen sich die entsprechend Th1-bezogenen Zytokine im in vivo Ansatz nur in geringen Maße nachweisen. Ob dies jedoch für einen in vivo unbemerkten Aktivitätsverlust des Vakzins oder für andere lymphatische Organe als Ort der T-Zell Instruktion spricht, ist noch unbekannt und muss noch geklärt werden.
N2  - Dendritic cell-based vaccination is a well established technique for preventive and therapeutic instruction of the immune system where conservative vaccine formulations fail to cure or prevent diseases, respectively. Efficiency of this technique already was demonstrated in infectious diseases as well as for cancer in animal or human studies. Well controlled manipulation and antigen-loading of immature DC is most beneficial to this technique. But, time-consuming and cost-extensive procedures for preparation of DC precursors, expansion and stimulation of DC and inpatient administration are big disadvantages regarding vaccine development for pandemic infectious diseases that occur mainly in underdeveloped countries. Therefore vaccines are needed that are pathogen-tailored and able to induce equal immune responses as their DC-based vaccine models. For vaccination against Leishmania parasites such a DC-based vaccine is feasible and its efficacy to induce protective Th1-based immune responses was already demonstrated in several animal studies. But, one of our own studies indicated supportive activity of host cells exceeding the allocation of T cells to become activated by transferred DC. IL-12, an important cytokine for the induction of Th1-related immune responses, has to be produced by host cells. Therefore, the aim of this study was to investigate the mechanism of BMDC-based vaccination with regard to simplification of the vaccine formulation. Key questions that have been addressed are: Which cells process the information that is transferred by the injected DC and what are the key components of this information? Further more, it was looked at whether altered vaccine formulations are able to induce protective immunity and whether they share equal molecular mechanisms. The current paradigm of BMDC-based vaccination proposes direct interaction of transferred BMDC with host T cells. These BMDC have to be antigen-loaded for stimulation via antigen-peptide-MHC molecule-complexes and they have to be activated for proper co-stimulation of T cells. Here, this study demonstrates that neither activation for co-stimulation nor direct interaction with adequate MHC molecules is needed for the induction of protective immunity against infection with Leishmania-parasites. Disrupted antigen-loaded BMDC are able to induce protective immunity in BALB/c mice without pre-stimulation via CpG ODN. Beyond, if BMDC were used with a different MHC-background than recipient mice then the vaccine still would be efficient in terms of reduction of footpad swelling and parasite load in draining lymph nodes. Even more, DC-specific features are no key component that leads to protective immunity as vaccination with disrupted antigen-loaded MΦ shows equal properties than before mentioned vaccine formulations. Further more, it was found that host DC play a major role in transforming the incoming signal, received from transferred antigen-loaded DC, into Th1-related stimuli and Leishmania-antigen-specific T cell activation. Suspensions of disrupted antigen-loaded DC resemble a combination of laid off soluble molecules together with exosome-like vesicles that formed after disruption of membranes. Here it was shown that separation of the membranous and soluble fractions and subsequent transfer into BALB/c mice will lead to protection of these mice against infection with L. major promastigotes only if the membranous fraction is used as vaccine. More, this vaccine formulation takes advantage of easy storage at -80°C with no need of fresh production. This clearly demonstrates that the immunity-inducing principle of disrupted DC-based vaccination lies within the membrane enclosed fraction. On a molecular level, disrupted antigen-loaded DC induce Th1-related cytokines during vaccination and as response on pathogen encounter. In vivo assays revealed IL-12 production and antigen-specific T cell proliferation among splenocytes that were stimulated with disrupted antigen-loaded DC. Splenocytes of accordingly vaccinated mice produce tremendous amounts of IFNγ after stimulation with Leishmania parasites. In summary, disrupted antigen-loaded BMDC fulfil all characteristics of DC-based vaccination against Leishmania major. But, while purification of membranes of antigen-loaded DC and subsequent transfer to BALB/c mice leads to control of the disease in the animal model, only slight levels of Th1-related cytokines are seen in the in vivo assays. Whether this points towards a loss of vaccine activity on unseen levels or unknown sites where Th1-related immunity is induced by both, complete solution and purified membranes, still has to be determined.
KW  - Leishmania major
KW  - Immunsystem
KW  - Impfung
KW  - Dendritische Zelle
KW  - Makrophage
KW  - Interferon <gamma->
KW  - Interleukin 12
KW  - Leishmania
KW  - Immunologie
KW  - Dendritic cell
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-74865
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sandwick, Sarah
T1  - Suppression of Experimental Autoimmune-Encephalomyelitis by Myeloid-Derived Suppressor Cells
T1  - Suppression der Experimentellen Autoimmun-Enzephalomyelitis durch Myeloide Suppressorzellen
N2  - Autoimmune diseases, unwanted overshooting immune responses against self antigens, are due to an imbalance in immunity and tolerance. Although negatively impacting cancer prognosis, myeloid derived suppressor cells (MDSC), with their potent suppressive capabilities, might be applicable in a more beneficial light when applied in to autoimmunity. As previous shown MDSC have protective roles in Experimental Autoimmune Encephalomyelitis (EAE) (Zhu et al., 2007), the established inducible mouse model for the autoimmune disease multiple sclerosis (MS). This decrease in disease severity indicates in vitro generated immature myeloid cells (IMC) from bone marrow (BM) as precursors of MDSC are promising candidates for cellular therapy. Important to any cellular therapy by adoptive transfer, the major questions regarding IMC efficacy was addressed within the thesis. This thesis attempts to elucidate how IMC operate in EAE. This thesis defines the factors within the autoimmune microenvironment that lead to the activation of MDSC, where IMC home once delivered in vivo, and the protective mechanisms BMIMC employ. To emulate BM cells when they first enter circulation through the blood, IMC were injected intravenously (i.v.). IMC are protective with no regard to the various routes delivered (i.v., i.p.). They protect to a lesser extent when pre-activated before injection. IMC suppress by causing a delay and/or by decreasing the severity of the disease via a mechanism yet determined. To understand the migration pattern of IMC after i.v. injection, in vivo kinetics experiments employing bioluminescence imaging were performed. This techinique allows for whole in vivo mouse imaging daily, allowing the tracking of cell migration over days within a single mouse. During steady-state, BMIMC circulate and appear to accumulate in the spleen by day 4 after injection, whereas they alternatively home to inflammatory sites (immunization site), draining lymph nodes, and the spleen within mice with low grade EAE. Visualization of CMDiI-labelled BMIMC by fluorescence microscopy could locate IMC injected cells outside the white pulp, as they were colocalizing in the regions stained with CD169 or outside, but not within the follicles of spleens on day 4. Consistant with these findings, the attempt to analyze the phenotype of these cells by flow cytometry was problematic as these cells seem to adhere strongly to collagen also indicating the cells are located in the collagenous area of the marginal zone and the red pulp.To determine factors influencing MDSC activation, we utilized different stimuli through a high throughput method detecting release of nitric oxide (NO). Extracts from yeast, fungi, and bacteria were observed to activate MDSC to produce nitric oxide. Surprisingly, material mimicking viral DNA (CpG) and RNA (poly I:C), and several self glycolipids, could not activate the MDSC to produce NO. Upon attempts to understand synergistic effects between microbial pathogens and host cytokines, IFNg was determined to boost the signal of pathogen stimuli, whereas IL17, another cytokine which causes pathology during EAE, and IFNb, a drug used in therapy to treat MS, did not cause any additional effects. Activation of MDSC was determined by the microbial pathogens components LPS, curdlan, and zymosan, to induce upregulation of B7H1 on the cell surface. MDSC did not increase any co-stimulatory markers, such as CD40, CD80, CD86, CD70, or the co-inhibitory marker, PDL2. On day 1 after EAE induction, endogenous MDSC populations when stimulated showed an increase in B7H1 expression and a downregulation of CD80. After further analysis, these cells were concluded to be mostly granulocytic cells (Ly6G+). As the B7H1 ligand PD1 is upregulated in chronic diseases and correlates to an exhausted phenotype, the PD1 : B7H1 interaction was a good candidate for the mechanism our cells may employ for their suppressive capacity. To investigate this interaction, fixed BM-IMC deficient in B7H1 were incubated with restimulated memory T cells. IMC deficient in B7H1 resulted in a significant loss of T cell suppression, as compared to the wildtype control BMIMC. To assess this interaction in vivo, we injected wildtype (WT) and B7H1-/- IMC into mice followed by induction of EAE to assess whether B7H1 mediated this suppression. The lack of B7H1 did not alter their suppressive capacity under these conditions, contrary to other findings which have described this interaction to be important in their suppressive capacity when administered post EAE induction (Ioannou et al., 2012). Interestingly, EAE mice pre-treated with IMC had similar amounts of cytokine production in the CNS after restimulation. Spleens from IMC injected mice had increased amounts of Arg-1 suggesting suppression is via oxidation or recruitment by soluble mediators may lead to this protection. We speculate this may inhibit T cell reactivation in the CNS.
N2  - Autoimmunerkrankungen, unerwünschte, überschießende Immunantworten gegen Selbstantigene, resultieren aus einem Ungleichgewicht von Immunität und Toleranz. Obwohl sie einen negativen Einfluss auf Tumorerkrankungen haben, könnten Myeloide Suppressorzellen (MDSC) durch ihre potenten immunsuppressiven Eigenschaften, in einem besseren Licht bei Anwendung gegen Autoimmunerkrankungen erscheinen. Wie zuvor gezeigt, können MDSC eine protektive Rolle bei der Experimentellen Autoimmunenzephalomyelitis (EAE) entfalten, dem etablierten induzierbaren Mausmodel für die Autoimmunerkrankung Multiple Sklerose (MS). Die Verminderung der Erkrankungssymptome deutet darauf hin, dass in vitro aus Knochenmark generierte unreife myeloide Zellen (IMC) als Vorläufer von MDSC viel versprechende Kandidaten für eine Zelltherapie darstellen. Da für jede Art der Zelltherapie die Effektivität der transferierten Zellen eine entscheidende Rolle spielt, sollte in dieser Arbeit die Funktionalität von IMC untersucht werden. Diese Dissertation erarbeitet wie IMC bei der EAE funktionieren. Die Arbeit versucht die Faktoren innerhalb der AutoimmunMikroumgebung zu definieren, welche zur MDSC Aktivierung führen, wohin applizierte IMC in vivo wandern und welche protektiven Mechanismen IMC anwenden. Um nachzubilden, wie BM Zellen bei ihrem Eintritt in das Blut sich in der Zirkulation verhalten, wurden IMC intravenös injiziert. Die injizierten gemischten IMC verhielten sich protektiv, unabhängig von der Art der Injektion (iv, ip). Sie sind jedoch weniger protektiv, wenn sie voraktiviert injiziert wurden. IMC supprimieren auf eine Weise, dass sie eine Verzögerung und/oder Verminderung der Erkrankungssymptome bewirken, wobei die dafür zugrunde liegenden Mechanismen noch nicht definiert sind. Um die Wanderungsmuster der BMIMC nach iv Injektion zu verstehen, wurden in vivo Kinetikexperimente mittels der Biolumineszenz-Darstellung durchgeführt. Diese Technik erlaubt eine tägliche Betrachtung der gesamten lebenden Maus, so dass die Zell-Wanderungsmuster über Tage in derselben Maus aufgezeichnet werden können. Unter homöostatischen Bedingungen zirkulieren IMC bis sie nach 4 Tagen in der Milz akkumulieren, wogegen sie alternativ zu Entzündungsherden wandern (Immunisierungssstelle), in Lymphknoten und Milz in Mäusen mit milden EAE Symptomen. Deren Lokalisierung konnte durch Fluoreszenzmikroskopie von CMDiI-markierten IMC in der roten Pulpa der Milz an Tag 4 lokalisiert werden. In Übereinstimmung mit diesem Befund, waren durchflusszytometrische Phänotyp-Analysen problematisch, da die Zellen fest an Kollagenfasern gebunden schienen, was als weiterer Hinweis auf ihre Kollagenbindung dienen kann. Um Faktoren zur Aktivierung zu bestimmen, wurden verschiedene MDSC Stimuli benutzt und deren Freisetzung von Stickstoffmonoxid (NO) mittels einer Hochdurchsatzmethode bestimmt. Es konnte nachgewiesen werden, dass Extrakte aus Hefen, Pilzen und Bakterien MDSC aktivieren und zur NO Produktion führen. Überraschenderweise konnten DNS (CpG) oder RNS-Bestandteile (Poly I:C) mit viralen Charakteristika oder verschiedenen Selbst-Glykolipide keine NO Freisetzung hervorrufen. Darüber hinaus konnte für das Zytokin IFNg eine wichtige verstärkende Rolle gezeigt werden, wobei ein anderes bei der EAE-Pathogenese beteiligte beteiligtes Zytokin, IL17, und auch IFNb, eine Substanz zur Therapie der MS, keinerlei Effekte zeigten. Untersuchungen nach MDSC-Aktivierung mit den mikrobiellen Komponenten LPS, Curdlan und Zymosan zeigten eine Hochregulation des B7H1 Moleküls auf der Zelloberfläche. Andere kostimulatorische Marker, wie CD40, CD80, CD86, CD70 oder der inhibitorische Marker PDL2 nahmen nicht zu. Einen Tag nach EAE-Induktion exprimierten auch die endogene MDSC Populationen nach Stimulation eine erhöhte B7H1 und eine erniedrigte CD80 Expression. Nach weiterer Analyse konnten diese Zellen überwiegend als granulozytär (Ly6G+) eingestuft werden. Da der B7H1-Ligand PD1 bei chronischen Erkrankungen hochreguliert wird, und mit einem verbrauchten Phänotyp korreliert, sollte die PD1:B7H1 Interaktion als guter Kandidat für den Suppressionsmechanismus untersucht werden. Fixierte B7H1-defiziente IMC wurden auf ihre Suppressorfunktion auf Gedächtnis-T-Zellen getestet. B7H1-defiziente IMC zeigten eine signifikant niedrigere Suppression, im Vergleich zu Wildtyp IMC. Um diese Interaktion in vivo zu untersuchen, wurden Wildtyp oder B7H1defiziente IMC in Mäuse injiziert und danach EAE induziert um auch hier eine B7H1-vermittelte Suppression nachzuweisen. Die Abwesenheit von B7H1 veränderte jedoch die suppressiven Eigenschaften unter diesen Bedingungen nicht, im Gegensatz zu anderen beschriebenen Befunden bei denen eine wichtige suppresive Rolle bei Injektion nach EAE-Induktion beschrieben wurde. Interessanterweise zeigten Mäuse, welche mit BMIMC vorbehandelt wurden, eine vergleichbare Zytokinfreisetzung im ZNS nach Restimulation. Milzen zeigten nach IMC Injektion auch erhöhte Mengen Arg-1 könnte dies auf eine Suppression durch oxidative Mediatoren hindeuten. Man kann also annehmen, dass so eine Reaktivierung der T Zellen im ZNS verhindert wird.
KW  - Encephalomyelitis
KW  - Autoaggressionskrankheit
KW  - Suppressorzelle
KW  - Myeloblast
KW  - Experimentellen Autoimmun-Enzephalomyelitis
KW  - Myeloide Suppressorzellen
KW  - myeloid derived suppressor cells
KW  - experimental autoimmune encephalomyelitis
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72690
ER  - 
TY  - THES
A1  - Romer Roche, Paula Sofia
T1  - Separation from self explains failure of circulating T-cells to respond to the CD28 superagonist TGN1412
T1  - Verlust der "Selbst"-Erkennung erklärt die fehlende Reaktion zirkulierender T-Zellen auf den CD28-Superagonisten TGN1412
N2  - Stimulatory or superagonistic (SA) CD28-specific monoclonal antibodies (mAbs) are potent polyclonal activators of regulatory T cells and have proven highly effective as treatment in a wide range of rodent models for autoimmune and inflammatory diseases. In these models, a preferential activation of regulatory T cells was observed by in vivo administration of CD28SA. In stark contrast, human volunteers receiving TGN1412, a humanized CD28-specific mAb, experienced a life-threatening cytokine release syndrome during the first-in-man trial. Preclinical tests employing human peripheral blood mononuclear cells (PBMC) failed to announce the rapid cytokine release measured in the human volunteers in response to TGN1412. The aim of this thesis project was to find an explanation of why standard PBMC assays failed to predict the unexpected TGN1412-induced "cytokine storm" observed in human volunteers. CD28 superagonists can activate T cells without T cell receptor (TCR) ligation. They do depend, however, on “tonic” TCR signals received by MHC scanning, signals that they amplify. PBMC do not receive these signals in the circulation. Short-term in vitro preculture of human PBMC at a high cell density (HDC) resulted in massive cytokine release during subsequent TGN1412 stimulation. Restoration of reactivity was cell-contact dependent, associated with TCR polarization and tyrosine-phosphorylation, and blocked by HLA-specific mAb. In HDC, both CD4 T cells and monocytes functionally mature in a mutually dependent fashion. However, only CD4 memory T-cells proliferate upon TGN1412 stimulation, and were identified as the main source of pro-inflammatory cytokines. Importantly, responses to other T-cell activating agents were also enhanced if PBMC were first allowed to interact under tissue-like conditions. A new in vitro protocol is provided that returns circulating T-cells to a tissue-like status where they respond to TGN1412 stimulation, and it might represent a more reliable preclinical in vitro test for both activating and inhibitory immunomodulatory drugs. Finally, the surprising observation was made that the IgG1 “sibling” of TGN1412, which is of the poorly Fc receptor-binding IgG4 isotype, has a much lower stimulatory activity. We could exclude steric hindrance as an explanation and provide evidence for removal of TGN1112 from the T-cell surface by trans-endocytosis.
N2  - Stimulatorische oder superagonistische (SA) CD28-spezifische monoklonale Antikörper (mAbs) (CD28SA) haben sich in diversen Nagetiermodellen für Autoimmunerkrankungen sowie für inflammatorische Erkrankungen als effektive Behandlungsmöglichkeit erwiesen. In diesen Modellen konnte nachgewiesen werden, dass CD28SA-Injektionen zu einer verstärkten Aktivierung regulatorischer T-Zellen in führen. Entgegen diesen Beobachtungen im Tiermodell reagierten die Teilnehmer einer ersten klinischen Studie auf die Administration des humanisierten CD28SA TGN1412 mit einer akut lebensbedrohlichen systemischen Zytokinausschüttung. Vorklinische Studien an humanen mononukleären Zellen des Blutes (PBMC) hatten keinen Hinweis auf eine mögliche plötzliche Zytokinausschüttungen als Reaktion auf TGN1412 gegeben. In der vorliegenden Arbeit wurde versucht eine Erklärung zu finden, warum PBMC-basierte Tests, wie sie vorklinischen Studien als Standard eingesetzt werden, nicht auf den unerwarteten TGN1412-induzierten „Zytokinsturm“ der Probanden hinwiesen. CD28SA aktivieren T-Zellen ohne Ligation des T-Zell Rezeptors (TCR). Jedoch werden zur CD28SA-abhängigen Aktivierung von T-Zellen „tonische“ TCR Signale benötigt, die durch MHC Scanning der T-Zellen an der Oberfläche anderer Zellen erzeugt werden. PBMC, welche sich in der Zirkulation befinden, erhalten diese „tonischen“ TCR Signale nicht. Kurzzeitige Vorkultur humaner PBMC bei hoher Zelldichte (high-density culture, HDC) führte zu einer starken Zytokinantwort bei nachfolgender TGN1412 Stimulation. Diese wiedererlangte Reaktivität gegenüber TGN1412 ging mit Tyrosin-Phospholrylierung sowie der Polarisierung von TCR Molekülen einher, war abhängig von Zellkontakten und konnte durch HLA-spezifische mAbs geblockt werden. Während der HDC durchlaufen sowohl CD4 T-Gedächtniszellen, als auch Monozyten eine voneinander abhängige funktionelle Reifung. TGN1412-induzierte Zellproliferation beschränkt sich jedoch auf CD4 T-Gedächtniszellen, die auch die Hauptquelle der proinflammatorische Zytokine sind. Antworten auf weitere T-Zell aktivierende Agenzien waren ebenfalls erhöht, wenn PBMC zunächst auf gewebeartige Bedingungen zurückgesetzt wurden. Die vorliegende Arbeit beschreibt damit ein neuartiges in vitro Protokoll für humane PBMC, welches T-Zellen der Zirkulation in einen gewebeartigen funktionellen Status versetzt, in welchem sie auf TGN1412 antworten. Dieses Protokoll könnte auch einen verlässlicheren vorklinischen in vitro Test sowohl für aktivierende als auch für inhibierende immunmodulatorische Medikamente darstellen. Im letzten Teil der Arbeit wird die erstaunliche Beobachtung vorgestellt, dass TGN1112, ein IgG1 Antikörper mit gleicher Spezifität wie der IgG4 Antikörper Antikörper TGN1412, trotz seiner höheren Affinität für Fc-Rezeptoren eine viel geringere stimulatorische Aktivität zeigt. Sterische Hinderung konnte als eine mögliche Erklärung ausgeschlossen werden. Vielmehr scheint das Entfernen von TGN1112/CD28 Komplexen von der T-Zelloberfläche durch Trans-Endozytose eine mögliche Erklärung für die geringere Aktivität zu sein.
KW  - T-Lymphozyten-Rezeptor
KW  - Antigen CD28
KW  - Monoklonaler Antikoerper
KW  - CD28-Superagonist
KW  - TGN1412
KW  - T cell receptor
KW  - CD28 antigen
KW  - monoclonal antibody
KW  - CD28-superagonist
KW  - TGN1412
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-74933
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rauert-Wunderlich, Hilka
T1  - Apoptoseregulation durch TNF im Multiplen Myelom
T1  - Regulation of apoptosis via TNF in multiple myeloma
N2  - Der Tumornekrosefaktor (TNF) entfaltet seine vielfältigen biologischen Aktivitäten durch die Stimulation der beiden TNF-Rezeptoren TNFR1 und TNFR2. Die TNFR1-vermittelte Signaltransduktion ist in vielen Details gut verstanden, wohingegen die TNFR2-vermittelte Signaltransduktion bis heute kaum untersucht ist. Mit Hilfe einer in unserer Gruppe entwickelten hochaktiven TNFR2-spezifischen TNF-Variante sowie einer bereits länger bekannten TNFR1-spezifischen TNF-Variante wurde in dieser Arbeit die TNF-Signaltransduktion insbesondere im Mutiplen Myelom untersucht. Mit Hilfe der beiden TNF-Varianten konnte gezeigt werden, dass die alleinige Stimulation des TNFR2 die Aktivierung des alternativen NFkappaB-Signalweges vermittelt, wohingegen TNFR1 nicht dazu in der Lage ist. So zeigte sich im Einklang mit der inhibitorischen Funktion des Adapterproteins TRAF2 in der Signaltransduktion des alternativen NFkappaB-Signalweges, dass die TNFR2-Stimulation in einer TRAF2-Depletion resultiert. Dies führt weiterhin zur Akkumulation von NIK und der Prozessierung von p100 zu seiner aktiven Form p52, den klassischen biochemisch nachweisbaren Ereignissen der Aktivierung des alternativen NFkappaB-Signalweges. Aufgrund der Rolle des NFkappaB-Systems im Multiplen Myelom (MM) und der stimulierenden Wirkung des TNFR1 und TNFR2 auf das NFkappaB-System wurde die Expression und Funktion dieser beiden Rezeptoren auf Myelomzelllinien untersucht. Insbesondere wurde analysiert, welchen Effekt eine spezifische Stimulation der beiden TNF-Rezeptoren auf die apoptotische Sensitivität von Myelomzellen hat. Mit einer Ausnahme wiesen alle untersuchten Myelomzelllinien eine eindeutige TNFR2-Oberflächenexpression auf, die TNFR1-Expression hingegen war heterogen. Die TNFR1-Stimulation in den TNFR1-positiven Zelllinien zeigte keinen wesentlichen Einfluss auf die Zellviabilität. Allerdings resultierte eine Vorstimulation mit TNF in einer gesteigerten Sensitivität für den CD95L-induzierten Zelltod, schützte aber gleichzeitig vor der TRAIL-vermittelten Induktion der Apoptose. Der gegenläufige Effekt der TNF-Vorstimulation auf den CD95L- und TRAIL-induzierten Zelltod konnte auf die Hochregulation der CD95-Oberflächenexpression und der gesteigerten Expression des antiapoptotischen cFLIPLong-Proteins zurückgeführt werden. Beide Effekte basieren auf der TNF-induzierten Aktivierung des klassischen NFkappaB-Signalweges. Im CD95L-induzierten Zelltod überkompensierte die Induktion der CD95-Expression offensichtlich die Hochregulation von cFLIPLong und resultierte in gesteigertem Zelltod. Der TRAIL-induzierte Zelltod hingegen wurde durch die TNF-Vorstimulation abgeschwächt, da hier lediglich die durch den klassischen NFkappaB-Signalweg vermittelte gesteigerte Expression des antiapoptotischen cFLIPLong eine Rolle spielte. Desweiteren zeigten die Analysen in dieser Arbeit, dass die TNFR2-Stimulation zu einer Depletion von TRAF2 und z. B. in JJN3-Zellen zu einer Sensitivierung für den TNFR1-induzierten Zelltod führte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten in der Summe somit, dass das TNF-TNFR-Signaling durch verschiedene Mechanismen Einfluss auf den Ausgang der extrinsischen Apoptoseinduktion hat, und dass der Effekt von TNF auf das Überleben von MM-Zellen kontextabhängig ist.
N2  - TNF mediates its biological functions by stimulation of the two TNF receptors TNFR1 and TNFR2. TNFR1-mediated signaling has already been studied in detail, whereas TNFR2-mediated signal transduction is poorly understood. In this work a newly developed TNFR2-specific variant and an established TNFR1-specific variant was used to study TNF signaling especially in myeloma cells. With the help of these TNF-variants it is shown here that TNFR2, but not TNFR1, induces activation of the alternative NFkappaB-pathway. Thus in consent with the inhibitory function of TRAF2 in alternative NFkappaB signal transduction, stimulation of TNFR2 resulted in depletion of TRAF2, accumulation of NIK and p100 processing to p52, the biochemical hallmarks of this pathway. Due to the relevance of the NFkappaB-system for multiple myeloma (MM) and the NFkappaB stimulatory activities of TNFR1 and TNFR2, the expression of these two receptors and their effect on apoptotic sensitivity was analyzed in myeloma cell lines. A huge majority of myeloma cell lines express TNFR2 whereas TNFR1 expression is rather restricted. Stimulation of TNFR1 in the TNFR1-positive subset of MM cell lines showed nearly no impact on cellular viability. However, TNF stimulation enhanced CD95L-induced cell death and in parallel reduced the TRAIL-mediated induction of apoptosis. This opposed regulation of TRAIL- and CD95L-induced cell death by TNF based on upregulation of the death receptor CD95 via the classical NFkappaB-pathway and by upregulation of the antiapoptotic protein cFLIPLong via the same pathway. The induction of CD95 expression appeared to overcompensate the upregulation of cFLIPLong and consequently TNF-induced NFkappaB activation resulted, in context of CD95 signaling, in apoptosis enhancement. TRAIL-mediated cell death induction, however, was reduced after TNF prestimulation, due to the fact that here only upregulation of cFLIPLong was relevant. Furthermore the experiments in this study showed that TNFR2-mediated depletion of TRAF2 resulted in a sensitization for TNFR1-induced cell death, for example in JJN3-cells. Taken together, this study revealed that the TNF-TNFR system influenced the outcome of activation of the extrinsic apoptotic pathway in myeloma cells by various mechanisms and the effect of TNF on MM cell survival is thus context dependent.
KW  - Apoptosis
KW  - Tumor-Nekrose-Faktor
KW  - Plasmozytom
KW  - apoptosis
KW  - TNF
KW  - multiple myeloma
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-73998
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rathod, Reenaben Jagdishbhai
T1  - Study of local protein synthesis in growth cones of embryonic mouse motor neurons
T1  - Analyse der lokalen Proteinsynthese in Wachstumskegeln von embryonalen Maus Motoneuronen
N2  - In cultured motoneurons of a mouse model for the motoneuron disease spinal muscular atrophy (SMA), reduced levels of the protein SMN (survival of motoneurons) cause defects in axonal growth. This correlates with reduced β-actin mRNA and protein in growth cones, indicating that anterograde transport and local translation of β-actin mRNA are crucial for motoneuron function. However, direct evidence that indeed local translation is a physiological phenomenon in growth cones of motoneurons was missing. Here, a lentiviral GFP-based reporter construct was established to monitor local protein synthesis of β-actin mRNA. Time-lapse imaging of fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) in living motoneurons revealed that β-actin is locally translated in the growth cones of embryonic motoneurons. Interestingly, local translation of the β-actin reporter construct was differentially regulated by different laminin isoforms, indicating that laminins provide extracellular cues for the regulation of local translation in growth cones. Notably, local translation of β-actin mRNA was deregulated when motoneurons of a mouse model for type I SMA (Smn-/-; SMN2) were analyzed. In situ hybridization revealed reduced levels of β-actin mRNA in the axons of Smn-/-; SMN2 motoneurons. The distribution of the β-actin mRNA was not modified by different laminin isoforms as revealed by in situ hybridization against the mRNA of the eGFP encoding element of the β-actin reporter. In case of the mRNA of α-actin and γ-actin isoforms, the endogenous mRNA did not localize to the axons and the localization pattern was not affected by the SMN levels expressed in the cell. Taken together our findings suggest that regulation of local translation of β-actin in growth cones of motoneurons critically depends on laminin signaling and the amount of SMN protein. Embryonic stem cell (ESC)-derived motoneurons are an excellent in vitro system to sort out biochemical and cellular pathways which are defective in neurodegenerative diseases like SMA. Here, a protocol for the differentiation and antibody-mediated enrichment of ESC-derived motoneurons is presented, which was optimized during the course of this study. Notably, this study contributes the production and purification of highly active recombinant sonic hedgehog (Shh), which was needed for the efficient differentiation of mouse ESCs to motoneurons. ESC-derived motoneurons will now offer high amounts of cellular material to allow the biochemical identification of disease-relevant molecular components involved in regulated local protein synthesis in axons and growth cones of motoneurons.
N2  - In kultivierten Motoneuronen eines Maus-Models für die Motoneuronen-Erkrankung Spinale Muskelatrophie (SMA) verursachen verminderte Mengen des Proteins SMN (survival of motoneurons) Schäden im axonalen Wachstum. Dies korreliert mit einer verminderten Menge an β-Aktin kodierender mRNA und β-Aktin Protein. Dies impliziert, dass anterograder Transport und lokale Translation von β-Aktin mRNA für die Motoneuronfunktion notwendig ist. Bislang gab es jedoch keinen direkten Nachweiß funktioneller lokaler Translation in Wachstumskegeln von Motoneuronen. In dieser Arbeit wurde ein lentivirales GFP-basierendes Reporterkonstrukt etabliert, welches lokale Proteinsynthese von β-Aktin mRNA nachweißt. Zeitraffermikroskopie von GFP-vermittelter Fluoerszenzregeneration nach Fotobleichung (fluorescence recovery after photobleaching; FRAP) in lebenden Motoneuronen zeigte, dass β-Aktin in Wachstumskegeln embryonaler Motoneuronen lokal translatiert wird. Interessanterweise wurde die lokale Translation des β-Aktin Reporterkonstrukts differentiell durch verschiedene Laminin-Isoformen reguliert. Dies gibt einen Hinweis, dass Laminin als extrazelluläres Signalmolekül die Regulation der lokalen Translation in Wachstumskegeln reguliert. Die lokale Translation von β-Aktin mRNA war dereguliert wenn Motoneurone eines Mausmodels für die Typ I SMA (Smn-/-;SMN2) analysiert wurden. In situ Hybridisierung bestätigte eine Reduktion von β-Aktin mRNA in den Axonen von Smn-/-;SMN2 Motoneuronen. Die Verteilung der β-Aktin mRNA wurde von verschiedenen Laminin-Isoformen nicht beeinflusst, wie durch in situ Hybridisierung gegen eGFP kodierende Elemente des β-Aktin Reporters bestätigt werden konnte. Im Fall der mRNA für α-Aktin und γ-Aktin Isoformen wurde keine axonale Lokalisierung der endogenen mRNAs festgestellt und das Lokalisierungsmuster dieser mRNAs war durch reduzierte zelluläre SMN Mengen nicht beeinflusst. Zusammenfassend deuten diese Befunde darauf hin, dass die lokale Translation von β-Aktin in Wachstumskegeln von Motoneuronen von Laminin-Signalgebung und von der Menge an SMN Protein abhängt. Motoneurone aus embryonalen Stammzellen sind ein etabliertes in vitro System um biochemische und zelluläre Signalwege zu identifizieren, die in neurodegenerativen Erkrankungen wie SMA betroffen sind. Hier wird ein Protokoll zur Differenzierung und Antikörper-gestützten Anreicherung von Motoneuron aus embryonalen Stammzellen präsentiert, welches im Rahmen dieser Arbeit optimiert wurde. Im Besonderen wird die Herstellung und Reinigung von hochaktivem Sonic Hedgehog (Shh) vorgestellt, welches für die effiziente Differenzierung von embryonalen Stammzellen der Maus notwendig war. Motoneurone aus embryonalen Stammzellen werden in zukünftigen Studien nun große Mengen an zellulärem Material liefern, und somit auf biochemischer Ebene die Identifizierung von krankheitsrelevanten molekularen Komponenten ermöglichen, die in der Regulation der lokalen Proteinsynthese in Axonen und Wachstumskegeln von Motoneuronen involviert sind.
KW  - Motoneuron
KW  - Maus
KW  - Embryo
KW  - Proteinsynthese
KW  - lokale Proteinsynthese
KW  - embryonale Maus
KW  - SMN
KW  - local translation
KW  - SMN
KW  - motor neuron
KW  - beta actin
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72045
ER  - 
TY  - THES
A1  - Oschatz, Chris Tina
T1  - Mechanisms and functions of the mast cell-activated contact system in inflammatory reactions
T1  - Mechanismen und Funktionen des Mastzell-aktivierten Kontaktsystems für Entzündungsreaktionen
N2  - SUMMARY Mast cell activation in allergic and inflammatory disease causes increased vascular permeability and edema. This thesis identifies a paracrine mechanism, by which heparin released from intracellular granules, is involved in mast cell-evoked alteration of endothelial barrier function in vivo. Negatively charged heparin initiated factor XII-driven contact activation. Activated factor XII triggered the formation of the inflammatory mediator bradykinin in plasma. Congenital deficiency and pharmacological targeting of factor XII and kinin B2 receptor provided protection from mast cell-heparin-induced leukocyte-endothelial adhesion and hypotension in rats and mice. Intravital laser scanning microscopy and tracer measurements showed that heparin increased leakage with fluid extravasation in skin microvessels in mice. Deficiency in factor XII or kinin B2 receptor conferred resistance to heparin-induced skin edema and largely protected mice from endothelial barrier dysfunction, caused by allergen-induced mast cell activation and anaphylactic reactions. In contrast, heparin and mast cell activation caused excessive edema formation in mice, deficient in the major inhibitor of factor XII, C1 esterase inhibitor. Hereditary angioedema patients, lacking C1 esterase inhibitor, suffered from allergeninduced edema. The data indicate that mast cell-heparin-initiated bradykinin formation plays a fundamental role in defective barrier function of pathological mast cell-mediated inflammation, hypotension and edema formation.
N2  - ZUSAMMENFASSUNG Aktivierte Mastzellen sind bei Allergien und Entzündungskrankheiten an der Ödembildung beteiligt. Diese Arbeit zeigt, wie von aktivierten Mastzellen freigesetztes Heparin die Gefäßpermeabilität erhöht. Mastzell-Heparin aktiviert im Plasma den Blutgerinnungsfaktor XII. Aktiver Faktor XII startet die Bildung des Entzündungsmediators Bradykinin durch Plasmakallikrein-vermittelte Spaltung von hochmolekularem Kininogen. Bradykinin führt zur Ödembildung und Vasodilatation. Bei Ratten und Mäusen blockieren Faktor XII- oder Kinin B2 Rezeptor-Inhibitoren die Heparin-induzierte und Bradykinin-vermittelte Leukozyten-Endothel Adhäsion und den arteriellen Blutdruckabfall. Um den Heparin-vermittelten Flüssigkeitsaustritt aus Mikrogefäßen in der Haut von Mäusen zu analysieren, wurde eine intravitale konfokale Mikroskopietechnik etabliert. Genetische Inaktivierung oder pharmakologische Blockierung von Faktor XII oder Kinin B2 Rezeptoren hemmen den Heparinvermittelten Flüssigkeitsaustritt. Sowohl in systemischen als auch in cutanen passiven Anaphylaxiemodellen waren Faktor XII- und Kinin B2 Rezeptor-defiziente Mäuse vor Allergen-induzierten Ödemen und anaphylaktischen Reaktionen geschützt. Im Gegensatz dazu führte eine Allergenexposition zu einer überschiessenden Ödembildung in C1 Esterase Inhibitor-defizienten Mäusen, bei denen das Gen für den wichtigsten Inhibitor von Faktor XII inaktiviert wurde. Bei Hereditären Angioödem- Patienten, denen funktionaler C1 Esterase Inhibitor fehlt, lösen allergischen Reaktionen Ödemattacken aus. Zusammenfassend zeigen diese Daten erstmals, dass die durch Heparin gestartet Bradykinin-Bildung, eine bedeutende Rolle bei der fehlerhaften Barrierenfunktion der pathologischen Mastzell-vermittelten Entzündungen, Blutdruckabfall und Ödembildung spielt.
KW  - Heparin
KW  - Allergie
KW  - Mastzelle
KW  - Gerinnungsfaktor XII
KW  - Allergie
KW  - Faktor XII
KW  - Heparin
KW  - Mast cells
KW  - Allergy
KW  - Factor XII
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-71539
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nowotny, Boris
T1  - Etablierung von zellulären Testsystemen für die Identifizierung von neuartigen Inhibitoren des HIV-1 Vif-induzierten APOBEC3G-Abbaus
T1  - Establishment of cellular test systems for the identification of novel inhibitors of the HIV-1 Vif-induced APOBEC3G- degradation
N2  - Als einer der ersten gegen HIV gerichteten Restriktionsfaktoren konnte die Cytidindeaminase APOBEC3G isoliert werden. Dieses zelluläre Enzym hemmt äußerst effizient die Replikation von HIV. Weiterführende Untersuchungen konnten demonstrieren, dass die Hemmung der Virusreplikation hauptsächlich auf einer Deaminase-katalysierten G zu A-Hypermutation des viralen Genoms während der Reversen Transkription beruht. Als Gegenstrategie zur antiretroviralen Wirkung von A3G kodiert HIV-1 das Protein Vif (virion infectivity factor), welches durch eine direkte Wechselwirkung den Ubiquitin-abhängigen proteasomalen Abbau von A3G bewirkt. Vor diesem Hintergrund wird der Inhibition des Vif induzierten A3G- Abbaus großes Potential als neuartiges Wirkstoffziel bei der Behandlung von HIV Infektionen vorhergesagt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand deshalb in der Etablierung von zellulären Screening-Assays für die Identifizierung von Inhibitoren des Vif induzierten A3G-Abbaus. Im Rahmen dieser Arbeit konnten insgesamt vier fluoreszenzbasierte zelluläre Assays erfolgreich entwickelt und als Screeningsysteme für die Wirkstoffsuche etabliert werden. Drei dieser Assays basieren auf stabilen Zelllinien, von denen eine Vif und ein mit EYFP markiertes A3G ko-exprimiert. Dieser sogenannte A3G-Abbauassay stellt den primären Assay für die Identifizierung von Inhibitoren des Vif induzierten A3G-Abbaus dar und wird durch zwei weitere Zelllinien-basierte Assays ergänzt. Diese sekundäre Assays erlauben die Detektion von Substanzen, die falsch-positive oder falsch-negative Signale im A3G-Abbauassays generieren. Zusammengenommen ermöglichen die drei Assays die präzise Identifizierung von Inhibitoren, die spezifisch auf den A3G-Abbau wirken und stellen damit eine wesentliche Verbesserung bereits existierender Screeningsysteme dar. Weiterhin wurde ein auf dem Prinzip der bimolekularen Fluoreszenzkomplementation (BiFC) basierendes Testsystem entwickelt. Besagtes System misst die direkte Interaktion zwischen Vif und ElonginC in lebenden Zellen und repräsentiert damit ein weiteres Testsystem für die Identifizierung von Inhibitoren der Vif induzierten A3G-Degradation. Den zweiten Teil dieser Arbeit umfasste die Analyse von Derivaten des Vif Antagonisten RN-18 und neu entwickelten niedermolekularen Inhibitoren der Vif-ElonginC- Interaktion. Als ein wichtiges Ergebnis der Derivat-Analyse ergab sich, dass RN-18 zytotoxisch wirkt und im hier etablierten A3G-Abbauassay ein falsch-positives Signal generiert. Unter den analysierten Vif-ElonginC-Interaktionsinhibitoren fand sich eine Verbindung, die in einem initialen Screening, unter Verwendung des A3G-Abbauassays, eine deutliche Inhibition der Vif induzierten A3G-Degradation bewirkte. Zusammenfassend konnten im Rahmen dieses Promotionsprojektes erfolgreich mehrere Screeningsysteme für die Identifizierung von spezifischen Inhibitoren des A3G-Abbaus etabliert werden. Diese Systeme werden zukünftig dazu beitragen, dass Auffinden von neuartigen Therapeutika für die Behandlung von HIV-Infektionen zu beschleunigen.
N2  - One of the first cellular HIV restriction factors isolated was the cytosine deaminase APOBEC3G. This cellular enzyme was shown to efficiently inhibit the replication of HIV and other viruses. Further research revealed that restriction of the viral replication is primarily based on a deaminase-catalyzed G to A hypermutation of the viral genome during reverse transcription. As a mode of counteraction, the HIV-1 encoded accessory protein Vif (virion infectivity factor) binds to A3G leading to its ubiquitin-dependent proteasomal degradation. It has been hypothesized that inhibition of the A3G degradation rescues the antiviral properties of the APOBEC3 protein and thus represents an attractive target for novel antiretroviral drugs. Therefore, the goal of this study was to establish cellular screening assays for the identification of inhibitors of the Vif mediated A3G degradation. Four fluorescent based cellular assays have been established for the screening of small organic compounds. Three of these assays are based on stable cell lines, one of which co-expresses Vif and an EYFP tagged A3G protein. This so-called A3G degradation assay represents the primary assay for identification of degradation inhibitors and is complemented by two additional cell line based assays. These secondary assays enable the detection of compounds generating false-positive or false-negative signals in the A3G degradation assay. These systems allow the precise identification of true-positive A3G degradation inhibitors and thus representing a significant improvement of existing screening platforms. Furthermore, a cellular assay based on the bimolecular fluorescence complementation (BiFC) was developed. The BiFC-assay measures the direct interaction between Vif and ElonginC in living cells and can be used as a new screening platform for identification of inhibitors targeting the Vif- ElonginC interaction, which is an essential step in the A3G degradation sequence. The aim of the second part of the project was the application of the established screening assays for testing of derivatives of the Vif antagonist RN-18 and rational designed inhibitors targeting the direct interaction between Vif and ElonginC. As a result of the compound testing it was shown, that RN-18 is cytotoxic and generates a false-positive signal in the A3G degradation assay. In case of the Vif-ElonginC interaction inhibitors one compound exhibited a strong inhibitory effect on A3G degradation in an initial screen. Taken together, screening assays for the precise identification of specific inhibitors of the A3G degradation were successfully established. These screening assays will accelerate the identification of novel anti-HIV agents.
KW  - Inhibitor
KW  - Screening
KW  - HIV
KW  - APOBEC3G
KW  - HIV-1 Vif
KW  - Inhibitor
KW  - Screening
KW  - APOBEC3G
KW  - HIV-1 Vif
KW  - Inhibitor
KW  - Screening
KW  - Restriktionsenzym
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-70477
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nono, Justin
T1  - Immunomodulation through Excretory/Secretory Products of the parasitic Helminth Echinococcus multilocularis
T1  - Immunmodulation durch Exkretorisch/Sekretorischen Produkten der parasitären Helminthen Echinococcus multilocularis
N2  - Die Alveoläre Echinokokkose (AE) ist eine lebensbedrohliche Zoonose, die durch das Metazestoden-Larvenstadium des Fuchsbandwurms Echinococcus multilocularis ausgelöst wird. Nach Eintritt des Parasiten in den Zwischenwirt wird zunächst eine potentiell anti-parasitische, Th1-dominierte Immunantwort ausgelöst, welche anschließend in der chronischen Phase graduell durch eine permissive, Th2-dominierte Antwort ersetzt wird. Als Ergebnis einer zugrunde liegenden Immunmodulation durch den Parasiten können Echinococcus-Larven für Jahre bis Jahrzehnte im Wirt persistieren und verhalten sich ähnlich einem perfekt transplantierten Organ. Über die molekulare Basis der Immunmodulation durch den Parasiten ist derzeit wenig bekannt. In dieser Arbeit wurden geeignete Kultursysteme für verschiedene E. multilocularis Larvenstadien verwendet, um den Einfluss exkretorisch/sekretorischer Metaboliten (E/S-Produkte) auf Wirts-Immuneffektor-Zellen zu studieren. E/S-Produkte kultivierter Larven, die die frühe (Primärzellen) und chronische (Metazestode) Phase der Infektion repräsentieren induzierten Apoptose und tolerogene Eigenschaften in Dendritischen Zellen (DC) des Wirts, während solche von Kontroll-Larven (Protoskolizes) keine derartigen Effekte zeigten. Dies zeigt, dass die frühen infektiösen Stadien von E. multilocularis in DC ein tolerierendes Milieu erzeugen, welches sehr wahrscheinlich die initiale Etablierung des Parasiten in einer Phase begünstigt, in der er höchst sensitiv gegenüber Wirtsangriffen ist. Interessanterweise förderten E/S-Produkte des Metazestoden in vitro die Konversion von CD4+ T-Zellen in Foxp3+, regulatorische T-Zellen (Treg) während E/S-Produkte von Primärzellen oder Protoskolizes dies nicht vermochten. Da Foxp3+ Tregs generell als immunosuppressorisch bekannt sind, deuten diese Daten an, dass der Metazestode aktiv eine Induktion von Tregs herbeiführt, um eine permissive Immunsuppression während einer Infektion zu erreichen. Eine substantielle Zunahme von Anzahl und Frequenz Foxp3+ Tregs konnte zudem in Peritoneal-Exsudaten von Mäuuen nach intraperitonealer Injektion von Parasitengewebe gemessen werden, was anzeigt, dass eine Expansion von Foxp3+ Tregs auch während der in vivo Infektion von Bedeutung ist. Interessanterweise konnte in dieser Arbeit ein Activin-Orthologes des Parasiten, EmACT, identifiziert werden, weleches vom Metazestoden sekretiert wird und ähnlich wie humanes Activin in der Lage ist, eine TGF-β-abhängige Expansion von Tregs in vitro zu induzieren. Dies zeigt an, dass E. multilocularis evolutionsgeschichtlich konservierte Zytokine nutzt, um aktiv die Wirts-Immunantwort zu beeinflussen. Zusammenfassend deuten die gewonnenen Daten auf eine wichtige Rolle Foxp3+ Tregs, welche u.a. durch EmACT induziert werden, im immunologischen geschehen der AE hin. Ein weiterer Parasiten-Faktor, EmTIP, mit signifikanten Homologien zum T-cell Immunomodulatory Protein (TIP) des Menschen wurde in dieser Arbeit näher charakterisiert. EmTIP konnte in der E/S-Fraktion von Primärzellen nachgewiesen werden und induzierte die Freisetzung von IFN-γ in CD4+ T-Helferzellen. Durch Zugabe von anti-EmTIP-Antikörpern konnte zudem die Entwicklung des Parasiten zum Metazestoden in vitro gehemmt werden. EmTIP dürfte daher einerseits bei der frühen Parasiten-Entwicklung im Zwischenwirt eine Rolle spielen und könnte im Zuge dessen auch die Ausprägung der frühen, Th-1-dominierten Immunantwort während der AE begünstigen. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit zwei E. multilocularis E/S-Faktoren identifiziert, EmACT und EmTIP, die ein hohes immunmodulatorisches Potential besitzen. Die hier vorgestellten Daten liefern neue, fundamentale Einsichten in die molekularen Mechanismen der Parasiten-induzierten Immunmodulation bei der AE und sind hoch relevant für die Entwicklung anti-parasitischer Immuntherapien.
N2  - Alveolar echinococcosis (AE) is a severe and life-threatening disease caused by the metacestode larva of the fox-tapeworm Echinococcus multilocularis. Parasite entry into the host evokes an early and potentially parasiticidal Th1 immune response that is gradually replaced by a permissive Th2 response. An immunoregulatory environment has also been reported in the host as the disease progresses. As a result of immunomodulation, E. multilocularis larvae persist in the host for decades without being expelled, and thus almost act like a perfect transplant. Very little is currently known on the molecular basis of the host immunomodulation by E. multilocularis. In this work, in vitro cultivation systems were used to assess the influence of metabolites released by the parasite larvae (E/S products) on host immune effector cells. E/S products of cultivated larvae that respresent the early (primary cells) and chronic (metacestode vesicles) phase of AE induced apoptosis and tolerogenic properties (poor responsiveness to LPS stimulation) in host dendritic cells (DC) whereas those of control larvae (protoscoleces) failed to do so. These findings show that the early infective stage of E. multilocularis induces tolerogenicity in host DC, which is most probably important for generating an immunosuppressive environment at an infection phase in which the parasite is highly vulnerable to host attacks. Interestingly, metacestode E/S products promoted the conversion of naïve CD4+ T-cells into Foxp3+ regulatory T-cells in vitro, whereas primary cell and protoscolex E/S products failed to do it. Since Foxp3+ regulatory T-cells are generally known to mediate immunosuppression, the present finding indicates that Foxp3+ regulatory T-cells, expanded by E/S products of the metacestode larva, could play a role in the parasite-driven immunomodulation of the host observed during AE. Furthermore, a substantial increase in number and frequency of suppressive Foxp3+ regulatory T-cells could be observed within peritoneal exudates of mice following intraperitoneal injection of E. multilocularis metacestodes, indicating that Foxp3+ regulatory T-cells could also play an important role in E. multilocularis-driven immunomodulation in vivo. Interestingly, a parasite activin ortholog, EmACT, secreted by metacestodes, was shown to expand host regulatory T-cells in a TGF-β-dependent manner, similarly to mammalian activin A. This observation indicated that E. multilocularis utilizes evolutionarily conserved TGF-β superfamily ligands, like EmACT, to expand host regulatory T-cells. Taken together, the present findings suggest EmACT, a parasite activin secreted by the metacestode and capable of expanding host regulatory T-cells, as an important player in the host immunomodulation by E. multilocularis larvae. Another parasite factor EmTIP, homologous to mammalian T-cell immunomodulatory protein (TIP) was characterized in this work. EmTIP could be detected in the secretions of the parasite primary cells and localized to the intercellular space within the parasite larvae. EmTIP blockade inhibited the proliferation of E. multilocularis primary cells and the formation of metacestode vesicles indicating a major role for parasite development. Furthermore, EmTIP evoked a strong release of IFN-γ by CD4+ T-cells hence suggesting that the secretion of this factor as a result of its role in parasite development could “secondarily” induce a potentially protective Th1 response. In conclusion, this work identified two molecules, EmACT and EmTIP, with high immunomodulatory potential that are released by E. multilocularis larvae. The data presented do provide insights into the mechanisms of parasite-driven host immunomodulation during AE that are highly relevant for the development of anti-parasitic immune therapies.
KW  - Immunmodulation
KW  - Fuchsbandwurm
KW  - Regulatorischer T-Lymphozyt
KW  - Dendritische Zelle
KW  - Immunomodulation
KW  - Helminths
KW  - Tapeworm
KW  - Echinococcus
KW  - Regulatory T-cell
KW  - Dendritic cell
KW  - Würmer
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85449
ER  - 
TY  - THES
A1  - Masic, Anita
T1  - Signaling via Interleukin-4 Receptor alpha chain during dendritic cell–mediated vaccination is required to induce protective immunity against Leishmania major in susceptible BALB/c mice
T1  - Die auf dendritischen Zellen basierende Immunisierungsstrategie gegen Leishmania major in BALB/c Mäusen ist abhängig von der Stimulation der Interleukin-4 Rezeptor alpha Kette
N2  - Cutaneous leishmaniasis is endemic in tropical and subtropical regions of the world. Effective vaccination strategies are urgently needed because of the emergence of drug-resistant parasites and severe side effects of chemotherapy. The research group of Heidrun Moll previously established a DC-based vaccination strategy to induce complete and long-lasting immunity to experimental leishmaniasis using LmAg-loaded and CpG ODN-activated DC as a vaccine carrier. Prevention of tissue damages at the site of L. major inoculation can be achieved if the BALB/c mice were systemically given LmAg-loaded BMDC that had been exposed to CpG ODN. The interest in further exploring the role of IL-4 aroused as previous studies allowed establishing that IL-4 was involved in the redirection of the immune response towards a type 1 profile. Thus, wt BALB/c mice or DC-specific CD11ccreIL-4Rα-/lox BALB/c mice were given either wt or IL-4Rα-deficient LmAg-loaded BMDC exposed or not to CpG ODN prior to inoculation of 2 x 105 stationary phase L. major promastigotes into the BALB/c footpad. The results provide evidence that IL4/IL-4Rα-mediated signaling in the vaccinating DC is required to prevent tissue damages at the site of L. major inoculation, as properly conditioned wt DC but not IL-4Rα-deficient DC were able to confer resistance. Furthermore, uncontrolled L. major population size expansion was observed in the footpad and the footpad draining LN in CD11ccreIL-4Rα-/lox mice immunized with CpG ODN-exposed LmAg-loaded IL-4Rα-deficient DC, indicating the influence of IL-4R-mediated signaling in host DC to control parasite replication. In addition, no footpad damage was observed in BALB/c mice that were systemically immunized with LmAg-loaded wt DC doubly exposed to CpG ODN and recombinant IL-4. Discussing these findings allow the assumption that triggering the IL4/IL4Rα signaling pathway could be a precondition when designing vaccines aimed to prevent damaging processes in tissues hosting intracellular microorganisms.
N2  - Die kutane Leishmaniose ist vor allem in den tropischen und subtropischen Regionen endemisch. Die Notwendigkeit der Erforschung und Etablierung einer Impfstoffstrategie basiert auf dem Auftreten von starken Nebenwirkungen während einer medikamentösen Behandlung, als auch auf die Entwicklung von Resistenzen des Parasiten gegenüber herkömmlichen Behandlungsmethoden. Die Arbeitsgruppe um Heidrun Moll etablierte eine auf dendritischen Zellen (DZ) basierende Immunisierungsstrategie, welche langlebige Immunität gegen experimentelle Leishmaniose vermittelt. Dabei dienen CpG ODN-stimulierte DZ als Adjuvans für L.-major–Antigene (LmAg). Die durch Infektion mit Leishmania-Parasiten hervorgerufene Gewebeschädigung kann in BALB/c-Mäusen verhindert werden, vorausgesetzt eine systemische Verabreichung von LmAg-beladenen und CpG ODN-aktivierten DZ erfolgte eine Woche vor der Infektion. Es konnte gezeigt werden, dass der Schutz durch die Induktion einer von Interleukin (IL)-12 und Interferon (IFN)-gamma dominierten T-Helfer (Th)1-Immunantwort herbeigeführt wurde und kranke Kontrollmäuse eine IL-4-dominierte Th2 Immunantwort aufwiesen. Mittlerweile zeigen zahlreiche Studien, dass IL-4 nicht ausschließlich eine krankheitsfördernde Funktion innehat, sondern auch die Fähigkeit zur Einleitung eine Typ-1-Immunantwort besitzt. Auf Grund dieser Studien wurde das Augenmerk auf die Rolle von IL-4 in der DZ-basierten Immunisierung gegen Leishmaniose in BALB/c Mäusen gelegt. In der vorliegenden Arbeit wurde die Notwendigkeit der Stimulation der IL-4 Rezeptor alpha (IL-4Rα) Kette auf DZ, während einer DZ-basierten Immunisierung gegen Leishmaniose in BALB/c Mäusen gezeigt. Um dies zu erreichen, wurden Wildtyp (wt)-BALB/c-Mäuse oder DZ-spezifische CD11ccreIL-4Rα-/lox BALB/c Mäuse entweder mit wt oder IL-4Rα-defizienten LmAg-beladenen DZ mit oder ohne Aktivierung durch CpG ODN, eine Woche vor der Infektion mit 2x105 L. major Promastigoten in den Hinterfuß, immunisiert. Die in dieser Doktorarbeit gezeigten Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die Stimulation der IL-4Rα-Kette auf den als Adjuvans eingesetzten DZ erforderlich ist, um eine Gewebsschädigung an der Infektionsstelle zu verhindern, da konditionierte wt DZ, nicht aber IL-4Rα-defiziente DZ in der Lage sind, Schutz gegen Leishmaniose zu vermitteln. Des Weiteren konnte eine unkontrollierte Ausdehnung von Leishmania-Parasiten im infizierten Fuß und in den angrenzenden Lymphknoten von CD11ccreIL-4Rα-/lox Mäusen beobachtet werden, welche mit CpG ODN-aktivierten und LmAg-beladenen IL-4Rα-defizienten DZ immunisiert wurden. Dieser Befund zeigt den Einfluss der Stimulation der IL-4Rα-Kette auf wirtsansässigen DZ im Hinblick auf die Eindämmung der Parasitenreplikation und Parasitenverbreitung. Zusätzliche Analysen in BALB/c-Mäusen, welche mit LmAg-beladenen, CpG ODN- und rekombinanten IL-4-stimulierten DZ immunisiert wurden, zeigten einen resistenten klinischen Verlauf der Infektion. Die hier gezeigten Ergebnisse lassen die Vermutung zu, dass die durch die IL-4/IL-4Rα-Kette ausgelösten Signale in den DZ eine Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Immunisierung sind und sollten deswegen unbedingt bei der Entwicklung eines Impfstoffes gegen die gewebsschädigenden Folgen einer Leishmaniose oder anderer durch intrazelluläre Mikroorganismen verursachten Infektionen berücksichtigt werden.
KW  - Leishmania major
KW  - Dendritische Zelle
KW  - Immunisierung
KW  - murine leishmaniasis
KW  - IL-4 Rezeptor alpha
KW  - Leishmania major
KW  - murine leishmaniasis
KW  - dendritic cells
KW  - IL-4
KW  - IL-4 receptor alpha chain
KW  - vaccine
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-75508
ER  - 
TY  - THES
A1  - Maric, Hans-Michael
T1  - Molecular Basis of the Multivalent Glycine and γ-Aminobutyric Acid Type A Receptor Anchoring
T1  - Molekulare Basis der Multivalenten Verankerung der Glycin und γ-Aminobuttersäure Typ A Rezeptoren
N2  - γ-Aminobuttersäure-Rezeptoren vom Typ A (GABAARs) und Glyzin-Rezeptoren (GlyRs) sind die wichtigsten Vermittler der schnellen synaptischen Inhibition im zentralen Nervensystem. Von wesentlicher Bedeutung für ihre ordnungsgemäße Funktion in der inhibitorischen Signalübertragung ist ihre präzise Lokalisation und Konzentration innerhalb der neuronalen Oberflächenmembran. Diese Eigenschaften werden durch Gerüstproteine vermittelt, welche direkt an die großen intrazellulären Schleifen der Rezeptoren, sowie an Bausteine des neuronalen Zytoskeletts binden. In meiner Dissertation habe ich die molekularen Details mehrerer zugrunde liegenden Protein-Protein Wechselwirkungen untersucht. Im Speziellen habe ich die Interaktion ausgewählter GABAAR und GlyR Untereinheiten mit den Gerüstproteinen Gephyrin, Radixin und Collybistin analysiert. Ich habe kurze lineare Aminosäuren-Motive innerhalb der großen intrazellulären Schleifen der Rezeptoren identifiziert, welche die direkten und Untereinheit-spezifischen Interaktionen vermitteln. Die Quantifizierung der jeweiligen Bindungsstärke ergab, dass Gephyrins E-Domäne vor allem an die GABAAR α1 (Kd = 17 M) und α3 (Kd = 5 M) -Untereinheiten bindet, wohingegen die SH3-Domäne von Collybistin hauptsächlich mit der GABAAR α2-Untereinheit interagiert (Kd = 1 M). Demgegenüber bindet die FERM-Domäne von Radixin fest an die α5-Untereinheit des GABAAR (Kd = 8 µM). Weiterhin zeigt meine Arbeit, dass diese einfache Beziehung durch (i) fehlende oder (ii) überlappende Bindungsspezifitäten zwischen den Gerüstproteinen und den Rezeptor-Untereinheiten komplex reguliert wird. Ferner beschreibe ich hier, wie im Folgenden ausgeführt, die Möglichkeit einer (iii) negativen Modulation mittels posttranslationaler Modifikation, sowie einer Verstärkung der Bindung durch (iv) Aviditäts-Effekte. (i) Als erstes habe ich mit Hilfe biochemischer Methoden die Radixin-GABAAR α5 Interaktion im Detail untersucht. Meine Strukturanalyse und Kompetitionsstudien legen den Schluss nahe, dass Radixin die betreffende Rezeptor-Untereinheit mittels einer universellen Bindungstasche in der F3 Subdomäne innerhalb seiner FERM Domäne bindet. Diese Bindungsstelle wird durch zwei markante Strukturelemente gebildet: Einer α-Helix, die eine große hydrophobe Tasche bildet, welche eine Vielzahl unterschiedlicher hydrophober Reste in verschiedenen Konformationen akzeptiert, sowie ein β-Strang, der Peptidrückgrat-Interaktionen eingehen kann. Es überrascht nicht, dass eine Vielzahl an Studien die Beteiligung dieser Bindungsseite mit unterschiedlichen Liganden beschrieben hat. Diese Promiskuität unterstreicht die Bedeutung des Aktivierungsmechanismus der zuvor für die Radixin FERM GABAAR α5-Untereinheit beschrieben wurde und impliziert weitere Regulationsmechanismen, die eine koordinierte Interaktion in vivo ermöglichen. (ii) Weiterhin habe ich mich ausführlich der Analyse der Gephyrin-vermittelten GABAAR Clusterbildung gewidmet. Meine röntgenkristallographischen Studien und Bindungsstudien zeigen, dass Gephyrin mit den GABAAR α1, α2 und α3 Untereinheiten über eine universelle Bindungsstelle interagiert, welche auch die Wechselwirkungen mit der β-Untereinheit des GlyR vermittelt. Mittels Struktur-basierter Mutagenesestudien konnte ich die Schlüsselreste innerhalb von Gephyrin und der Rezeptor-Untereinheiten identifizieren, die einen entscheidenden Beitrag zur Gesamt-Bindungsstärke liefern. Insbesondere zwei konservierte aromatische Reste in der N-terminalen Hälfte der Rezeptorbindungsregion gehen entscheidende hydrophobe Wechselwirkungen mit Gephyrin ein. Dementsprechend konnte J. Mukherjee, ein Mitarbeiter in der Gruppe unseres Kooperationspartners Steven J. Moss, zeigen, dass der Austausch dieser Reste innerhalb der α2-Untereinheit des GABAAR ausreicht, um einen deutlichen Rückgang der Rezeptor Cluster-Anzahl und ihrer Größe in primären hippokampalen Neuronen zu verursachen. Die Ausweitung meiner Rezeptor-Interaktions-Studien auf Collybistin (CB) ergab, dass dieses Protein im Vergleich zu Gephyrin eine umgekehrte, aber dennoch überlappende Rezeptor-Untereinheiten-Präferenz aufweist. Die GABAAR α3-Untereinheit bindet ausschließlich an Gephyrin (Kd = 5 µM), während die GABAAR α1-Untereinheit zwar vor allem Gephyrin bindet (Kd = 17 µM), zusätzlich jedoch eine schwache Affinität (Kd ≈ 400 µM) für die SH3-Domäne von CB aufweist. Im Gegensatz dazu bindet die GABAAR α2-Untereinheit hochaffin an die SH3-Domäne von CB (Kd = 1 µM) und zeigt zusätzlich eine schwache Gephyrin Affinität (Kd ≈ 500 µM). Interessanterweise konnte ich Synergieeffekte zwischen der GABAAR α2-Untereinheit, Gephyrins E-Domäne und CBs SH3-Domäne ausschließen und statt dessen zeigen, dass diese Rezeptor-Untereinheit exklusiv entweder Gephyrin oder CB bindet. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass die Rolle von CB in der Rezeptor-Anhäufung allein durch die konkurrierenden Bindungs-Ereignisse seiner konstituierenden Domänen bestimmt wird. Die intramolekulare Assoziation zwischen der PH und der DH-Domäne mit der SH3-Domäne von CB konkurriert mit unterschiedlichen intermolekularen Wechselwirkungen von CB. Und zwar mit der GABAAR α2-Untereinheit-Bindung an die SH3-Domäne, mit der PIP2-Bindung an die PH-Domäne, sowie mit der Gephyrin-Bindung, welche vermutlich von der PH und DH-Domäne von CB vermittelt wird. (iii) Interessanterweise bestätigen frühere Studien, dass die Rezeptor-Motive, die ich hier identifiziert habe und welche direkt mit den Gerüst-Proteinen wechselwirken, in vivo posttranslational modifiziert vorliegen. Insbesondere wurde gezeigt, dass die Gephyrin-Bindemotive der GABAAR α1-Untereinheit und GlyR β-Untereinheiten Ziele des ERK/MAPK und PKC-Phosphorylierungs-Weges sind, während das Radixin-Bindungs-Motiv innerhalb der GABAAR α5-Untereinheit ubiquitiniert vorliegt. In dieser Dissertation habe ich im Besonderen die ERK-Phosphorylierung von Thr348 in der GABAAR α1-Untereinheit untersucht. Tatsächlich konnten meine Bindungs-Assays eine starke Reduktion der direkten Gephyrin Bindungsstärke beim Einbringen eines phosphomimetischen Restes bestätigen. Darüber hinaus konnte J. Mukherjee eine signifikante Reduktion der Cluster-Anzahl und Größe beim Einführen der gleichen Mutation in die α1-Untereinheit beinhaltenden GABAARs in hippokampalen Neuronen beobachten. Der ERK/MAPK-Regulation-Weg ist daher ein aussichtsreicher Kandidat für die Regulation der GABAergen-Signalübertragung. (iv) In vivo bildet Gephyrin vermutlich durch Selbstorganisation seiner G (GephG) und E-Domänen (GephE) ein multivalentes Gerüst. Angesichts der multimeren Natur Gephyrins und der pentameren Rezeptorarchitektur habe ich die Möglichkeit von Aviditäts-Effekten im Prozess der synaptischen Neurotransmitter-Rezeptor-Anhäufung untersucht. Die Kristallstrukturen von GephE im Komplex mit ausgewählten Peptiden zeigen zwei Rezeptor-Bindungsstellen in räumlicher Nähe (15 Å). Auf der Basis dieser Information habe ich bivalente Peptide entworfen, welche beide Rezeptor-Bindungsstellen in Gephyrin simultan besetzen können und, wie erwartet, konnte ich mit Hilfe verschiedener biophysikalischen Methoden eine unübertroffen hohe, durch Avidität potenzierte, Gephyrin-Affinität nachweisen. Mir gelang es diesen Aviditäts-Effekt für einen schwachen Gephyrin Liganden, ein GABAAR-abgeleitetes Peptid, welcher nicht mit herkömmlichen monomeren Liganden untersucht werden konnte, nutzbar zu machen. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass diese Verbindung gezielt die Rezeptor-Bindungsstelle in GephE besetzt und auf diese Weise hemmend auf Gephyrins Rezeptorbindungsaktivität wirkt. Eine weitere Entwicklung dieser Verbindung könnte die Möglichkeit eröffnen, spezifisch die Wirkung der Entkopplung der Gephyrin Rezeptor-Interaktion in der Zellkultur-Experimenten zu analysieren ohne dabei die Anzahl oder die Funktion der Proteine zu beeinträchtigen, was einen Nebeneffekt von konventionellen Methoden wie Gen „knock-out“, RNA-Interferenz oder den Einsatz von Antikörpern darstellt.
N2  - γ-Aminobutyric acid type A receptors (GABAARs) and glycine receptors (GlyRs) are the major mediators of fast synaptic inhibition in the central nervous system. For proper synaptic function their precise localization and exact concentration within the neuronal surface membrane is essential. These properties are mediated by scaffolding proteins which directly contact the large intracellular loops of the receptors and tether them to cytoskeletal elements of the neuronal cells. In my thesis I deciphered the molecular details of several underlying protein-protein interactions, namely the interaction of a subset of GABAAR and GlyR subunits with the scaffolding proteins gephyrin, radixin and collybistin. I determined short linear motifs within the large intracellular loops of the receptors that directly engage in subunit specific scaffold protein interactions. My quantitative binding studies revealed that gephyrins E domain primarily recognizes the GABAAR α1 (Kd = 17 M) and α3 (Kd = 5 M) subunits, in contrast, the SH3 domain of collybistin mainly interacts with the GABAAR α2 subunit (Kd = 1 µM), while the FERM domain of radixin tightly binds to the GABAAR α5 subunit (Kd = 8 µM). My work additionally demonstrated that this simple relationship is complicated by (i) missing or (ii) overlapping binding specificities between the scaffold proteins and the receptor subunits. Moreover, this thesis addressed the possibility of (iii) posttranslational negative regulation as well as amplification generated by (iv) avidity effects as summarized below. (i) First, using biochemical methods I mapped the radixin-GABAAR α5 interaction in detail. My structural analysis and competition assays suggest that radixin mediates the receptor subunit binding via a universal binding site within the F3 subdomain of its FERM domain. This binding site is formed by an α-helix that offers a large hydrophobic pocket, which accepts a variety of different hydrophobic residues adopting different conformations, and a β-strand that readily engages in peptide backbone interactions. Not surprisingly, this binding site has been implicated in a wide variety of different scaffold interactions, thus emphasizing the importance of the essential FERM activation mechanism described earlier and suggesting additional pathways to allow tight regulation of this interaction. (ii) Next, I analyzed in detail the process of gephyrin-mediated GABAAR clustering. My X-ray crystallographic studies and binding assays revealed that gephyrin mediates binding of the GABAAR α1, α2 and α3 subunit via a universal binding site that also mediates the interactions with the GlyR β subunit. Using structure-guided mutagenesis I identified key residues within gephyrin and the receptor subunits that act as major contributors to the overall binding strength. Namely, two conserved aromatic residues within the N-terminal half of the receptor binding region engage in crucial hydrophobic interactions with gephyrin. Accordingly, J. Mukherjee from the group of our collaborator Steven J. Moss verified a substantial decrease in GABAAR cluster number and size in primary hippocampal neurons upon exchange of these residues within the GABAAR α2 subunit. Extension of my studies to collybistin (CB) revealed an overlapping but reciprocal subunit preference for this protein in comparison to gephyrin. The GABAAR α3 subunit exclusively binds gephyrin, in contrast the GABAAR α1 subunit mainly targets gephyrin (Kd = 17 µM) but additionally displays a moderate affinity (Kd ≈ 400 µM) towards the SH3 domain of CB. The GABAAR α2 subunit binds tightly to the SH3 domain of CB (Kd = 1 µM) and additionally displays a weak gephyrin affinity (Kd ≈ 500 µM). Notably, I could exclude the possibility of synergistic effects between gephyrins E domain, the SH3 domain of CB and the GABAAR α2 subunit. Instead, I found that the GABAAR α2 subunit binds gephyrin and CB in a mutually exclusive manner. These results suggest that CBs role in receptor clustering is solely determined by competing binding events of its constituting domains. Namely, the intra-molecular association between the PH/DH domain and the SH3 domain within CB competes with different inter-molecular interactions of CB: GABAAR α2 binding to the SH3 domain, PIP2 binding to the PH domain and gephyrin presumably binding to the PH and DH domain of CB. (iii) Interestingly, the receptor motifs, which have been mapped in my thesis to directly interact with the scaffold proteins, were shown in earlier studies to be posttranslationally modified in vivo. In particular, the GABAAR α1 and GlyR β subunits have been implicated as targets of the ERK/MAPK and PKC phosphorylation-pathways, respectively, while the GABAAR α5 subunit motif was shown to be ubiquitinated. In this dissertation, I analyzed Thr348, a possible ERK phosphorylation site within GABAAR α1. My binding assays verified a severe reduction of the direct gephyrin binding strength upon introduction of the respective phosphomimetic residue. The relevance of this in vitro result was highlighted by J. Mukherjee who confirmed a significant reduction in GABAAR cluster number and size upon introduction of the same mutation. The ERK/MAPK pathway is therefore a promising candidate for regulation of GABAergic transmission. (iv) In vivo, gephyrin presumably forms a multivalent scaffold, which is based on the self-association of its G (GephG) and E domains (GephE). Given the multimeric nature of gephyrin and the pentameric receptor architecture, I tested the possibility of avidity in the clustering of inhibitory neurotransmitter receptors. Cocrystallization of selected minimum peptides with GephE and their crystal structure analyses enabled me to define a receptor-derived peptide that offers a maximized gephyrin affinity. The structure of the GephE-GlyR  receptor complex reveals two receptor-binding sites in close spatial vicinity (15 Å). I therefore designed bivalent peptides that enable to target both GephE sites at the same time and, as expected, a variety of biophysical methods verified an avidity-potentiated and unmatched high gephyrin affinity for these bidentate compounds. Notably, I could extend the dimerization approach to low affinity gephyrin ligands, namely short GABAAR-derived peptides that could not be studied using conventional monomeric ligands. Additionally, I verified that this compound specifically targets GephEs receptor binding site, and that it thereby inhibits its receptor binding activity. Further development of this molecule may offer the possibility to specifically analyze the effect of uncoupling the gephyrin-receptor interaction in cell culture-based assays, without altering protein function or expression level that accompanies conventional methods such as protein knock-out, RNA interference or the usage of antibodies.
KW  - Gephyrin
KW  - Neurotransmitter-Rezeptor
KW  - GABAA-Rezeptor
KW  - Glyzinrezeptor
KW  - Gephyrin
KW  - Neurotransmitter Rezeptoren
KW  - GABA A Rezeptoren
KW  - Rezeptor Verankerung
KW  - Glyzin Rezeptoren
KW  - Gephyrin
KW  - Neurotransmitter Receptors
KW  - GABA A Receptors
KW  - Receptor Anchoring
KW  - Glycine Receptors
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85712
ER  -