TY  - THES
A1  - Janz, Anna
T1  - Human induced pluripotent stem cells (iPSCs) in inherited cardiomyopathies: Generation and characterization of an iPSC-derived cardiomyocyte model system of dilated cardiomyopathy with ataxia (DCMA)
T1  - Humane induzierte pluripotente Stammzellen in vererbbaren Kardiomyopathien: Generierung und Charakterisierung eines auf Stammzellen basierenden Herzmuskelmodellsystems der Dilatativen Kardiomyopathie mit Ataxie (DCMA)
N2  - The emergence of human induced pluripotent stem cells (iPSCs) and the rise of the clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9 (CRISPR/Cas9) gene editing technology innovated the research platform for scientists based on living human pluripotent cells. The revolutionary combination of both Nobel Prize-honored techniques enables direct disease modeling especially for research focused on genetic diseases. To allow the study on mutation-associated pathomechanisms, we established robust human in vitro systems of three inherited cardiomyopathies: arrhythmogenic cardiomyopathy (ACM), dilated cardiomyopathy with juvenile cataract (DCMJC) and dilated cardiomyopathy with ataxia (DCMA). 
Sendai virus vectors encoding OCT3/4, SOX2, KLF4, and c-MYC were used to reprogram human healthy control or mutation-bearing dermal fibroblasts from patients to an embryonic state thereby allowing the robust and efficient generation of in total five transgene-free iPSC lines. The nucleofection-mediated CRISPR/Cas9 plasmid delivery in healthy control iPSCs enabled precise and efficient genome editing by mutating the respective disease genes to create isogenic mutant control iPSCs. Here, a PKP2 knock-out and a DSG2 knock-out iPSC line were established to serve as a model of ACM. Moreover, a DNAJC19 C-terminal truncated variant (DNAJC19tv) was established to mimic a splice acceptor site mutation in DNAJC19 of two patients with the potential of recapitulating DCMA-associated phenotypes. In total eight self-generated iPSC lines were assessed matching internationally defined quality control criteria. The cells retained their ability to differentiate into cells of all three germ layers in vitro and maintained a stable karyotype. All iPSC lines exhibited a typical stem cell-like morphology as well as expression of characteristic pluripotency markers with high population purities, thus validating the further usage of all iPSC lines in in vitro systems of ACM, DCMA and DCMJC. 
Furthermore, cardiac-specific disease mechanisms underlying DCMA were investigated using in vitro generated iPSC-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs). DCMA is an autosomal recessive disorder characterized by life threatening early onset cardiomyopathy associated with a metabolic syndrome. Causal mutations were identified in the DNAJC19 gene encoding an inner mitochondrial membrane (IMM) protein with a presumed function in mitochondrial biogenesis and cardiolipin (CL) remodeling. In total, two DCMA patient-derived iPSC lines (DCMAP1, DCMAP2) of siblings with discordant cardiac phenotypes, a third isogenic mutant control iPSC line (DNAJC19tv) as well as two control lines (NC6M and NC47F) were directed towards the cardiovascular lineage upon response to extracellular specification cues. The monolayer cardiac differentiation approach was successfully adapted for all five iPSC lines and optimized towards ventricular subtype identity, higher population purities and enhanced maturity states to fulfill all DCMA-specific requirements prior to phenotypic investigations. To provide a solid basis for the study of DCMA, the combination of lactate-based metabolic enrichment, magnetic-activated cell sorting, mattress-based cultivation and prolonged cultivation time was performed in an approach-dependent manner. The application of the designated strategies was sufficient to ensure adult-like characteristics, which included at least 60-day-old iPSC-CMs. Therefore, the novel human DCMA platform was established to enable the study of the pathogenesis underlying DCMA with respect to structural, morphological and functional changes. 
The disease-associated protein, DNAJC19, is constituent of the TIM23 import machinery and can directly interact with PHB2, a component of the membrane bound hetero-oligomeric prohibitin ring complexes that are crucial for phospholipid and protein clustering in the IMM. DNAJC19 mutations were predicted to cause a loss of the DnaJ interaction domain, which was confirmed by loss of full-length DNAJC19 protein in all mutant cell lines. The subcellular investigation of DNAJC19 demonstrated a nuclear restriction in mutant iPSC-CMs. The loss of DNAJC19 co-localization with mitochondrial structures was accompanied by enhanced fragmentation, an overall reduction of mitochondrial mass and smaller cardiomyocytes. Ultrastructural analysis yielded decreased mitochondria sizes and abnormal cristae providing a link to defects in mitochondrial biogenesis and CL remodeling. Preliminary data on CL profiles revealed longer acyl chains and a more unsaturated acyl chain composition highlighting abnormities in the phospholipid maturation in DCMA. 
However, the assessment of mitochondrial function in iPSCs and dermal fibroblasts revealed an overall higher oxygen consumption that was even more enhanced in iPSC-CMs when comparing all three mutants to healthy controls. Excess oxygen consumption rates indicated a higher electron transport chain (ETC) activity to meet cellular ATP demands that probably result from proton leakage or the decoupling of the ETC complexes provoked by abnormal CL embedding in the IMM. 
Moreover, in particular iPSC-CMs presented increased extracellular acidification rates that indicated a shift towards the utilization of other substrates than fatty acids, such as glucose, pyruvate or glutamine. The examination of metabolic features via double radioactive tracer uptakes (18F-FDG, 125I-BMIPP) displayed significantly decreased fatty acid uptake in all mutants that was accompanied by increased glucose uptake in one patient cell line only, underlining a highly dynamic preference of substrates between mutant iPSC-CMs. 
To connect molecular changes directly to physiological processes, insights on calcium kinetics, contractility and arrhythmic potential were assessed and unraveled significantly increased beating frequencies, elevated diastolic calcium concentrations and a shared trend towards reduced cell shortenings in all mutant cell lines basally and upon isoproterenol stimulation. Extended speed of recovery was seen in all mutant iPSC-CMs but most striking in one patient-derived iPSC-CM model, that additionally showed significantly prolonged relaxation times. The investigations of calcium transient shapes pointed towards enhanced arrhythmic features in mutant cells comprised by both the occurrence of DADs/EADs and fibrillation-like events with discordant preferences.
Taken together, new insights into a novel in vitro model system of DCMA were gained to study a genetically determined cardiomyopathy in a patient-specific manner upon incorporation of an isogenic mutant control. Based on our results, we suggest that loss of full-length DNAJC19 impedes PHB2-complex stabilization within the IMM, thus hindering PHB-rings from building IMM-specific phospholipid clusters. These clusters are essential to enable normal CL remodeling during cristae morphogenesis. Disturbed cristae and mitochondrial fragmentation were observed and refer to an essential role of DNAJC19 in mitochondrial morphogenesis and biogenesis. Alterations in mitochondrial morphology are generally linked to reduced ATP yields and aberrant reactive oxygen species production thereby having fundamental downstream effects on the cardiomyocytes` functionality. DCMA-associated cellular dysfunctions were in particular manifested in excess oxygen consumption, altered substrate utilization and abnormal calcium kinetics. The summarized data highlight the usage of human iPSC-derived CMs as a powerful tool to recapitulate DCMA-associated phenotypes that offers an unique potential to identify therapeutic strategies in order to reverse the pathological process and to pave the way towards clinical applications for a personalized therapy of DCMA in the future.
N2  - Die Entwicklung von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) und die biotechnologische Anwendung des „clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9“ (CRISPR/Cas9) Gen-Editierungssystems bilden eine innovative Forschungsplattform für Wissenschaftler basierend auf lebenden menschlichen pluripotenten Stammzellen. Die bahnbrechende Kombination beider nobelpreisprämierter Techniken erlaubt eine direkte Krankheitsmodellierung insbesondere für die Erforschung von genetisch bedingten Erkrankungen. Um die Untersuchung von mutationsassoziierten Pathomechanismen zu ermöglichen, etablierten wir robuste humane in vitro Systeme von drei vererbbaren Kardiomyopathien: die arrhythmogene Kardiomyopathie (AKM), die dilatative Kardiomyopathie mit juveniler Katarakt (DKMJK) und die dilatative Kardiomyopathie mit Ataxie (DKMA).
Zur Generierung von transgenfreien iPS-Zellen wurden für OCT3/4, SOX2, KLF4 und c-MYC kodierende Sendai-Virus-Vektoren verwendet um humane gesunde Kontroll- oder mutationstragende dermale Fibroblasten von Patienten in einen embryonalen Zustand zu reprogrammieren. Die Verwendung der SeV-vermittelten Reprogrammierung ermöglichte uns eine effiziente und robuste Herstellung von insgesamt fünf transgen-freien iPS-Zelllinien. Zudem befähigt die Nukleofektion der CRISPR/Cas9-Plasmide in gesunden Kontroll-iPS-Zellen eine präzise und effiziente Genom-Editierung krankheitsrelevanter Gene und damit die Generierung von isogenen mutierten iPS-Zelllinien. Mit diesem Verfahren wurden eine PKP2-Knock-out- und eine DSG2-Knock-out iPSZ-Linie hergestellt, die jeweils als Modell für AKM dienen. Darüber hinaus wurde eine mit DKMA-assoziierte Spleißakzeptormutation auf genetischer Basis imitiert, um die mit dem Phänotyp zweier Patienten in Verbindung gebrachte C-terminal verkürzte DNAJC19-Variante (DNAJC19tv) auf translationaler Ebene rekapitulieren zu können. Alle acht eigens generierten iPS-Zelllinien entsprachen international definierten Qualitätskontrollkriterien.  Die hergestellten iPS-Zellen behielten die Fähigkeit in vitro in Zellen der drei Keimblätter zu differenzieren und zeigten darüber hinaus einen normalen Karyotyp. Alle iPS-Zelllinien wiesen eine typische stammzellähnliche Morphologie sowie die Expression charakteristischer Pluripotenzmarker bei gleichzeitig hoher Populationsreinheit auf. Die experimentelle Qualtitätskontrolle hat somit die weitere Verwendung aller iPS-Zelllinien in in vitro Systemen von AKM, DKMA und DKMJK validiert.
Die der DKMA zugrundeliegenden herzspezifischen Krankheitsmechanismen wurden zudem mithilfe von in vitro produzierten iPSZ-abgeleiteten Kardiomyozyten (iPSZ-KMs) untersucht. DKMA ist eine autosomal rezessiv vererbte Erkrankung, die durch Mutationen im DNAJC19 Gen hervorgerufen wird. Das wichtigste klinische Merkmal der Patienten ist eine früh einsetzende und lebensbedrohliche dilatative Kardiomyopathie, die oftmals mit einem metabolischen Syndrom einhergeht. DNAJC19 kodiert für ein Protein der inneren mitochondrialen Membran (IMM), dessen postulierte Funktion in der mitochondrialen Biogenese und der Remodellierung von Cardiolipin liegt. Zur Modellierung der DKMA wurden zwei von DKMA-Patienten abgeleitete iPS-Zelllinien (DCMAP1, DCMAP2) eines Geschwisterpaares mit unterschiedlich ausgeprägten kardialen Phänotypen, eine dritte isogene mutierte iPS-Zelllinie (DNAJC19tv) sowie zwei gesunden Kontroll-iPS-Zelllinien (NC6M und NC47F) mithilfe extrazellulärer Spezifikationsfaktoren zur kardiovaskulären Differenzierung angeregt. 
Das Monolayer-Protokoll zur kardialen Differenzierung wurde erfolgreich für alle fünf iPSZ-Linien adaptiert und in Bezug auf die Anreicherung des ventrikulären Herzmuskelzellsubtyps, höhere Zellpopulationsreinheiten und adulte Reifegrade optimiert. Die Kombination der Laktat-basierten metabolischen Aufreinigung, der magnetisch-aktivierten Zellsortierung, der Anwendung einer Mattress-basierten Kultivierungsstrategie und verlängerte Kultivierungszeiten ermöglichte die Erfüllung aller DKMA-spezifischen Anforderungen. Zusammengefasst konnten insbesondere adulte Charakteristika durch die Kombination der benannten experimentellen Strategien unter Verwendung von mindestens 60 Tage kultivierten iPSZ-KMs nachgewiesen werden, um eine zuverlässige phänotypische Untersuchung der DKMA gewährleisten zu können. Die innovative humane Untersuchungsplattform wurde etabliert, um die Pathogenese der DKMA im Hinblick auf strukturelle, morphologische und funktionelle Veränderungen entschlüsseln zu können.
Das mit DKMA assoziierte Protein DNAJC19 ist Bestandteil der TIM23-Importmaschinerie und besitzt zudem die Fähigkeit einer direkten Interaktion mit PHB2. PHB2 trägt zur Bildung der membrangebundenen hetero-oligomeren Prohibitin-Ringkomplexe bei, deren Hauptfunktion in der Anreicherung von Phospholipiden und Proteinen innerhalb von Clustern in der IMM liegt. Der durch DNAJC19 Mutationen vermutete hervorgerufenen Verlust der DnaJ-Interaktionsdomäne wurde durch die fehlende Expression des DNAJC19 Proteins in voller Länge in allen mutationstragenden Zellen bestätigt. Die subzelluläre Untersuchung von DNAJC19 zeigte ein auf den Kern beschränktes Expressionsmuster in mutierten iPSZ-KMs. Der Verlust der DNAJC19 Ko-Lokalisation mit mitochondrialen Strukturen ging mit einer abnormen mitochondrialen Fragmentierung, einer signifikanten Abnahme der mitochondrialen Masse und einer signifikant reduzierten Kardiomyozytengröße einher. Ultrastrukturelle Analysen ergaben zudem kleinere Mitochondrien und abnorme Cristae, die eine krankheitsrelevante Verbindung zu Defekten in der mitochondrialen Biogenese und der CL-Reifung darlegen. Vorläufige Daten zu CL-Profilen zeigten längere Acylketten und eine ungesättigtere Acylkettenzusammensetzung, was auf Anomalien in der Phospholipidmaturierung bei DKMA hinweist.
Der Vergleich aller Mutanten mit gesunden Kontrollen hinsichtlich der mitochondrialen Funktion in iPS-Zellen und Hautzellen (dermale Fibroblasten), zeigte eine insgesamt höhere Sauerstoffverbrauchsrate, die in iPSZ-KMs noch stärker ausgeprägt war. Der erhöhte Sauerstoffverbrauch deutet auf eine höhere Aktivität der Elektronentransportkette hin um den zellulären Energiebedarf decken zu können. Wir vermuten einen erhöhten Sauerstoffverbrauch als Konsequenz des Protonendurchsickerns oder der Entkopplung der ETC-Komplexe, das durch eine abnorme CL-Einbettung in der IMM bedingt sein könnte.
Darüber hinaus wiesen insbesondere iPSZ-KMs erhöhte extrazelluläre Säuerungsraten auf, die auf eine Verstoffwechselung anderer Substrate wie Glukose, Pyruvat oder Glutamin hinweisen, im Gegensatz zu der ansonsten bevorzugten Verstoffwechslung von Fettsäuren. Die Untersuchung der metabolischen Eigenschaften mittels der radioaktiven Tracer 18F-FDG und 125I-BMIPP zeigte eine signifikant verringerte Fettsäureaufnahme in allen Mutanten, die nur in einer Patientenzelllinie von einer erhöhten Glukoseaufnahme begleitet wurde. Diese Ergebnisse weisen auf eine DKMA-spezifische hochdynamische Präferenz der Substrate zwischen den unterschiedlichen Mutanten hin.
Um den Einfluss der molekularen Veränderungen direkt mit physiologischen Prozessen in Verbindung bringen zu können, wurden Untersuchungen der Kalziumkinetik, der Kontraktilität und des arrhythmischen Potentials durchgeführt. Einzelzellmessungen ergaben eine signifikant erhöhte Kontraktionsfrequenz, erhöhte diastolische Kalziumkonzentrationen und eine Tendenz zu reduzierten Zellverkürzungen in allen mutierten Zelllinien basal und verstärkt nach Isoproterenol-Stimulation. Zudem wurden verlangsamte Erholungsgeschwindigkeiten in allen mutierten iPSZ-KMs festgestellt, das in den iPSZ-KMs des einen Patienten besonders auffällig war und mit verlängerten Relaxationszeiten einherging. Die Evaluation der Kalziumtransientenformen deutet auf verstärkte arrhythmische Merkmale in den mutierten Zellen hin, die sowohl das Auftreten von DADs/EADs als auch Fibrillations-ähnlichen Ereignissen mit gegensätzlichen Präferenzen umfasste.
Insgesamt wurden unter der Verwendung patientenspezifischer iPS-Zellen und einer isogenen Mutantenkontrolle neue Einblicke in ein innovatives in vitro Modellsystem der DKMA gewonnen. Basierend auf unseren Ergebnissen vermuten wir, dass der Verlust des DNAJC19 Proteins in voller Länge die Stabilisierung von PHB-Komplexen innerhalb der IMM beeinträchtigt und damit PHB-Ringe an der Bildung von IMM-spezifischen Phospholipid-Clustern hindert. Diese Cluster sind essentiell um eine normale Cardiolipin-Reifung und dessen Funktion in der Cristae-Morphogenese gewährleisten zu können. Abnorme Cristae und fragmentierte mitochondriale Strukturen wurden beobachtet und deuten so auf eine essentielle Rolle von DNAJC19 in der mitochondrialen Morphogenese und Biogenese hin. Abnorme Veränderungen in der mitochondrialen Morphologie werden in der Regel mit einer verminderten ATP-Verfügbarkeit und einer erhöhten Produktion an freien Sauerstoffradikalen assoziiert, das nachfolgend die gesamte Funktionalität der Kardiomyozyten negativ beeinflussen kann. Diese Veränderungen konnten anhand einer erhöhten Sauerstoffverbrauchsrate, unterschiedliche metabolische Eigenschaften und einer abnormalen Kalziumkinetik gemessen werden. 
Die zusammengefassten Daten unterstreichen die Verwendbarkeit von humanen iPSZ-KMs als ein eindrucksvolles System zur Rekapitulation von herzspezifischen Phänotypen und haben damit neue Einblicke in die Pathogenese der DKMA ermöglicht. Das Modellsystem bietet ein einzigartiges Potenzial zur Identifizierung therapeutischer Strategien, um pathologische Prozesse umkehren zu können und so den Weg für zukünftige klinische Anwendungen im Rahmen der personalisierten Therapie zu ebnen.
KW  - in vitro model system of inherited cardiomyopathies
KW  - Induzierte pluripotente Stammzelle
KW  - CRISPR/Cas-Methode
KW  - induced pluripotent stem cells (iPSCs)
KW  - iPSC-derived CMs (iPSC-CMs)
KW  - CRISPR/Cas9
KW  - dilated cardiomyopathy with ataxia (DCMA)
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-240966
ER  - 
TY  - THES
A1  - Değirmenci [née Pölloth], Laura
T1  - Sugar perception and sugar receptor function in the honeybee (\(Apis\) \(mellifera\))
T1  - Zuckerwahrnehmung und Zuckerrezeptorfunktion in der Honigbiene  (\(Apis\) \(mellifera\))
N2  - In the eusocial insect honeybee (Apis mellifera), many sterile worker bees live together with a reproductive queen in a colony. All tasks of the colony are performed by the workers, undergoing age-dependent division of labor. Beginning as hive bees, they take on tasks inside the hive such as cleaning or the producing of larval food, later developing into foragers. With that, the perception of sweetness plays a crucial role for all honeybees whether they are sitting on the honey stores in the hive or foraging for food. Their ability to sense sweetness is undoubtedly necessary to develop and evaluate food sources. Many of the behavioral decisions in honeybees are based on sugar perception, either on an individual level for ingestion, or for social behavior such as the impulse to collect or process nectar. In this context, honeybees show a complex spectrum of abilities to perceive sweetness on many levels. They are able to perceive at least seven types of sugars and decide to collect them for the colony. Further, they seem to distinguish between these sugars or at least show clear preferences when collecting them. Additionally, the perception of sugar is not rigid in honeybees. For instance, their responsiveness towards sugar changes during the transition from in-hive bees (e.g. nurses) to foraging and is linked to the division of labor. Other direct or immediate factors changing responsiveness to sugars are stress, starvation or underlying factors, such as genotype. 
Interestingly, the complexity in their sugar perception is in stark contrast to the fact that honeybees seem to have only three predicted sugar receptors. 
In this work, we were able to characterize the three known sugar receptors (AmGr1, AmGr2 and AmGr3) of the honeybee fully and comprehensively in oocytes (Manuscript II, Chapter 3 and Manuscript III, Chapter 4). We could show that AmGr1 is a broad sugar receptor reacting to sucrose, glucose, maltose, melezitose and trehalose (which is the honeybees’ main blood sugar), but not fructose. AmGr2 acts as its co-receptor altering AmGr1’s specificity, AmGr3 is a specific fructose receptor and we proved the heterodimerization of all receptors. With my studies, I was able to reproduce and compare the ligand specificity of the sugar receptors in vivo by generating receptor mutants with CRISPR/Cas9. With this thesis, I was able to define AmGr1 and AmGr3 as the honeybees’ basis receptors already capable to detect all sugars of its known taste spectrum.
In the expression analysis of my doctoral thesis (Manuscript I, Chapter 2) I demonstrated that both basis receptors are expressed in the antennae and the brain of nurse bees and foragers. This thesis assumes that AmGr3 (like the Drosophila homologue) functions as a sensor for fructose, which might be the satiety signal, while AmGr1 can sense trehalose as the main blood sugar in the brain. Both receptors show a reduced expression in the brain of foragers when compared with nurse bees. These results may reflect the higher concentrated diet of nurse bees in the hive. The higher number of receptors in the brain may allow nurse bees to perceive hunger earlier and to consume the food their sitting on. Forager bees have to be more persistent to hunger, when they are foraging, and food is not so accessible. The findings of reduced expression of the fructose receptor AmGr3 in the antennae of nurse bees are congruent with my other result that nurse bees are also less responsive to fructose at the antennae when compared to foragers (Manuscript I, Chapter 2). This is possible, since nurse bees sit more likely on ripe honey which contains not only higher levels of sugars but also monosaccharides (such as fructose), while foragers have to evaluate less-concentrated nectar. 
My investigations of the expression of AmGr1 in the antennae of honeybees found no differences between nurse bees and foragers, although foragers are more responsive to the respective sugar sucrose (Manuscript I, Chapter 2). Considering my finding that AmGr2 is the co-receptor of AmGr1, it can be assumed that AmGr1 and the mediated sucrose taste might not be directly controlled by its expression, but indirectly by its co-receptor. My thesis therefore clearly shows that sugar perception is associated with division of labor in honeybees and appears to be directly or indirectly regulated via expression. 
The comparison with a characterization study using other bee breeds and thus an alternative protein sequence of AmGr1 shows that co-expression of different AmGr1 versions with AmGr2 alters the sugar response differently. Therefore, this thesis provides first important indications that alternative splicing could also represent an important regulatory mechanism for sugar perception in honeybees.
Further, I found out that the bitter compound quinine lowers the reward quality in learning experiments for honeybees (Manuscript IV, Chapter 5). So far, no bitter receptor has been found in the genome of honeybees and this thesis strongly assumes that bitter substances such as quinine inhibit sugar receptors in honeybees. With this finding, my work includes other molecules as possible regulatory mechanism in the honeybee sugar perception as well. We showed that the inhibitory effect is lower for fructose compared to sucrose. Considering that sugar signals might be processed as differently attractive in honeybees, this thesis concludes that the sugar receptor inhibition via quinine in honeybees might depend on the receptor (or its co-receptor), is concentration-dependent and based on the salience or attractiveness and concentration of the sugar present. 
With my thesis, I was able to expand the knowledge on honeybee’s sugar perception and formulate a complex, comprehensive overview. Thereby, I demonstrated the multidimensional mechanism that regulates the sugar receptors and thus the sugar perception of honeybees. With this work, I defined AmGr1 and AmGr3 as the basis of sugar perception and enlarged these components to the co-receptor AmGr2 and the possible splice variants of AmGr1. I further demonstrated how those sugar receptor components function, interact and that they are clearly involved in the division of labor in honeybees. In summary, my thesis describes the mechanisms that enable honeybees to perceive sugar in a complex way, even though they inhere a limited number of sugar receptors. My data strongly suggest that honeybees overall might not only differentiate sugars and their diet by their general sweetness (as expected with only one main sugar receptor). The found sugar receptor mechanisms and their interplay further suggest that honeybees might be able to discriminate directly between monosaccharides and disaccharides or sugar molecules and with that their diet (honey and nectar).
N2  - Beim dem eusozialen Insekt Honigbiene (Apis mellifera) leben tausende sterile Arbeitsbienen zusammen mit einer fortpflanzungsfähigen Königin in einem Volk. Alle Aufgaben in der Kolonie werden von diesen Arbeiterinnen erledigt, während sie eine altersabhängige Arbeitsteilung durchlaufen. Als Stockbienen beginnend übernehmen sie Aufgaben im Stock wie die Reinigung oder die Produktion von Larvenfutter und entwickeln sich später zu Sammlerinnen. Das Wahrnehmung von Süße spielt für alle Honigbienen eine entscheidende Rolle, egal ob sie auf den Honigvorräten im Stock sitzen oder nach Nahrung suchen. Ihre Fähigkeit Süße zu wahrzunehmen ist zweifellos notwendig, um Nahrungsquellen zu identifizieren und zu bewerten. Viele der Verhaltensentscheidungen bei Honigbienen basieren auf ihrer Zuckerwahrnehmung, entweder auf individueller Ebene für die Nahrungsaufnahme oder für soziales Verhalten wie beispielsweise das Sammeln oder Verarbeiten von Nektar. Honigbienen zeigen auf vielen Ebenen ein komplexes Spektrum bei der Wahrnehmung von Süße. Sie können mindestens sieben Zuckerarten wahrnehmen und sammeln diese für ihren Stock. Darüber hinaus scheinen sie zwischen diesen Zuckern unterscheiden zu können oder zeigen zumindest klare Präferenzen beim Sammeln. Außerdem ist die Zuckerwahrnehmung bei Honigbienen nicht starr. Ihre Zuckerwahrnehmung ändert sich, wenn sie von einer Stockbiene (z. B. Ammen) zum Nahrungssammeln außerhalb des Stockes übergehen, und ist somit mit ihrer Arbeitsteilung verbunden. Andere direkte oder unmittelbare Faktoren, die die Reaktion auf Zucker verändern, sind Stress, Hunger oder zugrunde liegende Faktoren wie der Genotyp.
Interessanterweise steht die Komplexität der Zuckerwahrnehmung in starkem Kontrast zu der Tatsache, dass Honigbienen bisher anscheinend nur drei mögliche Zuckerrezeptoren haben.
In dieser Arbeit konnten wir die drei bekannten Honigbienenzuckerrezeptoren (AmGr1, AmGr2 und AmGr3) in Xenopus-Oozyten vollständig und umfassend charakterisieren (Manuscript II, Chapter 3 und Manuscript III, Chapter 4). Wir konnten zeigen, dass AmGr1 ein breitdetektierender Zuckerrezeptor ist, der auf Saccharose, Glukose, Maltose, Melezitose und Trehalose (der Hauptblutzucker bei Honigbienen), aber nicht auf Fruktose reagiert. AmGr2 fungiert als ein Co-Rezeptor, der die Spezifität von AmGr1 verändert. AmGr3 ist ein spezifischer Fruktoserezeptor und wir haben die Heterodimerisierung der Rezeptoren überprüft. Mit meinen Studien konnte ich die gefundene Ligandenspezifität der Zuckerrezeptoren in vivo reproduzieren und vergleichen, indem ich Rezeptormutanten mit CRISPR/Cas9 generierte. Dabei konnte ich AmGr1 und AmGr3 als die Basisrezeptoren von Honigbienen definieren, die bereits alle Zucker ihres bekannten Geschmacksspektrums detektieren können.
In der Expressionsanalyse meiner Doktorarbeit (Manuscript I, Chapter 2) konnte ich zeigen, dass beide Basisrezeptoren in den Antennen und im Gehirn von Ammenbienen und Sammlerinnen exprimiert werden. Diese Arbeit geht davon aus, dass AmGr3 (wie das Homologe in Drosophila) als Sensor für Fruktose fungiert, die das Sättigungssignal sein könnte, während AmGr1 Trehalose als Hauptblutzucker im Gehirn wahrnehmen kann. Beide Rezeptoren zeigen eine reduzierte Expression im Gehirn von Sammlerinnen im Vergleich zu Ammenbienen. Diese Ergebnisse könnten die höher konzentrierte Ernährung der Ammenbienen im Stock widerspiegeln. Die höhere Anzahl an Rezeptoren im Gehirn könnte es den Ammenbienen ermöglichen frühzeitiger Hunger wahrzunehmen und die Nahrung, auf der sie sitzen aufzunehmen. Sammelbienen dagegen müssen beim Sammeln und dem reduzierten Nahrungsangebot ausdauernder sein. Die gemessene reduzierte Expression des Fruktoserezeptors AmGr3 in den Antennen von Ammenbienen entsprechen meinen anderen Ergebnissen, wonach Ammenbienen im Vergleich zu Sammelbienen an den Antennen auch weniger empfindlich auf Fruktose reagieren (Manuscript I, Chapter 2). Dies ist möglich, da Ammenbienen eher auf reifem Honig sitzen, der nicht nur einen höheren Zuckergehalt, sondern auch vermehrt Monosaccharide (wie Fructose) enthält, während Sammelbienen weniger konzentrierten Nektar bewerten müssen.
Meine Untersuchungen zur Expression von AmGr1 in den Antennen von Honigbienen ergaben keine Unterschiede zwischen Ammenbienen und Sammlerinnen, obwohl Sammlerinnen empfindlicher auf den entsprechenden Zucker Saccharose reagieren. Angesichts unserer Ergebnisse, dass AmGr2 der Co-Rezeptor von AmGr1 ist, kann die Hypothese aufgestellt werden, dass AmGr1 und der vermittelte Saccharose-Geschmack möglicherweise nicht direkt durch seine Expression, sondern indirekt durch seinen Co-Rezeptor reguliert werden. Meine Dissertation zeigt somit deutlich, dass die Zuckerwahrnehmung bei Honigbienen mit Arbeitsteilung verbunden ist und direkt oder indirekt über die Expression geregelt zu werden scheint.
Der Vergleich mit einer anderen Charakterisierungsstudie, durchgeführt an anderen Bienenrassen und damit einer alternativen Proteinsequenz von AmGr1, zeigt, dass die Co-Expression verschiedener AmGr1-Varianten mit AmGr2 die Zuckerantwort unterschiedlich verändert. Daher liefert diese Arbeit erste wichtige Hinweise darauf, dass alternatives Spleißen auch bei Honigbienen einen wichtigen Regulationsmechanismus für die Zuckerwahrnehmung darstellen könnte. 
Des Weiteren habe ich herausgefunden, dass der Bitterstoff Chinin die Qualität der Belohnung in Lernexperimenten für Honigbienen senkt (Manuscript IV, Chapter 5). Bisher wurde kein Bitterrezeptor im Genom von Honigbienen gefunden und diese Arbeit deutet darauf hin, dass Bitterstoffe wie Chinin Zuckerrezeptoren in Honigbienen hemmen. Mit dieser Erkenntnis schließt meine Dissertation auch andere Moleküle als mögliche Regulationsmechanismen in die Zuckerwahrnehmung der Honigbiene ein. Wir haben gezeigt, dass die hemmende Wirkung bei Fruktose im Vergleich zu Saccharose geringer ist. Unter der Berücksichtigung, dass Zuckersignale bei Honigbienen möglicherweise unterschiedlich attraktiv verarbeitet werden, kommt meine Arbeit zu dem Schluss, dass die Hemmung der Zuckerrezeptoren durch Chinin bei Honigbienen abhängig ist von der verwendeten Konzentration, der Bedeutung bzw. Attraktivität des Zuckers und seiner Konzentration.
Mit meiner Doktorarbeit konnte ich das Wissen über die Zuckerwahrnehmung der Honigbiene insgesamt erweitern und einen komplexen, umfassenden Überblick formulieren. Ich konnte den mehrdimensionalen Mechanismus aufzeigen, der die Zuckerrezeptoren und damit die Zuckerwahrnehmung von Honigbienen reguliert. Ich konnte AmGr1 und AmGr3 als Basis der Zuckerwahrnehmung definieren und diese Komponenten auf den Co-Rezeptor AmGr2 und die möglichen Spleißvarianten von AmGr1 erweitern. Ich habe außerdem gezeigt, wie diese Zuckerrezeptorkomponenten funktionieren, interagieren, und dass sie eindeutig an der Arbeitsteilung bei Honigbienen beteiligt sind. Zusammenfassend beschreibt meine Dissertation die Mechanismen, die es Honigbienen ermöglichen, Zucker auf komplexe Weise wahrzunehmen, selbst wenn sie eine begrenzte Anzahl von Zuckerrezeptoren besitzen. Meine Daten deuten stark darauf hin, dass Honigbienen Zucker und ihre Nahrung nicht nur aufgrund ihrer generellen Süße unterscheiden können (wie dies mit nur einem Hauptzuckerrezeptor zu erwarten wäre).
Die gefundenen Zuckerrezeptormechanismen und deren Zusammenspiel legen nahe, dass Honigbienen möglicherweise direkt zwischen Monosacchariden und Disacchariden bzw. Zuckermolekülen und damit zwischen ihrer Nahrung (Honig und Nektar) unterscheiden können.
KW  - Biene
KW  - Apis mellifera
KW  - responsiveness
KW  - honeybee
KW  - sugar receptor
KW  - sugar perception (fructose, sucrose)
KW  - AmGr1, AmGr2, AmGr3
KW  - PER
KW  - division of labor
KW  - CRISPR/Cas9
KW  - bitter taste
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-321873
ER  - 
TY  - THES
A1  - Majumder, Snigdha
T1  - Selective inhibition of NFAT in mouse and human T cells by CRISPR/Cas9 to ameliorate acute Graft-versus-Host Disease while preserving Graft-versus-Leukemia effect
T1  - Selektive Hemmung von NFAT in murinen und humanen T-Zellen durch CRISPR/Cas9 zur Linderung der akuten Graft-versus-Host-Erkrankung bei gleichzeitigem Erhalt des Graft-versus-Leukemia-Effekts
N2  - Allogenic hematopoietic stem cell transplantation (allo-HCT) is a curative therapy for the treatment of malignant and non-malignant bone marrow diseases. The major complication of this treatment is a highly inflammatory reaction known as Graft-versus-Host Disease (GvHD). Cyclosporin A (CsA) and tacrolimus are used to treat GvHD which limits inflammation but also interferes with the anticipated Graft-versus-Leukemia (GvL) effect. These drugs repress conventional T cells (Tcon) along with regulatory T cells (Treg), which are important for both limiting GvHD and supporting GvL. Both of these drugs inhibit calcineurin (CN), which dephosphorylates and activates the nuclear factor of activated T-cells (NFAT) family of transcription factors. Here, we make use of our Cd4cre.Cas9+ mice and developed a highly efficient non-viral CRISPR/Cas9 gene editing method by gRNA-only nucleofection. Utilizing this technique, we demonstrated that unstimulated mouse T cells upon NFATc1 or NFATc2 ablation ameliorated GvHD in a major mismatch mouse model. However, in vitro pre-stimulated mouse T cells could not achieve long-term protection from GvHD upon NFAT single-deficiency. This highlights the necessity of gene editing and transferring unstimulated human T cells during allo-HCT. Indeed, we established a highly efficient ribonucleoprotein (RNP)-mediated CRISPR/Cas9 gene editing for NFATC1 and/or NFATC2 in pre-stimulated as well as unstimulated primary human T cells. In contrast to mouse T cells, not NFATC1 but NFATC2 deficiency in human T cells predominantly affected proinflammatory cytokine production. However, either NFAT single-knockout kept cytotoxicity of human CD3+ T cells untouched against tumor cells in vitro. Furthermore, mouse and human Treg were unaffected upon the loss of a single NFAT member. Lastly, NFATC1 or NFATC2-deficient anti-CD19 CAR T cells, generated with our non-viral ‘one-step nucleofection’ method validated our observations in mouse and human T cells. Proinflammatory cytokine production was majorly dependent on NFATC2 expression, whereas, in vitro cytotoxicity against CD19+ tumor cells was undisturbed in the absence of either of the NFAT members. Our findings emphasize that NFAT single-deficiency in donor T cells is superior to CN-inhibitors as therapy during allo-HCT to prevent GvHD while preserving GvL in patients.
N2  - Die allogene hämatopoetische Stammzelltransplantation (allo-HCT) ist eine kurative Therapie zur Behandlung bösartiger und nicht bösartiger Knochenmarkerkrankungen. Die Hauptkomplikation dieser Behandlung ist eine hochgradige Entzündungsreaktion, die als Graft-versus-Host-Disease (GvHD) bekannt ist. Zur Behandlung der GvHD werden Cyclosporin A (CsA) und Tacrolimus eingesetzt, die die Entzündung eindämmen, aber auch den gewünschten Graft-versus-Leukämie-Effekt (GvL) beeinträchtigen. Diese Medikamente unterdrücken sowohl konventionelle T-Zellen (Tcon) als auch regulatorische T-Zellen (Treg), die sowohl für die Begrenzung der GvHD, als auch für die Unterstützung der GvL wichtig sind. Beide Medikamente hemmen Calcineurin (CN), das die Transkriptionsfaktoren der Familie der Nuclear Factor of Activated T-Cells (NFAT) dephosphoryliert und aktiviert. Hier nutzten wir unsere Cd4cre.Cas9+-Mäuse und entwickelten eine hocheffiziente, nicht-virale CRISPR/Cas9-Geneditierungsmethode mittels reiner gRNA-Nukleofektion. Mithilfe dieser Technik konnten wir zeigen, dass unstimulierte T-Zellen der Maus nach Ablation von NFATc1 oder NFATc2 die GvHD in einem Major-Mismatch-Mausmodell mildern. In vitro vorstimulierte T-Zellen von Mäusen konnten jedoch keinen langfristigen Schutz vor GvHD bei NFAT-Einzeldefizienz erreichen. Dies unterstreicht die Notwendigkeit der Gen-Editierung und des Transfers unstimulierter menschlicher T-Zellen während einer allo-HCT. In der Tat konnten wir ein hocheffizientes Ribonukleoprotein (RNP)-vermitteltes CRISPR/Cas9 gene-editing für NFATC1 und/oder NFATC2 nicht nur in vorstimulierten, sondern auch in unstimulierten primären menschlichen T-Zellen etablieren. Im Gegensatz zu T-Zellen von Mäusen wirkte sich der Mangel an NFATC2, nicht aber so sehr an NFATC1, in menschlichen T-Zellen überwiegend auf die Produktion proinflammatorischer Zytokine aus. Bei beiden NFAT-Single-Knockouts blieb jedoch die Zytotoxizität menschlicher CD3+ T-Zellen gegen Tumorzellen in vitro unangetastet. Darüber hinaus wurden die Treg von Maus und Mensch durch den Verlust eines einzelnen NFAT-Mitglieds nicht beeinträchtigt. Schließlich bestätigten NFATC1- oder NFATC2-defiziente Anti-CD19-CAR-T-Zellen, die mit unserer nicht-viralen "Ein-Schritt-Nukleofektionsmethode" erzeugt wurden, unsere Beobachtungen zu T-Zellen von Maus und Mensch. Die Produktion proinflammatorischer Zytokine hing hauptsächlich von der NFATC2-Expression ab, während die In-vitro-Zytotoxizität gegen CD19+-Tumorzellen in Abwesenheit eines der beiden NFAT-Mitglieder ungestört war. Unsere Ergebnisse unterstreichen, dass der Mangel eines einzelnen NFAT-Mitglieds in Spender-T-Zellen einer Therapie mit CN-Inhibitoren während einer allo-HCT überlegen ist. Hier könnten wir eine GvHD verhindern und gleichzeitig den GvL-Effekt in allo-HCT-Patienten erhalten.
KW  - Allogenic hematopoietic stem cell transplantation
KW  - CRISPR/Cas9
KW  - Graft-versus-host-disease
KW  - Graft-versus-leukemia
KW  - allografts
KW  - CRISPR/Cas-Methode
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-293256
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Engstler, Markus
A1  - Beneke, Tom
T1  - Gene editing and scalable functional genomic screening in Leishmania species using the CRISPR/Cas9 cytosine base editor toolbox LeishBASEedit
JF  - eLife
N2  - CRISPR/Cas9 gene editing has revolutionised loss-of-function experiments in Leishmania, the causative agent of leishmaniasis. As Leishmania lack a functional non-homologous DNA end joining pathway however, obtaining null mutants typically requires additional donor DNA, selection of drug resistance-associated edits or time-consuming isolation of clones. Genome-wide loss-of-function screens across different conditions and across multiple Leishmania species are therefore unfeasible at present. Here, we report a CRISPR/Cas9 cytosine base editor (CBE) toolbox that overcomes these limitations. We employed CBEs in Leishmania to introduce STOP codons by converting cytosine into thymine and created http://www.leishbaseedit.net/ for CBE primer design in kinetoplastids. Through reporter assays and by targeting single- and multi-copy genes in L. mexicana, L. major, L. donovani, and L. infantum, we demonstrate how this tool can efficiently generate functional null mutants by expressing just one single-guide RNA, reaching up to 100% editing rate in non-clonal populations. We then generated a Leishmania-optimised CBE and successfully targeted an essential gene in a plasmid library delivered loss-of-function screen in L. mexicana. Since our method does not require DNA double-strand breaks, homologous recombination, donor DNA, or isolation of clones, we believe that this enables for the first time functional genetic screens in Leishmania via delivery of plasmid libraries.
KW  - CRISPR/Cas9
KW  - Leishmania
KW  - cytosine base editor (CBE) toolbox
KW  - gene editing
KW  - scalable functional genomic screening
KW  - LeishBASEedit
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-350002
VL  - 12
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Zink, Miriam
A1  - Seewald, Anne
A1  - Rohrbach, Mareike
A1  - Brodehl, Andreas
A1  - Liedtke, Daniel
A1  - Williams, Tatjana
A1  - Childs, Sarah J.
A1  - Gerull, Brenda
T1  - Altered expression of TMEM43 causes abnormal cardiac structure and function in zebrafish
JF  - International Journal of Molecular Sciences
N2  - Arrhythmogenic cardiomyopathy (ACM) is an inherited heart muscle disease caused by heterozygous missense mutations within the gene encoding for the nuclear envelope protein transmembrane protein 43 (TMEM43). The disease is characterized by myocyte loss and fibro-fatty replacement, leading to life-threatening ventricular arrhythmias and sudden cardiac death. However, the role of TMEM43 in the pathogenesis of ACM remains poorly understood. In this study, we generated cardiomyocyte-restricted transgenic zebrafish lines that overexpress eGFP-linked full-length human wild-type (WT) TMEM43 and two genetic variants (c.1073C>T, p.S358L; c.332C>T, p.P111L) using the Tol2-system. Overexpression of WT and p.P111L-mutant TMEM43 was associated with transcriptional activation of the mTOR pathway and ribosome biogenesis, and resulted in enlarged hearts with cardiomyocyte hypertrophy. Intriguingly, mutant p.S358L TMEM43 was found to be unstable and partially redistributed into the cytoplasm in embryonic and adult hearts. Moreover, both TMEM43 variants displayed cardiac morphological defects at juvenile stages and ultrastructural changes within the myocardium, accompanied by dysregulated gene expression profiles in adulthood. Finally, CRISPR/Cas9 mutants demonstrated an age-dependent cardiac phenotype characterized by heart enlargement in adulthood. In conclusion, our findings suggest ultrastructural remodeling and transcriptomic alterations underlying the development of structural and functional cardiac defects in TMEM43-associated cardiomyopathy.
KW  - TMEM43
KW  - arrhythmogenic cardiomyopathy
KW  - zebrafish
KW  - CRISPR/Cas9
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-286025
SN  - 1422-0067
VL  - 23
IS  - 17
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Gmach, Philipp
A1  - Bathe-Peters, Marc
A1  - Telugu, Narasimha
A1  - Miller, Duncan C.
A1  - Annibale, Paolo
T1  - Fluorescence spectroscopy of low-level endogenous β-adrenergic receptor expression at the plasma membrane of differentiating human iPSC-derived cardiomyocytes
JF  - International Journal of Molecular Sciences
N2  - The potential of human-induced pluripotent stem cells (hiPSCs) to be differentiated into cardiomyocytes (CMs) mimicking adult CMs functional morphology, marker genes and signaling characteristics has been investigated since over a decade. The evolution of the membrane localization of CM-specific G protein-coupled receptors throughout differentiation has received, however, only limited attention to date. We employ here advanced fluorescent spectroscopy, namely linescan Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS), to observe how the plasma membrane abundance of the β\(_1\)- and β\(_2\)-adrenergic receptors (β\(_{1/2}\)-ARs), labelled using a bright and photostable fluorescent antagonist, evolves during the long-term monolayer culture of hiPSC-derived CMs. We compare it to the kinetics of observed mRNA levels in wildtype (WT) hiPSCs and in two CRISPR/Cas9 knock-in clones. We conduct these observations against the backdrop of our recent report of cell-to-cell expression variability, as well as of the subcellular localization heterogeneity of β-ARs in adult CMs.
KW  - GPCR
KW  - β-adrenergic receptors
KW  - hiPSC-CM
KW  - cardiomyocyte
KW  - fluorescence correlation spectroscopy
KW  - FCS
KW  - fluorescence
KW  - CRISPR/Cas9
KW  - differentiation
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-288277
SN  - 1422-0067
VL  - 23
IS  - 18
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Majumder, Snigdha
A1  - Jugovic, Isabelle
A1  - Saul, Domenica
A1  - Bell, Luisa
A1  - Hundhausen, Nadine
A1  - Seal, Rishav
A1  - Beilhack, Andreas
A1  - Rosenwald, Andreas
A1  - Mougiakakos, Dimitrios
A1  - Berberich-Siebelt, Friederike
T1  - Rapid and Efficient Gene Editing for Direct Transplantation of Naive Murine Cas9\(^+\) T Cells
JF  - Frontiers in Immunology
N2  - Gene editing of primary T cells is a difficult task. However, it is important for research and especially for clinical T-cell transfers. CRISPR/Cas9 is the most powerful gene-editing technique. It has to be applied to cells by either retroviral transduction or electroporation of ribonucleoprotein complexes. Only the latter is possible with resting T cells. Here, we make use of Cas9 transgenic mice and demonstrate nucleofection of pre-stimulated and, importantly, of naive CD3\(^+\) T cells with guideRNA only. This proved to be rapid and efficient with no need of further selection. In the mixture of Cas9\(^+\)CD3\(^+\) T cells, CD4\(^+\) and CD8\(^+\) conventional as well as regulatory T cells were targeted concurrently. IL-7 supported survival and naivety in vitro, but T cells were also transplantable immediately after nucleofection and elicited their function like unprocessed T cells. Accordingly, metabolic reprogramming reached normal levels within days. In a major mismatch model of GvHD, not only ablation of NFATc1 and/or NFATc2, but also of the NFAT-target gene IRF4 in naïve primary murine Cas9\(^+\)CD3\(^+\) T cells by gRNA-only nucleofection ameliorated GvHD. However, pre-activated murine T cells could not achieve long-term protection from GvHD upon single NFATc1 or NFATc2 knockout. This emphasizes the necessity of gene-editing and transferring unstimulated human T cells during allogenic hematopoietic stem cell transplantation.
KW  - CRISPR/Cas9
KW  - gRNA-only
KW  - GvHD
KW  - metabolism
KW  - NFAT
KW  - naive T-cell gene editing
KW  - T-cell transfer
KW  - IRF4
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-242896
SN  - 1664-3224
VL  - 12
ER  - 
TY  - THES
A1  - Monjezi, Razieh
T1  - Engineering of chimeric antigen receptor T cells with enhanced therapeutic index in cancer immunotherapy using non-viral gene transfer and genome editing
T1  - Entwicklung chimärer Antigenrezeptor T-Zellen mit verbessertem Therapeutischen Index in der Krebsimmuntherapie durch die Verwendung von nicht-viralen Gentransfer und Genomeditierung
N2  - The advances in genetic engineering have enabled us to confer T cells new desired functions or delete their specific undesired endogenous properties for improving their antitumor function. Due to their efficient gene delivery, viral vectors have been successfully used in T-cell engineering to provide gene transfer medicinal products for the treatment of human disease. One example is adoptive cell therapy with T cells that were genetically modified with gamma-retroviral and lentiviral (LV) delivery vectors to express a CD19-specific chimeric antigen receptor (CAR) for cancer treatment. This therapeutic approach has shown remarkable results against B-cell malignancies in pilot clinical trials. Consequently, there is a strong desire to make CAR T cell therapy scalable and globally available to patients. However, there are persistent concerns and limitations with the use of viral vectors for CAR T cell generation with regard to safety, cost and scale of vector production. In order to address these concerns, we aimed to improve non-viral gene transfer and genome editing tools as an effective, safe and broadly applicable alternative to viral delivery methods for T-cell engineering. 
In the first part of the study, we engineered CAR T cells through non-viral Sleeping Beauty (SB) transposition of CAR genes from minimalistic DNA vectors called minicircles rather than conventional SB plasmids. This novel approach dramatically increased stable gene transfer rate and cell viability and resulted in higher yield of CAR+ T cells without the need of long ex vivo expansion to generate therapeutic doses of CAR+ T cells. Importantly, CD19-CAR T cells modified by MC-based SB transposition were equally effective as LV transduced CD19-CAR T cells in vitro and in a murine xenograft model (NSG/Raji-ffLuc), where a single administration of CD8+ and CD4+ CAR T cells led to complete eradication of lymphoma and memory formation of CAR T cells after lymphoma clearance. 
To characterize the biosafety profile of the CAR T cell products, we did the most comprehensive genomic insertion site analysis performed so far in T cells modified with SB. The data showed a close-to-random integration profile of the SB transposon with a higher number of insertions in genomic safe harbors compared to LV integrants. We developed a droplet digital PCR assay that enables rapid determination of CAR copy numbers for clinical applications.
In the second part of the study, we ablated expression of PD-1, a checkpoint and negative regulator of T cell function to improve the therapeutic index of CAR T cells. This was accomplished using non-viral CRISPR/Cas9 via pre-assemble Cas9 protein and in vitro-transcribed sgRNA (Cas9 RNP). Finally, we combined our developed Cas9 RNP tool with CAR transposition from MC vectors into a single-step protocol and successfully generated PD-1 knockout CAR+ T cells. Based on the promising results achieved from antibody-mediated PD-1 blockade in the treatment of hematological and solid tumors, we are confident that PD-1 knockout CAR T cells enhance the potency of CAR T cell therapies for treatment of cancers without the side effects of antibody-based therapies.
In conclusion, we provide a novel platform for virus-free genetic engineering of CAR T cells that can be broadly applied in T-cell cancer therapy. The high level of gene transfer rate and efficient genome editing, superior safety profile as well as ease-of-handling and production of non-viral MC vectors and Cas9 RNP position our developed non-viral strategies to become preferred approaches in advanced cellular and gene-therapy.
N2  - Die Fortschritte des genetischen Engineerings erlauben uns, T-Zellen neue, erwünschte Funktionen zu verleihen oder ihnen bestimmte, unerwünschte endogenen Eigenschaften zu nehmen, um ihre Antitumorfunktion zu verbessern. Aufgrund ihrer Effizienz im Gentransport, werden virale Vektoren für das TZellengineering verwendet, um gentransferierte, medizinische Produkte zur Behandlung humaner Krankheiten herzustellen. Ein Beispiel hierfür ist die adoptive
Zelltherapie mit T-Zellen, die mit gamma-retroviralen und lentiviralen (LV) Vektoren genetisch modifiziert wurden, so dass sie einen CD19-spezifischen chimären Antigenrezeptor (CAR) exprimieren. In klinischen Pilotstudien zu B-Zellerkrankungen zeigte dieser therapeutische Ansatz bereits beachtliche Erfolge. Hieraus resultiert das Bestreben, die CAR-T-Zelltherapie für Patienten skalierbar und weltweit zugänglich zu machen. Aufgrund gesundheitlicher Risiken, finanzieller Kosten und dem Umfang der Vektorenproduktion bestehen jedoch anhaltende Bedenken und
Grenzen bezüglich der Verwendung viraler Vektoren für die Herstellung von CAR-T-Zellen. Um diese Problematiken zu umgehen, beabsichtigten wir, den nicht-viralen Gentransfer sowie genomverändernde Techniken soweit zu verbessern,
dass sie als eine effiziente, sichere und umfassend einsetzbare Alternative zum virusbasierten T-Zellengineering verwendet werden können.
Im ersten Teil dieser Arbeit stellten wir durch die Sleeping Beauty (SB) Transposition von CAR-Genen auf minimalistischen DNA Vektoren (sogenannten Minicircles) CART-Zellen her. Die Minicircles wurden anstelle von konventionellen SB Plasmiden
verwendet. Mithilfe dieser neuen Vorgehensweise wurden die Rate des stabilen Gentransfers sowie das Überleben der Zellen drastisch erhöht und führte zu einer gesteigerten Rate an CAR+ T-Zellen, ohne dass eine langwierige ex vivo Expansion zur Herstellung therapeutisch relevanter CAR-T-Zelldosen nötig wurde. CD19-CART-Zellen, die mit MC-basierter SB-Transposition modifiziert wurden, zeigten in vitro und in einem murinen Xenograftmodell (NSG/Raji-ffLuc) eine vergleichbar hohe Effizienz, wie LV-transduzierte CD19-CAR-T-Zellen. Hierbei genügte eine einzige Verabreichung von CD4+ und CD8+ CAR-T-Zellen für eine komplette Eliminierung
des Lymphoms und der anschließenden Gedächtnisbildung von CAR-T-Zellen. Um die Biosicherheit der CAR-T-Zellprodukte zu charakterisieren, führten wir die bislang umfassendste vergleichende Analyse von Genominsertionsstellen nach SB-basierter Modifikation von T-Zellen durch. Im Vergleich zur LV Integration zeigten diese Daten ein beinahe zufälliges Integrationsmuster des SB Transposons mit höheren
Integrationsraten in genomisch „sicheren Häfen“. Wir entwickelten eine Analyse basierend auf digitaler Tröpfchen-PCR, um eine rasche Ermittlung der Anzahl an CAR-Genkopien in klinischen Anwendungen zu ermöglichen.
Im zweiten Teil der Arbeit verminderten wir die Expression von PD-1, einer Prüfstelle und negativen Regulator der T-Zellfunktion, um den therapeutischen Index der CART-
Zellen zu verbessern. Dies wurde durch die Verwendung eines nicht-viralen CRISPR/Cas9, durch das Zusammensetzen von Cas9 Protein und in vitrotranskribierter sgRNA (Cas9 RNP), erzielt. Schließlich verwendeten wir unsere entwickelte Cas9 RNP-Technik in Kombination mit CAR-Transposition von MCVektoren, um PD-1-knock out, CAR-positive T-Zellen herzustellen. Da die antikörperbasierte PD-1-Blockade in der Behandlung hämatologischer und solider Tumore vielversprechende Ergebnisse zeigt, sind wir zuversichtlich, dass PD-1-knock out CAR-T-Zellen die Effizienz von CAR-T-Zelltherapien verschiedener Krebsarten verbessern können und dabei die Nebenwirkungen der antikörperbasierten Therapien umgehen.
Wir zeigen in der vorliegenden Arbeit Möglichkeiten mit virusfreien, gentechnischen Methoden CAR-T-Zellen herzustellen, die in der T-Zellkrebstherapie umfassend
Anwendung finden können. Das hohe Level der Gentransferraten und der effizienten Genomeditierung, ein zu bevorzugendes Sicherheitsprofil sowie die einfache Handhabung und Produktion nichtviraler MC-Vektoren und Cas9 RNP machen es
möglich, dass unser neuentwickelter, nichtviraler Ansatz zu einer bevorzugten Herangehensweise in der künftigen Zell- und Gentherapie werden kann.
KW  - Krebs <Medizin>
KW  - Cancer immunotherapy
KW  - Immuntherapie
KW  - T-Lymphozyt
KW  - Chimeric antigen receptor
KW  - T-cell therapy
KW  - T-cell engineering
KW  - Sleeping Beauty transposon
KW  - Non-viral genome engineering
KW  - Genome editing
KW  - CRISPR/Cas9
KW  - Krebsimmuntherapie
KW  - nicht-viraler Gentransfer
KW  - Genomeditierung
KW  - Entwicklung chimärer Antigenrezeptor T-Zellen
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-152521
ER  -