TY  - THES
A1  - Zhu, Yan
T1  - Small RNA-associated RNA-binding proteins in \(Fusobacterium\) \(nucleatum\)
T1  - Kleine RNA-assoziierte RNA-bindende Proteine in \(Fusobacterium\) \(nucleatum\)
N2  - Fusobacterium nucleatum is an emerging cancer-associated bacterium belonging to the Fusobacteriota phylum, which is evolutionary distant from all model bacteria. Recent analysis generated global fusobacterial RNA maps, which enabled the discovery of 24 small noncoding RNAs (sRNAs) in F. nucleatum. Notably, the σE-dependent sRNA FoxI and FoxJ act as a posttranscriptional regulator of several cell envelope proteins. The σE-dependent sRNAs in Escherichia coli and Salmonella require the RNA chaperone Hfq for their functions. Intriguingly, F. nucleatum seems to have no homologs of the three common RNA-binding proteins (RBPs) CsrA, Hfq and ProQ. However, it remains unclear if other families of RBPs act in concert with FoxI, FoxJ and other fusobacterial sRNAs.
This work has successfully established a 14-mer capture tagged-sRNA affinity purification procedure initially using 6S RNA as a proof-of-concept. Applying this method to 19 different F. nucleatum sRNAs led to a comprehensive mapping of sRNA-binding proteins in this bacterium. This screen identified a total of 75 proteins significantly enriched across all sRNAs and prominent in ribosomal proteins, uncharacterized proteins and enzymes associated with metabolism. This work further focused on the homologs of two KH domain proteins KhpA and KhpB, which were recently recognized as global RBPs in various Gram-positive bacteria such as Streptococcus pneumoniae, Clostridioides difficile, and Enterococcus faecalis.
Comparative analyses revealed conserved domain composition and gene synteny of KhpA and KhpB across F. nucleatum, S. pneumoniae, C. difficle and E. faecalis, indicating conserved roles of these proteins in bacteria. Further protein-protein interaction assays and global RNA targets profiling demonstrated that KhpA and KhpB form dimers and act together as broad RBPs, binding to sRNAs, mRNAs and tRNAs in F. nucleatum. Further functional characterizations unveiled that KhpA/B are required for the growth of F. nucleatum under nutrient limitation conditions and impact cell morphology. Additionally, the two RBPs also influence global gene expression in F. nucleatum affecting various bacterial physiological processes, including ethanolamine utilization.
In summary, this work established a sRNA-centric approach for screening sRNA-binding proteins in F. nucleatum. Further, the assay could be applied in other non-model organisms and is feasible to screen multiple sRNA baits in parallel for sRNA-interactors. By applying this procedure to nearly all known fusobacterial sRNAs, this work generated an extensive map of sRNA-interacting proteins in F. nucleatum. Molecular and genetic studies identified that KhpA/B act as major RBPs and gene regulators in F. nucleatum, representing important first steps in elucidating key players of post-transcriptional control at the root of the bacterial phylogenetic tree.
N2  - Fusobacterium nucleatum ist ein relevantes krebsassoziiertes Bakterium des Phylums Fusobacteriota, welches sich evolutionär von allen anderen Modellbakterien abgrenzt. In einer kürzlich durchgeführten Analyse wurden fusobakterielle RNAs global kartiert, was die Entdeckung von 24 kleinen nichtkodierenden RNAs (sRNAs) in F. nucleatum ermöglichte. Besonders hervorzuheben ist die σE-abhängige sRNAs FoxI und FoxJ, die als posttranskriptioneller Regulator von mehreren Proteine der Zellhülle fungiert. Die σE-abhängigen sRNAs in Escherichia coli und Salmonella benötigen das RNA-Chaperonprotein Hfq für ihre Funktionen. Interessanterweise scheint F. nucleatum aber keine Homologe der drei verbreiteten RNA-Bindeproteine (RBPs) CsrA, Hfq und ProQ zu besitzen. Es bleibt jedoch unklar, ob andere RBP-Familien mit FoxI, FoxJ und sonstigen fusobakteriellen sRNAs interagieren.
Diese Arbeit hat erfolgreich ein 14-mer Capture-Markierung basierendes sRNA Affinitätsreinigungsverfahren etabliert, das zunächst unter Verwendung von 6S RNA erprobt wurde. Die Anwendung dieser Methode auf 19 verschiedene sRNAs in F. nucleatum führte zu einer umfassenden Übersicht von sRNA-bindenden Proteinen in diesem Bakterium. Unter allen sRNAs konnten mit Hilfe dieses Screenings insgesamt 75 signifikant angereicherte Proteine identifiziert werden, so vor allem ribosomale Proteine, uncharakterisierte Proteine und Metabolismus-assoziierte Enzyme. Diese Arbeit konzentrierte sich weiterführend auf die Homologe der zwei KH-Domänenproteine KhpA und KhpB, die kürzlich als globale RBPs in verschiedenen Gram-positiven Bakterien, wie Streptococcus pneumoniae, Clostridioides difficile und Enterococcus faecalis beschrieben wurden.
Vergleichende Analysen bewiesen eine konservierte Domänenzusammensetzung und Gensyntenie von KhpA und KhpB in F. nucleatum, S. pneumoniae, C. difficile und E. faecalis, was wiederum auf konservierte Funktionen dieser Proteine in Bakterien hinweist. Weitere Protein-Protein-Interaktionsassays und globale Assays zur Identifizierung der Ziel-RNAs zeigten, dass KhpA und KhpB Dimere bilden und gemeinsam als umfangreiche RBPs wirken, die an sRNAs, mRNAs und tRNAs in F. nucleatum binden. Funktionelle Charakterisierungen der Proteine ergaben, dass KhpA/B für das Wachstum von F. nucleatum unter Nährstoffmangel erforderlich sind und die Zellmorphologie beeinflussen. Zusätzlich spielen die beiden RBPs auch eine Rolle in der globalen Genexpression in F. nucleatum und wirken sich auf verschiedene physiologische Prozesse aus, einschließlich der Ethanolamin-Nutzung.
Zusammenfassend etablierte diese Arbeit einen sRNA-orientierten Ansatz zur Untersuchung von sRNA-Bindeproteinen in F. nucleatum. Darüber hinaus kann dieser Ansatz potenziell in anderen Nicht-Modellorganismen angewendet werden und eignet sich um mehrere sRNA-Baits parallel auf deren sRNA-Interaktionspartner zu untersuchen. Durch die Anwendung dieses Verfahrens auf nahezu allen bekannten fusobakteriellen sRNAs wurde eine umfangreiche Kartierung der sRNA-Interaktoren in F. nucleatum generiert. Die hier beschriebenen molekularen und genetischen Studien, in welchen KhpA/B als wichtige RBPs und Genregulatoren von F. nucleatum identifiziert wurden, stellen wichtige erste Schritte bei der Aufklärung der Schlüsselakteure der posttranskriptionellen Kontrolle am Ursprung des bakteriellen Stammbaums dar.
KW  - Fusobacterium nucleatum
KW  - RNA-binding proteins
KW  - Small non-coding RNAs
KW  - Proteine
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-370731
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kuklovsky [former Finke], Valerie
T1  - Are some bees smarter than others? An examination of consistent individual differences in the cognitive abilities of honey bees
T1  - Sind manche Bienen schlauer als andere? Eine Untersuchung von konsistenten individuellen Unterschieden in den kognitiven Fähigkeiten von Honigbienen
N2  - Cognition refers to the ability to of animals to acquire, process, store and use vital information from the environment. Cognitive processes are necessary to predict the future and reduce the uncertainty of the ever-changing environment. Classically, research on animal cognition focuses on decisive cognitive tests to determine the capacity of a species by the testing the ability of a few individuals. This approach views variability between these tested key individuals as unwanted noise and is thus often neglected. However, inter-individual variability provides important insights to behavioral plasticity, cognitive specialization and brain modularity. Honey bees Apis mellifera are a robust and traditional model for the study of learning, memory and cognition due to their impressive capabilities and rich behavioral repertoire. In this thesis I have applied a novel view on the learning abilities of honey bees by looking explicitly at individual differences in a variety of learning tasks. Are some individual bees consistently smarter than some of her sisters? If so, will a smart individual always perform good independent of the time, the context and the cognitive requirements or do bees show distinct isolated ‘cognitive modules’? 

My thesis presents the first comprehensive investigation of consistent individual differences in the cognitive abilities of honey bees. To speak of an individual as behaving consistently, a crucial step is to test the individual multiple times to examine the repeatability of a behavior. I show that free-flying bees remain consistent in a visual discrimination task for three consecutive days. Successively, I explored individual consistency in cognitive proficiency across tasks involving different sensory modalities, contexts and cognitive requirements. I found that free-flying bees show a cognitive specialization between visual and olfactory learning but remained consistent across a simple discrimination task and a complex concept learning task. I wished to further explore individual consistency with respect to tasks of different cognitive complexity, a question that has never been tackled before in an insect. I thus performed a series of four experiments using either visual or olfactory stimuli and a different training context (free-flying and restrained) and tested bees in a discrimination task, reversal learning and negative patterning. Intriguingly, across all these experiments I evidenced the same results: The bees’ performances were consistent across the discrimination task and reversal learning and negative patterning respectively. No association was evidenced between reversal learning and negative patterning. After establishing the existence of consistent individual differences in the cognitive proficiency of honey bees I wished to determine factors which could underlie these differences. Since genetic components are known to underlie inter-individual variability in learning abilities, I studied the effects of genetics on consistency in cognitive proficiency by contrasting bees originating from either from a hive with a single patriline (low genetic diversity) or with multiple patrilines (high genetic diversity). These two groups of bees showed differences in the patterns of individually correlated performances, indicating a genetic component accounts for consistent cognitive individuality. Another major factor underlying variability in learning performances is the individual responsiveness to sucrose solution and to visual stimuli, as evidenced by many studies on restrained bees showing a positive correlation between responsiveness to task relevant stimuli and learning performances. I thus tested whether these relationships between sucrose/visual responsiveness and learning performances are applicable for free-flying bees. Free-flying bees were again subjected to reversal learning and negative patterning and subsequently tested in the laboratory for their responsiveness to sucrose and to light. There was no evidence of a positive relationship between sucrose/visual responsiveness and neither performances of free-flying bees in an elemental discrimination, reversal learning and negative patterning. These findings indicate that relationships established between responsiveness to task relevant stimuli and learning proficiency established in the laboratory with restrained bees might not hold true for a completely different behavioral context i.e. for free-flying bees in their natural environment.  

These results show that the honey bee is an excellent insect model to study consistency in cognitive proficiency and to identify the underlying factors. I mainly discuss the results with respect to the question of brain modularity in insects and the adaptive significance of individuality in cognitive abilities for honey bee colonies. I also provide a proposition of research questions which tie in this theme of consistent cognitive proficiency and could provide fruitful areas for future research.
N2  - Unter Kognition versteht man die Fähigkeit von Tieren, essenzielle Informationen aus der Umwelt zu erfassen, zu verarbeiten, zu speichern und zu nutzen. Kognitive Prozesse sind notwendig, um die Zukunft vorherzusagen und die Unvorhersehbarkeit der sich ständig verändernden Umwelt zu verringern. Die Forschung der Kognition von Tieren konzentriert sich klassischerweise auf entscheidende kognitive Tests, um die Fähigkeit einer Spezies anhand der Leistungen einiger weniger Individuen zu bestimmen. Bei diesem Ansatz wird die Variabilität zwischen Individuen als unerwünschtes Rauschen betrachtet und daher vernachlässigt. Die interindividuelle Variabilität liefert jedoch wichtige Erkenntnisse über die Plastizität des Verhaltens, die kognitive Spezialisierung und die Modularität des Gehirns. Die Honigbiene Apis mellifera ist aufgrund ihrer eindrucksvollen Fähigkeiten und ihres reichen Verhaltensrepertoires ein robuster und traditioneller Modellorganismus für die Untersuchung von Lernen, Gedächtnis und Kognition. In dieser Arbeit habe ich das Lernverhalten von Honigbienen in einem neuen Blickwinkel betrachtet, indem ich explizit die individuellen Unterschiede bei diversen Lernaufgaben untersucht habe. Zeigen manche Bienen durchweg eine erhöhte Lernleistung im Vergleich zu ihren Schwestern? Wenn ja, erbringt ein Individuum unabhängig von der Zeit, dem Kontext und den kognitiven Anforderungen der Lernaufgaben immer gute Leistungen, oder zeigen Bienen ausgeprägte unabhängige "kognitive Module"? 

Die vorliegende Doktorarbeit stellt die erste umfassende Untersuchung konsistenter individueller Unterschiede in den kognitiven Fähigkeiten von Honigbienen dar. Um von einem konsistenten Verhalten sprechen zu können, ist es entscheidend das Individuum mehrfach zu testen, um die Wiederholbarkeit eines Verhaltens zu untersuchen. Ich konnte zeigen, dass frei fliegende Bienen bei einer visuellen Unterscheidungsaufgabe an drei aufeinanderfolgenden Tagen eine konsistente Lernleistung zeigen. Im Anschluss untersuchte ich die individuelle Konsistenz der kognitiven Fähigkeiten bei Lernaufgaben mit unterschiedlichen sensorischen Modalitäten, Kontexten und kognitiven Anforderungen. Frei fliegende Bienen zeigten eine kognitive Spezialisierung zwischen visuellem und olfaktorischem Lernen, während sie bei einer einfachen Unterscheidungsaufgabe und einer komplexen Konzeptlernaufgabe konsistent im Lernverhalten blieben. Anschließend wollte ich die individuelle Konsistenz im Lernverhalten bei Aufgaben unterschiedlicher kognitiver Komplexität weiter erforschen, eine Frage, die bisher noch nie bei einem Insekt behandelt wurde. Ich führte dazu eine Reihe von vier Experimenten durch, bei denen entweder visuelle oder olfaktorische Stimuli und ein unterschiedlicher Trainingskontext (frei fliegend oder eingespannt) verwendet wurden. Die Bienen wurden in einer Unterscheidungsaufgabe, einer Umlernaufgabe und in Negative Patterning getestet. Erstaunlicherweise wurden bei diesen Experimenten die gleichen Ergebnisse festgestellt: Die Lernleitung der Bienen in der Unterscheidungsaufgabe zeigte eine positive Korrelation mit der Lernleistung im Umlernen und Negative Patterning. Zwischen dem Umkehrlernen und Negative Patterning konnte jedoch kein Zusammenhang festgestellt werden.  

Nachdem ich festgestellt hatte, dass es konsistente individuelle Unterschiede in den kognitiven Fähigkeiten von Bienen gibt, wollte ich die Faktoren ermitteln, die diesen Unterschieden zugrunde liegen könnten. Es war bereits bekannt, dass genetische Komponenten der interindividuellen Variabilität im Lernverhalten zugrunde liegen. Deshalb untersuchte ich den Einfluss von genetischer Vielfalt auf die Beständigkeit von kognitiven Fähigkeiten, indem ich Bienen gegenüberstellte, die entweder aus einem Bienenstock mit einer einzigen Patriline (geringe genetische Vielfalt) oder mit mehreren Patrilinen (hohe genetische Vielfalt) stammten. Diese beiden Gruppen von Bienen wiesen Unterschiede in den Mustern der individuellen korrelierten Lernleistungen auf, was darauf hindeutet, dass eine genetische Komponente für kognitive Individualität verantwortlich ist. Ein weiterer wichtiger Faktor, welcher der Variabilität im Lernverhalten zugrunde liegt, ist die individuelle Reaktionsfähigkeit auf Saccharose Lösungen und auf visuelle Stimuli. Dies wurde durch viele Studien an eingespannten Bienen gezeigt, die eine positive Korrelation zwischen der Reaktionsfähigkeit auf aufgabenrelevante Reize und den Lernfähigkeiten feststellten. Ich habe daher untersucht, ob diese Beziehungen zwischen der Reaktionsfähigkeit auf Saccharose und visuellen Stimuli und den Lernleistungen auch für frei fliegende Bienen zutreffen. Die individuellen Lernleistungen im Umlernen und Negative patterning von frei fliegenden Bienen wurden erneut ermittelt und anschließend wurde im Labor die Reaktionsfähigkeit auf Saccharose und Licht getestet. Es gab keine Hinweise auf eine positive Korrelation zwischen der Reaktionsfähigkeit auf Saccharose und Licht und den Lernleistungen von frei fliegenden Bienen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Beziehungen zwischen der Reaktionsfähigkeit auf aufgabenrelevante Stimuli und der Lernleistung, die im Labor mit eingespannten Bienen festgestellt wurden, möglicherweise nicht für einen anderen Verhaltenskontext gelten, d. h. für frei fliegende Bienen in ihrer natürlichen Umgebung.  

Diese Ergebnisse zeigen, dass die Honigbiene ein hervorragendes Insektenmodell ist, um die Konsistenz kognitiver Fähigkeiten zu untersuchen und die zugrunde liegenden Faktoren zu ermitteln. Ich diskutiere die Ergebnisse vor allem im Hinblick auf die Frage der Modularität des Gehirns bei Insekten und die adaptive Bedeutung von individuellen konsistenten kognitiven Fähigkeiten für Honigbienenvölker. Ich schlage auch Forschungsfragen vor, die mit individuellen konsistenten kognitiven Fähigkeiten zusammenhängen und wertvolle Bereiche für künftige Forschungen darstellen könnten.
KW  - Lernen
KW  - Biene
KW  - Kognition
KW  - Individual differences
KW  - Cognitive consistency
KW  - Cognitive profile
KW  - Learning
KW  - Honeybee
KW  - Cognition
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-323012
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TY  - THES
A1  - Fleißner, Janik Frank Hans-Werner
T1  - Die Bedeutung von Oncostatin M für die Lipidhomöostase Apoe- und Ldlr-deletierter Mäuse
T1  - The Significance of Oncostatin M for the Lipid Homeostasis in Apoe and Ldlr Knockout Mice
N2  - OSM, ein Vertreter der IL-6-Typ-Zytokine, ist nicht nur für entzündliche, sondern auch für metabolische Prozesse von Bedeutung. Vorarbeiten der Arbeitsgruppe GEIER/HERMANNS und Studien von KOMORI et al. legen protektive Eigenschaften des Zytokins nahe, da Mäuse, denen OSMR fehlte, Charakteristika des metabolischen Syndroms aufwiesen. Zur eingehenderen Untersuchung der von OSM vermittelten Wirkung auf den murinen Lipidstoffwechsel wurden zwei für die NAFLD und Atherosklerose anfällige Modelle herangezogen und jeweils in Gegenwart und Abwesenheit des Osmr studiert: Weibliche Apoe-/-(Osmr-/-) und Ldlr-/-(Osmr-/-) Mäuse wurden über einen Zeitraum von zwölf Wochen mit westlicher Diät gefüttert, wöchentlich gewogen, am Ende der Diät geopfert und geerntet. Wildtypische C57Bl/6-Mäuse erfuhren die gleiche Behandlung und dienten als Referenzgruppe. Im Rahmen des Promotionsprojektes wurden Leberfettgehalt, Serumlipidspiegel, Lipoproteinfraktionen und Stuhllipide von Apoe-deletierten Mäusen bestimmt und mit bereits vorhandenen Daten der Ldlr-/-(Osmr-/-) und wildtypischen Mäuse in Beziehung gesetzt. Expressionsanalysen von am Lipidstoffwechsel beteiligten Genen in Darm-, Leber- und Fettgewebe trugen dazu bei, OSM-abhängige Regulationen aufzudecken.
Ldlr-/- Tiere nahmen unter der Diät exzessiv zu, hatten hohe Serumspiegel an Leptin, Gluco-se und Lipiden, eine Lebersteatose und, begleitet von einer Induktion des Vldlr, erhöhte inflammatorische Marker im visceralen Fettgewebe. Der zusätzliche Knockout des Osmr ging mit einer geringeren Vldlr-Expression im Fettgewebe und einer hepatozytären Induktion von Cyp7a1 einher und resultierte in einem metabolisch günstigeren Phänotyp. Apoe-defiziente Tiere unterschieden sich hinsichtlich ihrer Gewichtszunahme nicht von Ldlr-/-Osmr-/- und C57Bl/6-Mäusen. Überraschenderweise zeigten sich im Serum von Apoe-/-Osmr-/- jedoch gegenüber Apoe-/- Mäusen erhöhte Konzentrationen des Gesamt- und VLDL-Cholesterins, der Triglyceride und freien Fettsäuren. Obwohl Lebern der Apoe-/-Osmr-/- Mäuse geringere Ldlr- und Lrp1-mRNA-Spiegel als die der Apoe-/- Mäuse aufwiesen, hatten sie einen höheren hepatischen Cholesteringehalt. Bei gesteigerter Cpt1a-Expression fiel der hepatische Tri-glyceridgehalt Apoe-deletierter Mäuse geringer aus als in Ldlr-/-(Osmr-/-) und wildtypischen Tieren. Unter Umgehung einer Fettgewebsentzündung präsentierten Apoe-defiziente Mäuse Hinweise einer inflammatorischen Leberschädigung, die pathogenetisch am ehesten mit einer gestörten Cholesterinhomöostase in Verbindung zu bringen war.
Abhängig vom genetischen Hintergrund des Mausmodells hatte OSM schützende oder schädliche Effekte auf den Lipidmetabolismus. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit betonen die entscheidende Bedeutung entzündlicher, von OSM modulierter Prozesse für den Fettstoffwechsel in Leber- und Fettgewebe. Weiterführende Experimente sind nötig, um die den Beobachtungen zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu entschlüsseln.
N2  - OSM, a member of the IL-6-type family, plays a pivotal role not only in inflammatory pro-cesses, but also in the regulation of metabolism. In line with studies conducted by KOMORI et al., findings obtained by GEIER/HERMANNS revealed characteristics of the metabolic syndrome in mice lacking the OSMR. Therefore, protective properties of OSM were suggested.
In order to further investigate OSM-mediated effects on murine lipid metabolism, two models prone to NAFLD and atherosclerosis were employed and studied in the presence and absence of Osmr: Female Apoe-/-(Osmr-/-) and Ldlr-/-(Osmr-/-) mice were fed a Western-type diet for twelve weeks, weighed weekly, sacrificed and harvested at the end of the diet. Wild-type C57Bl/6 mice underwent the same procedure and were used as a reference group. Thereafter, lipid levels and lipoprotein fractions in the sera of Apoe-deleted mice were deter-mined. In addition, their lipid content in liver tissue and stool was measured. Findings were compared with data from Ldlr-/-(Osmr-/-) and wild-type mice. To reveal OSM-dependent regulations of genes playing a key role in lipid metabolism, gene expression analyses were performed in intestinal, liver, and adipose tissue samples from all mice groups.
Ldlr-/- animals excessively gained weight during the diet, had high serum levels of leptin, glucose, and lipids, hepatic steatosis, and, accompanied by induction of Vldlr, increased inflammatory markers in visceral adipose tissue. The additional knockout of Osmr was accom-panied by a lower Vldlr expression in adipose tissue and an induction of liver Cyp7a1, resulting in a metabolically favorable phenotype. In terms of weight gain, Apoe-deficient animals were not different from Ldlr-/-Osmr-/- and C57Bl/6 mice. Surprisingly, however, serum from Apoe-/-Osmr-/- mice showed increased concentrations of total and VLDL cholesterol, triglyc-erides, and free fatty acids when compared to Apoe-/- animals. Despite lower hepatic Ldlr and Lrp1 mRNA levels, Apoe-/-Osmr-/- mice had a higher hepatic cholesterol content than Apoe-/- mice. Fitting to an increased Cpt1a expression, the hepatic triglyceride content of Apoe-deleted mice was lower than in Ldlr-/-(Osmr-/-) and wild-type mice.
Most likely due to an impaired hepatic cholesterol homeostasis, liver sections of Apoe-deleted mice displayed features of inflammation, whereas the adipose tissues of these animals remained rather unscathed.
Depending on the genetic background of the mouse model, OSM had protective or deleterious effects on lipid metabolism. The results of this project emphasize the significance of OSM regarding both inflammation and metabolism in liver and adipose tissue. Further ex-periments are needed to unravel the molecular mechanisms underlying these observations.
KW  - Apolipoprotein E
KW  - LDL-Rezeptor
KW  - Oncostatin M
KW  - Oncostatin-M-Rezeptor
KW  - Lipoprotein
KW  - Oncostatin M receptor
KW  - lipoprotein
KW  - Interleukin-6-Typ-Zytokine
KW  - Interleukin-6 type cytokines
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280592
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kawan, Mona
T1  - The membrane trafficking protein myoferlin is a novel interactor of p97
T1  - Das Membrantransportprotein Myoferlin ist ein neuer Interaktor von p97
N2  - p97 uses the energy of ATP hydrolysis to unfold and thereby segregate proteins. It is involved in various cellular processes such as proteasomal degradation, DNA damage repair, autophagy, and endo-lysosomal trafficking. The specificity for these processes is controlled by more than 30 regulatory cofactors.
Interactions of p97 with cofactors and target proteins are known to be highly dynamic and transient. To identify new interaction partners and to uncover novel cellular functions of p97, the interactome of endogenous p97 was determined by using in cellulo crosslinking followed by immunoprecipitation and mass spectrometry. Myoferlin (MYOF) was identified as a novel interactor of p97 and the interaction was validated in reciprocal immunoprecipitation experiments for different cell lines.
The ferlin family member MYOF is a tail-anchored membrane protein containing multiple C2 domains. MYOF is involved in various membrane repair and trafficking processes such as the endocytic recycling of cell surface receptors. The MYOF interactome was determined by mass spectrometry. Among others, the p97 cofactor PLAA, CD71 and Rab14 were identified as common interactors of p97 and MYOF. Immunoprecipitation experiments with PLAA KO cells revealed that the interaction between MYOF and p97 depends on PLAA. Immunofluorescence microscopy showed a co-localization of MYOF with Rab14 and Rab11, which are both involved in endocytic recycling pathways. Furthermore, immunofluoroscence experiments revealed that MYOF and the p97 cofactor PLAA are localized to Rab14- and Rab5-positive endosomal compartments. 
Using p97 inhibitors and p97 trapping mutants, the presence of p97 at MYOF-positive and Rab14-positive structures could be demonstrated. Consistent with this finding, the endocytic recycling of transferrin was delayed upon inhibition of p97. Taken together, this work identified MYOF as a novel interactor of p97 and suggests a role for p97 in the recycling of endocytic cargo.
N2  - p97 nutzt die aus der ATP-Hydrolyse gewonnene Energie, um Proteine zu entfalten und dadurch zu trennen. Es ist an verschiedenen zellulären Prozessen wie dem proteasomalen Abbau, der Reparatur von DNA-Schäden, der Autophagie und dem endo-lysosomalen Transport beteiligt. Die Spezifität für diese Prozesse wird durch mehr als 30 regulatorische Cofaktoren gesteuert. 
Wechselwirkungen von p97 mit Cofaktoren und Zielproteinen sind bekanntermaßen hochdynamisch und treten oft nur vorübergehend auf. Um neue Interaktionspartner zu identifizieren und neue zelluläre Funktionen von p97 aufzudecken, wurde das Interaktom von endogenem p97 unter Verwendung von in cellulo crosslinking, gefolgt von IP und Massenspektrometrie bestimmt. Dabei wurde MYOF als neuartiger Interaktor von p97 entdeckt und diese Interaktion wurde in reziproken IP-Experimenten und für verschiedene Zelllinien bestätigt.
MYOF gehört der Ferlin Familie an und besitzt mehrere C2-Domänen sowie eine Trans-membrandomäne. MYOF ist bekanntermaßen an verschiedenen Membranreparatur- und Transportvorgängen wie beispielsweise dem endozytischen Recycling von Zelloberflächenrezeptoren beteiligt. Das Interaktom von MYOF wurde durch Massenspektrometrie bestimmt. Dabei wurden unter anderem der p97 Cofaktor PLAA, CD71 und Rab14 als gemeinsame Interaktoren von p97 und MYOF identifiziert. Durch IP-Experimente mit PLAA KO Zellen wurde eine Abhängigkeit der Interaktion zwischen MYOF und p97 von PLAA nachgewiesen. Mit IF-Mikroskopie konnte eine Kolokalisation von MYOF mit Rab14 und Rab11, die beide an endosomalen Recycling-Wegen beteiligt sind, beobachtet werden. Des Weiteren zeigten IF-Experimente, dass MYOF und der p97-Cofaktor PLAA an Rab14- und Rab5-positiven endosomalen Kompartimenten lokalisiert sind. 
Durch die Verwendung von p97-Inhibitoren oder p97 Mutanten, die ATP nicht hydrolysieren können und so verstärkt Substrate anreichern, konnte gezeigt werden, dass p97 an MYOF-positiven und Rab14-positiven Strukturen nachgewiesen werden kann. In Übereinstimmung mit diesem Befund wurde das endozytische Recycling von Transferrin durch die Inhibierung von p97 verzögert. Zusammengefasst zeigt diese Arbeit, dass MYOF ein neuer Interaktor von p97 ist, und deutet auf eine Rolle von p97 beim Recycling von endozytischer Fracht hin.
KW  - Endosom
KW  - p97
KW  - Myoferlin
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-281218
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TY  - THES
A1  - Drakopoulos, Antonios
T1  - Opioid receptor oligomerization study through fluorescent selective ligands
T1  - Untersuchung der Opioid Rezeptor Oligomerisierung mittels fluoreszierender selektiver Liganden
N2  - Opioid receptors (ORs) are among the most intensively studied members of the G protein-coupled receptor (GPCR) family due to their important role in pain management and their involvement in psychological and neurological disorders. However, currently available opioid drugs exhibit both serious drawbacks, such as addiction, and life-threatening side effects, such as respiratory depression. Contrary to the classic monomeric model, indirect evidence suggests that ORs might form dimers, which could be endowed with a distinct pharmacological profile, and, thus, be exploited to develop innovative drugs. However, direct evidence for the spontaneous formation of OR dimers in living cells under physiological condition are missing. The focus of this thesis was the design, synthesis and characterization of new, highly subtype-selective OR fluorescent ligands to be used as tools for state-of-the-art microscopy methods, such as single molecule microscopy (SMM), in heterologous cells and potentially in native tissue, in order to investigate OR organization and mobility on the surface of intact, living cells, at low/physiological expression levels. 
The μOR is the OR subtype which plays the most critical role in pain modulation, while mediating the effects of the most powerful analgesic drugs. Also, it is the OR subtype which is mostly responsible for the major adverse effects of the currently marketed opioid drugs. We aimed to develop a new μOR-selective fluorescent ligand with a potential irreversible binding mode. Although the approach was in principle successful, i.e. the labelled cells were visible and distinguishable; this initial attempt was not suitable for SMM due to the ligands’ poor selectivity and affinity as well as due to its high background noise. A second generation of the fluorescent ligand was designed; however the synthesis and characterization are part of another doctoral thesis. 
Lately, δOR has received attention as a promising drug target, due to its distinct pharmacological profile which features low abuse liability and lack of physical dependence. In addition, δOR expression has been associated with cancer regulation in the periphery, thus further highlighting the interest of imaging tools for this receptor. In this thesis, the development and characterization of two new δOR-selective fluorescent probes with excellent optical properties, based on the well-studied ligand naltrindole (NTI) is presented. Their application in SMM studies is currently underway at the group of Prof. Dr. Davide Calebiro at the University of Birmingham. 
The κOR is a subtype which has also emerged as a drug target due to its low abuse potential. Despite a growing interest in this receptor, κOR-selective fluorescent probes have been particularly scarce in literature. Herein, the design, synthesis and characterization of the first reported set of fluorescent κOR-selective probes with antagonistic properties, based on the established ligand 5’-guanidinonaltrindole (5’-GNTI) is presented. Two of these were employed for SMM experiments to investigate κOR homodimerization, localization and trafficking. Our findings do not support homodimerization of the κOR-bound probe complexes, while showing that the majority of them follow a normal Brownian diffusion on the cell surface.
N2  - Opioid-Rezeptoren (OR) gehören aufgrund ihrer wesentlichen Rolle bei der Schmerztherapie und ihrer Beteiligung an physiologischen und neurologischen Störungen zu den am intensivsten untersuchten Mitgliedern der G-Protein-gekoppelten Rezeptor (GPCR) Familie. Jedoch haben aktuell erhältliche Opioid-Arzneimittel schwerwiegende Nachteile, wie Abhängigkeit, und lebensbedrohliche Nebenwirkungen, wie Atemdepression. Im Gegensatz zu dem klassischen Monomer-Modell legen indirekte Hinweise nahe, dass ORs Dimere formen können, welche mit einem spezifischen pharmakologischen Profil ausgestattet sein könnten und daher für die Entwicklung innovativer Arzneimittel verwendet werden könnten. Jedoch gibt es keinen direkten Beweis für die spontane Bildung von OR-Dimeren in lebenden Zellen unter physiologischen Bedingungen. Der Fokus dieser Doktorarbeit war daher das Design, die Synthese und Charakterisierung von neuen hoch subtyp-selektiven fluoreszierenden OR Liganden, welche als Hilfsmittel für hochmoderne Mikroskopie-Anwendungen Anwendung finden sollen, wie Einzelmolekül-Mikroskopie (EMM) in heterologen Zellen und potentiell in nativem Gewebe, um OR-Organisierung und Mobilität auf der Oberfläche von intakten lebenden Zellen bei niedrigen/physiologischen Expressions-Spiegeln zu untersuchen. 
Der μOR ist der OR Subtyp, der die entscheidenste Rolle bei der Schmerzmodulierung spielt, indem er die Wirkung der stärksten analgetischen Arzneien vermittelt. Des Weiteren ist dieser OR-Subtyp der Subtyp, der größtenteils für die wesentlichen unerwünschten Nebenwirkungen der aktuell vermarkteten Opioid-Arzneimittel verantwortlich ist. Das Ziel dieser Arbeit war daher, einen neuen μOR-selektiven fluoreszierenden Liganden mit einem potentiell irreversiblen Bindungsmodus zu entwickeln. Obwohl dieser Ansatz prinzipiell erfolgreich war, das heißt die markierten Zellen waren sicht- und unterscheidbar, war dieser erste Ansatz aufgrund der geringen Selektivität und Affinität des Liganden und aufgrund seines hohen Hintergrundrauschens nicht für EMM geeignet. Daher wurde eine zweite Generation fluoreszierender Liganden entworfen. Deren Synthese und Charakterisierung ist jedoch Teil einer anderen Doktorarbeit. 
Kürzlich erhielt der δOR aufgrund seines spezifischen pharmakologischen Profils, welches ein geringes Missbrauchsrisiko und das Fehlen körperlicher Abhängigkeit beinhaltet, vielseitige Beachtung als ein vielversprechendes Arznei-Target. Des Weiteren wurde δOR-Expression mit Krebsregulation in der Peripherie assoziiert, was das Interesse an einem bildgebenden Werkzeug für diesen Rezeptor zusätzlich unterstreicht. In dieser Doktorarbeit wird die Entwicklung und Charakterisierung von zwei neuen, auf dem gut untersuchten Liganden Naltrindol (NTI) basierenden, δOR-selektiven fluoreszierenden Sonden mit sehr guten optischen Eigenschaften gezeigt. Ihre Anwendung in EMM Untersuchungen läuft derzeit bei Kooperationspartnern im Arbeitskreis von Professor Davide Calebiro an der Universität Birmingham an.
Der κOR ist der Subtyp, der auch als Arznei-Target aufgrund seines geringen Missbrauchspotentials in Erscheinung getreten ist. Obwohl steigendes Interesse an diesem Rezeptor besteht, sind κOR-selektive fluoreszierende Sonden in der Literatur bisher kaum beschrieben. In dieser Arbeit wird das Design, die Synthese und Charakterisierung des ersten beschriebenen Sets von fluoreszierenden κOR-selektiven Sonden mit antagonistischen Eigenschaften, basierend auf dem Liganden 5’-Guanidinonaltrindol (5’-GNTI) gezeigt. Zwei dieser Liganden wurden für EMM Experimente verwendet, um die κOR Homodimerisierung, Lokalisation und Transportwege zu untersuchen. Unsere Ergebnisse zeigen keine Homodimerisierung des κOR-gebundenen Sondenkomplexes und außerdem, dass die Mehrheit der Rezeptoren einer normalen Brown’schen Diffusion auf der Zelloberfläche folgt.
KW  - Opioidrezeptor
KW  - fluorescent ligands
KW  - opioid receptors
KW  - TIRF microscopy
KW  - GPCR oligomerization
KW  - Oligomerisation
KW  - Ligand <Biochemie>
KW  - Fluoreszierende Liganden
KW  - GPCR Oligomerisierung
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-207179
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lechermeier, Carina
T1  - Neuroanatomical and functional evaluation of ADHD candidate genes in the model organism zebrafish (\(Danio\) \(rerio\))
T1  - Neuroanatomische und funktionelle Auswertung von ADHS Kandidatengenen im Modellorganismus Zebrafisch (\(Danio\) \(rerio\))
N2  - Attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) is one of the most prevalent developmental disorders, affecting 5.9% children and adolescents and 2.5% adults worldwide. The core characteristics are age-inappropriate levels of hyperactivity, impulsivity and inattention, often accompanied by co-morbidities such as mood and conduct disorders as wells as learning deficits. In the majority of cases, ADHD is caused by an interplay of accumulated genetic and environmental risk factors. Twin studies report a very high heritability of 70–80%, however, common genetic variants in the population only explain a third of the heritability. The rest of the genetic predisposition is composed of rare copy number variations (CNVs) and gene x environment interactions including epigenetic alterations. Through genome wide association (GWAS) and linkage studies a number of likely candidate genes were identified. A handful of them play a role in dopamine or noradrenaline neurotransmitter systems, simultaneously those systems are the main targets of common drug treatment approaches. However, for the majority of candidates the biological function in relation to ADHD is unknown. It is crucial to identify those functions in order to gain a deeper understanding of the pathomechanism and genetic networks potentially responsible for the disorder. This work focuses on the three candidate genes GFOD1, SLC2A3 and LBX1 and their role in the healthy organism as well as in case of ADHD. The neuroanatomy was regarded through expression analysis and various behavioural assays of activity were performed to link alterations on the transcript level to phenotypes associated with the neurodevelopmental disorder. Zebrafish orthologues of the human risk genes were identified and extensive temporal and spacial expression characterisation performed via RNA in situ hybridisation. Through morpholino derived knock-down and mRNA overexpression zebrafish models with subsequent behavioural analysis, both hyper- and hypoactive phenotypes were discovered. Additional expression analysis through double in situ hybridisation revealed a co-localisation during zebrafish neurodevelopment of each gfod1 and slc2a3a together with gad1b, a marker for GABAergic neurons. Interestingly, both risk genes have previously been associated with glucose homeostasis and energy metabolism, which when disrupted could lead to alterations in signal transduction and neuron survival. Likewise, Lbx1 plays a pivotal role in GABAergic versus glutamatergic neuron specification during spinal cord and hindbrain development in mice and chicken. Preliminary results of this work suggest a similar role in zebrafish. Taken together, those findings on the one hand represent a sturdy basis to con- tinue studies of the function of the genes and on the other hand open up the opportunity to investigate novel aspects of ADHD research by exploring the role of the GABAergic neurotransmitter system or the connection between energy metabolism and psychiatric disorders.
N2  - Die Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) ist eine der am weitesten verbreiteten Entwicklungsstörungen, davon sind 5,9% Kinder und Jugendliche und 2,5% Erwachsene weltweit betroffen. Die Kernsymptome sind altersunangemessene Hyperaktivität, Impulsivität und Unaufmerksamkeit, oft begleitet von Begleiterkrankungen wie emotionale Dysregulation oder Verhal- tensauffälligkeiten sowie Lerndefiziten. In den meisten Fällen wird ADHS durch ein Zusammenspiel von angehäuften genetischen und umweltbedingten Risikofaktoren verursacht. Durch Zwillingsstudien gelang man zu einer errechneten Erblichkeit von 70–80%, jedoch erklären häufig auftretende genetische Varianten in der Bevölkerung nur ein Drittel der Erblichkeit. Der Rest der genetischen Veranlagung setzt sich aus seltenen Kopienzahlvariationen (CNV) und Interaktionen von Gen x Umwelt, einschließlich epigenetischer Veränderungen, zusammen. Durch genomweite Assoziationsstudien (GWAS) und Kopplungsanalysen wurden eine Reihe von wahrscheinlichen Kandidatengenen identifiziert. Eine Handvoll von ihnen spielen eine Rolle in den Dopamin oder Noradrenalin Neurotransmittersystemen. Diese Systeme sind gleichzeitig die Hauptangriffspunkte der gängigsten Medikamente, die zur Behandlung von ADHS eingesetzt werden. Allerdings ist für die Mehrheit der Kandidatengene die biologische Funktion in Bezug auf ADHS unbekannt. Es ist essentiell diese Funktionen zu identifizieren um ein tieferes Verständnis der Ätiopathogenese und der genetische Netzwerke, die möglicherweise für die Störung verantwortlich sind, zu erlangen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die drei Kandidatengene GFOD1, SLC2A3 und LBX1 und ihre Rolle im gesunden Organismus sowie während ADHS. Die Neuroanatomie wurde durch Expressionsanalyse betrachtet und verschiedene aktivitätsbasierte Verhaltensessays wurden durchgeführt, um Veränderungen auf Transkriptebene mit den zugehörigen Phänotypen der neurologischen Entwick- lungsstörung in Verbindung zu bringen. Zebrafischorthologe der menschlichen Kandidatengene wurden identifiziert und umfangreiche zeitliche und räumli- che Expressionsanalysen via RNA in situ Hybridisierung durchgeführt. Durch Morpholino-Knockdown und mRNA-Überexpressions Zebrafischmodelle mit anschließender Verhaltensanalyse wurden sowohl hyper- als auch hypoaktive Phänotypen entdeckt. Eine zusätzliche Expressionsanalyse durch doppelte in situ Hybridisierung ergab eine Kolokalisierung während der Zebrafischneuroentwicklung von jeweils gfod1 und slc2a3a zusammen mit gad1b, einem Marker für GABAerge Neuronen. Interessanterweise wurden beide Risikogene zuvor mit der Glukosehomöostase und dem Energiestoffwechsel in Verbindung gebracht, die, wenn sie gestört werden, zu Veränderungen der Signalübertragung und der Lebensdauer von Neuronen führen können. Desgleichen spielt Lbx1 eine entscheidende Rolle bei der Spezifikation von GABAergen versus glutamatergenen Neuronen während der Entwicklung des Rückenmarks in der Wirbelsäule und im Hinterhirn von Mäusen und Hühnern. Vorläufige Ergebnisse dieser Arbeit deuten auf eine ähnliche Rolle beim Zebrafisch hin. Zusammengenommen stellen diese Erkenntnisse einerseits eine solide Grundlage für weitere Untersuchungen zur Funktion der Gene dar, andererseits eröffnet sich daraus die Möglichkeit neue Aspekte der ADHS-Forschung zu untersuchen, bei denen der Fokus auf der Rolle des GABAergen Neurotransmittersystems oder der Beziehung zwischen Energiestoffwechsel und psychiatrischen Erkrankungen liegt.
KW  - Aufmerksamkeitsdefizit-Syndrom
KW  - Zebrabärbling
KW  - ADHD
KW  - zebrafish
KW  - genes
KW  - behaviour
KW  - ADHS
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-371084
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nair, Radhika Karal
T1  - Structural and biochemical characterization of USP28 inhibition by small molecule inhibitors
T1  - Strukturelle und biochemische Charakterisierung der Hemmung von USP28 durch niedermolekulare Inhibitoren
N2  - Ubiquitination is an important post-translational modification that maintains cellular homeostasis by regulating various biological processes. Deubiquitinases (DUBs) are enzymes that reverse the ubiquitination process by catalyzing the removal of ubiquitin from a substrate. Abnormal expression or function of DUBs is often associated with the onset and progression of various diseases, including cancer. Ubiquitin specific proteases (USPs), which constitute the largest family of DUBs in humans, have become the center of interest as potential targets in cancer therapy as many of them display increased activity or are overexpressed in a range of malignant tumors or the tumor microenvironment. 
Two related members of the USP family, USP28 and USP25, share high sequence identities but play diverse biological roles. USP28 regulates cell proliferation, oncogenesis, DNA damage repair and apoptosis, whereas USP25 is involved in the anti-viral response, innate immunity and ER-associated degradation in addition to carcinogenesis. USP28 and USP25 also exhibit different oligomeric states – while USP28 is a constitutively active dimer, USP25 assumes an auto-inhibited tetrameric structure. The catalytic domains of both USP28 and USP25 comprise the canonical, globular USP-domain but contain an additional, extended insertion site called USP25/28 catalytic domain inserted domain (UCID) that mediates oligomerization of the proteins. Disruption of the USP25 tetramer leads to the formation of an activated dimeric protein. However, it is still not clear what triggers its activation. 
Due to their role in maintaining and stabilizing numerous oncoproteins, USP28 and USP25 have emerged as interesting candidates for anti-cancer therapy. Recent advances in small-molecular inhibitor development have led to the discovery of relatively potent inhibitors of USP28 and USP25. This thesis focuses on the structural elucidation of USP28 and the biochemical characterization of USP28/USP25, both in complex with representatives of three out of the eight compound classes reported as USP28/USP25-specific inhibitors. The crystal structures of USP28 in complex with the AZ compounds, Vismodegib and FT206 reveal that all three inhibitor classes bind into the same allosteric pocket distant from the catalytic center, located between the palm and the thumb subdomains (the S1-site). Intriguingly, this binding pocket is identical to the UCID-tip binding interface in the USP25 tetramer, rendering the protein in a locked, inactive conformation. Formation of the binding pocket in USP28 requires a shift in the helix α5, which induces conformational changes and local distortion of the binding channel that typically accommodates the C-terminal tail of Ubiquitin, thus preventing catalysis and abrogating USP28 activity. The key residues of the USP28-inhibitor binding pocket are highly conserved in USP25. Mutagenesis studies of these residues accompanied by biochemical and biophysical assays confirm the proposed mechanism of inhibition and similar binding to USP25. 
This work provides valuable insights into the inhibition mechanism of the small molecule compounds specifically for the DUBs USP28 and USP25. The USP28-inhibitor complex structures offer a framework to develop more specific and potent inhibitors.
N2  - Ubiquitinierung ist eine wichtige posttranslationale Modifikation, die die zelluläre Homöostase aufrechterhält, indem sie verschiedene biologische Prozesse reguliert. Deubiquitinasen (DUBs) sind Enzyme, die den Ubiquitinierungsprozess umkehren, indem sie die Entfernung von Ubiquitin von einem Substrat katalysieren. Eine abnorme Expression oder Funktion von DUBs wird häufig mit dem Auftreten und Fortschreiten verschiedener Krankheiten, einschließlich Krebs, in Verbindung gebracht. Ubiquitin-spezifische Proteasen (USPs), die im Menschen die größte Familie der DUBs bilden, sind als potenzielle Ziele in der Krebstherapie von besonderem Interesse, da viele von ihnen in bösartigen Tumoren oder deren Mikroumgebung abnormal aktiv oder überexprimiert sind. 

Die zwei eng verwandten Mitglieder der USP-Familie, USP28 und USP25, weisen eine hohe Sequenzidentität auf, sind aber an unterschiedlichen biologischen Prozessen beteiligt. USP28 reguliert die Zellproliferation, die Onkogenese, die Reparatur von DNA-Schäden und die Apoptose, während USP25 eine Rolle bei der antiviralen Reaktion, der angeborenen Immunität, dem ER-assoziierten Abbau und der Carcinogenese spielt. USP28 und USP25 weisen auch unterschiedliche oligomere Zustände auf. Während USP28 ein konstitutiv aktives Dimer bildet, tritt USP25 als auto-inhibiertes Tetramer auf. Strukturell bestehen die katalytischen Domänen sowohl von USP28 als auch von USP25 aus der kanonischen globulären USP-Domäne enthalten jedoch eine zusätzliche Insertion, die als „USP25/28 catalytic domain inserted domain (UCID)“ bezeichnet wird und die Oligomerisierung der Proteine vermittelt. Die Dissoziation des USP25 Tetramers in Dimere führt zu einem aktivierten USP25-Protein. Es ist jedoch immer noch nicht klar, was seine Aktivierung auslöst. 

Aufgrund ihrer Rolle bei der Aufrechterhaltung und Stabilisierung zahlreicher Onkoproteine haben sich USP28 und USP25 als interessante Kandidaten für die Entwicklung von Medikamenten in der Krebstherapie erwiesen. Jüngste Fortschritte in der Entwicklung von niedermolekularen Inhibitoren haben zur Entdeckung von relativ potenten Inhibitoren von USP28 und USP25 geführt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Strukturaufklärung von USP28 und die biochemische Charakterisierung von USP28/USP25, beide im Komplex mit Vertretern von drei der acht Verbindungsklassen, die als USP28/USP25-spezifische Inhibitoren bekannt sind. Die Kristallstrukturen von USP28 im Komplex mit den AZ-Verbindungen, Vismodegib und FT206 zeigen, dass alle Inhibitoren in einer ähnlichen Region an USP28 binden - einer allosterischen Tasche, die in der Nähe des katalytischen Zentrums liegt und sich zwischen der Handflächen- und der Daumen-Subdomäne befindet. Diese Bindungstasche ist identisch mit der Position, an der der „UCID-tip“ im USP25-Tetramer bindet und das Protein in eine verschränkte, inaktive Konformation versetzt. Die Bildung der Bindungstasche in USP28 erfordert eine Verschiebung der α5-Helix, die zu Konformationsänderungen und einer lokalen Verzerrung des Bindungskanalsführt, der normalerweise den C-terminus des Ubiquitin-Moleküls bindet und so die Katalyse verhindert und die Aktivität von USP28 hemmt. Die Schlüsselreste der USP28-Inhibitor-Bindungstasche sind in USP25 hoch konserviert. Mutagenese-Studien dieser Aminosäuren, begleitet von biochemischen und biophysikalischen Analysen, bestätigen den vorgeschlagenen Mechanismus der Hemmung und eine ähnliche Bindung der Inhibitoren an USP25. 

Diese Arbeit liefert wertvolle Einblicke in den Hemmungsmechanismus der Kleinmolekülverbindungen, die spezifisch für die DUBs USP28 und USP25 entwickelt worden sind. Die Strukturen der USP28-Inhibitor-Komplexe bieten eine Grundlage für die zukünftige Entwicklung spezifischerer und wirksamerer Inhibitoren.
KW  - USP
KW  - Inhibition
KW  - enzyme
KW  - crystallography
KW  - Unique Selling Proposition
KW  - Inhibition
KW  - Enzym
KW  - Kristallographie
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-281742
ER  - 
TY  - THES
A1  - Diehl, Janina Marie Christin
T1  - Ecology and evolution of symbiont management in ambrosia beetles
T1  - Ökologie und Evolution des Symbiontenmanagements bei Ambrosiakäfern
N2  - The relationship between a farmer and their cultivated crops in agriculture is multifaceted, with pathogens affecting both the farmer and crop, and weeds that take advantage of resources provided by farmers. For my doctoral thesis, I aimed to gain a comprehensive understanding of the ecology and symbiosis of fungus farming ambrosia beetles.
Through my research, I discovered that the microbial composition of fungus gardens, particularly the mutualists, is significantly influenced by the presence of both adults and larvae. The recognition of both beneficial and harmful symbionts is crucial for the success of ambrosia beetles, who respond differently depending on their life stage and the microbial species they encounter, which can contribute to the division of labour among family groups. The presence of antagonists and pathogens in the fungus garden depends on habitat and substrate quality, and beetle response to their introduction results in behavioural and developmental changes. Individual and social immunity measures, as well as changes in bacterial and fungal communities, were detected as a result of pathogen introduction. Additionally, the ability of ambrosia beetles to establish two nutritional fungal species depends on several factors. These insects must strike a balance between their essential functions and adapt to the constantly changing ecological and social conditions, which demonstrates their adaptive flexibility. However, interpreting data from laboratory studies should be approached with caution, as the natural environment allows for more flexibility and the potential for other beneficial symbionts to become more prominent if required.
To aid in my research, I designed primers that use the ‘fungal large subunit’ (LSU) as genetic marker to identify and differentiate mutualistic and antagonistic fungi in X. saxesenii. The primers were able to distinguish closely related species of the Ophiostomataceae and other fungal symbionts. This allowed me to associate the abundance of key fungal taxa with factors such as the presence of beetles, the nest's age and condition, and the various developmental stages present. My primers are a valuable tool for understanding fungal communities, including their composition and the identification of previously unknown functional symbionts. However, some aspects should be approached with caution due to the exclusion of non-amplified taxa in the relative fungal community compositions.
N2  - Die Beziehung zwischen einem Landwirt und der von ihm angebauten Nahrung in der Landwirtschaft ist vielschichtig: Pathogene, die sowohl den Landwirt als auch die Pflanzen befallen, und Unkräuter, die sich die von Landwirten bereitgestellten Ressourcen zunutzen machen. In meiner Doktorarbeit wollte ich ein umfassendes Verständnis der Ökologie und der Symbiose von pilzzüchtenden Ambrosiakäfern erlangen.
Im Rahmen meiner Forschung fand ich heraus, dass die mikrobielle Zusammensetzung von Pilzgärten, insbesondere der Mutualisten, durch die Anwesenheit sowohl der erwachsenen Tiere als auch der Larven erheblich beeinflusst wird. Die Erkennung sowohl nützlicher als auch schädlicher Symbionten ist entscheidend für den Erfolg der Ambrosiakäfer, die je nach Lebensstadium und den angetroffenen Mikrobenarten unterschiedlich reagieren, was zur Arbeitsteilung zwischen Familiengruppen beitragen kann. Das Vorhandensein von Antagonisten und Krankheitserregern im Pilzgarten hängt von der Qualität des Lebensraums und des Substrats ab, und die Reaktion der Käfer auf ihre Einschleppung führt zu Veränderungen im Verhalten und in der Entwicklung. Individuelle und soziale Immunitätsmaßnahmen sowie Veränderungen der Bakterien- und Pilzgemeinschaften wurden als Folge der Einführung von Krankheitserregern festgestellt. Darüber hinaus hängt die Fähigkeit von Ambrosiakäfern, zwei Nährpilzarten zu etablieren, von mehreren Faktoren ab. Diese Insekten müssen ein Gleichgewicht zwischen ihren lebenswichtigen Funktionen herstellen und sich an die ständig ändernden ökologischen und sozialen Bedingungen anpassen, was ihre Anpassungsfähigkeit zeigt. Bei der Interpretation von Daten aus Laborstudien ist jedoch Vorsicht geboten, da die natürliche Umgebung mehr Flexibilität zulässt und die Möglichkeit bietet, dass andere nützliche Symbionten bei Bedarf stärker in Erscheinung treten.
Um meine Forschung zu unterstützen, habe ich Primer entwickelt, die die ‘fungal large subunit‘ (LSU) als genetischen Marker verwenden, um mutualistische und antagonistische Pilze in X. saxesenii zu identifizieren und zu unterscheiden. Die Primer waren in der Lage, eng verwandte Arten der Ophiostomataceae und andere Pilzsymbionten zu unterscheiden. Auf diese Weise konnte ich die Häufigkeit der wichtigsten Pilztaxa mit Faktoren wie dem Vorhandensein von Käfern, dem Alter und Zustand des Nests und den verschiedenen Entwicklungsstadien in Verbindung bringen. Meine Primer sind ein wertvolles Instrument für das Verständnis von Pilzgemeinschaften, einschließlich ihrer Zusammensetzung und der Identifizierung von bisher
unbekannten funktionellen Symbionten. Einige Aspekte sind jedoch mit Vorsicht zu genießen, da nicht amplifizierte Taxa in den relativen Zusammensetzungen der Pilzgemeinschaften nicht berücksichtigt werden.
KW  - ambrosia beetles
KW  - symbiont management
KW  - amplicon sequencing
KW  - fungus farming
KW  - microbial communities
KW  - social behaviour
KW  - Ökologie
KW  - Evolution
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-321213
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TY  - THES
A1  - Kappenberger, Jeannette Sarah
T1  - Biochemical characterization of the TFIIH translocase XPB from \(Chaetomium\) \(thermophilum\)
T1  - Biochemische Charakterisierung der TFIIH Translokase XPB aus \(Chaetomium\) \(thermophilum\)
N2  - DNA repair and gene expression are two major cellular processes that are fundamental for the maintenance of biological life. Both processes require the enzymatic activity of the super family 2 helicase XBP, which is an integral subunit of the general transcription factor TFIIH. During transcription initiation, XPB catalyzes the initial melting of promoter DNA enabling RNA polymerase II to engage with the coding DNA strand and start gene transcription. In nucleotide excision repair, XPB acts in concert with the other TFIIH helicase XPD causing strand separation around a lesion site. Mutations within the genes encoding XPB or other TFIIH subunits are associated with different cancer types as well as with the autosomal recessive disorders Xeroderma Pigmentosum and trichothiodystrophy and rarely combined features of Xeroderma Pigmentosum and Cockayne syndrome. 

In the last few years, great progress has been made towards unraveling the structure of TFIIH and its individual subunits including XPB. These structural insights tremendously improved our understandings with respect to the molecular interactions within this intriguing protein complex. However, the underlying regulation mechanisms that functionally control XPB during transcription and repair remained largely elusive. We thus executed the biochemical characterization of this protein to investigate the functional network that regulates XPB within the scaffold of TFIIH. Due to their enhanced stability compared to the human proteins, we utilized the proteins that originate from the thermophilic fungus Chaetomium thermophilum for this purpose as a model organism for eukaryotic TFIIH.
  
The present work provides novel insights into the enzymatic function and regulation of XPB. We could show that both, DNA and the TFIIH subunit p52 stimulate XPB’s ATPase activity and that the p52-mediated activity is further boosted by p8, another subunit within TFIIH. Surprisingly, DNA can activate XPB’s ATPase activity to a greater extent than its TFIIH interaction partners p52/p8, but when both, i.e. p52/p8 and DNA are present at the same time, p52 dominates the activation and the enzymatic speed is maintained at the level observed through the sole activation of p52/p8. We thus defined p52 as the master regulator of XPB that simultaneously activates and represses XPB’s enzymatic activity. Based on a correlative mutagenesis study of the main interface between p52 and XPB that was set into context with recent structural data, a model for the p52-mediated activation and speed limitation of XPB’s ATPase was proposed. The research on XPB’s ATPase was expanded with the investigation of the inhibition mechanism of XPB’s ATPase via the natural compound Triptolide. Furthermore, we investigated XPB’s DNA translocase function and could observe that XPB can only perform its translocase movement when it is fully incorporated into core TFIIH and this translocase movement is further enhanced by the nucleotide excision repair factor XPA. Fluorescence polarization measurements with nucleotide analogues revealed that XPB displays the highest affinity towards DNA in the ADP + Pi bound state and its binding is weakened when ADP is bound or the nucleotide is dissociated from the enzyme, suggesting a movement on the DNA during the distinct states of the ATPase cycle. Finally, the well-known and highly conserved RED motif was found to be the crucial element in XPB to enable this translocase movement. Combined, the data presented in this work provide novel insights into the intricate regulation network that controls XPB’s enzymatic activity within TFIIH and furthermore show that XPB’s enzymatic activity is tightly controlled by various factors.
N2  - DNA Reparatur und Genexpression sind zwei fundamentale  zelluläre Prozesse die unabdingbar für die Aufrechterhaltung des biologischen Lebens sind. Beide Prozesse benötigen die Enzymaktivität der Superfamilie 2 Helikase XPB, welche eine Untereinheit des Transkriptionsfaktors TFIIH darstellt. Während der Transkriptions-Initiation katalysiert XPB das initiale Aufschmelzen der Promoter-DNA und befähigt dadurch die 
RNA-Polymerase II dazu an den codierenden DNA Strang zu binden und die Genexpression zu starten. In der Nukleotid-Exzisions-Reparatur agiert XPB zusammen mit der zweiten TFIIH Helikase, XPD, und bewirkt die Öffnung des DNA Stranges an der Stelle des DNA-Schadens. Mutationen des XPB-Gens oder der Gene der anderen TFIIH 
Untereinheiten  sind  mit  verschiedenen  Krebsarten,  sowie den autosomal rezessiv vererbten Krankheiten Xeroderma Pigmentosum und Trichothiodystrophie assoziiert. In seltenen Fällen kann eine kombinierte Form von Xeroderma Pigmentosum und Cockayne Syndrom auftreten.
 
In den letzten Jahren wurde mittels der Cryo-EM die Strukturaufklärung von TFIIH und seinen Untereinheiten einschließlich XPB signifikant vorangebracht. Diese neuen 
strukturellen Einsichten haben unser Verständnis über den  molekularen Aufbau des TFIIH Komplexes entscheidend verbessert. Jedoch sind die Regulationsmechanismen, die XPB auf funktionaler Ebene kontrollieren, noch größtenteils unbekannt. Um das funktionelle Netzwerk, das XPB innerhalb von TFIIH reguliert, zu erforschen, haben wir die biochemische Charakterisierung von XPB verfolgt. Aufgrund ihrer erhöhten Stabilität gegenüber den humanen Proteinen wurden für diese Analyse die Proteine des 
thermophilen Pilzes Chaetomium thermophilum als Modellorganismus für TFIIH verwendet.
 
Die vorgelegte Arbeit liefert neue Erkenntnisse über die enzymatische Funktion und Regulation von XPB. Wir konnten  zeigen, dass sowohl DNA, als auch die TFIIH 
Untereinheit p52 die ATPase Aktivität von XPB stimulieren und dass die p52-vermittelte Aktivierung durch p8, eine weitere Untereinheit von TFIIH, noch weiter verstärkt wird. In Gegenwart von DNA beobachtet man jedoch die höchste ATPase Aktivität. Wenn beide Aktivatoren, also p52/p8 und DNA, gleichzeitig anwesend waren, dominierte die niedrige p52-vermittelte Aktivierung gegenüber der DNA-vermittelten Aktivierung. Das p52-Protein agiert also als Aktivator und Deaktivator indem es die enzymatische Aktivität des XPB-Proteins gleichzeitig aktiviert und hemmt und kann damit folglich als Hauptregulator von XPB bezeichnet werden. Basierend auf einer korrelativen Mutagenese-Analyse der Interaktionsfläche zwischen p52 und  XPB sowie auf den aktuellsten Strukturdaten, wurde ein Modell für die p52-vermittelte Aktivierung und Geschwindigkeitsregulierung von XPBs ATPase generiert. Des  Weiteren wurde der Einfluss des Naturproduktes Triptolid  auf die Hemmung der enzymatischen Aktivität des XPB Proteins untersucht. Darüber hinaus haben wir die doppelsträngige DNA-Translokase-Aktivität von XPB 
analysiert und konnten feststellen, dass die Translokation nur erfolgen kann, wenn XPB vollständig in den Kern-TFIIH-Komplex integriert ist. Der Nukleotid-Exzisions-Reparatur-
Faktor XPA stimulierte diese Translokase-Aktivität zusätzlich. Fluoreszenz-Polarisations-Messungen mit Nukleotid-Analoga zeigten, dass XPB die höchste Affinität 
für DNA im ADP + Pi gebundenen Zustand aufweist und dass diese Bindung gelockert wird, wenn ADP gebunden oder das  Nukleotid dissoziiert ist. Dies deutet auf einen 
Bewegungsmechanismus auf der DNA während der verschiedenen Stadien des ATPase-Zyklus hin. Abschließend konnten wir zeigen, dass das hochkonservierte RED-Motiv eine entscheidende Rolle für die Translokase Bewegung des XPB-Proteins einnimmt. Zusammenfassend präsentiert diese  Arbeit neue Erkenntnisse, die unser Verständnis des Regulierungsnetzwerkes, das die enzymatische Aktivität von  XPB innerhalb von TFIIH steuert, entscheidend vorangebracht haben.
KW  - DNS-Reparatur
KW  - Xeroderma pigmentosum
KW  - Helicasen
KW  - Transkriptionsfaktor
KW  - Nucleotide Excision Repair
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-244096
ER  - 
TY  - THES
A1  - Beudert, Matthias
T1  - Bioinspired Modification and Functionalization of Hydrogels for Applications in Biomedicine
T1  - Biologisch-inspirierte Modifizierung und Funktionalisierung von Hydrogelen für Anwendungen in der Biomedizin
N2  - Over the years, hydrogels have been developed and used for a huge variety of different applications ranging from drug delivery devices to medical products. In this thesis, a poly(2-methyl-2-oxazoline) (POx) / poly(2-n-propyl-2-oxazine) (POzi) bioink was modified and analyzed for the use in biofabrication and targeted drug delivery. In addition, the protein fibrinogen (Fbg) was genetically modified for an increased stability towards plasmin degradation for its use as wound sealant. 

In Chapter 1, a thermogelling, printable POx/POzi-based hydrogel was modified with furan and maleimide moieties in the hydrophilic polymer backbone facilitating post-printing maturation of the constructs via Diels-Alder chemistry. The modification enabled long-term stability of the hydrogel scaffolds in aqueous solutions which is necessary for applications in biofabrication or tissue engineering. Furthermore, we incorporated RGD-peptides into the hydrogel which led to cell adhesion and elongated morphology of fibroblast cells seeded on top of the scaffolds. Additional printing experiments demonstrate that the presented POx/POzi system is a promising platform for the use as a bioink in biofabrication.

Chapter 2 highlights the versatility of the POx/POzi hydrogels by adapting the system to a use in targeted drug delivery. We used a bioinspired approach for a bioorthogonal conjugation of insulin-like growth factor I (IGF-I) to the polymer using an omega-chain-end dibenzocyclooctyne (DBCO) modification and a matrix metalloprotease-sensitive peptide linker. This approach enabled a bioresponsive release of IGF-I from hydrogels as well as spatial control over the protein distribution in 3D printed constructs which makes the system a candidate for the use in personalized medicine. 

Chapter 3 gives a general overview over the necessity of wound sealants and the current generations of fibrin sealants on the market including advantages and challenges. Furthermore, it highlights trends and potential new strategies to tackle current problems and broadens the toolbox for future generations of fibrin sealants.

Chapter 4 applies the concepts of recombinant protein expression and molecular engineering to a novel generation of fibrin sealants. In a proof-of-concept study, we developed a new recombinant fibrinogen (rFbg) expression protocol and a Fbg mutant that is less susceptible to plasmin degradation. Targeted lysine of plasmin cleavage sites in Fbg were exchanged with alanine or histidine in different parts of the molecule. The protein was recombinantly produced and restricted plasmin digest was analyzed using high resolution mass spectrometry. In addition to that, we developed a novel time resolved screening protocol for the detection of new potential plasmin cleavage sites for further amino acid exchanges in the fibrin sealant.
N2  - Hydrogele wurden im Laufe der Jahre für eine Vielzahl von Anwendungen, von der
Verabreichung von Medikamenten bis hin zu medizinischen Produkten, entwickelt und
eingesetzt. In dieser Arbeit wurde eine Poly(2-methyl-2-oxazolin) POx) / Poly(2-n-propyl-2-
oxazin) (POzi) Biotinte modifiziert und für den Einsatz in der Biofabrikation und für die gezielte
Verabreichung von Medikamenten analysiert. Außerdem wurde das Protein Fibrinogen (Fbg)
gentechnisch verändert, um seine Stabilität gegenüber dem Plasminabbau in seiner Funktion
als Wundkleber zu erhöhen

In Kapitel 1 wurde ein thermogelierendes, druckbares Hydrogel auf POx/POzi-Basis mit
Furan- und Maleimid-Funktionen im hydrophilen Polymerrückgrat modifiziert, was die Reifung
der Konstrukte nach dem Druck durch Diels-Alder-Chemie bewirkt. Die Modifizierung
ermöglichte eine langfristige Stabilität der Hydrogele in wässrigen Lösungen, was für
Anwendungen im Bereich der Biofabrikation oder im Tissue Engineering erforderlich ist.
Darüber hinaus haben wir RGD-Peptide in das Hydrogel integriert, was zur Zelladhäsion und
einer verlängerten Morphologie von Fibroblasten, die auf den Gelen ausgesät wurden, führte.
Weitere Druckexperimente zeigen außerdem, dass das POx/POzi-System eine
vielversprechende Plattform für den Einsatz als Biotinte in der Biofabrikation ist.

Kapitel 2 unterstreicht die Vielseitigkeit der POx/POzi-Hydrogele, indem das System für die
gezielte Abgabe von Medikamenten angepasst wird. Wir verwendeten einen von der Natur
inspirierten Ansatz für eine biorthogonale Konjugation vom Insuline-like Growth Factor I (IGF-
I) an das Polymer unter Verwendung einer Dibenzocyclooctin-Modifikation des Polymers am
Ende der Omega-Kette und eines Matrix-Metalloproteasen-empfindlichen Peptid-Linkers.
Dieser Ansatz ermöglichte eine bioresponsive Freisetzung von IGF-I aus Hydrogelen sowie
eine räumliche Kontrolle über die Proteinverteilung in 3D-gedruckten Konstrukten, was das
System zu einem Kandidaten für den Einsatz in der personalisierten Medizin macht.

Kapitel 3 gibt einen allgemeinen Überblick über die Notwendigkeit von
Wundversiegelungsmitteln und die derzeit auf dem Markt befindlichen Generationen von
Fibrinklebern einschließlich der Vorteile und Herausforderungen. Darüber hinaus werden
Trends und potenzielle neue Strategien zur Lösung aktueller Probleme und zur Erweiterung
der Toolbox für künftige Generationen von Fibrinklebern aufgezeigt.

In Kapitel 4 werden die Konzepte der rekombinanten Proteinexpression und des Molecular
Engineering auf eine neue Generation von Fibrin Wundklebern angewandt. In einer Proof-of-
Concept-Studie haben wir ein neues rekombinantes Fbg Expressionsprotokoll und eine Fbg
Mutante entwickelt, die weniger anfällig für einen Abbau durch Plasmin ist. Gezielte Lysine in
Plasmin-Schnittstellen in Fbg wurde entweder durch Alanin oder Histidin in unterschiedlichen
Teilen des Moleküls ausgetauscht. Das Protein wurde rekombinant hergestellt und eine
verminderte Schnittrate wurde mittels hochauflösender Massenspektrometrie gezeigt.
Zusätzlich haben wir ein neues zeitaufgelöstes Screening-Protokoll entwickelt, mit dem sich
neue potenzielle Plasmin-Spaltstellen für weitere Aminosäurenaustausche in Fibrin-Klebern
auflösen lassen.
KW  - Hydrogel
KW  - Targeted drug delivery
KW  - 3 D bioprinting
KW  - Hydrogels
KW  - Modification
KW  - Bioinks
KW  - Fibrinogen
KW  - Drug Delivery
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-322887
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TY  - THES
A1  - Beck [geb. Liebetanz], Lina
T1  - Die Rolle CD8\(^+\) T-Zellen in der Atherosklerose
T1  - The role of CD8\(^+\) T cells in atherosclerosis
N2  - Atherosklerose ist eine chronisch inflammatorische Erkrankung der Gefäßwände, bei der sowohl die angeborene als auch die erworbene Immunantwort beteiligt ist. Von Monozyten abstammende Makrophagen spielen eine Schlüsselrolle bei der Entstehung atherosklerotischer Läsionen. Durch die Aufnahme modifizierte Lipide (z.B. oxLDL) werden sie zu Schaumzellen, sezernieren inflammatorische Zytokine und befeuern somit die vaskuläre Entzündungsreaktion. Makrophagen können jedoch auch schützende Funktionen wahrnehmen, bspw. durch die antiinflammatorische Aufnahme apoptotischer Zellen, die Efferozytose. Um den Einfluss CD8+ T-Zellen auf Makrophagen zu bestimmen, wurde ein in vitro Model gewählt, in dem aktivierte CD8+ T-Zellen mit aus Knochenmark isolierten Makrophagen kokultiviert wurden. Zunächst konnte gezeigt werden, dass CD8+ T-Zellen die oxLDL Aufnahme und Schaumzellbildung der Makrophagen fördern, assoziiert mit der gesteigerten Expression des oxLDL Rezeptors CD36 und verminderten Expression des reversen Cholesterintransporters ABCA1. Zusätzlich reduzierten CD8+ T-Zellen die Phagozytose apoptotischer Zellen und die Sekretion des antiinflammatorischen Zytokins IL-10 als Antwort auf die Aufnahme apoptotischer Zellen, was auf eine verminderte Efferozytose hindeutet. Zudem förderten CD8+ T-Zellen die Expression des proinflammatorischen M1-Polarisationsmarker iNOS in Makrophagen und die Sekretion des proatherogenen Chemokins CCL2. Durch die Zugabe neutralisierender Antikörper in die in vitro Kultur konnte gezeigt werden, dass die aufgeführten Prozesse teilweise von den klassischen Effektorzytokinen der CD8+ T-Zellen, INFγ und TNFα, abhängen.
Zusammenfassend zeigen unsere Daten, dass CD8+ T-Zellen die Ausbildung eines proatherogenen Phänotyps der Makrophagen, durch die Steigerung der Schaumzellbildung und Förderung der proinflammatorischen Makrophagenpolarisation, sowie die Inhibierung der antiinflammatorischen Efferozytosefunktion, bewirken.
N2  - Atherosclerosis is a chronic inflammatory disease of the vessel wall involving innate and adaptive immune responses. Monocyte-derived macrophages play a key role in atherosclerotic lesion formation, by developing into foam cells upon modified lipid (e.g. oxLDL) ingestion and secreting inflammatory cytokines to further fuel vascular inflammation. However, macrophages also have protective functions such as the anti-inflammatory disposal of apoptotic cells by efferocytosis. To determine the influence of CD8+ T cells on macrophages, we used an in vitro model system where activated CD8+ T cells were co-cultured with bone marrow derived macrophages. We first demonstrated that CD8+ T cells promoted macrophage oxLDL uptake and foam cell formation associated with increased expression of the oxLDL receptor CD36, and decreased expression of the reverse cholesterol transporter ABCA1. CD8+ T cells also reduced macrophage apoptotic cell phagocytosis and anti-inflammatory IL-10 release in response to apoptotic cell engulfment, indicating diminished efferocytosis. Finally, CD8+ T cells promoted expression of the pro-inflammatory M1 polarization marker iNOS in macrophages, as well as secretion of the pro-atherogenic chemokine CCL2. These processes were partially dependent on the CD8+ T cell effector cytokines IFNγ and TNFα, as revealed by the addition of neutralizing antibodies in our in vitro co-culture system. 
In conclusion, our data shows that CD8+ T cells promote a pro-atherogenic phenotype in macrophages in vitro, increasing their foam cell formation and pro-inflammatory potential while inhibiting efferocytosis.
KW  - Immunität <Medizin>
KW  - CD8+ T-Zellen
KW  - Arteriosklerose
KW  - Atherosklerose
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-371344
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fohmann, Ingo
T1  - The Role of Sphingosine 1-phosphate and S1PR1-3 in the Pathophysiology of Meningococcal Meningitis
T1  - Die Rolle von Sphingosin 1-Phosphat und S1PR1-3 in der Pathophysiologie der durch Meningokokken ausgelösten Meningitis
N2  - Neisseria meningitidis (N. meningitidis) is an obligate human pathogen which causes live-threatening sepsis and meningitis. The fatality rate after meningococcal infection is high and surviving patients often suffer from severe sequelae. To cause meningitis, N. meningitidis must overcome the endothelium of the blood-brain barrier. The bacterium achieves this through the interaction with endothelial surface receptors leading to alternations of the cellular metabolism and signaling, which lastly results in cellular uptake and barrier traversal of N. meningitidis. Sphingosine 1-phosphate (S1P) is a lipid mediator that belongs to the class of sphingolipids and regulates the integrity of the blood-brain barrier through the interaction with its cognate receptors S1P receptors 1-3 (S1PR1-3).
In this study, high performance liquid chromatography coupled with mass spectrometry (LC-MS/MS) was used to generate a time-resolved picture of the sphingolipid metabolism in a brain endothelial cell line (hCMEC/D3) upon meningococcal infection. Among various changes, S1P was elevated in the cellular compartment as well as in the supernatant of infected hCMEC/D3s. Analysis of mRNA expression in infected hCMEC/D3s with quantitative real-time polymerase chain reaction (RT-qPCR) revealed that the increase in S1P could be attributed to the enhanced expression of the S1P-generating enzyme sphingosine kinase 1 (SphK1). Antibody-based detection of SphK1 protein or phosphorylation at SphK1 residue Serine 225 in hCMEC/D3 plasma membrane fractions via Western Blot revealed that N. meningitidis also induced SphK1 phospho-activation and recruitment to the plasma membrane. Importantly, recruitment of SphK1 to the plasma membrane increases the probability of substrate encounter, thus elevating SphK activity. Enhanced SphK activity was also reflected on a functional level, as detected by a commercially available ATP depletion assay used for measuring the enzymatic activity of SphK. Infection of hCMEC/D3 cells with pilus-deficient mutants resulted in a lower SphK activation compared to the N. meningitidis wild type strain. hCMEC/D3 treatment with pilus-enriched protein fractions showed SphK activation similar to the infection with living bacteria and could be ascribed to pilus interaction with the membrane-proximal domain of cellular surface receptor CD147. Inhibition of SphK1 or SphK2 through pre-treatment with specific inhibitors or RNA interference reduced uptake of N. meningitidis into hCMEC/D3 cells, as measured with Gentamicin protection assays. Released S1P induced the phospho-activation of epidermal growth factor receptor (EGFR) via S1PR2 activation, whose expression was also increasing during infection. Furthermore, S1PR2 blockage had a preventive effect on bacterial invasion into hCMEC/D3 cells. On the contrary, activation of S1PR1+3 also reduced bacterial uptake, indicating an opposing regulatory role of S1PR1+3 and S1PR2 during N. meningitidis uptake. Moreover, SphK2 inhibition prevented inflammatory cytokine expression as well as release of interleukin-8 after N. meningitidis infection. Taken together, this study demonstrates the central role of S1P and its cognate receptors S1PR1-3 in the pathophysiology of meningococcal meningitis.
N2  - Neisseria meningitidis (N. meningitidis) ist ein obligat humanpathogenes Bakterium, welches lebensbedrohliche Sepsis und Meningitis auslöst. Die Todesrate nach einer Meningokokkeninfektion ist hoch und überlebende Patienten leiden oft unter gravierenden Folgeschäden. N. meningitidis muss zuerst das Endothel der Blut-Hirn-Schranke überwinden, um Meningitis auslösen zu können. Das Bakterium erzielt dies durch die Interaktion mit endothelialen Rezeptoren, welche den zellulären Metabolismus und die zellulären Signalwege beeinflusst und letztlich zur zellulären Aufnahme von N. meningitidis und zur Überwindung der Barriere führt. Sphingosine 1-phosphat (S1P) ist ein Lipidmediator, der zur Klasse der Sphingolipide gehört und die Integrität der Blut-Hirn-Schranke durch die Interaktion mit den zugehörigen S1P Rezeptoren 1-3 (S1PR1-3s) beeinflusst.
In dieser Arbeit wurde Hochleistungsflüssigkeitschromatographie-gekoppelte Massenspektrometrie (LC-MS/MS) genutzt, um ein zeitlich aufgelöstes Bild des Sphingolipidmetabolismus in einer Hinendothelzelllinie (hCMEC/D3) nach Meningokokkeninfektion zu generieren. Neben zahlreichen Veränderungen zeigte sich ein Anstieg von S1P im zellulären Kompartiment und im Überstand von infizierten hCMEC/D3 Zellen. Die Analyse der mRNA Expression in infizierten hCMEC/D3 Zellen mittels quantitativer Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (RT-qPCR) offenbarte, dass der Anstieg von S1P auf eine erhöhte Expression der S1P-bildenden Sphingosinkinase 1 (SphK1) zurückzuführen war. Die ntikörperbasierte Detektion des Proteins SphK1 oder dessen Phosphorylierung an Serin 225 in den Membranfraktionen von hCMEC/D3 Zellen mittels Western Blot zeigte, dass N. meningitidis außerdem die Phospho-Aktivierung und Membrantranslokation von SphK1 induzierte. Die Plasmamembrantranslokation von SphK1 erhöht die Wahrscheinlichkeit auf das Substrat Sphingosine zu treffen und verstärkt somit die SphK-Aktivität. Die erhöhte SphK-Aktivität zeigte sich auch auf funktioneller Ebene, wie mittels eines ATP-Verbrauchs-Assays zur Messung der SphK-Aktivität nachgewiesen werden konnte. Die Infektion von hCMEC/D3 Zellen mit Pilus-defizienten Mutanten resultierte in einer geringeren SphK-Aktivierung im Vergleich zum Wildtypstamm. Die Behandlung von hCMEC/D3 Zellen mit Pilus-aufgereinigten Fraktionen zeigte eine SphK-Aktivierung, die mit der Aktivierung durch lebende Bakterien vergleichbar war und der Interaktion des Pilus mit der membranproximalen Domäne des zellulären Oberflächenrezeptors CD147 zugeordnet werden konnte. Die Inhibition von SphK1 und SphK2 durch die Vorbehandlung mit spezifischen Inhibitoren oder RNA-Interferenz reduzierte die Aufnahme von N. meningitidis in hCMEC/D3 Zellen, wie mittels Gentamicin Protection Assay nachgewiesen wurde. Das freigesetzte S1P induzierte die Phospho-Aktivierung des epidermalen Wachstumsfaktorrezeptors (EGFR) durch die Aktivierung von S1PR2, welcher während der Infektion vermehrt exprimiert wurde. Die Blockierung von S1PR2 hatte einen präventiven Effekt auf die bakterielle Invasion in hCMEC/D3 Zellen. Im Gegenzug reduzierte die Aktivierung von S1PR1+3 ebenfalls die bakterielle Aufnahme, was auf eine gegensätzliche regulatorische Rolle von S1PR1+3 und S1PR2 während der Aufnahme von N. meningitidis in hCMEC/D3 Zellen hindeutet. Darüber hinaus verhinderte die Inhibition von SphK2 die Expression von inflammatorischen Cytokinen sowie die Freisetzung von Interleukin-8 nach Infektion mit N. meningitidis. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit die zentrale Rolle von S1P und den zugehörigen Rezeptoren S1PR1-3 in der Pathophysiologie der durch Meningokokken ausgelösten Meningitis.
KW  - Blut-Hirn-Schranke
KW  - Sphingosinkinase
KW  - Sphingolipide
KW  - Bakterielle Infektion
KW  - Sphingosine 1-phosphate
KW  - Sphingosine 1-phosphate receptor
KW  - Epidermal growth factor receptor
KW  - CD147
KW  - S1P
KW  - S1PR
KW  - Meningococci
KW  - Basigin
KW  - EGFR
KW  - Meningitis cerebrospinalis epidemica
KW  - Meningitis, Meningococcal
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-369764
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mathew-Schmitt, Sanjana
T1  - Development of blood-brain barrier spheroid models based on human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) and investigation of shear stress on hiPSC-derived brain capillary endothelial-like cells
T1  - Entwicklung von Sphäroid-Modellen der Blut-Hirn-Schranke basierend auf 
menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) und Untersuchung der Scherbeanspruchung von hiPSC-abgeleiteten Hirnkapillarendothel-ähnlichen Zellen
N2  - A highly regulated microenvironment is essential in maintaining normal functioning of the central nervous system (CNS). The existence of a biological barrier, termed as the blood-brain barrier (BBB), at the blood to brain interface effectively allows for selective passage of substances and pathogens into the brain (Kadry, Noorani et al. 2020). The BBB chiefly serves in protecting the brain from extrinsic toxin entry and pathogen invasions. The BBB is formed mainly by brain capillary endothelial cells (BCECs) which are responsible for excluding ∼ 100% of large-molecule neurotherapeutics and more than 98% of all small-molecule drugs from entry into the brain. Minimal BBB transport of major potential CNS drugs allows for attenuated effective treatments for majority of CNS disorders (Appelt-Menzel, Oerter et al. 2020). Animals are generally used as model systems to study neurotherapeutic delivery into the brain, however due to species based disparity, experimental animal models lead to several false positive or false negative drug efficacy predictions thereby being unable to fully predict effects in humans (Ruck, Bittner et al. 2015). An example being that over the last two decades, much of the studies involving animals lead to high failure rates in drug development with ~ 97% failure in cancers and ~ 99% failure for Alzheimer´s disease (Pound 2020). Widespead failures in clinical trials associated with neurological disorders have resulted in questions on whether existing preclinical animal models are genuinely reflective of the human condition (Bhalerao, Sivandzade et al. 2020). Apart from high failure rates in humans, the costs for animal testings is extremely high. According to the Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD), responsible for determining animal testing guidelines and methodology for government, industry, and independent laboratories the average cost of a single two-generation reproductive animal toxicity study worldwide is 318,295 € and for Europe alone is ~ 285,842 € (Van Norman 2019). Due to these reasons two separate movements exist within the scientific world, one being to improve animal research and the other to promote new approach methodologies with the European government setting 2025 - 2035 as a deadline for gradually disposing the use of animals in pharmaceutical testing (Pound 2020).
The discovery of human induced pluripotent stem cell (hiPSC) technology in 2006 (Takahashi and Yamanaka 2006, Takahashi, Tanabe et al. 2007) revolutionized the field of drug discovery in-vitro. HiPSCs can be differentiated into various tissue types that mimic disease phenotypes, thereby offering the possibility to deliver humanized in-vitro test systems. With respect to the BBB, several strategies to differentiate hiPSCs to BCECs (iBCECs) are reported over the years (Appelt-Menzel, Oerter et al. 2020). However, iBCECs are said to possess an epithelial or undifferentiated phenotype causing incongruity in BBB lineage specifications (Lippmann,
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Azarin et al. 2020). Therefore, in order to identify a reliable differentiation strategy in deriving iBCECs possessing hallmark BBB characteristics, which can be used for downstream applications, the work in this thesis compared two methods, namely the co-differentiation (CD) and the directed differentiation (DD). Briefly, CD mimics a brain like niche environment for iBCEC specification (Lippmann, Al-Ahmad et al. 2014), while DD focuses on induction of the mesoderm followed by iBCEC specification (Qian, Maguire et al. 2017). The results obtained verified that while iBCECs derived via CD, in comparison to human BCEC cell line hCMEC/D3 showed the presence of epithelial transcripts such as E-Cadherin (CDH1), and gene level downregulation of endothelial specific platelet endothelial cell adhesion molecule-1 (PECAM-1) and VE-cadherin (CDH5) but demonstrated higher barrier integrity. The CD strategy essentially presented iBCECs with a mean trans-endothelial electrical resistance (TEER) of ~ 2000 – 2500 Ω*cm2 and low permeability coefficients (PC) of < 0.50 μm/min for small molecule transport of sodium fluorescein (NaF) and characteristic BCEC tight junction (TJ) protein expression of claudin-5 and occludin. Additionally, iBCECs derived via CD did not form tubes in response to angiogenic stimuli. DD on the other hand resulted in iBCECs with similar down regulations in PECAM-1 and CDH5 gene expression. They were additionally characterized by lower barrier integrity, measured by mean TEER of only ~ 250 – 450 Ω*cm2 and high PC of > 5 μm/min in small molecule transport of NaF. Although iBCECs derived via DD formed tubes in response to angiogenic stimuli, they did not show positive protein expression of characteristic BCEC TJs such as claudin-5 and occludin. These results led to the hypothesis that maturity and lineage specification of iBCECs could be improved by incorporating in-vivo like characteristics in-vitro, such as direct co-culture with neurovascular unit (NVU) cell types via spheroid formation and by induction of shear stress and fluid flow. In comparison to standard iBCEC transwell mono-cultures, BBB spheroids showed enhanced transcript expression of PECAM-1 and reduced expression of epithelial markers such as CDH1 and claudin-6 (CLDN6). BBB spheroids showed classical BCEC-like ultrastructure that was identified by TJ particles on the protoplasmic face (P-face) and exoplasmic face (E-face) of the plasma membrane. TJ strands were organized as particles and particle-free grooves on the E-face, while on the P-face, partly beaded particles and partly continuous strands were identified. BBB spheroids also showed positive protein expression of claudin-5, VE-cadherin, PECAM-1, glucose transporter-1 (GLUT-1), P-glycoprotein (P-gp) and transferrin receptor-1 (Tfr-1). BBB spheroids demonstrated higher relative impedance percentages in comparison to spheroids without an iBCEC barrier. Barrier integrity assessments additionally corresponded with lower permeability to small molecule tracer NaF, with spheroids containing iBCECs showing higher relative fluorescence unit percentages (RFU%) of ~ 90% in apical compartments, compared to ~ 80% in spheroids without iBCECs. In summary, direct cellular contacts in the complex spheroid model resulted in enhanced maturation of iBCECs.
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A bioreactor system was used to further assess the effect of shear stress. This system enabled inclusion of fluidic flow and shear stress conditions in addition to non-invasive barrier integrity measurements (Choi, Mathew et al. 2022). iBCECs were cultured for a total of seven days post differentiation (d17) within the bioreactor and barrier integrity was non-invasively monitored. Until d17 of long-term culture, TEER values of iBCECs steadily dropped from ~ 1800 Ω*cm2 ~ 400 Ω*cm2 under static conditions and from ~ 2500 Ω*cm2 to ~ 250 Ω*cm2 under dynamic conditions. Transcriptomic analyses, morphometric analyses and protein marker expression showed enhanced maturation of iBECs under long-term culture and dynamic flow. Importantly, on d10 claudin-5 was expressed mostly in the cytoplasm with only ~ 5% iBCECs showing continuous staining at the cell borders. With increase in culture duration, iBCECs at d17 of static culture showed ~ 18% of cells having continuous cell border expression, while dynamic conditions showed upto ~ 30% of cells with continuous cell-cell border expression patterns. Similarly, ~ 33% of cells showed cell-cell border expression of occludin on d10 with increases to ~ 55% under d17 static and up to ~ 65% under d17 dynamic conditions, thereby indicating iBCEC maturation.
In conclusion, the data presented within this thesis demonstrates the maturation of iBCECs in BBB spheroids, obtained via direct cellular contacts and by the application of flow and shear stress. Both established novel models need to be further validated for pharmaceutical drug applications together with in-vitro-in-vivo correlations in order to exploit their full potential.
N2  - Eine hochregulierte Mikroumgebung ist für die Aufrechterhaltung der normalen Funktion des Zentralen Nervensystems (ZNS) unerlässlich. Das Vorhandensein einer biologischen Barriere, der so genannten Blut-Hirn-Schranke (BHS), als Schnittstelle zwischen Blutkreislauf und Gehirn ermöglicht den selektiven Durchgang von Substanzen und Pathogenen in das Gehirn (Kadry, Noorani et al. 2020). Die BHS dient hauptsächlich dazu, das Gehirn vor dem Eindringen von Toxinen von außen und dem Eindringen von Krankheitserregern zu schützen. Die BHS wird hauptsächlich von Hirnkapillarendothelzellen (engl. brain capillary endothelial cells, BCECs) gebildet, die dafür verantwortlich sind, dass ∼ 100% der großmolekularen Neurotherapeutika und mehr als 98% aller kleinmolekularen Medikamente nicht in das Gehirn gelangen können. Ein eingeschränkter BHS-Transport wichtiger potenzieller Wirkstoffe führt zu einer abgeschwächten Wirksamkeit der Behandlung der meisten ZNS-Erkrankungen (Pardridge 2005). Mäuse, Ratten, Schweine und Rinder werden in der Regel als Modellsysteme verwendet, um die Verabreichung von Neurotherapeutika in das Gehirn zu untersuchen. Aufgrund der Unterschiede zwischen den Spezies führen experimentelle Tiermodelle jedoch vermehrt zu falsch positiven oder falsch negativen Vorhersagen über die Wirksamkeit von Medikamenten, so dass sie nicht in der Lage sind, die Wirkungen beim Menschen vollständig vorherzusagen (Ruck, Bittner et al. 2015). Ein Beispiel dafür ist, dass in den letzten zwei Jahrzehnten ein Großteil der Studien an Tieren zu Misserfolgsraten in der Wirkstoffzulassung geführt hat. Bei einer Fehlerrate von 97% im Zusammenhang mit Krebs und ~99% bei Alzheimer führt dies zum Therapieversagen (Pound 2020). Die weit verbreiteten Misserfolge bei klinischen Versuchen im Zusammenhang mit neurologischen Erkrankungen haben zu der Frage geführt, ob die bestehenden präklinischen Tiermodelle wirklich die Physiologie des Menschen widerspiegeln (Bhalerao, Sivandzade et al. 2020). Abgesehen von den hohen Ausfallraten sind die Kosten für Tierversuche extrem hoch. Nach Angaben der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (engl. Organisation for Economic Co-operation and Development, OECD), welche für die Festlegung von Tierversuchsrichtlinien und -methoden für die Regierung, die Industrie und unabhängige Labore zuständig ist, belaufen sich die durchschnittlichen Kosten für eine einzige Zwei-Generationen-Studie zur Reproduktionstoxizität an Tieren weltweit auf 318.295 € und allein für Europa auf ~ 285.842 € (Van Norman 2019). Aus diesen Gründen gibt es zwei unterschiedliche Bemühungen unter den Wissenschaftlern. Zum einen zur Verbesserung der Tierforschung und zum anderen zur Förderung neuer Methoden gemäß den 3R (eng. replace, reduce, refine), wobei die europäische Regierung die Jahre 2025 bis 2035 als Frist für den schrittweisen Verzicht auf Tierversuche in der Forschung festgelegt hat (Pound 2020). Die
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Entdeckung der humanen induziert pluripotenten Stammzell (hiPSC)-Technologie im Jahr 2006 (Takahashi und Yamanaka 2006, Takahashi, Tanabe et al. 2007) hat den Bereich der Arzneimittelforschung revolutioniert, da hiPSCs in verschiedene Gewebetypen differenziert werden können und damit die Möglichkeit bieten, humanisierte in-vitro-Testsysteme bereitzustellen, die zur Untersuchung verschiedener Krankheiten verwendet werden können.
In Bezug auf die BHS wurde im Laufe der Jahre mehrere Strategien zur Differenzierung von hiPSCs zu BCECs (iBCECs) etabliert (Appelt-Menzel, Oerter et al. 2020), allerdings wird ihnen ein epithelialer Phänotyp nachgesagt, was zu Fragen in der Spezifikation der BBB führt (Lippmann, Azarin et al. 2020). Um eine verlässliche Differenzierungsstrategie für die Gewinnung von iBCECs mit charakteristischen BHS-Merkmalen zu finden, welche für Downstream-Anwendungengenutztwerden können, wurden in dieser Arbeit zwei Methoden verglichen. Die Ko-Differenzierung (engl. co-differentiation, CD) und die gerichtete Differenzierung (engl. directed differentiation, DD). Zusammengefasst simuliert die CD eine ZNS-ähnliche Mikroumgebung für die Spezifikation der iBCECs nach (Lippmann, Al-Ahmad et al. 2014), während sich die DD auf die Induktion des Mesoderms und die anschließende iBCEC-Spezifikation konzentriert (Qian, Maguire et al. 2017). Die erzielten Ergebnisse bestätigten, dass iBCECs, welche mittels CD abgeleitet wurden, im Vergleich zur humanen BCEC-Zelllinie (hCMEC/D3) zwar epitheliale Transkripte wie E-Cadherin (CDH1) besitzen, aber eine Herabregulierung von Thrombozyten-Endothelzell-Adhäsionsmolekül-1 (PECAM-1) und VE-Cadherin (CDH5) aufweisen. Die von CD abgeleiteten iBCECs hatten zudem eine höhere Barriere-Integrität und Funktionalität gezeigt. Im Wesentlichen führte die CD-Strategie zu iBCECs mit einem hohen transendothelialen elektrischen Widerstand (engl. Transendothelialelectrical resistance, TEER) von 2000 - 2500Ω*cm2, einem niedrigen Permeabilitätskoeffizienten (eng. Permeability co-efficient, PC) von < 0,50 μm/min für den Transport kleiner Moleküle wie Natriumfluorescein (NaF) und einer charakteristischen Expression von BCEC-spezifischen Tight Junction (TJ)-Proteinen wie Claudin-5 und Occludin. Außerdem bildeten iBCECs, welche über CD gewonnen wurden, keine Gefäßstrukturen als Reaktion auf angiogene Stimuli. DD hingegen führte zu iBCECs mit einer ähnlichen Herabregulierung der PECAM-1- und CDH5-Genexpression, die zusätzlich durch eine geringere Barriereintegrität, gemessen an einem niedrigen TEER von nur ~ 250 - 450 Ω*cm2 und einem hohen PC von > 5 μm/min, bei dem Transport von NaF gekennzeichnet war. Obwohl die über DD gewonnenen iBCECs in der Lage waren Gefäßnetze auszubilden, zeigten sie keine Expression der charakteristischen BCEC-TJs wie Claudin-5 und Occludin.
Diese Ergebnisse führten zu der Hypothese, die in-vitro Differenzierung und Reifung von iBCECs zu verbessern, indem in-vivo-ähnliche Stimuli in-vitro angewandt werden, wie z. B. die direkte Kokultur mit Zelltypen der neurovaskulären Einheit (NVE) durch Sphäroidbildung und die Induktion von Scherstress in einem dynamischen Flussmodell. Im Vergleich zu iBCEC-
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basierten Transwellmodellen, die zumeist in Monokulturen aufgebaut werden, zeigten die BHS-Sphäroide eine erhöhte Expression von PECAM-1 und eine reduzierte Expression von Epithelmarkern wie E-Cadherin (CDH1) und Claudin-6 (CLDN6). BHS-Sphäroide zeigten eine klassische BCEC-ähnliche Ultrastruktur, die durch TJ-Partikel auf der protoplasmatischen Phase (P-Phase) und der exoplasmatischen Phase (E-Phase) der Plasmamembran gekennzeichnet war. Die TJ-Stränge waren als Partikel und partikelfreie Rillen auf der E-Phase organisiert, während auf der P-Phase teils Partikel und teils kontinuierliche Stränge zu erkennen waren. BHS-Sphäroide zeigten auch eine positive Proteinexpression von Claudin-5, VE-Cadherin, PECAM-1, Glukose-Transporter-1 (GLUT-1), P-Glykoprotein (P-gp) und Transferrin-Rezeptor-1 (Tfr-1). Die BHS-Sphäroide wiesen ebenfalls höhere relative Impedanzwerte im Vergleich zu Sphäroiden ohne iBCEC-Barriere auf. Die Bewertung der Integrität der Barriere korrespondierte zudem mit einer geringeren Permeabilität für den niedermolekularen Tracer NaF, wobei Sphäroide mit iBCECs einen höheren Prozentsatz an relativen Fluoreszenzeinheiten (RFU%) von etwa 90% in den apikalen Kompartimenten aufwiesen, verglichen mit etwa 80% in Sphäroiden ohne iBCECs. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass direkte zelluläre Kontakte im komplexen Sphäroidmodell zu einer verstärkten Reifung von iBCECs führten.
In-vivo ist die BHS Scherbelastungen ausgesetzt, die einen wichtigen und oft vernachlässigten physiologischen Stimulus darstellen (Cucullo, Hossain et al. 2011). Um die Auswirkung von Scherstress auf die Eigenschaften und die Reifung von iBCECs zu messen, wurden diese in einem Bioreaktorsystem kultiviert.(Choi, Mathew et al. 2022). Hier war es möglich, iBCECs für insgesamt sieben Tage nach der Differenzierung (d17) erfolgreich in diesem System zu kultivieren und zusätzlich die Barriereintegrität nicht-invasiv zu überwachen. Bis d17 der Langzeitkultur fielen die TEER-Werte von iBCECs stetig von ~ 1800 Ω*cm2 ~ 400 Ω*cm2 unter statischen Bedingungen bzw. von ~ 2500 Ω*cm2 auf ~ 250 Ω*cm2 unter dynamischen Bedingungen. Zusätzliche Untersuchungen und Vergleiche von iBCECs unter diesen Kulturbedingungen mittels transkriptioneller und morphometrischer Analysen, sowie Expression von Proteinmarkern zeigten, dass iBCECs aufgrund der Langzeitkultur und des dynamischen Flusses eine verstärkte Reifung vorweisen. Wichtig ist, dass Claudin-5 bei d10 hauptsächlich im Zytoplasma exprimiert wurde und nur etwa 5% der iBCECs eine kontinuierliche Färbung an den Zellgrenzen aufwiesen. Mit zunehmender Kulturdauer zeigten iBCECs bei d17 in statischer Kultur ~ 18% der Zellen mit kontinuierlicher Zellrandexpression, während unter dynamischen Bedingungen bis zu ~ 30% der Zellen kontinuierliche Zellrandexpressionsmuster aufwiesen. In ähnlicher Weise zeigten ~ 33% der Zellen eine Zell-Zell-Grenzexpression von Occludin an d10 mit einem Anstieg auf ~ 55% unter d17 statischen und bis zu ~ 65% unter d17 dynamischen Bedingungen, was auf eine iBCEC-Reifung hinweist. Zusammenfassend zeigen die in dieser Arbeit vorgestellten Daten die Reifung von iBCECs in
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BHS Sphäroiden, die durch direkte Zell - Zell Kontakte und in dynamischen Strömungsmodellen durch die Anwendung von Scherspannungen erreicht wird. Beide etablierten neuen Modelle müssen für pharmazeutische Anwendungen zusammen mit In-vitro-in-vivo-Korrelationen weiter validiert werden, um ihr volles Potential zu beweisen.
KW  - Blut-Hirn-Schranke
KW  - Blood-brain barrier
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-322475
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gamboa Vargas, Juan Fernando
T1  - Receptors of the TNFSF in the biology and regulation of Tregs
T1  - Rezeptoren der TNFSF in der Biologie und Regulation von regulatorischen T-Zellen
N2  - In this work we expanded upon a study from our group where a ligand-based TNF-α mutein was developed to engage specifically TNFR2 and not TNFR1 activating Tregs and expanding them, which in an allo-HCT context conferred protection from GvHD. Fusing TNF trimers to the heavy chain of an Fc-dead and mouse irrelevant antibody, a new generation of this agonist was developed called NewSTAR2. It is believed that other members of the TNFSF can also target Tregs, therefore additional agonists against DR3 and GITR were developed under the same principles as for NewSTAR2. Phenotyping analysis of the expression of these three receptors were done to confirm their specificity for Tregs before in vitro and in vivo testings with mice or murine splenic cells. A potent expansion of Tregs was seen with NewSTAR2 and the other agonists as well as upregulation of activation markers on Tregs. Thorough analyses with NewSTAR2-treated mice showed how Tregs in several immune and non-immune organs were expanded and upregulated immunomodulatory receptors. A miniature suppressive assay and other cocultures with responder cells confirmed their enhanced suppression over unstimulated Tregs through contact dependent and independent mechanisms. Despite other myeloid cells also being increased after treatment, no undesired effects were observed under steady-state and prophylactic administration of a single dose of NewSTAR2 improved survival frequencies and lessened development of clinical symptoms. Prophylactic treatment with the other TNFRSF agonists showed similar protection yet Fc(DANA)-muTL1A was superior in in terms of less death events and lower clinical score. It was found that not all the three TNFSF members have redundant functions as development of skin lesions was observed with GITRL-based agonist Fc(DANA)-muGITRL, although its expansion of Tregs in steady-state was remarkable with no apparent adverse effects. Neither agonist had an impact on donor cell engraftment or allorective T cell response, however NewSTAR2-treatmend proved to reduce inflammation in small intestine and liver. This work is proof of concept of the effectivity of selectively engaging TNFSF to activate Tregs and expand them systemically allowing them to control strong and complex immune interactions like those governing GvHD.
N2  - In dieser Arbeit erweiterten wir eine Studie unserer Gruppe, in der ein ligandenbasiertes TNF-α-Mutein entwickelt wurde, um spezifisch TNFR2 und nicht TNFR1 zu aktivieren und Tregs zu erweitern, was in einem allo-HCT-Kontext Schutz vor GvHD verlieh. Durch die Fusion von TNF-Trimeren mit der schweren Kette eines Fc-toten und Maus-irrelevanten Antikörpers wurde eine neue Generation dieses Agonisten namens NewSTAR2 entwickelt. Es wird angenommen, dass andere Mitglieder des TNFSF ebenfalls auf Tregs abzielen können. Daher wurden zusätzliche Agonisten gegen DR3 und GITR nach denselben Prinzipien wie für NewSTAR2 entwickelt. Eine phänotypische Analyse der Expression dieser drei Rezeptoren wurde durchgeführt, um ihre Spezifität für Tregs vor In-vitro- und In-vivo-Tests mit Mäusen oder murinen Milzzellen zu bestätigen. Bei NewSTAR2 und den anderen Agonisten wurde eine starke Expansion der Tregs sowie eine Hochregulierung der Aktivierungsmarker auf Tregs beobachtet. Gründliche Analysen mit NewSTAR2-behandelten Mäusen zeigten, wie Tregs in mehreren Immun- und Nichtimmunorganen erweitert und immunmodulatorische Rezeptoren hochreguliert wurden. Ein Miniatur-Suppressionstest und andere Kokulturen mit Responderzellen bestätigten deren verstärkte Unterdrückung nicht stimulierter Tregs durch kontaktabhängige und unabhängige Mechanismen. Obwohl auch andere myeloische Zellen nach der Behandlung zunahmen, wurden unter der Steady-State- und prophylaktischen Verabreichung einer Einzeldosis NewSTAR2 keine unerwünschten Wirkungen beobachtet, was die Überlebenshäufigkeit verbesserte und die Entwicklung klinischer Symptome verringerte. Die prophylaktische Behandlung mit den anderen TNFRSF-Agonisten zeigte einen ähnlichen Schutz, Fc(DANA)-muTL1A war jedoch in Bezug auf weniger Todesereignisse und einen niedrigeren klinischen Score überlegen. Es wurde festgestellt, dass nicht alle drei TNFSF-Mitglieder über redundante Funktionen verfügen, da die Entwicklung von Hautläsionen mit dem GITRL-basierten Agonisten Fc(DANA)-muGITRL beobachtet wurde, obwohl die Expansion der Tregs im Steady-State bemerkenswert war und keine offensichtlichen nachteiligen Auswirkungen auftrat. Keiner der beiden Agonisten hatte einen Einfluss auf die Transplantation von Spenderzellen oder die allorektive T-Zell-Reaktion, allerdings reduzierte die NewSTAR2-Behandlung nachweislich Entzündungen im Dünndarm und in der Leber. Diese Arbeit ist ein Beweis für die Wirksamkeit der selektiven Aktivierung von TNFSF, um Tregs zu aktivieren und sie systemisch zu erweitern, sodass sie starke und komplexe Immuninteraktionen steuern können, wie sie GvHD steuern.
KW  - Regulatorischer T-Lymphozyt
KW  - Transplantat-Wirt-Reaktion
KW  - Tumor-Nekrose-Faktor
KW  - TNFRSF
KW  - Regulatory T cells
KW  - Graft versus host disease
KW  - Tumornekrosefaktor Rezeptor-Superfamilie
KW  - Regulatorische T-Zellen
KW  - Transplantat-gegen-Wirt-Reaktion
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-369801
ER  -