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- Department of Biomedical Imaging, National Cerebral and Cardiovascular Research Center, Suita, Japan (2)
- Division of Medical Technology and Science, Department of Medical Physics and Engineering, Course of Health Science, Osaka University Graduate School of Medicine, Suita Japan (2)
- Institut for Molecular Biology and CMBI, Department of Genomics, Stem Cell Biology and Regenerative Medicine, Leopold-Franzens-University Innsbruck, Innsbruck, Austria (2)
- Johns Hopkins School of Medicine, The Russell H Morgan Department of Radiology and Radiological Science, Baltimore, MD, USA (2)
- Naturalis Biodiversity Centre (2)
- Johns Hopkins School of Medicine (1)
- Johns Hopkins School of Medicine, Baltimore, MD, U.S. (1)
Carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule 1 (CEACAM1) ist ein multifunktionales Zell-Zell Adhäsionsprotein, das in eine Vielzahl an zellulären Prozessen involviert ist, wie zum Beispiel der Differenzierung von Geweben, der Tumorsuppression, Metastasierung, Angiogenese und Apoptose. Außerdem hat es modulierende Eigenschaften auf die angeborene und erworbene Immunantwort. In der vorliegenden Arbeit charakterisierte ich initial die Lokalisation und die CEACAM1-exprimierenden Zelltypen im Auge und bestimmte quantitativ die Expression von Ceacam1 in der Retina und Choroidea zu unterschiedlichen Zeitpunkten.
Es zeigte sich hierbei, dass Ceacam1 zu allen untersuchten Zeitpunkten, sowohl während der Entwicklung als auch im adulten retinalen und choroidalen Gewebe nachweisbar war. Mittels Immunhistochemie konnte die Expression von CEACAM1 im Corneaepithel, den Gefäßen der Iris und des Ziliarkörpers, im nicht-pigmentierten Epithel des Ziliarkörpers, sowie in den retinalen und choroidalen Gefäßen nachgewiesen werden. Durch Doppelfärbung mit Kollagen IV konnte die endotheliale Expression von CEACAM1 in den Endothelzellen der Gefäße bestätigt werden.
Im zweiten Teil meiner Arbeit untersuchte ich die Funktion von CEACAM1 im Auge und verglich dazu wildtypische Retinae mit Cc1-/--Retinae. Es zeigten sich keine offensichtlichen morphologischen Veränderungen der retinalen Schichten und die anschließend durchgeführten morphometrischen Analysen der Schichtdicken der retinalen Neurone zeigte keine Anzeichen einer Neurodegeneration. Allerdings waren in Cc1-/--Retinae kleine Zysten und IBA1 positive, phagozytisch aktive Zellen im subneuroretinalen Raum, also dem Bereich zwischen RPE und den Außensegmenten der Photorezeptoren zu erkennen. Die anschließend durchgeführten Expressionsanalysen immunmodulierender Faktoren und von Mitgliedern des TGF-β-Signalwegs in retinalen und choroidealen Proben wildtypischer und Cc1-/--Mäusen zeigten keine veränderte Expression für Iba1, Ccl2 sowie Tnf-α. Jedoch konnten signifikant erhöhte Werte für TGF-β1 in der Gruppe der 2-4 als auch der Gruppe der 9 Monate alten Cc1-/--Retinae im Vergleich zu wildtypischen Retinae nachgewiesen werden. Basierend auf den Daten der vorliegenden Arbeit kann geschlussfolgert werden, dass die Deletion von CEACAM1 unter physiologischen Bedingungen die Struktur der Retina und Choroidea nicht offensichtlich beeinflusst. Allerdings führt die Deletion zu erhöhten Tgfβ1 Spiegeln in der Retina und zur Aktivierung und Akkumulation von IBA1 positiven Zellen im subneuroretinalen Raum.
Die Blut-Hirn-Schranke reguliert den Transport von Molekülen aus dem Blut in das Gehirn und aus dem Hirngewebe in das Blut. Die Grundlage dieser für den Erhalt der Homöostase im Gehirn wichtigen Schranke bilden zwischen Endothelzellen der Gehirnkapillaren (BCECs) entwickelte, besonders dichte Zonulae Occludentes (Tight Junctions). Viele Krankheiten, zum Beispiel die Multiple Sklerose, gehen mit einer Dysfunktion der BBB einher, die molekularen Grundlagen verschiedener Störungen und damit die Therapiemöglichkeiten sind bisher jedoch oftmals noch unbekannt. Ein grundlegendes Problem der Forschung an der BBB war bislang das Fehlen eines geeigneten immortalisierten in vitro-Modelles zum Verständnis der Differenzierung und Regulierung der Schrankenfunktion. Es gelang nun erstmals, aus murinen BCECs ein solches in vitro-Modell der BBB zu entwickeln, welches wichtige Charakteristika der BBB in vivo aufweist. Zu den Eigenschaften der BBB in vivo zählen allgemein ein hoher transendothelialer elektrischer Widerstand (TER) von bis zu 2000  x cm², die Expression der TJ-Proteine Occludin, Claudin-1, Claudin-3 und Claudin-5 sowie eine geringe Rate transzellulärer Transportvorgänge. Die Entwicklung einer immortalisierten Zelllinie als in vitro-Modell der BBB beinhaltete das Bereitstellen einer möglichst natürlichen Umgebung für die Endothelzellen. Durch Zugabe von Wachstums- und Differenzierungsfaktoren sowie Serumreduktion im Differenzierungsmedium konnte eine dichte Schrankenfunktion induziert werden, welche sich anhand von TER-Messungen nachweisen ließ. Mittels immuncytochemischen und molekularbiologischen Methoden wurde außerdem die Expression verschiedener TJ-Proteine in den immortalisierten BCECs gezeigt. Die Permeabilität der BBB wird durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst. So war zu erkennen, dass Glucocorticoide und Insulin die Barrierenfunktion der BBB induzieren und die Zugabe dieser Faktoren die in vitro-Kultivierung von BCECs ermöglicht, ohne dass diese dabei für die BBB in vivo wesentliche Charakteristika verlieren. Diese Ergebnisse stimmen überein mit anderen Studien, denenzufolge für die Induktion und Aufrechterhaltung komplexer Tight Junctions bei kultivierten Endothelzellen Glucocorticoide förderlich sind. Auch klinisch wird dieser Einfluss von Glucocorticoiden bereits genutzt: so konnten im Falle der Multiplen Sklerose Therapieerfolge durch die Gabe von Corticosteroiden erzielt werden.
Eine familiäre Myopathie und Kardiomyopathie, der eine Missense-Mutation des alpha-B-Crystallin-Gens zugrunde liegt, weist auf eine wichtige Bedeutung des Stressproteins alpha-B-Crystallin im Herzen hin. Die chaperone-ähnlichen Eigenschaften von alpha-B-Crystallin und die unter kardialer Ischämie zu beobachtende schnelle Translokation vom Zytosol an das elastische Titin-Filamentsystem lassen eine protektive Rolle von alpha-B-Crystallin unter Stressbedingungen vermuten. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, eine eventuelle kardioprotektive Funktion von alphaB-Crystallin durch die Charakterisierung alpha-B-Crystallin gendeletierter Mäuse nachzuweisen. Wir etablierten hierfür ein Versuchssystem zur Untersuchung der Kontraktilität isolierter Papillarmuskeln im Organbad. Im Rahmen des Aufbaus unseres Versuchssystems untersuchten wir zunächst den Einfluss der Ca2+-Konzentration, der Temperatur und der Kontraktionsbedingungen (Auxotonie vs. Isometrie) auf die Kraft-Frequenz-Beziehung von murinem Myokard. Wir konnten zeigen, dass die Kraft-Frequenz-Beziehung von Myokardpräparaten der Maus von den genannten Versuchsbedingungen abhängig ist. Bei niedrigen Ca2+-Konzentrationen und Temperaturen ([Ca2+] = 1,0 mM, Temp. = 27 °C) ist sie positiv, flacht bei zunehmender Ca2+-Konzentration und Temperatur ab und ist für [Ca2+] = 5,0 mM, Temp. = 37 °C negativ. Auxotone Kontraktionsbedingungen führen im Vergleich zu isometrischen bei gleichen Ca2+-Konzentrationen und Temperaturen zu einem flacheren Verlauf der Kraft-Frequenz-Beziehung. Unter annähernd physiologischen Bedingungen verläuft die Kraft-Frequenz-Beziehung des Mäuse-Myokards flach bis leicht positiv. Im Gegensatz zum Menschen scheinen somit bei der Maus für eine Steigerung des Herz-Zeit-Volumens andere Mechanismen als eine positive Kraft-Frequenz-Beziehung von Bedeutung zu sein. Hierbei ist insbesondere der Frank-Starling-Mechanismus und die sympathoadrenerge Innervation des Herzens zu erwähnen. Zur Charakterisierung der kardialen Funktion von alphaB-Crystallin untersuchten wir die Kontraktilität isolierter Papillarmuskeln von Wildtyp- und alpha-B-Crystallin gendeletierten Mäusen unter simulierter Ischämie (Glucose- und Sauerstoffentzug) und Reperfusion im Organbad. Unter Kontrollbedingungen zeigten sich zwischen wt- und alpha-B-/- Muskeln keine Unterschiede in der Zuckungskraft, der Geschwindigkeit der Kraftentwicklung und der Relaxationszeit. Die während der 20-minütigen simulierten Ischämie entwickelte Kontraktur setzte jedoch bei den alpha-B-/- Muskeln signifikant früher ein und verlief signifikant stärker als bei wt-Muskeln. Nach einer 60-minütigen Reperfusionsphase blieb die Kontraktur der alpha-B-/- Muskeln im Vergleich zu wt-Muskeln signifikant erhöht. Bezüglich Zuckungskraft, Geschwindigkeit der Kraftentwicklung und Relaxationszeit zeigten sich weder während noch nach simulierter Ischämie deutliche Unterschiede zwischen den Muskeln beider Mäusestämme. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass das Fehlen von alpha-B-Crystallin am Gesamtherz nicht zu einer Störung der systolischen Herzfunktion, sondern zu einer eingeschränkten myokardialen Relaxationsfähigkeit unter Ischämie und Reperfusion führen würde. Da alpha-B-Crystallin unter kardialer Ischämie an das elastische Titin-Filamentsystem bindet, könnten die elastischen Eigenschaften des Myokards unter Ischämie durch einen Mangel an alpha-B-Crystallin derart beeinträchtigt werden, dass es zu einer höheren Rigidität der Muskulatur kommt. Eine Funktion von alpha-B-Crystallin im Herzen ist somit möglicherweise die Aufrechterhaltung der elastischen Eigenschaften des Myokards unter kardialer Ischämie und Reperfusion.
Prolongierte Ischämieperioden des Herzens führen zu struktureller Schädigung der Kardiomyozyten, d.h. einer Desorganisation und Zerstörung des kontraktilen und plasmalemmalen Zytoskeletts, welche sich final durch Verlust an Kontraktilität und Ruptur der Plasmamembran manifestieren. Stressproteine können an die Komponenten des Zytoskelettes binden und durch Konformationsschutz der ischämischen Schädigung entgegenwirken. In vorangegangenen Untersuchungen wurde gezeigt, dass es unter Ischämie zu einer Translokation des konstitutiv in hoher Konzentration vorkommenden kardialen Stressproteins aB-Crystallin vom Zytosol an die Myofibrillen kommt. Dabei führen bereits kurzdauernde Ischämieperioden zu einer kompletten Umverteilung von aB-Crystallin in die Z/I-Region des Sarkomers. Es war das Ziel dieser Arbeit, diese Bindung von aB-Crystallin an Strukturproteine im Z/I-Banden Bereich näher zu charakterisieren und aB-Crystallin ultrastrukturell zu lokalisieren. Durch Immunogoldmarkierung konnte aB-Crystallin ultrastrukturell im Herzen unter globaler Ischämie in einer Linie parallel zur Z-Scheibe etwa in der Mitte der halben I-Bande lokalisiert werden. Diese Zone entspricht dem Bereich, der als N-Linie bezeichnet wird. In der Frage der in vivo-Bindungspartner von aB-Crystallin waren daher in erster Linie Komponenten der I-Bande, d.h. Aktin und Titin in Betracht zu ziehen. Z-Scheiben Proteine wie a-Actinin treten dagegen in den Hintergrund. Um Anhaltspunkte über die Bindungsstärke des Stressproteins aB-Crystallin an kardiale Myofibrillen unter Ischämie zu erhalten, wurden ischämische Myofibrillen aus dem Rattenherz mit hochmolaren Salzlösungen und chaotropen Substanzen behandelt. Dabei konnte eine sehr hohe Bindungsaffinität von aB-Crystallin an die Myofibrillen festgestellt werden. Die myofibrilläre Bindung zeigte sich resistent gegenüber 1M KCl, 1M NaSCN und 2M Harnstoff, erst 2M NaSCN und 4M Harnstoff, die eine Zerstörung der myofibrillären Integrität bewirken, vermögen die aB-Crystallin-Bindung zu lösen. Aktin dagegen ließ sich bereits durch 0,5M NaSCN-Lösung von den Myofibrillen extrahieren, Bedingungen, unter denen aB-Crystallin noch fest an die Myofibrillen gebunden blieb. Aktin scheidet somit als in vivo-Bindungspartner von aB-Crystallin aus. Dieses Ergebnis immunhistochemischer Untersuchungen konnte auch mit biochemischer Methodik (Immunreplikanalyse) verifiziert werden. Titin zeigte sich wie aB-Crystallin resistent gegenüber den meisten der oben aufgeführten Salzlösungen. Eine deutliche Extraktion von Titin aus den Myofibrillen konnte erst durch Behandlung mit 2M NaSCN sowie 4M Harnstofflösung beobachtet werden, das Extraktionsverhalten entsprach somit dem von aB-Crystallin. Einen Hinweis auf eine Assoziation von aB-Crystallin mit Titin lieferte der Nachweis von aB-Crystallin in isolierten Titinfraktionen aus ischämischen Herzen. Der direkte Beweis für eine aB-Crystallin-Titin-Interaktion konnte im Rahmen dieser Arbeit jedoch nicht erbracht werden. Bindungsstudien, die zwischen ausgewählten nativen, in vitro translatierten Titindomänen und aus der Linse isoliertem aB-Crystallin durchgeführt wurden, waren negativ. Dies ist möglicherweise dadurch bedingt, dass aB-Crystallin erst unter Ischämie mit Titin interagiert und in vitro Kofaktoren benötigt werden. Durch eine Bindung an I-Banden Abschnitte des Titinmoleküls könnte aB-Crystallin eine kardioprotektive Funktion erfüllen, indem es unter Ischämie stabilisierend auf das Filamentsystem einwirkt.
Most humans become infected with human cytomegalovirus (HCMV). Typically, the immune system controls the infection, but the virus persists and can reactivate in states of immunodeficiency. While substantial information is available on the contribution of CD8 T cells and antibodies to anti-HCMV immunity, studies of the T\(_{H}\)1, T\(_{H}\)2, and T\(_{H}\)17 subsets have been limited by the low frequency of HCMV-specific CD4 T cells in peripheral blood mononuclear cell (PBMC). Using the enzyme-linked Immunospot\(^{®}\) assay (ELISPOT) that excels in low frequency measurements, we have established these in a sizable cohort of healthy HCMV controllers. Cytokine recall responses were seen in all seropositive donors. Specifically, interferon (IFN)-\({\gamma}\) and/or interleukin (IL)-17 were seen in isolation or with IL-4 in all test subjects. IL-4 recall did not occur in isolation. While the ratios of T\(_{H}\)1, T\(_{H}\)2, and T\(_{H}\)17 cells exhibited substantial variations between different individuals these ratios and the frequencies were relatively stable when tested in samples drawn up to five years apart. IFN-\({\gamma}\) and IL-2 co-expressing polyfunctional cells were seen in most subjects. Around half of the HCMV-specific CD4 cells were in a reversible state of exhaustion. The data provided here established the T\(_{H}\)1, T\(_{H}\)2, and T\(_{H}\)17 characteristic of the CD4 cells that convey immune protection for successful immune surveillance against which reactivity can be compared when the immune surveillance of HCMV fails.
BACKGROUND:
Oct4 is a transcription factor that plays a major role for the preservation of the pluripotent state in embryonic stem cells as well as for efficient reprogramming of somatic cells to induced pluripotent stem cells (iPSC) or other progenitors. Protein-based reprogramming methods mainly rely on the addition of a fused cell penetrating peptide. This study describes that Oct4 inherently carries a protein transduction domain, which can translocate into human and mouse cells.
RESULTS:
A 16 amino acid peptide representing the third helix of the human Oct4 homeodomain, referred to as Oct4 protein transduction domain (Oct4-PTD), can internalize in mammalian cells upon conjugation to a fluorescence moiety thereby acting as a cell penetrating peptide (CPP). The cellular distribution of Oct4-PTD shows diffuse cytosolic and nuclear staining, whereas penetratin is strictly localized to a punctuate pattern in the cytoplasm. By using a Cre/loxP-based reporter system, we show that this peptide also drives translocation of a functionally active Oct4-PTD-Cre-fusion protein. We further provide evidence for translocation of full length Oct4 into human and mouse cell lines without the addition of any kind of cationic fusion tag. Finally, physico-chemical properties of the novel CPP are characterized, showing that in contrast to penetratin a helical structure of Oct4-PTD is only observed if the FITC label is present on the N-terminus of the peptide.
CONCLUSIONS:
Oct4 is a key transcription factor in stem cell research and cellular reprogramming. Since it has been shown that recombinant Oct4 fused to a cationic fusion tag can drive generation of iPSCs, our finding might contribute to further development of protein-based methods to generate iPSCs. Moreover, our data support the idea that transcription factors might be part of an alternative paracrine signalling pathway, where the proteins are transferred to neighbouring cells thereby actively changing the behaviour of the recipient cell.
Cell-permeant recombinant Nanog protein promotes pluripotency by inhibiting endodermal specification
(2014)
A comprehensive understanding of the functional network of transcription factors establishing and maintaining pluripotency is key for the development of biomedical applications of stem cells. Nanog plays an important role in early development and is essential to induce natural pluripotency in embryonic stem cells (ESCs). Inducible gain-of-function systems allowing a precise control over time and dosage of Nanog activity would be highly desirable to study its vital role in the establishment and maintenance of pluripotency at molecular level. Here we engineered a recombinant cell permeable version of Nanog by fusing it with the cell penetrating peptide TAT. Nanog-TAT can be readily expressed in and purified from E. coli and binds to a consensus Nanog DNA sequence. At cellular level it enhances proliferation and self-renewal of ESCs in the absence of leukemia inhibitory factor (LIF). Nanog-TAT together with LIF acts synergistically as judged by enhanced clonogenicity and activation of an Oct4-promoter-driven GFP reporter gene. Furthermore Nanog-TAT, in the absence of LIF, promotes pluripotency by inhibiting endodermal specification in a Stat3-independent manner. Our results demonstrate that Nanog protein transduction is an attractive tool allowing control over dose and time of addition to the cells for studying the molecular control of pluripotency without genetic manipulation.
B cell aggregates in the central nervous system (CNS) have been associated with rapid disease progression in patients with multiple sclerosis (MS). Here we demonstrate a key role of carcinoembryogenic antigen-related cell adhesion molecule1 (CEACAM1) in B cell aggregate formation in MS patients and a B cell-dependent mouse model of MS. CEACAM1 expression was increased on peripheral blood B cells and CEACAM1\(^+\) B cells were present in brain infiltrates of MS patients. Administration of the anti-CEACAM1 antibody T84.1 was efficient in blocking aggregation of B cells derived from MS patients. Along these lines, application of the monoclonal anti-CEACAM1 antibody mCC1 was able to inhibit CNS B cell aggregate formation and significantly attenuated established MS-like disease in mice in the absence of any adverse effects. CEACAM1 was co-expressed with the regulator molecule T cell immunoglobulin and mucin domain −3 (TIM-3) on B cells, a novel molecule that has recently been described to induce anergy in T cells. Interestingly, elevated coexpression on B cells coincided with an autoreactive T helper cell phenotype in MS patients. Overall, these data identify CEACAM1 as a clinically highly interesting target in MS pathogenesis and open new therapeutic avenues for the treatment of the disease.
Introduction
B cells are attracting increasing attention in the pathogenesis of multiple sclerosis (MS). B cell-targeted therapies with monoclonal antibodies or plasmapheresis have been shown to be successful in a subset of patients. Here, patients with either relapsing-remitting (n = 24) or secondary progressive (n = 6) MS presenting with an acute clinical relapse were screened for their B cell reactivity to brain antigens and were re-tested three to nine months later. Enzyme-linked immunospot technique (ELISPOT) was used to identify brain-reactive B cells in peripheral blood mononuclear cells (PBMC) directly ex vivo and after 96 h of polyclonal stimulation. Clinical severity of symptoms was determined using the Expanded Disability Status Scale (EDSS).
Results
Nine patients displayed B cells in the blood producing brain-specific antibodies directly ex vivo. Six patients were classified as B cell positive donors only after polyclonal B cell stimulation. In 15 patients a B cell response to brain antigens was absent. Based on the autoreactive B cell response we categorized MS relapses into three different patterns. Patients who displayed brain-reactive B cell responses both directly ex vivo and after polyclonal stimulation (pattern I) were significantly younger than patients in whom only memory B cell responses were detectable or entirely absent (patterns II and III; p = 0.003). In one patient a conversion to a positive B cell response as measured directly ex vivo and subsequently also after polyclonal stimulation was associated with the development of a clinical relapse. The evaluation of the predictive value of a brain antigen-specific B cell response showed that seven of eight patients (87.5%) with a pattern I response encountered a clinical relapse during the observation period of 10 months, compared to two of five patients (40%) with a pattern II and three of 14 patients (21.4%) with a pattern III response (p = 0.0005; hazard ratio 6.08 (95% confidence interval 1.87-19.77).
Conclusions
Our data indicate actively ongoing B cell-mediated immunity against brain antigens in a subset of MS patients that may be causative of clinical relapses and provide new diagnostic and therapeutic options for a subset of patients.