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A Recombinant Fusion Toxin Based on Enzymatic Inactive C3bot1 Selectively Targets Macrophages
(2013)
Background: The C3bot1 protein (~23 kDa) from Clostridium botulinum ADP-ribosylates and thereby inactivates Rho. C3bot1 is selectively taken up into the cytosol of monocytes/macrophages but not of other cell types such as epithelial cells or fibroblasts. Most likely, the internalization occurs by a specific endocytotic pathway via acidified endosomes.
Methodology/Principal Findings: Here, we tested whether enzymatic inactive C3bot1E174Q serves as a macrophage-selective transport system for delivery of enzymatic active proteins into the cytosol of such cells. Having confirmed that C3bot1E174Q does not induce macrophage activation, we used the actin ADP-ribosylating C2I (~50 kDa) from Clostridium botulinum as a reporter enzyme for C3bot1E174Q-mediated delivery into macrophages. The recombinant C3bot1E174Q-C2I fusion toxin was cloned and expressed as GST-protein in Escherichia coli. Purified C3bot1E174Q-C2I was recognized by antibodies against C2I and C3bot and showed C2I-specific enzyme activity in vitro. When applied to cultured cells C3bot1E174Q-C2I ADP-ribosylated actin in the cytosol of macrophages including J774A.1 and RAW264.7 cell lines as well as primary cultured human macrophages but not of epithelial cells. Together with confocal fluorescence microscopy experiments, the biochemical data indicate the selective uptake of a recombinant C3-fusion toxin into the cytosol of macrophages.
Conclusions/Significance: In summary, we demonstrated that C3bot1E174Q can be used as a delivery system for fast, selective and specific transport of enzymes into the cytosol of living macrophages. Therefore, C3-based fusion toxins can represent valuable molecular tools in experimental macrophage pharmacology and cell biology as well as attractive candidates to develop new therapeutic approaches against macrophage-associated diseases.
Ziel der Arbeit war es, die wissenschaftlichen und technischen Voraussetzungen zu schaffen, um eine effiziente Elektroporation von großen aber auch kleinen Zellzahlen zu erreichen. Ein großer Teil der Arbeit diente der Entwicklung eines neuen Elektroporationsgerätes, des Multiporators. Die synergetischen Effekte dieser Technik tragen dazu bei, dass sehr hohe Ausbeuten bei der Elektrotransfektion von Zellen erzielt werden. Damit konnte zum ersten Mal der Gentransfer durch künstliche Säugerzell-Chromosomen (MACs) nachgewiesen werden. Eine weitere Anwendung der Elektroporation liegt in der Transfektion von primären Zellen. Dabei ist der entscheidende Punkt für eine hohe Transfektionseffizienz der Zellzyklus. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit ein Konzept entwickelt, das als Basis für ein neues Elektroporationssystem benutzt werden kann.
DOT1A-dependent H3K76 methylation is required for replication regulation in Trypanosoma brucei
(2012)
Cell-cycle progression requires careful regulation to ensure accurate propagation of genetic material to the daughter cells. Although many cell-cycle regulators are evolutionarily conserved in the protozoan parasite Trypanosoma brucei, novel regulatory mechanisms seem to have evolved. Here, we analyse the function of the histone methyltransferase DOT1A during cell-cycle progression. Over-expression of DOT1A generates a population of cells with aneuploid nuclei as well as enucleated cells. Detailed analysis shows that DOT1A over-expression causes continuous replication of the nuclear DNA. In contrast, depletion of DOT1A by RNAi abolishes replication but does not prevent karyokinesis. As histone H3K76 methylation has never been associated with replication control in eukaryotes before, we have discovered a novel function of DOT1 enzymes, which might not be unique to trypanosomes.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Einflüsse verschiedener genotoxischer Substanzen auf Säugertierzellen untersucht. Da ein Organismus der Ontogenese unterliegt und sich Zellen aus Stamm- und Vorläuferzellen entwickelt, gilt es diese ursprünglichen Zellen vor äußeren Einflüssen zu schützen. Da bisher kaum Untersuchungen von Zellen in verschiedenen Differenzierungsstadien durchgeführt wurden, wurden unter Verwendung vieler unterschiedlicher biologischer Endpunkte Effekte auf die Vitalität, Proliferation, Mitose und Apoptose dieser Zellen untersucht. Zudem erfolgte eine Interpretation der Ausbildung von Mikrokernen, Entstehung von DNS-Schäden und der zugrundeliegenden Reparaturmechanismen.
So konnte mit Hilfe der Untersuchungen der hämatopoetischen Stammzellen und der TK6-Zellen postuliert werden, dass hämatopoetische Stammzellen weitestgehend weniger empfindlich gegenüber Zytostatika (Doxorubicin, Vinblastin, Methylmethansulfonat und Mitomycin C) sind als die lymphoblastoide Zelllinie TK6, welche in der Entwicklungshierarchie den Stammzellen folgt. Die Befürchtung, dass der Mikrokerntest in immortalisierten TK6-Zellen als Grundlage für Genotoxizitätsuntersuchungen nicht genügen würden, konnte mit Hilfe der Versuchsergebnisse dieser Arbeit widerlegt werden. Die Ergebnisse belegen, dass der Mikrokerntest in TK6-Zellen relevant ist, da TK6-Zellen empfindlicher auf genotoxische Agentien im Vergleich zu hämatopoetischen Stammzellen reagieren.
Bei der Untersuchung der Leukämiezelllinie HL-60 wurden die Effekte klassischer (Vinblastin, Vincristin, Vinflunin und Vinorelbin) mit neu synthetisierten Vinca-Alkaloiden (4-Chlorochablastin, 4-Chlorochacristin, 16a, 17b und 18a) verglichen. Vinca-Alkaloide werden sehr häufig mit Nebenwirkungen, wie Neuropathien assoziiert, welche während einer Chemotherapie oftmals zu Therapieabbrüchen durch die Patienten führen. Aus diesem Grund war es erstrebenswert, neuartige Vinca-Alkaloide zu entwickeln, welche weniger Nebenwirkungen aber zugleich eine ähnliche Wirksamkeit aufweisen. Obwohl die Potenz der neuen Substanzen niedriger war als bei Vinblastin, Vincristin und Vinorelbin, zeigte ein Teil eine ähnliche Wirkung wie das Vinca-Alkaloid Vinflunin auf die Krebszelllinie HL-60 auf. Die Ergebnisse diese Arbeit können als erste Indikation in vitro genommen werden, dass sich diese Substanzen in der Krebstherapie als wirksam erweisen könnten und nach weiteren Ergebnissen in vivo als therapeutische Alternativen in Betracht gezogen werden.
Auch bei der vergleichenden Untersuchung von exponentiell wachsenden mit differenzierten Zelllinien konnten Unterschiede detektiert werden. Die Zelllinie HT-22, welche selbst keine Krebszelllinie ist, zeigte nach Differenzierung zu nicht exponentiell wachsenden Zellen eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber dem Alkylanz Methylmethansulfonat, was auf einer verminderten Basenexzisionsreparatur beruhen könnte. Auch die differenzierte Form der Adenokarzinom-Zelllinie CaCo2 zeigte eine gesteigerte Sensitivität gegenüber dem Topoisomerase II-Inhibitor Etoposid auf, wohingegen der unselektive Topoisomerase II-Hemmer Doxorubicin keinen Effekt aufwies. Um den Sachverhalt zu klären ob die festgestellten Unterschiede auf das Enzym Topoisomerase II zurückzuführen oder zellartspezifisch waren, wurden weitere Analysen der Zelllinien HL-60 und deren differenzierten Zellart durchgeführt. Auch hier konnten signifikante Unterschiede bei der Einzelzellgelelektrophorese nach Behandlung mit Doxorubicin und Etoposid festgestellt werden. Neben den in dieser Arbeit nachgewiesenen Unterschieden bei der Reparatur zwischen den Zelltypen, könnten aber auch weitere Faktoren zu Varianzen führen und die Mutagenitätsforschung beeinflussen. Folglich ist davon auszugehen, dass zukünftige Testungen bei der pharmakologischen Substanzentwicklung in verschiedenen Zellsystemen von Nöten sind, bevor neue Substanzen zugelassen werden.
Alles in allem konnte die Komplexität der Ergebnisse zwischen Zellen der verschiedenen Differenzierungsstadien in dieser Arbeit aufgezeigt werden. Deswegen sollte auch bei weiteren Forschungsvorhaben insbesondere ein Augenmerk auf den Differenzierungszustand der zu untersuchenden Zellpopulation geworfen werden.