Lehrstuhl für Biochemie
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Virotherapy using oncolytic vaccinia virus strains is one of the most promising new strategies for cancer therapy. In this study, we analyzed for the first time the therapeutic efficacy of the oncolytic vaccinia virus GLV-1h68 in two human hepatocellular carcinoma cell lines HuH7 and PLC/PRF/5 (PLC) in cell culture and in tumor xenograft models. By viral proliferation assays and cell survival tests, we demonstrated that GLV-1h68 efficiently colonized, replicated in, and did lyse these cancer cells in culture. Experiments with HuH7 and PLC xenografts have revealed that a single intravenous injection (i.v.) of mice with GLV-1h68 resulted in a significant reduction of primary tumor sizes compared to uninjected controls. In addition, replication of GLV-1h68 in tumor cells led to strong inflammatory and oncolytic effects resulting in intense infiltration of MHC class II-positive cells like neutrophils, macrophages, B cells and dendritic cells and in up-regulation of 13 pro-inflammatory cytokines. Furthermore, GLV-1h68 infection of PLC tumors inhibited the formation of hemorrhagic structures which occur naturally in PLC tumors. Interestingly, we found a strongly reduced vascular density in infected PLC tumors only, but not in the non-hemorrhagic HuH7 tumor model. These data demonstrate that the GLV-1h68 vaccinia virus may have an enormous potential for treatment of human hepatocellular carcinoma in man.
Background:
Over 90% of low risk (LR) neuroblastoma patients survive whereas less than 30% of high risk (HR) patients are long term survivors. Age (children younger than 18 months old) is associated with LR disease. Considering that adaptive immune system is well developed in older children, and that T cells were shown to be involved in tumor escape and progression of cancers, we sought to determine whether HR patients may tend to show a signature of adaptive immune responses compared to LR patients who tend to have diminished T-cell responses but an intact innate immune response.
Methods:
We performed microarray analysis of RNA extracted from the tumor specimens of HR and LR patients. Flow cytometry was performed to determine the cellular constituents in the blood while multiplex cytokine array was used to detect the cytokine profile in patients' sera. A HR tumor cell line, SK-N-SH, was also used for detecting the response to IL-1 beta, a cytokines which is involved in the innate immune responses.
Results:
Distinct patterns of gene expression were detected in HR and LR patients indicating an active T-cell response and a diminished adaptive immune response, respectively. A diminished adaptive immune response in LR patients was evident by higher levels of IL-10 in the sera. In addition, HR patients had lower levels of circulating myeloid derived suppressor cells (MDSC) compared with a control LR patient. LR patients showed slightly higher levels of cytokines of the innate immune responses. Treatment of the HR tumor line with IL-1b induced expression of cytokines of the innate immune responses.
Conclusions:
This data suggests that adaptive immune responses may play an important role in the progression of HR disease whereas innate immune responses may be active in LR patients.
Background:
The SWI/SNF chromatin remodeling factors have the ability to remodel nucleosomes and play essential roles in key developmental processes. SWI/SNF complexes contain one subunit with ATPase activity, which in Drosophila melanogaster is called Brahma (Brm). The regulatory activities of SWI/SNF have been attributed to its influence on chromatin structure and transcription regulation, but recent observations have revealed that the levels of Brm affect the relative abundances of transcripts that are formed by alternative splicing and/or polyadenylation of the same pre-mRNA.
Results:
We have investigated whether the function of Brm in pre-mRNA processing in Drosophila melanogaster is mediated by Brm alone or by the SWI/SNF complex. We have analyzed the effects of depleting individual SWI/SNF subunits on pre-mRNA processing throughout the genome, and we have identified a subset of transcripts that are affected by depletion of the SWI/SNF core subunits Brm, Snr1 or Mor. The fact that depletion of different subunits targets a subset of common transcripts suggests that the SWI/SNF complex is responsible for the effects observed on pre-mRNA processing when knocking down Brm. We have also depleted Brm in larvae and we have shown that the levels of SWI/SNF affect the pre-mRNA processing outcome in vivo.
Conclusions:
We have shown that SWI/SNF can modulate alternative pre-mRNA processing, not only in cultured cells but also in vivo. The effect is restricted to and specific for a subset of transcripts. Our results provide novel insights into the mechanisms by which SWI/SNF regulates transcript diversity and proteomic diversity in higher eukaryotes.
Background:
Oncolytic viral therapy represents an alternative therapeutic strategy for the treatment of cancer. We previously described GLV-1h68, a modified Vaccinia Virus with exclusive tropism for tumor cells, and we observed a cell line-specific relationship between the ability of GLV-1h68 to replicate in vitro and its ability to colonize and eliminate tumor in vivo.
Methods:
In the current study we surveyed the in vitro permissivity to GLV-1h68 replication of the NCI-60 panel of cell lines. Selected cell lines were also tested for permissivity to another Vaccinia Virus and a vesicular stomatitis virus (VSV) strain. In order to identify correlates of permissity to viral infection, we measured transcriptional profiles of the cell lines prior infection.
Results:
We observed highly heterogeneous permissivity to VACV infection amongst the cell lines. The heterogeneity of permissivity was independent of tissue with the exception of B cell derivation. Cell lines were also tested for permissivity to another Vaccinia Virus and a vesicular stomatitis virus (VSV) strain and a significant correlation was found suggesting a common permissive phenotype. While no clear transcriptional pattern could be identified as predictor of permissivity to infection, some associations were observed suggesting multifactorial basis permissivity to viral infection.
Conclusions:
Our findings have implications for the design of oncolytic therapies for cancer and offer insights into the nature of permissivity of tumor cells to viral infection.
Background:
Retinitis pigmentosa (RP) is an inherited eye disease characterized by the progressive degeneration of rod photoreceptor cells. Mutations in pre-mRNA splicing factors including PRPF31 have been identified as cause for RP, raising the question how mutations in general factors lead to tissue specific defects.
Results:
We have recently shown that the zebrafish serves as an excellent model allowing the recapitulation of key events of RP. Here we use this model to investigate two pathogenic mutations in PRPF31, SP117 and AD5, causing the autosomal dominant form of RP. We show that SP117 leads to an unstable protein that is mislocalized to the rod cytoplasm. Importantly, its overexpression does not result in photoreceptor degeneration suggesting haploinsufficiency as the underlying cause in human RP patients carrying SP117. In contrast, overexpression of AD5 results in embryonic lethality, which can be rescued by wild-type Prpf31. Transgenic retina-specific expression of AD5 reveals that stable AD5 protein is initially localized in the nucleus but later found in the cytoplasm concurrent with progressing rod outer segment degeneration and apoptosis. Importantly, we show for the first time in vivo that retinal transcripts are wrongly spliced in adult transgenic retinas expressing AD5 and exhibiting increased apoptosis in rod photoreceptors.
Conclusion:
Our data suggest that distinct mutations in Prpf31 can lead to photoreceptor degeneration through different mechanisms, by haploinsufficiency or dominant-negative effects. Analyzing the AD5 effects in our animal model in vivo, our data imply that aberrant splicing of distinct retinal transcripts contributes to the observed retina defects.
Background:
Recent studies have shown that human ferritin can be used as a reporter of gene expression for magnetic resonance imaging (MRI). Bacteria also encode three classes of ferritin-type molecules with iron accumulation properties.
Methods and Findings:
Here, we investigated whether these bacterial ferritins can also be used as MRI reporter genes and which of the bacterial ferritins is the most suitable reporter. Bacterial ferritins were overexpressed in probiotic E. coli Nissle 1917. Cultures of these bacteria were analyzed and those generating highest MRI contrast were further investigated in tumor bearing mice. Among members of three classes of bacterial ferritin tested, bacterioferritin showed the most promise as a reporter gene. Although all three proteins accumulated similar amounts of iron when overexpressed individually, bacterioferritin showed the highest contrast change. By site-directed mutagenesis we also show that the heme iron, a unique part of the bacterioferritin molecule, is not critical for MRI contrast change. Tumor-specific induction of bacterioferritin-expression in colonized tumors resulted in contrast changes within the bacteria-colonized tumors.
Conclusions:
Our data suggest that colonization and gene expression by live vectors expressing bacterioferritin can be monitored by MRI due to contrast changes.
Introduction:
Oncolytic viruses show promise for treating cancer. However, to assess therapeutic efficacy and potential toxicity, a noninvasive imaging modality is needed. This study aimed to determine if insertion of the human sodium iodide symporter (hNIS) cDNA as a marker for non-invasive imaging of virotherapy alters the replication and oncolytic capability of a novel vaccinia virus, GLV-1h153.
Methods:
GLV-1h153 was modified from parental vaccinia virus GLV-1h68 to carry hNIS via homologous recombination. GLV-1h153 was tested against human pancreatic cancer cell line PANC-1 for replication via viral plaque assays and flow cytometry. Expression and transportation of hNIS in infected cells was evaluated using Westernblot and immunofluorescence. Intracellular uptake of radioiodide was assessed using radiouptake assays. Viral cytotoxicity and tumor regression of treated PANC-1tumor xenografts in nude mice was also determined. Finally, tumor radiouptake in xenografts was assessed via positron emission tomography (PET) utilizing carrier-free (124)I radiotracer.
Results:
GLV-1h153 infected, replicated within, and killed PANC-1 cells as efficiently as GLV-1h68. GLV-1h153 provided dose-dependent levels of hNIS expression in infected cells. Immunofluorescence detected transport of the protein to the cell membrane prior to cell lysis, enhancing hNIS-specific radiouptake (P < 0.001). In vivo, GLV-1h153 was as safe and effective as GLV-1h68 in regressing pancreatic cancer xenografts (P < 0.001). Finally, intratumoral injection of GLV-1h153 facilitated imaging of virus replication in tumors via (124)I-PET.
Conclusion:
Insertion of the hNIS gene does not hinder replication or oncolytic capability of GLV-1h153, rendering this novel virus a promising new candidate for the noninvasive imaging and tracking of oncolytic viral therapy.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein onkolytisches Vaccinia-Virus unter Ausnutzung seiner Eigenschaft als Vektorsystem mit dem Designer-Zytokin Hyper-IL-6 ausgestattet (GLV 1h90). Bei Hyper IL 6 handelt es sich um ein Fusionsprotein bestehend aus humanem Interleukin-6 und der Liganden-Bindungsdomäne des löslichen Interleukin-6-Rezeptors, welche kovalent über einen flexiblen Linker miteinander verbunden sind. Dieses chimäre Designer-Zytokin erlaubt die Untersuchung von IL-6-Effekten, welche über das IL-6-Trans-Signaling vermittelt werden. Daraus ergibt sich einerseits eine beträchtliche Erweiterung des Wirkspektrums und darüber hinaus weist Hyper-IL-6 sowohl in vitro als auch in vivo eine 100-1000fach verstärkte biologische Aktivität auf. Aufgrund der Tatsache, dass Hyper-IL-6, neben seiner Tumor-inhibierenden Wirkung, eine Vielzahl weiterer Effekte zugeschrieben wird, wurde in dieser Arbeit durch die Kombination des Designer-Zytokins mit einem onkolytischen Vaccinia-Virus nicht nur additive Effekte auf die Tumorregression, sondern darüber hinaus auch mögliche systemisch-vermittelte Hyper-IL-6-Effekte untersucht. Nach intravenöser Injektion von GLV-1h90 in DU-145-Tumor-tragende Mäuse konnte neben der intratumoralen Replikation des Virus und der Expression des Markerproteins Ruc-GFP zusätzlich die Expression des integrierten Designer-Zytokins Hyper-IL-6 im Tumor nachgewiesen werden. Von entscheidender Bedeutung war der zusätzliche Nachweis des Designer-Zytokins in Serum-Proben von GLV-1h90-injizierten Mäusen. Nach einer aktiven Hyper-IL-6-Sekretion von infizierten Tumorzellen, bildet der Transport in die Blutbahn die Voraussetzung für systemisch-vermittelte Hyper-IL-6-Effekte. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob sich durch die Überexpression von Hyper-IL-6 im Tumor, zusätzlich zu den onkolytischen Eigenschaften des Vaccinia-Virus, additive anti-Tumor-Effekte ergeben. Eine systemische Injektion von GLV 1h90 bzw. GLV 1h68 in DU-145-Tumor-tragende Mäuse führte zu einer signifikanten Reduktion des Tumorvolumens im Vergleich zu PBS-injizierten Mäusen. Neben Effekten, welche mit Entzündungsprozessen assoziiert sind, wie eine Rotfärbung der Haut, eine signifikanten Vergrößerung der Leber sowie eine massive Stimulation der Akute-Phase-Antwort in der Leber, konnte in GLV-1h90-injizierten Mäusen ein verbesserter Gesundheitszustand auf der Basis einer signifikanten Gewichtszunahme, verbunden mit einer beschleunigten Wundheilung Virus-induzierter Schwanzläsionen, beobachtet werden. Darüber hinaus konnte für Hyper-IL-6 eine Stimulierung der Megakaryopoese im Knochenmark nachgewiesen werden, welche zu einer signifikanten Erhöhung der Thrombozyten-Zahl im Blutkreislauf von GLV-1h90-injizierten Mäusen führte. Es ist von entscheidender Bedeutung anzumerken, dass alle beobachteten systemischen Hyper-IL-6-Effekte eine zeitliche Limitierung aufwiesen, welche sich höchstwahrscheinlich auf die Virus-bedingte Zerstörung Hyper IL 6-produzierender Tumorzellen zurückführen lässt. Dies impliziert zudem, dass eventuelle Komplikationen, welche durch die Überexpression des Designer-Zytokins hervorgerufen werden können, ebenfalls selbstlimitierend sind. Es konnte bereits mehrfach gezeigt werden, dass eine Kombinationstherapie aus onkolytischen Viren und Chemotherapie über synergistische Effekte zu einer signifikant verbesserten Tumorregression führt. Allerdings kommt es in Folge einer Chemotherapie oft zu einer Vielzahl von gefährlichen Nebenwirkungen, da alle schnell proliferierenden Zellen des Körpers betroffen sind. Thrombozytopenie ist eine der am häufigsten vorkommenden Nebenwirkung und beschreibt eine massive Reduktion der Thrombozyten-Zahl im Blut. Im Hinblick auf eine mögliche klinische Anwendung von GLV 1h90 wurde deshalb untersucht, ob in einer Kombinationstherapie mit Mitomycin C, neben einer Verstärkung der therapeutischen Effekte des Virus, basierend auf den beobachteten Hyper-IL-6-Effekten, zusätzlich der Gesundheitszustand der behandelten Mäuse verbessert werden kann. Die Experimente belegen, dass eine Kombination onkolytischer Vaccinia-Virus-Konstrukte mit Mitomycin C zu einer signifikant verbesserten Tumorregression im Vergleich zu den jeweiligen Monotherapien führt. Von bedeutender Relevanz war die Beobachtung, dass in einer Kombinationstherapie von Mitomycin C und GLV-1h90, im Gegensatz zu GLV-1h68, eine signifikante zeitliche Verkürzung der auftretenden Thrombozytopenie erreicht wird. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass eine systemische Injektion von GLV-1h90 zu einer funktionellen Expression des Designer-Zytokins Hyper-IL-6 führte, welches in der Lage ist eine erfolgreiche Kombinationstherapie aus einem onkolytischen Vaccinia-Virus und dem Chemotherapeutikum Mitomycin C durch eine Reduktion der Nebenwirkungen zusätzlich zu optimieren.
In Zellen liegen RNAs in Form von Ribonukleoprotein-Komplexen (RNP) vor, wobei das Zusammenwirken von RNA und Proteinen die Funktionen der einzelnen RNPs definiert. RNA-bindenden Proteinen kommt demnach eine zentrale Bedeutung beim Verständnis des RNA-Metabolismus zu. Zu dieser Proteingruppe zählen auch die La-verwandten Proteine (engl. La-related proteins, LARPs), welche eine evolutionär konservierte Familie von Faktoren bilden und durch eine putative RNA-bindende Domäne, dem La Modul, charakterisiert sind. Bereits für zwei Vertreter dieser Proteinklasse (LARP3 und LARP7) konnte eine über das La Modul vermittelte spezifische Interaktion mit uridylreichen RNA-Sequenzen gezeigt werden. Ziel dieser Arbeit war es, einen Vertreter der LARP-Familie, das sogenannte LARP4B, sowohl biochemisch als auch strukturell zu untersuchen und es somit einem zellulären Prozess zuzuordnen. Zellbiologische Studien zeigten zunächst, dass LARP4B unter normalen Wachstumsbedingungen eine homogene zytoplasmatische Verteilung aufweist. Unter Stressbedingungen akkumuliert LARP4B hingegen in diskreten subzellulären Domänen, den sogenannten Stress Granules (SGs). Obwohl SGs bislang noch wenig funktionell untersucht sind, wird davon ausgegangen, dass sie der reversiblen Speicherung von mRNA-gebundenen Translationsfaktoren dienen. Durch affinitätschromatographische Strategien ließen sich spezifische Interaktionspartner von LARP4B identifizieren. Als direkte Bindungspartner wurden das zytoplasmatische Poly (A) bindende Protein 1 (PABPC1) und der Rezeptor für aktivierte C Kinase 1 (RACK1) gefunden. Darüber hinaus zeigten Sedimentationsanalysen, dass LARP4B nahezu quantitativ mit Ribosomen und Polyribosomen assoziiert vorliegt. Diese Studie identifizierte daher LARP4B als ein Protein, das mit Schlüsselfaktoren der eukaryotischen Translation wechselwirkt. In Übereinstimmung mit diesen Befunden reduziert ein RNAi-induzierter Mangel des Proteins die Translationsrate drastisch, während die Überexpression von LARP4B in vivo zu einer Stimulation der Proteinbiosynthese führt. Da dieser stimulatorische Einfluss bei einer Vielzahl unterschiedlicher mRNA-Spezies detektiert werden konnte, kann LARP4B als genereller, positiver Translationsfaktor angesehen werden. Interessanterweise wurden in Studien, die zeitgleich für das verwandte LARP1 durchgeführt wurden, vergleichbare zelluläre Interaktionen wie für LARP4B beschrieben. Um zu klären, ob beide LARPs Orthologe darstellen und funktionelle Redundanz zeigen, wurde in der vorgelegten Arbeit ein Vergleich von LARP4B mit LARP1 durchgeführt. Unabhängige in vivo Studien und Sedimentationsanalysen zeigten deutlich, dass beide Proteine im mRNA-Metabolismus agieren, jedoch in diesem unterschiedliche Phasen der eukaryotischen Proteinbiosynthese beeinflussen.