Institut für Experimentelle Biomedizin
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Die akute Graft-versus-Host Disease (GvHD) und speziell ihre intestinale Manifestation ist eine schwere Komplikation der allogenen Stammzelltransplantation mit erheblichem Einfluss auf Mortalität und Morbidität der Patienten. Pathophysiologisch stellt sie eine Immunreaktion von Spender-T-Zellen auf Empfängergewebestrukturen dar. In Versuchsmäusen ist die experimentelle Depletion CD11c+ Antigen-präsentierender Empfängerzellen in der frühen GvHD-Effektorphase assoziiert mit einem schlechteren klinischen Outcome, einer höheren Dichte alloreaktiver T-Zellen und einer verstärkten Entzündungsreaktion in der intestinalen Mukosa. Ziel der Studie war eine umfassende Charakterisierung und systematische Einordnung der folglich GvHD-protektiven intestinalen CD11c+ Empfängerzellen. Bezüglich ihrer Oberflächenproteinsignatur analysierten wir die myeloiden Zellen der intestinalen Mukosa am Tag 6 nach allogener Stammzelltransplantation. Mittels durchflusszytometrischer Analyse und Vergleich zwischen gesunden, allein bestrahlten und GvHD-Mäusen ordneten wir die CD11c+ Empfängerzellen als Makrophagen ein und schlossen eine Identität als dendritische Zellen aus. In der Immunfluoreszenzmikroskopie wiesen wir ihre Kolokalisation mit allogenen T-Zellen nach und bestätigten darin eine PD-L1 Expression als möglichen T-Zell-Suppressionsmechanismus. Bezüglich ihres Transkriptoms führten wir eine Einzelzell-RNA-Sequenzierung intestinaler hämatopoetischer Empfängerzellen aus CD11c+ Zell-depletierten und nicht depletierten Mäusen durch. Auf rein bioinformatischer Grundlage wurden die Einzelzellen kombiniert und anhand ihrer Transkriptomprofile in Cluster eingeteilt. Der Vergleich beider Versuchsgruppen offenbarte zwei unterschiedliche präsente bzw. depletierte und damit GvHD-protektive Zellcluster: Cluster 4 enthielt Zellen mit deutlicher Makrophagensignatur und gewebeprotektivem, antipathogenem Effektorprofil, welches in Kombination mit weiteren Genen ein Kontinuum der in Homöostase vorhandenen Makrophagen nahelegte. Cluster 10 dagegen enthielt Zellen mit immun- und spezifisch T-Zell-suppressivem Effektorprofil, weniger deutlicher Makrophagensignatur und Ähnlichkeit zu myeloiden Suppressorzellen. Somit lieferte die Studie wichtige Hinweise auf einen Mechanismus der GvHD- bzw. T-Zell-Suppression und Gewebeprotektion in Form von physiologisch vorhandenen bzw. im Laufe der GvHD auftretenden Empfängermakrophagen.
Candida auris is a globally emerging fungal pathogen responsible for causing nosocomial outbreaks in healthcare associated settings. It is known to cause infection in all age groups and exhibits multi-drug resistance with high potential for horizontal transmission. Because of this reason combined with limited therapeutic choices available, C. auris infection has been acknowledged as a potential risk for causing a future pandemic, and thus seeking a promising strategy for its treatment is imperative. Here, we combined evolutionary information with reverse vaccinology approach to identify novel epitopes for vaccine design that could elicit CD4+ T-cell responses against C. auris. To this end, we extensively scanned the family of proteins encoded by C. auris genome. In addition, a pathogen may acquire substitutions in epitopes over a period of time which could cause its escape from the immune response thus rendering the vaccine ineffective. To lower this possibility in our design, we eliminated all rapidly evolving genes of C. auris with positive selection. We further employed highly conserved regions of multiple C. auris strains and identified two immunogenic and antigenic T-cell epitopes that could generate the most effective immune response against C. auris. The antigenicity scores of our predicted vaccine candidates were calculated as 0.85 and 1.88 where 0.5 is the threshold for prediction of fungal antigenic sequences. Based on our results, we conclude that our vaccine candidates have the potential to be successfully employed for the treatment of C. auris infection. However, in vivo experiments are imperative to further demonstrate the efficacy of our design.
Targeting of a conserved epitope in mouse and human GPVI differently affects receptor function
(2022)
Glycoprotein (GP) VI is the major platelet collagen receptor and a promising anti-thrombotic target. This was first demonstrated in mice using the rat monoclonal antibody JAQ1, which completely blocks the Collagen-Related Peptide (CRP)-binding site on mouse GPVI and efficiently inhibits mouse platelet adhesion, activation and aggregation on collagen. Here, we show for the first time that JAQ1 cross-reacts with human GPVI (huGPVI), but not with GPVI in other tested species, including rat, rabbit, guinea pig, swine, and dog. We further demonstrate that JAQ1 differently modulates mouse and human GPVI function. Similar to its effects on mouse GPVI (mGPVI), JAQ1 inhibits CRP-induced activation in human platelets, whereas, in stark contrast to mouse GPVI, it does not inhibit the adhesion, activation or aggregate formation of human platelets on collagen, but causes instead an increased response. This effect was also seen with platelets from newly generated human GPVI knockin mice (hGP6\(^{tg/tg\)). These results indicate that the binding of JAQ1 to a structurally conserved epitope in GPVI differently affects its function in human and mouse platelets.
Sepsis ist eine dysregulierte Reaktion des Organismus auf eine Infektion. Bei Sepsis werden oft Blutungs- und Thromboseereignisse beobachtet, welche in einer Disseminierten Intravasalen Gerinnung (DIG) gipfeln können. Thrombozyten sind die Schlüsselzellen von Thrombose und Hämostase. Bei Sepsis und DIG kommt es häufig zu einem Abfall der Thrombozytenzahl, doch Blutungs- und Thromboseereignisse können unabhängig von der Thrombozytenzahl auftreten, was zusätzlich eine Veränderung der Thrombozytenfunktion nahelegt.
In dieser Arbeit wurde deshalb die Thrombozytenfunktion bei 15 Patienten mit Sepsis zu drei Zeitpunkten im Krankheitsverlauf untersucht. Es konnte bei unauffälliger Rezeptorexpression keine Voraktivierung der Thrombozyten mittels Durchflusszytometrie festgestellt werden. Jedoch war die Aktivierung nach Stimulation mit multiplen Agonisten signifikant reduziert. Besonders ausgeprägt war die Hyporeaktivität bei Stimulation des Kollagen-Rezeptors GPVI mit dem Agonisten CRP-XL. Es wurde gezeigt, dass nach GPVI-Stimulation eine reduzierte Phosphorylierung der nachgeschalteten Proteine Syk und LAT im Vergleich zum Gesundspender induziert wird. In Kreuzinkubationsexperimenten hatte die (Co )Inkubation von Thrombozyten in Plasma von Sepsispatienten oder mit Bakterienisolaten aus Sepsis-Blutkulturen keinen Effekt auf die Thrombozytenreaktivität. Allerdings konnte durch Sepsis-Vollblut eine signifikante GPVI-Hyporeaktivität in Thrombozyten von gesunden Probanden induziert werden, was einen zellulären Mediator als Ursache des Defekts nahelegt. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass insbesondere die GPVI-Signalkaskade bei Sepsis massiv beeinträchtigt ist. Der Immunorezeptor GPVI ist ein vielversprechendes Zielmolekül, um die Pathogenese der Sepsis, des Capillary Leak und die immunregulatorische Rolle von Thrombozyten besser zu verstehen. Die GPVI-Hyporeaktivität könnte als zukünftiger Biomarker für die Sepsis-Frühdiagnose genutzt werden.
Cyclophilin a is not acetylated at lysine-82 and lysine-125 in resting and stimulated platelets
(2022)
Cyclophilin A (CyPA) is widely expressed by all prokaryotic and eukaryotic cells. Upon activation, CyPA can be released into the extracellular space to engage in a variety of functions, such as interaction with the CD147 receptor, that contribute to the pathogenesis of cardiovascular diseases. CyPA was recently found to undergo acetylation at K82 and K125, two lysine residues conserved in most species, and these modifications are required for secretion of CyPA in response to cell activation in vascular smooth muscle cells. Herein we addressed whether acetylation at these sites is also required for the release of CyPA from platelets based on the potential for local delivery of CyPA that may exacerbate cardiovascular disease events. Western blot analyses confirmed the presence of CyPA in human and mouse platelets. Thrombin stimulation resulted in CyPA release from platelets; however, no acetylation was observed—neither in cell lysates nor in supernatants of both untreated and activated platelets, nor after immunoprecipitation of CyPA from platelets. Shotgun proteomics detected two CyPA peptide precursors in the recombinant protein, acetylated at K28, but again, no acetylation was found in CyPA derived from resting or stimulated platelets. Our findings suggest that acetylation of CyPA is not a major protein modification in platelets and that CyPA acetylation is not required for its secretion from platelets.
Arteriosklerose ist eine chronisch inflammatorische Erkrankung der Gefäßwand. Nach aktuellem Wissensstand sind Dendritische Zellen (DCs) maßgeblich an der Entstehung und dem Fortschreiten von Arteriosklerose beteiligt. In der Vergangenheit konnten für DCs unterschiedliche Subsets beschreiben werden, die sowohl proinflammatorische als auch immunregulatorische Funktionen übernehmen können. Die systematische Charakterisierung von DCs in der gesunden Aorta, sowie während der Entstehung von Arteriosklerose ist jedoch noch ausstehend.
In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst die systematische Einteilung von DCs in vitro mit Hilfe von DCs aus Flt3L-Knochenmarkskulturen durchgeführt. Aufbauend darauf erfolgte die systematische Analyse aortaler DCs durch tierexperimentelle Untersuchungen an gesunden C57BL/6J Mäusen, sowie Apolipoprotein E-defizienten (ApoE-/-) Mäusen und low-density-lipoprotein-receptor-defizienten (Ldlr-/-) Mäusen während der Atherogenese. Mittels immunhistochemischer Untersuchungen von CD11cYFPreporter Mäusen konnten zudem korrelierend DCs in der Gefäßwand der murinen Aorta lokalisiert werden.
Zusammenfassend gibt die vorliegende Arbeit erstmalig einen systematischen Überblick über die einzelnen DC-Subsets in der gesunden Aorta und während der Atherogenese. Dies trägt zu einem besseren Verständnis der Rolle der einzelnen DC Subsets während der Entstehung der Arteriosklerose bei und bietet eine mögliche Grundlage für zukünftige Behandlungsstrategien.
Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden im Februar 2014 als Originalarbeit in geteilter Erstautorenschaft von Martin Busch, Thilo Westhofen und Miriam Koch unter dem Titel Dendritic Cell Subset Distributions in the Aorta in Healthy and Atherosclerotic Mice im Plos One publiziert (1). Die Originalpublikation findet sich im Folgenden unter Absatz 11. Die Ergebnisse dieser Publikation wurden modifiziert unter 6.1-6.5 dargelegt und unter 7.1-7.5 im Kontext der aktuellen Literatur diskutiert. Sofern nicht anders angegeben, wurden alle Experimente von Thilo Westhofen geplant, durchgeführt und ausgewertet.
Platelets play an essential role in haemostasis. Through granule secretion of second wave mediators and aggregation, they secure vascular integrity. Due to incorrect activation, platelet aggregation and subsequent thrombus formation can cause blood vessel occlusion, leading to ischemia. Patients with defects in platelet production have a low platelet count (thrombocytopenia), which can cause an increased bleeding risk. In vitro platelet generation is still in its development phase. So far, no convincing results have been obtained. For this reason, the health care system still depends on blood donors. Platelets are produced by bone marrow megakaryocytes (MKs), which extend long cytoplasmic protrusions, designated proplatelets, into sinusoidal blood vessels. Due to shear forces, platelets are then released into the bloodstream. The molecular mechanisms underlying platelet production are still not fully understood. However, a more detailed insight of this biological process is necessary to improve the in vitro generation of platelets and to optimise treatment regimens of patients.
Optogenetics is defined as “light-modulation of cellular activity or of animal behaviour by gene transfer of photo-sensitive proteins”. Optogenetics has had a big impact on neuroscience over the last decade. The use of channelrhodopsin 2 (ChR2), a light-sensitive cation channel, made it possible to stimulate neurons precisely and minimally invasive for the first time. Recent developments in the field of optogenetics intend to address a broader scope of cellular and molecular biology.
The aim of this thesis is to establish optogenetics in the field of MK research in order to precisely control and manipulate MK differentiation. An existing “optogenetic toolbox“ was used, which made it possible to light-modulate the cellular concentration of specific signalling molecules and ion conductance in MKs. Expression of the bacterial photoactivated adenylyl cyclase (bPAC) resulted in a significant increase in cAMP concentration after 5 minutes of illumination. Similarly, intracellular cGMP concentrations in MKs expressing photoactivated guanylyl cyclase (BeCyclop) were elevated. Furthermore, proplatelet formation of MKs expressing the light-sensitive ion channels ChR2 and anion channelrhodopsin (ACR) was altered in a light-dependent manner. These results show that MK physiology can be modified by optogenetic approaches. This might help shed new light on the underlying mechanisms of thrombopoiesis.
Effects of cocoa genotypes on coat color, platelets and coagulation parameters in French Bulldogs
(2021)
A nonsense variant in HPS3, c.2420G>A or p.Trp807*, was recently discovered as the cause for a brown coat color termed cocoa in French Bulldogs. Here, we studied the genotype–phenotype correlation regarding coat color in HPS3 mutant dogs that carried various combinations of mutant alleles at other coat color genes. Different combinations of HPS3, MLPH and TYRP1 genotypes resulted in subtly different shades of brown coat colors. As HPS3 variants in humans cause the Hermansky–Pudlak syndrome type 3, which in addition to oculocutaneous albinism is characterized by a storage pool deficiency leading to bleeding tendency, we also investigated the phenotypic consequences of the HPS3 variant in French Bulldogs on hematological parameters. HPS3 mutant dogs had a significantly lowered platelet dense granules abundance. However, no increased bleeding tendencies in daily routine were reported by dog owners. We therefore conclude that in dogs, the phenotypic effect of the HPS3 variant is largely restricted to pigmentation. While an effect on platelet morphology is evident, we did not obtain any indications for major health problems associated with the cocoa coat color in French Bulldogs. Further studies will be necessary to definitely rule out very subtle effects on visual acuity or a clinically relevant bleeding disorder.
Atherosclerotic lesions are populated by cells of the innate and adaptive immune system, including CD8\(^+\) T cells. The CD8\(^+\) T cell infiltrate has recently been characterized in mouse and human atherosclerosis and revealed activated, cytotoxic, and possibly dysfunctional and exhausted cell phenotypes. In mouse models of atherosclerosis, antibody-mediated depletion of CD8\(^+\) T cells ameliorates atherosclerosis. CD8\(^+\) T cells control monopoiesis and macrophage accumulation in early atherosclerosis. In addition, CD8\(^+\) T cells exert cytotoxic functions in atherosclerotic plaques and contribute to macrophage cell death and necrotic core formation. CD8\(^+\) T cell activation may be antigen-specific, and epitopes of atherosclerosis-relevant antigens may be targets of CD8\(^+\) T cells and their cytotoxic activity. CD8\(^+\) T cell functions are tightly controlled by costimulatory and coinhibitory immune checkpoints. Subsets of regulatory CD25\(^+\)CD8\(^+\) T cells with immunosuppressive functions can inhibit atherosclerosis. Importantly, local cytotoxic CD8\(^+\) T cell responses may trigger endothelial damage and plaque erosion in acute coronary syndromes. Understanding the complex role of CD8\(^+\) T cells in atherosclerosis may pave the way for defining novel treatment approaches in atherosclerosis. In this review article, we discuss these aspects, highlighting the emerging and critical role of CD8\(^+\) T cells in atherosclerosis.
The serine/threonine protein kinase AKT1 is a downstream target of the chemokine receptor 4 (CXCR4), and both proteins play a central role in the modulation of diverse cellular processes, including proliferation and cell survival. While in chronic myeloid leukemia (CML) the CXCR4 is downregulated, thereby promoting the mobilization of progenitor cells into blood, the receptor is highly expressed in breast cancer cells, favoring the migratory capacity of these cells. Recently, the LIM and SH3 domain protein 1 (LASP1) has been described as a novel CXCR4 binding partner and as a promoter of the PI3K/AKT pathway. In this study, we uncovered a direct binding of LASP1, phosphorylated at S146, to both CXCR4 and AKT1, as shown by immunoprecipitation assays, pull-down experiments, and immunohistochemistry data. In contrast, phosphorylation of LASP1 at Y171 abrogated these interactions, suggesting that both LASP1 phospho-forms interact. Finally, findings demonstrating different phosphorylation patterns of LASP1 in breast cancer and chronic myeloid leukemia may have implications for CXCR4 function and tyrosine kinase inhibitor treatment.