On the cellular stress response to Staphylococcus aureus alpha-toxin

Staphylococcus aureus alpha-hemolysin was the first bacterial toxin recognized to form pores in the plasma membrane of eukaryotic cells. It is secreted as a water-soluble monomer that upon contact with target membranes forms an amphiphatic heptameric beta-barrel which perforates the bilayer. As a consequence, red cells undergo colloidosmotic lyses, while some nucleated cells may succumb to necrosis or programmed cell death. However, most cells are capable of repairing a limited number of membrane lesions, and then respond with productive transcriptional activation of NF-kB. In the present study, by using microarray and semiquantitative reverse transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR), data from a previously performed serial analysis of gene expression (SAGE) were extended and verified, revealing that immediate early genes (IEGs) such as c-fos, c-jun and egr-1 are strongly induced at 2-8 h after transient toxin treatment. Activating protein 1 (AP-1: c-Fos, c-Jun) binding activity was increased accordingly. As IEGs are activated by growth factors, these findings led to the discovery that -toxin promotes cell cycle progression of perforated cells in an EGFR-dependent fashion. Although the amount of c-fos mRNA rose rapidly after toxin treatment, c-Fos protein expression was observed only after a lag of about 3 h. Since translation consumes much ATP, which transiently drops after transient membrane perforation, the suspicion arised that membrane-perforation caused global, but temporary downregulation of translation. In fact, eIF2α became heavily phosphorylated minutes after cells had been confronted with the toxin, resulting in shutdown of protein synthesis before cellular ATP levels reached the nadir. GCN2 emerged as a candidate eIF2α kinase, since its expression rapidly increased in toxin-treated cells. Two hours after toxin treatment, GADD34 transcripts, encoding a protein that targets the catalytic subunit of protein phosphatase 1 (PP1) to the endoplasmic reticulum, were overexpressed. This was followed by dephosphorylation of eIF2α and resumption of protein synthesis. Addition of tautomycetin, a specific inhibitor of PP1, led to marked hyperphosphorylation of eIF2α and significantly reduced the drop of ATP-levels in toxin-treated cells. A novel link between two major stress-induced signalling pathways emerged when it was found that both translational arrest and restart were under the control of stress-activated protein kinase (SAPK) p38. The data provide an explanation for the indispensible role of p38 for defence against the archetypal threat of membrane perforation by agents that produce small transmembrane-pores.

Einfluss immunevasiver Strategien des humanen Cytomegalovirus auf die MHC-Klasse-I-Präsentation der viralen Antigene pp65 und IE1

Das Humane Cytomegalovirus (HCMV) stellt eine große Bedrohung für Patienten mit geschwächtem oder unausgereiftem Immunsystem dar. Bei immunkompetenten Personen hingegen werden schwere Erkrankungen insbesondere durch die Wirkung antiviraler zytotoxischer CD8+-T-Lymphozyten (CTL) weitgehend verhindert. Aus Zellkultur-Systemen war bekannt, dass virale Glykoproteine, welche in der US2-US11-Region des HCMV-Genoms kodiert werden, inhibitorisch in den MHC-Klasse-I-Präsentationsweg eingreifen und somit die entsprechende Präsentation durch infizierte Zellen behindern. Über die Bedeutung dieser US2-US11-vermittelten Immunevasion für die Präsentation viraler Antigene im Kontext der Virusinfektion war jedoch nichts bekannt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte daher der Einfluss der Immunevasion auf die MHC-Klasse-I-Präsentation der beiden wichtigsten CTL-Zielstrukturen von HCMV, dem Tegumentprotein pp65 und dem regulatorischen immediate early Protein IE1, untersucht werden. In Ergänzung dazu sollte das immunevasive Potential eines durch HCMV kodierten Homologs des immunmodulatorischen Zytokins Interleukin-10 (cmvIL-10) analysiert werden. Hierzu wurden über Peptidimmunisierung HLA-A2-transgener Mäuse CTL-Klone hergestellt, welche ausgesuchte Peptide aus pp65 und IE1 in Assoziation mit HLA-A2 mit hoher Spezifität und Sensitivität erkannten. Auf diese Weise konnte eine direkte Beeinflussung der MHC-Klasse-I-Präsentation durch cmvIL-10 falsifiziert und somit der Hypothese, dass das von infizierten Zellen freigesetzte Zytokin die MHC-Klasse-I-Präsentation nicht infizierter Nachbarzellen beeinflussen könnte, widersprochen werden. Mit Hilfe einer US2-US11-Deletionsmutante des Virus konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die Präsentation von sowohl pp65 als auch IE1 durch die Immunevasion beeinträchtigt wird. Dabei war die Präsentation des IE1-Peptids zu jedem untersuchten Zeitpunkt nach Infektion vollständig unterdrückt. Die Präsentation des pp65-Peptids hingegen war noch bis zu 72 Stunden nach Infektion detektierbar. Diese anhaltende Präsentation wurde dabei durch MHC-Klasse-I-Komplexe hervorgerufen, die trotz der Expression der US2-US11-Region an die Zelloberfläche transportiert wurden. Anhand des pp65 konnte somit erstmals gezeigt werden, dass die Immunevasion von HCMV Bildung und Transport bestimmter MHC-Klasse-I-Peptid-Komplexe zwar beeinträchtigen, jedoch nicht vollständig blockieren kann. Weitere Untersuchungen ergaben, dass die Präsentation von IE1-Peptiden durch das Vorhandensein des pp65-Proteins nicht beeinflusst wurde. Damit konnten aus der Literatur bekannte Daten anderer widerlegt werden. Mit Hilfe einer weiteren Virusmutante konnte schließlich gezeigt werden, das die Expression eines der Immunevasine, des gpUS11, hinreichend ist, die IE1-Präsentation vollständig zu unterdrücken, jedoch keinerlei messbaren Einfluss auf die Präsentation von pp65 ausübt. Die vorliegende Arbeit hat wichtige Erkenntnisse erbracht, die die Grundlage für weiterführende Untersuchungen zur Aufklärung der Bedeutung der einzelnen Immunevasionsgene für die Präsentation viraler Antigene im Rahmen der Virusinfektion darstellen.

Die Leber als Latenzort des murinen Cytomegalovirus: Identifizierung und Charakterisierung des latent infizierten Zelltyps

Die Untersuchungen der murinen Cytomegalovirus (mCMV) Infektion im BALB/c Mausmodell konzentrierten sich bislang auf die Lunge, da diese einen Hauptort der mCMV Latenz darstellt. Da latentes CMV auch häufig durch Lebertransplantationen übertragen wird, wurde in dieser Arbeit die Leber als ein weiteres medizinisch relevantes Organ der CMV Latenz und Reaktivierung untersucht. Um zunächst die zellulären Orte der mCMV Latenz in der Leber zu ermitteln, wurden verschiedengeschlechtliche Knochenmarktransplantationen (KMT) mit männlichen tdy-positiven Spendern und weiblichen, tdy-negativen Empfängern, mit anschließender mCMV Infektion durchgeführt, um latent infizierte Mäuse mit geschlechtschromosomalem Chimärismus zu generieren. Diese Chimären erlaubten eine Unterscheidung zwischen tdy-positiven Zellen hämatopoetischen Ursprungs und tdy-negativen stromalen und parenchymalen Gewebszellen. Die Separation von Leberzellen der Chimären mittels zentrifugaler Elutriation und anschließender DNA Quantifizierung viraler und zellulärer Genome durch eine quantitative real-time PCR ergab einen ersten Hinweis, dass Endothelzellen ein zellulärer Ort der mCMV Latenz sind. Die darauf folgende immunomagnetische Zelltrennung lokalisierte latente virale DNA in der CD31-positiven Zellfraktion. Die Koexpression von CD31 mit dem endothelzellspezifischen Oberflächenmarker ME-9F1 identifizierte die sinusoidalen Endothelzellen der Leber (LSEC) als die Zellen, die latente virale DNA beherbergen. In den zytofluorometrisch aufgereinigten CD31+/ME-9F1+ LSEC waren bei gleichzeitigem Rückgang der männlichen tdy Markergene virale Genome angereichert, was darauf hinwies, dass Zellen, die virale DNA enthalten, vom Knochenmark-Empfänger stammen. Durch zytofluorometrische Analysen isolierter LSEC konnte eine vom Spender abstammende Subpopulation MHCII+/CD11b+ LSEC identifiziert werden. Anschließende Quantifizierungen viraler DNA aus latent infizierten Mäusen detektierten eine Abnahme viraler Genome mit zunehmender Menge an tdy-positiven Zellen, was beweist, dass MHCII+/CD11b+ LSEC keinen Ort der mCMV Latenz darstellen. Die limiting dilution Untersuchungen der isolierten latent infizierten LSEC ergaben eine Frequenz von einer latent infizierten Zelle unter ~1,9x104 LSEC und eine Anzahl von 7 bis 19 viralen Genomen pro latent infizierter Zelle. Nach 24 Stunden Kultivierung der LSEC konnte mittels quantitativer real-time RT-PCR mit Gesamt-RNA aus LSEC ein Anstieg der Genexpression der immediate early Gene ie1 und ie3 sowie eine Induktion des early Gens e1 gezeigt werden. Eine Erhöhung der transkriptionellen Reaktivierung durch die Inkubation der LSEC mit unterschiedlichen HDAC Inhibitoren konnte allerdings nicht erzielt werden, da sowohl die Menge der isolierten RNA aus behandelten Kulturen, als auch die Anzahl viraler Transkripte im Vergleich zu den unbehandelten Kulturen erniedrigt war. Aufgrund der kurzen Lebensdauer isolierter LSEC in vitro konnte durch Kokultivierungen latent infizierter LSEC zusammen mit murinen embryonalen Fibroblasten keine Virusreaktivierung induziert werden. Im Gegensatz dazu wurden durch den Transfer gereinigter ME-9F1+/CD31+ LSEC aus latent infizierten Spendern in immunsupprimierte Empfänger virale Rekurrenzen in Lungenexplantatkulturen des Rezipienten detektiert. Damit konnten LSEC eindeutig als zellulärer Ort von mCMV Latenz und Reaktivierung in der Leber identifiziert werden.

Bedeutung der viralen IE4-Region für die Genexpression und Replikation des humanen Cytomegalovirus

Das humane Cytomegalovirus (HCMV) ist ein fakultativ-pathogener Erreger, der bei Patienten mit geschwächter oder unausgereifter Immunabwehr schwerwiegende Erkrankungen hervorrufen kann. Wie alle Herpesviren zeigt das HCMV eine streng koordinierte Expression viraler Gene, die in eine „sehr frühe-“ (IE), „frühe “ (E) und „späte-“ (L) Phase unterteilt werden kann. Die Produkte der IE-Gene IE1 und IE2 sind für die Expression der frühen Gene und somit für die Initiation der viralen DNA-Replikation entscheidend. Sie greifen gleichzeitig in den zellulären Stoffwechsel ein und schaffen damit optimale Vorraussetzungen für die virale Vermehrung. Zu Beginn dieser Arbeit war bekannt, dass HCMV in lytisch infizierten Zellen ein abundantes IE-Transkript von 5 kb (IE4-RNA) exprimierte, dessen Funktion bislang unklar war. Ältere Publikationen deuteten darauf hin, dass die IE4-Genregion an der Transformation eukaryonter Zellen beteiligt sein könnte. Neuere Arbeiten zeigten, dass es sich bei diesem IE4-Transkript um ein metabolisch stabiles Intron handelt. Im Rahmen dieser Arbeit sollte zunächst geklärt werden, ob die IE4-Genregion ein Protein kodiert. In der Folge sollten mit viralen Deletionsmutanten Hinweise auf die biologische Funktion des IE4-Bereichs erarbeitet werden. Durch Northern Blot Analysen und cDNA-Klonierungsexperimente konnte eine Reihe neuer Spleiß-Varianten der IE4-RNA identifiziert werden. Durch Sequenzanalysen wurde gezeigt, dass diese Transkripte keine längeren offenen Leserahmen enthalten. Zusammen mit bereits publizierten Erkenntnissen, kann aus diesen Ergebnissen mit hoher Wahrscheinlichkeit geschlossen werden, dass die IE4 Region nicht für ein Protein kodiert. Zur Analyse der biologischen Funktion der IE4-Region wurde das DNA-Genom des HCMV gezielt mutagenisiert. Eine phänotypische Analyse der entsprechenden Viren mittels Reportergen-Tests und quantitativer RealTime RT-PCR zeigte, dass einige der Mutanten eine verringerte Expression früher Gene aufwiesen, die mit einer Beeinträchtigung ihrer Replikationsfähigkeit in Fibroblastenkulturen korrelierte. Dabei war die Ausbildung eines Phänotyps jedoch von dem genetischen Hintergrund des verwendeten viralen Ausgangsstammes abhängig. Auffällig war, dass phänotypische Veränderungen nur bei solchen Mutanten sichtbar wurden, die auf der Grundlage des Laborstammes Ad169 des HCMV generiert worden waren. Die nachfolgende Analyse der Ausgangsstämme ergab deutliche Unterschiede in der IE-Genexpression. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen somit, dass die IE4-RNA mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht für ein Protein kodiert, aber bei limitierender Expression der essentiellen Regulatoren IE1 und IE2 die frühe lytische Genexpression stimuliert. Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen die Grundlage für nachfolgende Untersuchungen zur Aufklärung der molekularen Funktion der IE4-RNA im Rahmen der lytischen Infektion des HCMV dar.

In vivo konditionale Depletion von latentem murinen Cytomegalovirus

Die Lunge stellt einen Hauptort der CMV-Latenz dar. Die akute CMV-Infektion wird durch infiltrierende antivirale CD8 T-Zellen terminiert. Das virale Genom verbleibt jedoch im Lungengewebe in einem nicht replikativen Zustand, der Latenz, erhalten. Es konnte bereits gezeigt werden, dass während der Latenz die Major Immediate Early- (MIE) Gene ie1- und ie2 sporadisch transkribiert werden. Bisher konnte diese beginnende Reaktivierung latenter CMV-Genome nur in einer Momentaufnahme gezeigt werden (Kurz et al., 1999; Grzimek et al., 2001; Simon et al., 2005; zur Übersicht: Reddehase et al., 2008). Die sporadische Expression der MIE-Gene führt jedoch zur Präsentation eines antigenen IE1-Peptids und somit zur Stimulation antiviraler IE1-Peptid-spezifischer CD8 T-Zellen, die durch ihre Effektorfunktion die beginnende Reaktivierung wieder beenden. Dies führte uns zu der Hypothese, dass MIE-Genexpression über einen Zeitraum betrachtet (period prevalence) häufiger stattfindet als es in einer Momentaufnahme (point prevalence) beobachtet werden kann.rnrnUm die Häufigkeit der MIE-Genexpression in der Dynamik in einem definierten Zeitraum zu erfassen, sollte eine Methode entwickelt werden, welche es erstmals ermöglicht, selektiv und konditional transkriptionell aktive Zellen sowohl während der akuten Infektion als auch während der Latenz auszulöschen. Dazu wurde mit Hilfe der Zwei-Schritt BAC-Mutagenese ein rekombinantes death-tagged Virus hergestellt, welches das Gen für den Diphtherie Toxin Rezeptor (DTR) unter Kontrolle des ie2-Promotors (P2) enthält. Ist der P2 transkriptionell aktiv, wird der DTR an der Zelloberfläche präsentiert und die Zelle wird suszeptibel für den Liganden Diphtherie Toxin (DT). Durch Gabe von DT werden somit alle Zellen ausgelöscht, in denen virale Genome transkriptionell aktiv sind. Mit zunehmender Dauer der DT-Behandlung sollte also die Menge an latenten viralen Genomen abnehmen.rnrnIn Western Blot-Analysen konnte das DTR-Protein bereits 2h nach der Infektion nachgewiesen werden. Die Präsentation des DTR an der Zelloberfläche wurde indirekt durch dessen Funktionalität bewiesen. Das rekombinante Virus konnte in Fibroblasten in Gegenwart von DT nicht mehr replizieren. In akut infizierten Tieren konnte die virale DNA-Menge durch eine einmalige intravenöse (i.v.) DT-Gabe signifikant reduziert werden. Verstärkt wurde dieser Effekt durch eine repetitive i.v. DT-Gabe. Auch während der Latenz gelang es, die Zahl der latenten viralen Genome durch repetitive i.v. und anschließende intraperitoneale (i.p.) DT-Gabe zu reduzieren, wobei wir abhängig von der Dauer der DT-Gabe eine Reduktion um 60\% erreichen konnten. Korrespondierend zu der Reduktion der DNA-Menge sank auch die Reaktivierungshäufigkeit des rekombinanten Virus in Lungenexplantatkulturen. rnrnrnUm die Reaktivierungshäufigkeit während der Latenz berechnen zu können, wurde durch eine Grenzverdünnungsanalyse die Anzahl an latenten viralen Genomen pro Zelle bestimmt. Dabei ergab sich eine Kopienzahl von 9 (6 bis 13). Ausgehend von diesen Ergebnissen lässt sich berechnen, dass, bezogen auf die gesamte Lunge, in dem getesteten Zeitraum von 184h durch die DT-Behandlung 1.000 bis 2.500 Genome pro Stunde ausgelöscht wurden. Dies entspricht einer Auslöschung von 110 bis 280 MIE-Gen-exprimierenden Lungenzellen pro Stunde. Damit konnte in dieser Arbeit erstmals die Latenz-assoziierte Genexpression in ihrer Dynamik dargestellt werden.rn

Mass spectrometric identification of Varicella-Zoster Virus (VZV) proteins recognized by human T cells

Primary varicella-zoster virus (VZV) infection during childhood leads to varicella commonly known as chickenpox. After primary infection has occurred VZV establishes latency in the host. During subsequent lifetime the virus can cause reactivated infection clinically known as herpes zoster or shingles. In immunodeficient patients’ dissemination of the virus can lead to life-threatening disease. Withdrawal of acyclovir drug prophylaxis puts allogeneic hematopoietic stem-cell transplantation (HSCT) patients at increased risk for herpes zoster as long as VZV-specific cellular immunity is impaired. Although an efficient live attenuated VZV vaccine for zoster prophylaxis exists, it is not approved in immunocompromised patients due to safety reasons. Knowledge of immunogenic VZV proteins would allow designing a noninfectious nonhazardous subunit vaccine suitable for patients with immunodeficiencies. The objective of this study was to identify T cell defined virus proteins of a VZV-infected Vero cell extract that we have recently described as a reliable antigen format for interferon-gamma (IFN-γ) enzyme-linked immunosorbent spot (ELISpot) assays (Distler et al. 2008). We first separated the VZV-infected/-uninfected Vero cell extracts by size filtration and reverse-phase high performance liquid chromatography (RP-HPLC). The collected fractions were screened for VZV reactivity with peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) of VZV-seropositive healthy individuals in the sensitive IFN-γ ELISpot assay. Using this strategy, we successfully identified bioactive fractions that contained immunogenic VZV material. VZV immune reactivity was mediated by CD4+ memory T lymphocytes (T cells) of VZV-seropositive healthy individuals as demonstrated in experiments with HLA blockade antibodies and T cell subpopulations already published by Distler et al. We next analyzed the bioactive fractions with electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS) techniques and identified the sequences of three VZV-derived proteins: glycoprotein E (gE); glycoprotein B (gB), and immediate early protein 62 (IE62). Complementary DNA of these identified proteins was used to generate in vitro transcribed RNA for effective expression in PBMCs by electroporation. We thereby established a reliable and convenient IFN-γ ELISPOT approach to screen PBMCs of healthy donors and HSCT patients for T cell reactivity to single full-length VZV proteins. Application in 10 VZV seropositive healthy donors demonstrated much stronger recognition of glycoproteins gE and gB compared to IE62. In addition, monitoring experiments with ex vivo PBMCs of 3 allo-HSCT patients detected strongly increased CD4+ T cell responses to gE and gB for several weeks to months after zoster onset, while IE62 reactivity remained moderate. Overall our results show for the first time that VZV glycoproteins gE and gB are major targets of the post-transplant anti-zoster CD4+ T cell response. The screening approach introduced herein may help to select VZV proteins recognized by memory CD4+ T cells for inclusion in a subunit vaccine, which can be safely used for zoster prophylaxis in immunocompromised HSCT patients.

Immunevasive Strategien des Humanen Cytomegalovirus : Einfluss des Tegumentproteins pp71 und des Immunevasins gpUS3 auf die MHC-Klasse-I-Antigenpräsentation infizierter Zellen

Bei Menschen mit unreifem oder geschwächtem Immunsystem kann eine Infektion mit dem Humanen Cytomegalovirus (HCMV) zu schweren Erkrankungen führen. Hingegen kontrolliert das Immunsystem bei Gesunden die HCMV-Infektion fast vollständig. Wichtige Effektoren hierbei sind CD8-positive zytotoxische T-Zellen (CTLs). Um dieser Kontrolle entgegenzuwirken, exprimiert HCMV die als Immunevasine bekannten Proteine gpUS2, gpUS3, gpUS6 und gpUS11. Sie greifen an unterschiedlichen Stellen in die MHC-Klasse-I (MHC-I)-vermittelte Antigenpräsentation ein und schützen so infizierte Zellen vor der Erkennung durch CTLs. Zusätzlich waren auch den Tegumentproteinen pp65 und pp71 immunevasive Funktionen zugeschrieben worden, wobei jedoch über diese Funktionen bisher nur wenig bekannt war. Daher sollte im ersten Teil der vorliegenden Arbeit die Beteiligung von pp71 an der MHC-I-Immunevasion von HCMV-infizierten humanen Fibroblasten untersucht werden. Zu diesem Zweck wurden HCMV-Mutanten eingesetzt, die pp71 verstärkt exprimierten. Entgegen der postulierten immunevasiven Rolle von pp71 konnte zu keinem Zeitpunkt der Infektion ein inhibierender Effekt von pp71 auf die Antigenpräsentation infizierter Fibroblasten festgestellt werden. Sehr früh nach Infektion war sogar eine pp71-vermittelte Steigerung der Präsentation des HCMV-Proteins IE1 zu beobachten. Um zu prüfen, ob es auch während einer natürlichen Infektion zu einer Erhöhung der pp71-Expression und den damit verbundenen Effekten kommen kann, wurde untersucht, ob die Expression von pp71 durch Zellstress induzierbar ist. Dies erschien möglich, da der Leserahmen für pp71 von einer bizistronischen mRNA kodiert wird. Über die Erzeugung von Zellstress durch Serumentzug konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die Expression des wichtigen viralen Transaktivators pp71 abhängig vom physiologischen Zustand der infizierten Zellen reguliert wird. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit sollte die Rolle des Immunevasins gpUS3 näher beleuchtet werden. Sein Wirkmechanismus war, wie die Mechanismen der drei anderen Immunevasine gpUS2, gpUS6 und gpUS11, bereits ausführlicher untersucht worden. Der individuelle Beitrag von gpUS3 zur MHC-I-Immunevasion in infizierten Zellen sowie ein mögliches Zusammenspiel mit den anderen Immunevasinen waren hingegen noch zu erforschen. Hierzu wurden HCMV-Mutanten eingesetzt, die keines oder nur eines der Immunevasine exprimierten. Mit ihrer Hilfe konnte gezeigt werden, dass gpUS3 sehr früh nach Infektion überraschenderweise die Immunevasion in infizierten Fibroblasten behindert. Zu späteren Infektionszeitpunkten war dagegen ein immunevasiver Effekt von gpUS3 in Form einer Kooperation mit jeweils einem der drei anderen Immunevasine festzustellen. Aus diesen Ergebnissen ergibt sich die neue Hypothese, dass die Hauptaufgabe von gpUS3 im Rahmen der HCMV-Immunevasion in der Regulation der Funktionen der übrigen Immunevasine liegt.

Mechanismen der Antigenpräsentation bei der Induktion der CD8-T-Zellantwort gegen das murine Cytomegalovirus

Die Kontrolle der Cytomegalovirus(CMV)-Infektion durch CD8 T-Zellen ist abhängig von der effizienten MHC-Klasse-I-Präsentation viraler Peptide auf der Zelloberfläche. Um die Erkennung infizierter Zellen zu unterdrücken, interferieren während der Early (E)-Phase der murinen CMV (mCMV)-Infektion virale Immunevasine mit dem intrazellulären Transport von Peptid-MHC-I (pMHC-I) Komplexen. Den Immunevasinen gelingt es allerdings nicht, ein Priming mCMV-spezifischer CD8 T-Zellen zu verhindern. Daher wurde angenommen, dass die Initiation der antiviralen CD8 T-Zellantwort primär auf der Cross-Präsentation viraler Peptide auf nicht-infizierten, professionellen Antigen-präsentierenden Zellen (profAPC) beruht und damit unabhängig von viralen Immunevasionsmechanismen ist.rnIm Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde mittels BAC-Mutagenese eine mCMV-Rekombinante generiert, um die direkte Präsentation viraler Peptide durch die zusätzliche Expression des zentralen Immunevasins m152 bereits in der Immediate Early (IE)-Phase verstärkt zu unterdrücken. Wie erwartet reduzierte die verstärkte m152-Expression sowohl in der IE- als auch in der E-Phase die pMHC-I-Präsentation in vitro. Dies führte überraschenderweise nach Infektion immunkompetenter BALB/c-Mäuse (Haplotyp H-2d) zu einer verminderten CD8 T-Zellantwort und damit zur Verschlechterung der Kontrolle der Infektion im drainierenden Lymphknoten. Diese Beobachtungen weisen erstmals auf einen wichtigen Beitrag der direkten Antigenpräsentation bei der Initiation der mCMV-spezifischen CD8 T-Zellantwort im immunkompetenten Wirt hin. Zusätzlich konnte auch nach mCMV-Infektion von Cross-Präsentations-defizienten Mäusen (Haplotyp H-2b) eine antivirale CD8 T-Zellantwort initiiert werden. Diese Beobachtung bestätigt, dass durch direkte Antigenpräsentation auf infizierten profAPC trotz viraler Immunevasionsmechanismen eine CD8 T-Zellantwort induziert werden kann. Allerdings wurde weder die antivirale CD8 T-Zellantwort noch die Kontrolle der Infektion im Haplotyp H-2b durch die verstärkte m152-Expression moduliert.rnIn einem weiteren Teil der Arbeit konnte im klinisch relevanten Modellsystem der mCMV-Infektion von Knochenmarktransplantations (KMT)-Rezipienten (Haplotyp H-2d) gezeigt werden, dass die verstärkte m152-Expression die Rekrutierung IE1-spezifischer CD8 T-Zellen in die infizierte Lunge unterdrückt. Dies konnte sowohl früh nach Infektion, als auch während der viralen Latenz nachgewiesen werden. Zusätzlich war die Rekrutierung IE1-spezifischer CD8 T-Zellen in die Lunge deutlich vermindert in Ld--Rezipienten von Ld+-hämatopoetischen Zellen, die das IE1-präsentierende MHC-I-Molekül Ld nicht auf den nicht-hämatopoetischen Gewebszellen exprimieren. Diese Beobachtungen zeigen, dass die Rekrutierung antiviraler CD8 T-Zellen in ein peripheres Organ von der direkten Antigenpräsentation auf nicht-hämatopoetischen, infizierten Gewebszellen bestimmt wird.rnIn der vorliegenden Arbeit konnte somit erstmals gezeigt werden, dass trotz viraler Immunevasionsmechanismen nach mCMV-Infektion des immunkompetenten Wirtes und des KMT-Rezipienten die antivirale CD8 T-Zellantwort von der direkten Antigenpräsentation bestimmt wird.

Gene transfer of hepatocyte growth factor by electroporation reduces bleomycin-induced lung fibrosis

Abnormal alveolar wound repair contributes to the development of pulmonary fibrosis after lung injury. Hepatocyte growth factor (HGF) is a potent mitogenic factor for alveolar epithelial cells and may therefore improve alveolar epithelial repair in vitro and in vivo. We hypothesized that HGF could increase alveolar epithelial repair in vitro and improve pulmonary fibrosis in vivo. Alveolar wound repair in vitro was determined using an epithelial wound repair model with HGF-transfected A549 alveolar epithelial cells. Electroporation-mediated, nonviral gene transfer of HGF in vivo was performed 7 days after bleomycin-induced lung injury in the rat. Alveolar epithelial repair in vitro was increased after transfection of wounded epithelial monolayers with a plasmid encoding human HGF, pCikhHGF [human HGF (hHGF) gene expressed from the cytomegalovirus (CMV) immediate-early promoter and enhancer] compared with medium control. Electroporation-mediated in vivo HGF gene transfer using pCikhHGF 7 days after intratracheal bleomycin reduced pulmonary fibrosis as assessed by histology and hydroxyproline determination 14 days after bleomycin compared with controls treated with the same vector not containing the HGF sequence (pCik). Lung epithelial cell proliferation was increased and apoptosis reduced in hHGF-treated lungs compared with controls, suggesting increased alveolar epithelial repair in vivo. In addition, profibrotic transforming growth factor-beta1 (TGF-beta1) was decreased in hHGF-treated lungs, indicating an involvement of TGF-beta1 in hHGF-induced reduction of lung fibrosis. In conclusion, electroporation-mediated gene transfer of hHGF decreases bleomycin-induced pulmonary fibrosis, possibly by increasing alveolar epithelial cell proliferation and reducing apoptosis, resulting in improved alveolar wound repair.

In vivo electroporation and ubiquitin promoter--a protocol for sustained gene expression in the lung

BACKGROUND: Gene therapy applications require safe and efficient methods for gene transfer. Present methods are restricted by low efficiency and short duration of transgene expression. In vivo electroporation, a physical method of gene transfer, has evolved as an efficient method in recent years. We present a protocol involving electroporation combined with a long-acting promoter system for gene transfer to the lung. METHODS: The study was designed to evaluate electroporation-mediated gene transfer to the lung and to analyze a promoter system that allows prolonged transgene expression. A volume of 250 microl of purified plasmid DNA suspended in water was instilled into the left lung of anesthetized rats, followed by left thoracotomy and electroporation of the exposed left lung. Plasmids pCiKlux and pUblux expressing luciferase under the control of the cytomegalovirus immediate-early promoter/enhancer (CMV-IEPE) or human polyubiquitin c (Ubc) promoter were used. Electroporation conditions were optimized with four pulses (200 V/cm, 20 ms at 1 Hz) using flat plate electrodes. The animals were sacrificed at different time points up to day 40, after gene transfer. Gene expression was detected and quantified by bioluminescent reporter imaging (BLI) and relative light units per milligram of protein (RLU/mg) was measured by luminometer for p.Pyralis luciferase and immunohistochemistry, using an anti-luciferase antibody. RESULTS: Gene expression with the CMV-IEPE promoter was highest 24 h after gene transfer (2932+/-249.4 relative light units (RLU)/mg of total lung protein) and returned to baseline by day 3 (382+/-318 RLU/mg of total lung protein); at day 5 no expression was detected, whereas gene expression under the Ubc promoter was detected up to day 40 (1989+/-710 RLU/mg of total lung protein) with a peak at day 20 (2821+/-2092 RLU/mg of total lung protein). Arterial blood gas (PaO2), histological assessment and cytokine measurements showed no significant toxicity neither at day 1 nor at day 40. CONCLUSIONS: These results provide evidence that in vivo electroporation is a safe and effective tool for non-viral gene delivery to the lungs. If this method is used in combination with a long-acting promoter system, sustained transgene expression can be achieved.

Processing of temporal unpredictability in human and animal amygdala

The amygdala has been studied extensively for its critical role in associative fear conditioning in animals and humans. Noxious stimuli, such as those used for fear conditioning, are most effective in eliciting behavioral responses and amygdala activation when experienced in an unpredictable manner. Here, we show, using a translational approach in mice and humans, that unpredictability per se without interaction with motivational information is sufficient to induce sustained neural activity in the amygdala and to elicit anxiety-like behavior. Exposing mice to mere temporal unpredictability within a time series of neutral sound pulses in an otherwise neutral sensory environment increased expression of the immediate-early gene c-fos and prevented rapid habituation of single neuron activity in the basolateral amygdala. At the behavioral level, unpredictable, but not predictable, auditory stimulation induced avoidance and anxiety-like behavior. In humans, functional magnetic resonance imaging revealed that temporal unpredictably causes sustained neural activity in amygdala and anxiety-like behavior as quantified by enhanced attention toward emotional faces. Our findings show that unpredictability per se is an important feature of the sensory environment influencing habituation of neuronal activity in amygdala and emotional behavior and indicate that regulation of amygdala habituation represents an evolutionary-conserved mechanism for adapting behavior in anticipation of temporally unpredictable events.

Aldosterone-induced Sgk1 relieves Dot1a-Af9-mediated transcriptional repression of epithelial Na+ channel alpha.

Aldosterone plays a major role in the regulation of salt balance and the pathophysiology of cardiovascular and renal diseases. Many aldosterone-regulated genes--including that encoding the epithelial Na+ channel (ENaC), a key arbiter of Na+ transport in the kidney and other epithelia--have been identified, but the mechanisms by which the hormone modifies chromatin structure and thus transcription remain unknown. We previously described the basal repression of ENaCalpha by a complex containing the histone H3 Lys79 methyltransferase disruptor of telomeric silencing alternative splice variant a (Dot1a) and the putative transcription factor ALL1-fused gene from chromosome 9 (Af9) as well as the release of this repression by aldosterone treatment. Here we provide evidence from renal collecting duct cells and serum- and glucocorticoid-induced kinase-1 (Sgk1) WT and knockout mice that Sgk1 phosphorylated Af9, thereby impairing the Dot1a-Af9 interaction and leading to targeted histone H3 Lys79 hypomethylation at the ENaCalpha promoter and derepression of ENaCalpha transcription. Thus, Af9 is a physiologic target of Sgk1, and Sgk1 negatively regulates the Dot1a-Af9 repressor complex that controls transcription of ENaCalpha and likely other aldosterone-induced genes.

Gene transfer by viral vectors

To initiate our clinical trial for chemotherapy protection, I established the retroviral vector system for human MDR1 cDNA gene transfer. The human MDR1 cDNA continued to be expressed in the transduced bone marrow cells after four cohorts of serial transplants, 17 months after the initial transduction and transplant. In addition, we used this retroviral vector pVMDR1 to transduce human bone marrow and peripheral blood CD34$\sp+$ cells on stromal monolayer in the presence of hematopoietic growth factors. These data suggest that the retroviral vector pVMDR1 could modify hematopoietic precursor cells with a capacity for long-term self renewal. Thus, it may be possible to use the MDR1 retroviruses to confer chemotherapeutic protection on human normal hematopoietic precursor cells of ovarian and breast cancer patients in whom high doses of MDR drugs may be required to control the diseases.^ Another promising vector system is recombinant adeno-associated virus (rAAV) vector. An impediment to use rAAV vectors is that production of rAAV vectors for clinical use is extremely cumbersome and labor intensive. First I set up the rAAV vector system in our laboratory and then, I focused on studies related to the production of rAAV vectors for clinical use. By using a self-inactivating retroviral vector carrying a selection marker under the control of the CMV immediate early promoter and an AAV genome with the deletion of both ITRs, I have developed either a transient or a stable method to produce rAAV vectors. These methods involve infection only and can generate high-titer rAAV vectors (up to 2 x 10$\sp5$ cfu/ml of CVL) with much less work.^ Although recombinant adenoviral vectors hardly infect early hematopoietic precursor cells lacking $\alpha\sb v\beta\sb5$ or $\alpha\sb v\beta\sb3$ integrin on their surface, but efficiently infect other cells, we can use these properties of adenoviral vectors for bone marrow purging as well as for development of new viral vectors such as pseudotyped retroviral vectors and rAAV vectors. Replacement of self-inactivating retroviral vectors by recombinant adenoviral vectors will facilitate the above strategies for production of new viral vectors. In order to accomplish these goals, I developed a new method which is much more efficient than the current methods to construct adenoviral vectors. This method involves a cosmid vector system which is utilized to construct the full-length recombinant adenoviral vectors in vitro.^ First, I developed an efficient and flexible method for in vitro construction of the full-length recombinant adenoviral vectors in the cosmid vector system by use of a three-DNA fragment ligation. Then, this system was improved by use of a two-DNA fragment ligation. The cloning capacity of recombinant adenoviral vectors constructed by this method to develop recombinant adenoviral vectors depends on the efficiency of transfection only. No homologous recombination is required for development of infectious adenoviral vectors. Thus, the efficiency of generating the recombinant adenoviral vectors by the cosmid method reported here was much higher than that by the in vitro direct ligation method or the in vivo homologous recombination method reported before. This method of the in vitro construction of recombinant adenoviral vectors in the cosmid vector system may facilitate the development of adenoviral vector for human gene therapy. (Abstract shortened by UMI.) ^

Regulation of myogenesis by growth signals -growth factors, oncogenes and protein kinases

Establishment of a myogenic phenotype involves antagonism between cell proliferation and differentiation. The recent identification of the MyoD family of muscle-specific transcription factors provides opportunities to dissect at the molecular level the mechanisms through which defined cell type-specific transcription factors respond to environmental cues and regulate differentiation programs. This project is aimed at elucidation of the molecular mechanism whereby growth factors repress myogenesis. Initial studies demonstrated that nuclear oncogenes such as c-fos, junB and c-jun are immediate early genes that respond to serum and TGF-$\beta$. Using the muscle creatine kinase (MCK) enhancer linked to the reporter gene CAT as a marker for differentiation, we showed that transcriptional function of myogenin can be disrupted in the presence of c-Fos, JunB and cjun. In contrast, JunD, which shares DNA-binding specificity with JunB and c-Jun but is expressed constitutively in muscle cells, failed to show the inhibition. The repression by Fos and Jun is targeted at KE-2 motif, the same sequence that mediates myogenin-dependent activation and muscle-specific transactivation. Deletion analysis indicated that the transactivation domain of c-Jun at the N-terminus is responsible for the repression. Considering that myogenin is a phosphoprotein and cAMP and TPA are able to regulate myogenesis, we examined whether constitutively active protein kinase C (PKC) and protein kinase A (PKA) could substitute for exogenous growth factors and prevent transcription activation by myogenin. Indeed, the basic region of myogenin is phosphorylated by PKC at a threonine that is conserved in all members of the MyoD family. Phosphorylation at this site attenuates DNA binding activity of myogenin. Protein kinase A can also phosphorylate myogenin in a region adjacent to the DNA binding domain. However, phosphorylation at this site is insufficient to abrogate myogenin's DNA binding capacity, suggesting that PKA and PKC may affect myogenin transcriptional activity through different mechanisms. These findings provide insight into the mechanisms through which growth factor signals negatively regulate the muscle differentiation program and contribute to an understanding of signal transducing pathways between the cell membrane and nucleus. ^

Breast cancer -specific activation of topoisomerase IIalpha and its application in the tumor -targeting gene therapy

To ensure the success of systemic gene therapy, it is critical to enhance the tumor specificity and activity of the promoter. In the current study, we identified the breast cancer-specific activity of the topoisomerase IIα promoter. We further showed that cdk2 and cyclin A activate topoisomerase IIα promoter in a breast cancer-specific manner. An element containing an inverted CCAAT box (ICB) was shown to respond this signaling. When the ICB-harboring topoisomerase IIα minimal promoter was linked with an enhancer sequence from the cytomegalovirus immediate early gene promoter (CMV promoter), this composite promoter, CT90, exhibited activity comparable to or higher than the CMV promoter in breast cancer cells in vitro and in vivo, yet expresses much lower activity in normal cell lines and normal organs than the CMV promoter. A CT90-driven construct expressing BikDD, a potent pro-apoptotic gene, was shown to selectively kill breast cancer cells in vitro and to suppress mammary tumor development in an animal model of intravenously administrated, liposome-delivered gene therapy. Expression of BikDD was readily detectable in the tumors but not in the normal organs of CT90-BikDD-treated animals. Finally, we demonstrated that CT90-BikDD treatment potentially enhanced the sensitivity of breast cancer cells to chemotherapeutic agents, especially doxorubicin and taxol. The results indicate that liposomal CT90-BikDD is a novel and effective systemic breast cancer-targeting gene therapy, and its combination with chemotherapy may further improve the current adjuvant therapy for breast cancer. ^