Struktur, Funktion und potentielle Anwendung der PKC- und SNZ,SNO-Promotoren aus Geodia cydonium und Suberites domuncula

Die Schwämme (Porifera) sind eine reiche Quelle bioaktiver Naturstoffe. Viele dieser Naturstoffe besitzen das Potential, als Pharmazeutika, molekulare Sonden usw. eingesetzt oder weiterentwickelt zu werden. Die Beschaffung dieser Naturstoffe in ausreichenden Mengen stellt jedoch eines der größten Probleme bei der Testung und Produktion vielversprechender Substanzen dar. Der Transfer von DNA in Schwammzellen bzw. in komplette Organismen wäre ein vielversprechender Ansatz, dieses Problem zu lösen. Das Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die Funktion und Struktur homologer Promotoren zu untersuchen und eine Methode des Gentransfers in Schwammzellen auszuarbeiten. Zu diesem Zweck wurde zusätzlich zu der bereits vorhandenen 5'-flankierenden Region des conventional PKC-Gens aus Geodia cydonium eine genomische Bibliothek von Suberites domuncula konstruiert, um diese mit Hilfe des DNA-Homologiescreenings nach den 5'-flankierenden Regionen des cPKC- und des SNZ (SnooZe)-Gens (SD_SNZG) zu durchsuchen. Die Klonierung und Sequenzierung sowohl des 5'-Bereichs als auch die Charakterisierung der Exon-Intron Struktur beider Gene wurde erfolgreich durchgeführt. In der 5'-Region des SNZ-Gens konnte dabei ein weiteres Gen (SD_SNO; SNZ proximal Open Reading Frame) identifiziert werden, das in einer 'Kopf-an-Kopf' Anordnung zu SD_SNZG orientiert ist. Sowohl SD_SNZG als auch SD_SNO wurden hochkonservierten Genfamilien zugeordnet, deren Vorkommen in Metazoen hier erstmals beschrieben wird.Funktionelle Studien mit Hilfe der Reportergene Luciferase und Enhanced Green Fluorescent Protein (EGFP) im heterologen System der NIH 3T3 Zellen wiesen sowohl dem cPKC-Promotor aus G. cydonium als auch dem SNZ-Promotor aus S. domuncula eine starke Promotoraktivität im Verhältnis zum SV40-Promotor nach. Die Aktivität des cPKC-Promotors aus S. domuncula dagegen war relativ schwach. Darüber hinaus konnte geklärt werden, daß die 5'-flankierende Region des SNZ-Gens bidirektionale Promotoraktivität aufweist und daß der G. cydonium cPKC-Promotor keine TATA-Box besitzt, sondern eine GC-Box für die basale Funktion benötigt.Als geeignete Methode zur Transfektion von Zellen des Schwamms S. domuncula erwies sich der ballistische Gentransfer mit Hilfe der Gene Gun. Homologe Promotoren konnten die sichtbare Expression des Reportergens EGFP jedoch nicht bewirken. Nur der virale CMV-Promotor erwies sich als hierfür geeignet.

Modulation der Immunogenität von humanen Nierenzellkarzinomzellen durch stabilen TAP1-Gentransfer

Bei Nierenzellkarzinomen (NZK), wie auch bei vielen anderen Tumoren konnte eine reduzierte Expression der Klasse I Haupthistokompatibilitäts-Komplexe (MHC Klasse I) nachgewiesen werden, die assoziiert sein kann mit der gestörten Expression oder Funktion von Komponenten der Antigenprozessierung. Eine verminderte Erkennung solcher Tumore durch zytotoxische T-Lymphozyten und ein Zusammenhang mit einem Fortschreiten der Erkrankung führte zu der Annahme, daß es sich bei diesen Störungen um "immune escape"-Mechanismen handelt. Um die Bedeutung des heterodimeren Peptidtransporters TAP ("transporter associated with antigen processing") für die Immunogenität von Nierenzellkarzinomen zu untersuchen, wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals der stabile Gentransfer des humanen TAP1A-Gens in Nierenzellkarzinom-Zellen erfolgreich durchgeführt.
Dies konnte durch die Optimierung der Transfektionsmethode und des verwendeten Plasmid-Vektors erreicht werden. Die Transfektionen wurden mit Hilfe der Rechteck-Impuls-Elektroporation unter spezifischen, in der Arbeit etablierten Bedingungen durchgeführt. Der CMV-regulierte TAP-Expressions-Vektor wurde dahingehend verbessert, daß durch die Einführung einer IRES ("internal ribosomal entry site") Sequenz eine bicistronische m-RNS transkribiert wird, die sowohl das TAP1-Transgen als auch den Neomycin-Selektionsmarker enthält.
Es konnte nach klonaler Selektion eine stabile, aber unter den sieben getesteten Klonen heterogene Transkription der transgenen TAP1-mRNS nachgewiesen werden. In der Protein-Expression zeigten 5/7 der TAP1A-positive Klone eine mindestens zweifache Induktion der TAP1-Expression. In 2/7 dieser TAP1A-positive Klone war die TAP1-Überexpression mit einer Erhöhung der MHC Klasse I-Expression und selektiver Induktion des HLA-A2-Moleküls in der Durchflußzytometrie verbunden. Eine Quantifizierung des Peptidtransportes ergab je nach verwendetem Modellpeptid eine geringe oder gar keine Erhöhung der Transportrate in den TAP1-Transfektanden gegenüber Kontrollzellen. Ebenfalls konnte in Zytotoxizitäts-Analysen mit einer autologen T-Zellinie eine Erhöhung der spezifischen Lyse nicht gezeigt werden. Jedoch wurden im Zellkultur-Überstand dieser Zytotoxizitäts-Analysen bei einigen TAP1A-positive Transfektanden gegenüber mock transfizierten-Kontrollzellen deutlich erhöhte Werte des Tumornekrose-Faktor-alpha (TNF-alpha) gemessen, was als Maß einer T-Zell-Aktivierung gilt. Diese Ergebnisse sind konsistent mit einer ebenfalls deutlich gesteigerten T-Zell-Proliferation in Anwesenheit von TAP1A-positive Transfektanden.
Die alleinige stabile Überexpression von TAP1 in Nierenzellkarzinomzellen kann somit zu einer Modulation der MHC Klasse I-Expression und der T-Zell-Reaktivität führen. Das weist darauf hin, daß eine starke, konstitutive TAP1-Expression eine grundlegende Voraussetzung für eine effiziente Antigenprozessierung und Immunantwort darstellt und die Immuntoleranz gegenüber NZK durch stabilen TAP1-Gentransfer beinflußbar ist. Eine denkbare klinische Anwendung dieser Technik ist die Herstellung einer Tumorantigen-präsentierenden Zellvakzine, die eine T-Zell-Anergie gegenüber NZK durchbrechen könnte.
Schlüsselwörter: TAP, MHC, Antigenprozessierung, Tumorimmunologie, Gentransfer

Induktion regulatorischer T-Zellen zur Inhibition allergenspezifischer Immunantworten im Mausmodell der Typ I-Allergie

Die Induktion regulatorischer T-Zellen (Treg) spielt im Zusammenhang mit der Kontrolle allergenspezifischer Reaktionen, insbesondere auch im Rahmen einer erfolgreichen Hyposensibilisierung mit hohen Allergendosen, eine zentrale Rolle. In der vorliegenden Arbeit wurden die Mechanismen der Rekrutierung allergenspezifischer Treg daher in einem Mausmodell untersucht, in dem analog zur spezifischen Immuntherapie (SIT) die repetitive Verabreichung von hohen Antigendosen einen IgE-spezifischen Suppressionsmechanismus aktiviert, während die Injektion niedriger Antigendosen eine potente IgE-Antwort induziert. Th1-Zellen sowie konventionelle CD4+CD25+ oder CD8+CD28- Treg konnten als Vermittlerpopulationen des suppressiven Effektes in hochdosig immunisierten Mäusen ausgeschlossen werden. Mittels Transferexperimenten wurden erstmals CD4-CD8- doppelt negative Treg als eine die IgE-Suppression vermittelnde Zellpopulation identifiziert. Desweiteren wurden DNA-Transferexperimente durchgeführt, mit dem Ziel, adaptive Treg zum Zwecke der Inhibition allergenspezifischer Immunreaktionen zu induzieren. Dazu wurden IL-10- bzw. TGF-ß-kodierende Plasmide (pCMV-IL-10, pCMV-TGF-ß) hergestellt und in Kombination mit einem Plasmid, welches das Modellallergen ß-Galaktosidase (ßGal) unter der Kontrolle des DC-spezifischen Fascin-Promotors (pFascin-ßGal) kodierte, Mäusen mit der Genpistole appliziert. Die Expression des Modellallergens in Verbindung mit der konstitutiven Produktion von immunsuppressiven Zytokinen sollte bei den mit den transfizierten DC interagierenden antigenspezifischen T-Zellen zu einer verstärkten Differenzierung von Treg führen. Die Experimente zeigten, dass die Koapplikation von IL-10-kodierenden Plasmiden eine Immunsuppression induziert, die sich in einer verminderten antigenspezifischen Antikörperproduktion, Zytokinproduktion und CTL-Induktion zeigt, die jedoch bei nachfolgender Sensibilisierung mit ßGal-Protein nicht aufrechterhalten werden kann. Dahingegen führte die Koapplikation von TGF-ß-kodierenden Plasmiden verbunden mit einer nachfolgenden Sensibilisierung zu einer leichten Inhibition der IgG1- und IgG2a-Produktion verglichen mit der Vakzinierung mit pFascin-ßGal allein. Dieser inhibitorische Effekt von pCMV-TGF-ß wurde interessanterweise nicht bereits nach der DNA-Immunisierung, sondern erst nach Sensibilisierung mit dem Protein beobachtet.

Inhibition allergenspezifischer Immunantworten im Mausmodell der Typ-I Allergie nach biolistischer Vakzinierung mit allergenkodierenden Plasmiden in Kombination mit für immunmodulatorische Moleküle kodierender Plasmid-DNA

Die Induktion von Toleranz spielt bei der Inhibition allergischer Immunreaktionen eine wichtige Rolle. Hierbei ist die Induktion regulatorischer T Zellen (Treg) von großer Bedeutung. Da zu einer erfolgreichen Behandlung von allergischen Erkrankungen bisher nur wenige Therapiemöglichkeiten zur Verfügung stehen wie die spezifische Immuntherapie (SIT), die allerdings nicht immer zum Erfolg führt, ist es wichtig neue Therapieformen zu entwickeln. rnIn dieser Arbeit wurde daher die biolistische DNA-Immunisierung mit Kombinations-Vakzinen bestehend aus einem allergenkodierenden Plasmid (βGalaktosidase (βGal)) in Kombination mit einem Plasmid, welches für ein immunmodulatorisches Molekül kodiert (Indolamin-2,3-Dioxygenase (IDO), Transforming Growth Factor beta (TGF-β) oder Interleukin-10 (IL-10)), durchgeführt und im Mausmodell der allergeninduzierten IgE-vermittelten Atemwegsinflammation auf ihre Wirksamkeit untersucht. Die Expression des Allergens zusammen mit dem immunregulatorischen Molekül in transfizierten Dendritischen Zellen (DCs) sollte zu einer Induktion von Treg führen und somit eine Suppression der Immunantwort bewirken. rnIn den Versuchen wurde zunächst der Effekt einer Transgenexpression unter der Kontrolle des ubiquitären CMV-Promotors mit dem der Transgenexpression unter der Kontrolle des Fascin-Promotors, der eine Genxpression spezifisch in DCs erlaubt, verglichen. Hierbei stellte sich heraus, dass es wichtig ist die Expression des Antigens mit Hilfe des Fascin-Promotors auf DCs zu beschränken. Einzig in diesem Fall konnte nach der Vakzinierung ein inhibitorischer Effekt auf die Entwicklung einer Atemwegshyperreaktivität durch Expression des Immunmodulatoren IDO beobachtet werden. Es zeigte sich auch, dass es von Vorteil ist, wenn das immunregulatorische Molekül unter Verwendung des CMV-Promotors in allen transfizierten Zellen exprimiert wird. Dies bewirkt, dass IDO in ausreichenden Konzentrationen vorhanden ist. rnDie Expression von βGal unter der Kontrolle des Fascin-Promotors (pFascin-βGal) in Kombination mit der Expression der Moleküle IL-10, TGF-β oder IDO unter Kontrolle des CMV-Promotors (pCMV-IL-10, pCMV-TGFβ, pCMV-IDO) bewirkte eine Immunsupprimierung, die sich in einer inhibierten Produktion antigenspezifischer Antikörper, einer verminderten Zytokin-Produktion, einer reduzierten Induktion zytotoxischer T-Zellen und in einer Inhibition der allergeninduzierten Atemwegshyperreaktivität zeigte, im Vergleich zu einer Vakzinierung mit pFascin-βGal in Kombination mit einem Kontroll-Plasmid. Bei nachfolgender Proteinsensibilisierung blieben diese Effekte jedoch nicht bestehen. Einzig durch Vakzinierung mit IL-10-kodierenden Plasmiden konnte eine moderate Verminderung der Atemwegsreaktivität nachgewiesen werden. rnIn einem therapeutischen Modell der Atemwegsinflammation, in dem die Mäuse vor der DNA-Immunisierung mit dem Protein sensibilisiert wurden, wurde demonstriert, dass im Vergleich zu Mäusen, die nur mit dem Protein sensibilisiert wurden, eine DNA-Immunisierung mit pFascin-βGal aber auch mit pCMV-βGal einen inhibierenden Einfluss auf die Entwicklung einer Atemwegsinflammation hat. Eine weitere Reduktion der Atemwegsreaktivität durch eine kombinierte Vakzinierung mit pCMV-IDO wurde nur erreicht, wenn βGal unter der Kontrolle des Fascin-Promotors exprimiert wurde, nicht aber unter Kontrolle des CMV-Promotors.rn

Antigenspezifische DNA-Immunisierung in Kombination mit IDO-kodierenden Plasmiden zur Therapie der experimentellen Typ I-Allergie

Derzeit stellt die allergenspezifische Immuntherapie die einzige nicht allein antisymptomatische Behandlungsform zur langfristigen Therapie von Typ I-Allergien dar, welche grundlegende Änderungen im immunologischen Geschehen induziert. Sie ist jedoch verbesserungswürdig in Bezug auf Behandlungsdauer, Erfolgschancen und Nebenwirkungen. Daher wurde in dieser Arbeit eine Strategie zur Therapie von Typ I-Allergien entwickelt und evaluiert, welche auf der Inhibition allergenspezifischer T-Zellen durch Dendritische Zellen (DC), die selektiv nach DNA-Immunisierung sowohl das relevante Allergen als auch Indolamin 2,3-dioxygenase (IDO) konstitutiv produzieren, basiert. IDO ist ein Enzym aus dem Tryptophan-Stoffwechsel, dessen Produktion durch DC einen lokalen immunsuppressiven Mechanismus induziert und in verschiedenen Situationen mit der Induktion peripherer Toleranz assoziiert ist. Zunächst wurden Plasmide hergestellt, die entweder IDO alleine oder IDO zusammen mit dem Antigen unter der Kontrolle des ubiquitär aktiven CMV- bzw. des DC-spezifischen Fascin-Promotors kodieren. Die Überprüfung der IDO-Expression durch die monocistronischen Plasmide anhand von Transfektionsexperimenten in vitro ergab, dass die IDO-Expression unter der Kontrolle des CMV-Promotors sehr viel stärker ausfiel als unter der Kontrolle des Fascin-Promotors. Nach Transfektion mit den bicistronischen Vektoren, in denen die Transgene für das Antigen und IDO durch eine IRES-Sequenz verbunden waren, war die IDO-Expression jedoch insgesamt sehr schwach. Im Rahmen der Überprüfung der Funktionalität der IDO-Expressionplasmide in vivo unter Verwendung der Genpistole wurden daher lediglich Plasmide getestet, die alleine IDO unter der Kontrolle des CMV-Promotors bzw. des Fascin-Promotors kodieren. Auch in vivo wurde eine stärkere IDO-Expression nach biolistischer Transfektion mit solchen Vektoren beobachtet, in denen der CMV-Promotor zur Expressionskontrolle verwendet wurde. Die Analyse des Einflusses einer Koexpression von IDO auf die durch biolistische Immunisierung mit einem antigenkodierenden Vektor induzierte systemische Immunantwort offenbarte einen inhibitorischer Effekt für den Fall, dass die Antigenproduktion mittels des Fascin-Promotors auf DC fokussiert war und die Expression des koapplizierten IDO-Transgens unter der Kontrolle des CMV-Promotors stand. In diesem Fall wurde eine Reduktion der antigenspezifischen IgG1- und IgG2a-Produktion, eine verringerte Sekretion von IFN-y durch restimulierte Milz- und Lymphknotenzellen sowie eine Reduktion der Zahl antigenspezifischer CD8+ Effektor-T-Zellen nachgewiesen. Im Mausmodell der IgE-vermittelten Typ I-Allergie wurde weiterhin gezeigt, dass nach prophylaktischer biolistischer Vakzinierung unter Verwendung dieser Vektorkombination eine Inhibition der durch die Vakzinierung bedingten antigenspezifischen Th1-Immunantwort ausgelöst wurde. Die Suppression der Th2-Antwort, welche durch Transfektion mit dem Antigenkodierenden Vektor unter Kontrolle des Fascin-Promotors bewirkt wurde, wurde durch Kotransfektion mit den IDO-kodierenden Vektoren aufrecht erhalten.

Induktion tolerogener dendritischer Zellen zur Suppression von experimenteller autoimmuner Enzephalomyelitis und Kontaktallergie

Dendritische Zellen (DC) spielen als professionelle antigenpräsentierende Zellen (APC) eine zentrale Rolle in der Aktivierung und Regulierung antigenspezifischer Immunantworten. Aus diesem Grund wird der therapeutische Einsatz von DC zur Behandlung von Autoimmunerkrankungen und Allergien sowie zur Tumorbekämpfung erforscht. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit untersuchten wir das Potenzial einer biolistischen DNA-Vakzinierung zur Induktion tolerogener DC in vivo. Im Tiermodell der Myelin-Oligodendrozyten-Glykoprotein Peptid 35-55 (MOGp35-55) induzierten experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE) sollte mittels präventiver biolistischer Kovakzinierung von Plasmid-DNA kodierend für MOG und die immunregulatorischen Zytokine TGFβ oder IL-10 eine protektive Immunität induziert werden. Die MOG-Expression stand dabei entweder unter der Kontrolle des ubiquitär aktiven CMV-Promotors oder des murinen Fascin-Promotors, um eine ektopische MOG-Expression spezifisch in dermalen DC und Langerhanszellen zu erreichen. Dass MOGp35-55-präsentierende DC nach biolistischer DNA-Vakzinierung von der Haut in die drainierenden Lymphknoten migrieren und dort T-Zellen aktivieren, konnte im Vorfeld anhand einer substanziellen Proliferation von MOGp35-55-reaktiven 2D2 T-Zellen nachgewiesen werden. Im präventiven Ansatz der MOGp35-55-induzierten EAE zeigten Mäuse, die mit MOG-kodierenden Plasmiden biolistisch transfiziert wurden, eine leicht reduzierte EAE-Symptomatik. Die Kotransfektion von MOG und TGFβ führte zu einer Verstärkung der EAE-Suppression – unabhängig davon, ob die MOG-Expression unter der Kontrolle des CMV- oder des Fascin-Promotors stand. Interessanterweise resultierte die Koapplikation von MOG- und IL-10-kodierender Plasmid-DNA nur bei DC-fokussierter MOG-Expression zu reduzierter EAE-Symptomatik. Für biolistische DNA-Vakzinierungen stellt somit der Fascin-Promotor eine potente Alternative zu viralen Promotoren dar. Entsprechend der milderen EAE-Symptome beobachteten wir bei behandelten EAE-Mäusen einen geringeren Grad an Demyelinisierung sowie eine reduzierte Infiltration des ZNS mit IFNγ-produzierenden CD4+ Th1- und IL-17-produzierenden CD4+ Th17-Zellen. Desweiteren zeigten Milzzellen ex vivo nach MOGp35-55-Restimulation eine inhibierte Proliferation und eine signifikant reduzierte IFNγ- und IL-17-Zytokinproduktion. Überraschenderweise ging die antigenspezifische Immunsuppression nicht mit der Expansion von Foxp3+ regulatorischen T-Zellen einher. Da die Milzen aber erhöhte Mengen an CD8+IFNγ+ T-Zellen aufweisen, könnte ein zytotoxisch-suppressiver Mechanismus für die Inhibition der Th1- und Th17-Immunantwort verantwortlich sein. Nachfolgende Untersuchungen sind notwendig, um die induzierten immunologischen Mechansimen mittels biolistischer DNA-Vakzinierung aufzuklären. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Generierung von tolerogenen DC in vitro. Dafür wurden murine Knochenmarkszellen unter DC-differenzierenden Bedingungen in Gegenwart des synthetischen Glucocorticoids Dexamethason (DEX) kultiviert. Die DEX-Zugabe führte zur Differenzierung von APC mit geringer CD11c-Expression. DEX-APC waren in vitro weitestgehend gegen LPS stimulierungsresistent und zeigten eine reduzierte Expression von MHC-II und den kostimulatorischen Molekülen CD80, CD86 und CD40. Ihrem tolerogenen Phänotyp entsprechend besaßen DEX-APC ein geringeres syngenes T-Zellstimulierungspotenzial als unbehandelte BM-DC. Anhand der erhöhten Oberflächenexpression von CD11b, GR1 und F4/80 besteht eine phänotypische Ähnlichkeit zu myeloiden Suppressorzellen. Die Fähigkeit von DEX-APC in vivo antigenspezifische Toleranz zu induzieren, wurde durch einen therapeutischen Ansatz im murinen Krankheitsmodell der Kontaktallergie überprüft. Die therapeutische Applikation von DEX-APC führte hierbei im Vergleich zur Applikation von PBS oder unbehandelten BM-DC zu einer signifikant reduzierten Ohrschwellungsreaktion. Zusammenfassend demonstrieren die Ergebnisse dieser Arbeit, dass potente tolerogene DC sowohl in vivo als auch in vitro induziert werden können. Dass diese Zellpopulation effektiv antigenspezifische Immunreaktionen supprimieren kann, macht sie zu einem vielversprechenden Werkzeug in der Behandlung von Autoimmunerkrankungen und Allergien.rn

Electroporation enhances reporter gene expression following delivery of naked plasmid DNA to the lung

BACKGROUND: Existing methods of non-viral airway gene transfer suffer from low levels of efficiency. Electroporation has been used to enhance gene transfer in a range of tissues. Here we assess the usefulness of electroporation for enhancing gene transfer in the lungs of mice and sheep. METHODS: Naked plasmid DNA (pDNA) expressing either luciferase or green fluorescent protein (GFP) was delivered to mouse lungs by instillation. Following surgical visualisation, the lungs were directly electroporated and the level and duration of luciferase activity was assessed and cell types that were positive for GFP were identified in lung cryosections. Naked pDNA was nebulised to the sheep lung and electrodes attached to the tip of a bronchoscope were used to electroporate airway segment bifurcations, Luciferase activity was assessed in electroporated and control non-electroporated regions, after 24 h. RESULTS: Following delivery of naked pDNA to the mouse lung, electroporation resulted in up to 400-fold higher luciferase activity than naked pDNA alone when luciferase was under the control of a cytomegalovirus (CMV) promoter. Following delivery of a plasmid containing the human polyubiquitin C (UbC) promoter, electroporation resulted in elevated luciferase activity for at least 28 days. Visualisation of GFP indicated that electroporation resulted in increased GFP detection compared with non-electroporated controls. In the sheep lung electroporation of defined sites in the airways resulted in luciferase activity 100-fold greater than naked pDNA alone. CONCLUSIONS: These results indicate that electroporation can be used to enhance gene transfer in the lungs of mice and sheep without compromising the duration of expression.

Postnatal Notch1 activation induces T‑cell malignancy in conditional and inducible mouse models

The Notch1 signaling pathway is essential for hematopoietic development. However, the effects of postnatal activation of Notch1 signaling on hematopoietic system is not yet fully understood. We previously generated ZEG‑IC‑Notch1 transgenic mice that have a floxed β‑geo/stop signal between a CMV promoter and intracellular domain of Notch1 (IC‑Notch1). Constitutively active IC‑Notch1 is silent until the introduction of Cre recombinase. In this study, endothelial/hematopoietic specific expression of IC‑Notch1 in double transgenic ZEG‑IC‑Notch1/Tie2‑Cre embryos induced embryonic lethality at E9.5 with defects in vascular system but not in hematopoietic system. Inducible IC‑Notch1 expression in adult mice was achieved by using tetracycline regulated Cre system. The ZEG‑IC‑Notch1/Tie2‑tTA/tet‑O‑Cre triple transgenic mice survived embryonic development when maintained on tetracycline. Post‑natal withdrawal of tetracycline induced expression of IC‑Notch1 transgene in hematopoietic cells of adult mice. The triple transgenic mice displayed extensive T‑cell infiltration in multiple organs and T‑cell malignancy of lymph nodes. In addition, the protein levels of p53 and alternative reading frame (ARF) were decreased in lymphoma‑like neoplasms from the triple transgenic mice while their mRNA expression remained unchanged, suggesting that IC‑Notch1 might repress ARF‑p53 pathway by a post‑transcriptional mechanism. This study demonstrated that activation of constitutive Notch1 signaling after embryonic development alters adult hematopoiesis and induces T‑cell malignancy.

Mechanism of methylation gene reactivation in human cancer cells

Epigenetic silencing of tumor suppressor genes by DNA hypermethylation at promoter regions is a common event in carcinogenesis and tumor progression. Abrogation of methylation and reversal of epigenetic silencing is a very potent way in cancer treatment. However, the reactivation mechanisms are poorly understood. In this study, we first developed a cell line model system named YB5, derived from SW48 cancer cell line, which bears one copy of stably integrated EGFP gene on Chromosome 1p31.1 region. The GFP gene expression is transcriptionally silenced due to the hypermethylated promoter CMV. However, the GFP expression can be restored using demethylating agent 5-aza-2' deoxycytidine (DAC), and detected by FACS and fluorescent microscopy. Using this system, we observed the heterogeneous reactivation induced by DAC treatment. After flow sorting, GFP negative cells exhibited similar level of incomplete demethylation compared to GFP positive cells on repetitive LINE1 element, tumor suppressor genes such as P16, CDH13, and RASSF1a, and CMV promoter as well. However, the local chromatin of CMV-GFP locus altered to an open structure marked by high H3 lysine 9 acetylation and low H3 lysine 27 tri-methylation in GFP positive cells, while the GFP negative cells retained mostly the original repressive marks. Thus, we concluded that DAC induced DNA hypomethylation alone does not directly determine the level of re-expression, and the resetting of the local chromatin structure under hypomethylation environment is required for gene reactivation. Besides, a lentivirus vector-based shRNA screening was performed using the YB5 system. Although it is the rare chance that vector lands in the neighboring region of GFP, we found that the exogenous vector DNA inserted into the upstream region of GFP gene locus led to the promoter demethylation and reactivated the silenced GFP gene. Thus, epigenetic state can be affected by changing of the adjacent nucleic acid sequences. Further, this hypermethylation silenced system was utilized for epigenetic drug screening. We have found that DAC combined with carboplatin would enhance the GFP% yield and increase expression of other tumor suppressor genes than DAC alone, and this synergistic effect may be related to DNA repair process. In summary, these studies reveal that reversing of methylation silencing requires coordinated alterations of DNA methylation, chromatin structure, and local microenvironment. ^

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. ^

Sustained secretion of human alpha-1-antitrypsin from murine muscle transduced with adeno-associated virus vectors

Recombinant adeno-associated virus (AAV) vectors have been used to transduce murine skeletal muscle as a platform for secretion of therapeutic proteins. The utility of this approach for treating alpha-1-antitrypsin (AAT) deficiency was tested in murine myocytes in vitro and in vivo. AAV vectors expressing the human AAT gene from either the cytomegalovirus (CMV) promoter (AAV-C-AT) or the human elongation factor 1-α promoter (AAV-E-AT) were examined. In vitro in C2C12 murine myoblasts, the expression levels in transient transfections were similar between the two vectors. One month after transduction, however, the human elongation factor 1 promoter mediated 10-fold higher stable human AAT expression than the CMV promoter. In vivo transduction was performed by injecting doses of up to 1.4 × 1013 particles into skeletal muscles of several mouse strains (C57BL/6, BALB/c, and SCID). In vivo, the CMV vector mediated higher levels of expression, with sustained serum levels over 800 μg/ml in SCID and over 400 μg/ml in C57BL/6 mice. These serum concentrations are 100,000-fold higher than those previously observed with AAV vectors in muscle and are at levels which would be therapeutic if achieved in humans. High level expression was delayed for several weeks but was sustained for over 15 wk. Immune responses were dependent upon the mouse strain and the vector dosage. These data suggest that recombinant AAV vector transduction of skeletal muscle could provide a means for replacing AAT or other essential serum proteins but that immune responses may be elicited under certain conditions.

NF-κB mediates proteolysis-inducing factor induced protein degradation and expression of the ubiquitin-proteasome system in skeletal muscle

Loss of skeletal muscle in cancer cachexia has a negative effect on both morbidity and mortality. The role of nuclear factor-κB (NF-κB) in regulating muscle protein degradation and expression of the ubiquitin-proteasome proteolytic pathway in response to a tumour cachectic factor, proteolysis-inducing factor (PIF), has been studied by creating stable, transdominant-negative, muscle cell lines. Murine C2C12 myoblasts were transfected with plasmids with a CMV promoter that had mutations at the serine phosphorylation sites required for degradation of I-κBα, an NF-κB inhibitory protein, and allowed to differentiate into myotubes. Proteolysis-inducing factor induced degradation of I-κBα, nuclear accumulation of NF-κB and an increase in luciferase reporter gene activity in myotubes containing wild-type, but not mutant, I-κBα, proteins. Proteolysis-inducing factor also induced total protein degradation and loss of the myofibrillar protein myosin in myotubes containing wild-type, but not mutant, plasmids at the same concentrations as those causing activation of NF-κB. Proteolysis-inducing factor also induced increased expression of the ubiquitin-proteasome pathway, as determined by 'chymotrypsin-like' enzyme activity, the predominant proteolytic activity of the β-subunits of the proteasome, protein expression of 20S α-subunits and the 19S subunits MSSI and p42, as well as the ubiquitin conjugating enzyme, E214k, in cells containing wild-type, but not mutant, I-κBα. The ability of mutant I-κBα to inhibit PIF-induced protein degradation, as well as expression of the ubiquitin-proteasome pathway, confirms that both of these responses depend on initiation of transcription by NF-κB. © 2005 Cancer Research UK.

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.

Defining the flammability of cylindrical metal rods through characterization of the thermal effects of the ignition promoter

All relevant international standards for determining if a metallic rod is flammable in oxygen utilize some form of “promoted ignition” test. In this test, for a given pressure, an overwhelming ignition source is coupled to the end of the test sample and the designation flammable or nonflammable is based upon the amount burned, that is, a burn criteria. It is documented that (1) the initial temperature of the test sample affects the burning of the test sample both (a) in regards to the pressure at which the sample will support burning (threshold pressure) and (b) the rate at which the sample is melted (regression rate of the melting interface); and, (2) the igniter used affects the test sample by heating it adjacent to the igniter as ignition occurs. Together, these facts make it necessary to ensure, if a metallic material is to be considered flammable at the conditions tested, that the burn criteria will exclude any region of the test sample that may have undergone preheating during the ignition process. A two-dimensional theoretical model was developed to describe the transient heat transfer occurring and resultant temperatures produced within this system. Several metals (copper, aluminum, iron, and stainless steel) and ignition promoters (magnesium, aluminum, and Pyrofuze®) were evaluated for a range of oxygen pressures between 0.69 MPa (100 psia) and 34.5 MPa (5,000 psia). A MATLAB® program was utilized to solve the developed model that was validated against (1) a published solution for a similar system and (2) against experimental data obtained during actual tests at the National Aeronautics and Space Administration White Sands Test Facility. The validated model successfully predicts temperatures within the test samples with agreement between model and experiment increasing as test pressure increases and/or distance from the promoter increases. Oxygen pressure and test sample thermal diffusivity were shown to have the largest effect on the results. In all cases evaluated, there is no significant preheating (above about 38°C/100°F) occurring at distances greater than 30 mm (1.18 in.) during the time the ignition source is attached to the test sample. This validates a distance of 30 mm (1.18 in.) above the ignition promoter as a burn length upon which a definition of flammable can be based for inclusion in relevant international standards (that is, burning past this length will always be independent of the ignition event for the ignition promoters considered here. KEYWORDS: promoted ignition, metal combustion, heat conduction, thin fin, promoted combustion, burn length, burn criteria, flammability, igniter effects, heat affected zone.