Expression profiling und rationale Expressionsoptimierung am Beispiel eines prokaryontischen Wirt-,Vektor-Systems

Durch globale Expressionsprofil-Analysen auf Transkriptom-, Proteom- oder Metabolom-Ebene können biotechnologische Produktionsprozesse besser verstanden und die Erkenntnisse für die zielgerichtete, rationale Optimierung von Expressionssystemen genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Überexpression einer Glukose-Dehydrogenase (EC 1.1.5.2), die von der Roche Diagnostics GmbH für die diagnostische Anwendung optimiert worden war, in Escherichia coli untersucht. Die Enzymvariante unterscheidet sich in sieben ihrer 455 Aminosäuren vom Wildtyp-Enzym und wird im sonst isogenen Wirt-/Vektor-System in signifikant geringeren Mengen (Faktor 5) gebildet. Das prokaryontische Expressionssystem wurde auf Proteom-Ebene charakterisiert. Die 2-dimensionale differenzielle Gelelektrophorese (DIGE) wurde zuvor unter statistischen Aspekten untersucht. Unter Berücksichtigung von technischen und biologischen Variationen, falsch-positiven (α-) und falsch-negativen (β-) Fehlern sowie einem daraus abgeleiteten Versuchsdesign konnten Expressionsunterschiede als signifikant quantifiziert werden, wenn sie um den Faktor ≥ 1,4 differierten. Durch eine Hauptkomponenten-Analyse wurde gezeigt, dass die DIGE-Technologie für die Expressionsprofil-Analyse des Modellsystems geeignet ist. Der Expressionsstamm für die Enzymvariante zeichnete sich durch eine höhere Variabilität an Enzymen für den Zuckerabbau und die Nukleinsäure-Synthese aus. Im Expressionssystem für das Wildtyp-Enzym wurde eine unerwartet erhöhte Plasmidkopienzahl nachgewiesen. Als potenzieller Engpass in der Expression der rekombinanten Glukose-Dehydrogenase wurde die Löslichkeitsvermittlung identifiziert. Im Expressionsstamm für das Wildtyp-Enzym wurden viele Proteine für die Biogenese der äußeren Membran verstärkt exprimiert. Als Folge dessen wurde ein sog. envelope stress ausgelöst und die Zellen gingen in die stationäre Wuchsphase über. Die Ergebnisse der Proteomanalyse wurden weiterführend dazu genutzt, die Produktionsleistung für die Enzymvariante zu verbessern. Durch den Austausch des Replikationsursprungs im Expressionsvektor wurde die Plasmidkopienzahl erhöht und die zelluläre Expressionsleistung für die diagnostisch interessantere Enzymvariante um Faktor 7 - 9 gesteigert. Um die Löslichkeitsvermittlung während der Expression zu verbessern, wurde die Plasmidkopienzahl gesenkt und die Coexpression von Chaperonen initiiert. Die Ausbeuten aktiver Glukose-Dehydrogenase wurden durch die Renaturierung inaktiven Produkts aus dem optimierten Expressionssystem insgesamt um einen Faktor von 4,5 erhöht. Somit führte im Rahmen dieser Arbeit eine proteombasierte Expressionsprofil-Analyse zur zielgerichteten, rationalen Expressionsoptimierung eines prokaryontischen Modellsystems.

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

Genexpressionsanalyse boviner mesenchymaler Stammzellen und deren in-vitro-differenzierten Folgelinien

Mesenchymale Stamzellen (MSC) sind Vertreter der adulten Stammzellen. Sie bergen durch ihre große Plastizität ein immenses Potential für die klinische Nutzung in Form von Stammzelltherapien. Zellen dieses Typs kommen vornehmlich im Knochenmark der großen Röhrenknochen vor und können zu Knochen, Knorpel und Fettzellen differenzieren. MSC leisten einen wichtigen Beitrag im Rahmen regenerativer Prozesse, beispielsweise zur Heilung von Frakturen. Breite Studien demonstrieren bereits jetzt auch bei komplexeren Erkrankungen (z.B. Osteoporose) therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Oft kommen hierbei aus MSC gezielt differenzierte Folgelinien aus Zellkulturen zum Einsatz. Dies bedingt eine kontrollierte Steuerung der Differenzierungsprozesse in vitro. Der Differenzierung einer Stammzelle liegt eine komplexe Veränderung ihrer Genexpression zugrunde. Genexpressionsmuster zur Erhaltung und Proliferation der Stammzellen müssen durch solche, die der linienspezifischen Differenzierung dienen, ersetzt werden. Die mit der Differenzierung einhergehende, transkriptomische Neuausrichtung ist für das Verständnis der Prozesse grundlegend und wurde bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine transkriptomweite und vergleichende Genexpressionsanalyse Mesenchymaler Stammzellen und deren in vitro differenzierten Folgelinien mittels Plasmid - DNA Microarrays und Sequenziertechniken der nächsten Generation (RNA-Seq, Illumina Plattform). In dieser Arbeit diente das Hausrind (Bos taurus) als Modellorganismus, da es genetisch betrachtet eine hohe Ähnlichkeit zum Menschen aufweist und Knochenmark als Quelle von MSC gut verfügbar ist. Primärkulturen Mesenchymaler Stammzellen konnten aus dem Knochenmark von Rindern erfolgreich isoliert werden. Es wurden in vitro Zellkultur - Versuche durchgeführt, um die Zellen zu Osteoblasten, Chondrozyten und Adipozyten zu differenzieren. Zur Genexpressionsanalyse wurde RNA aus jungen MSC und einer MSC Langzeitkultur („alte MSC“), sowie aus den differenzierten Zelllinien isoliert und für nachfolgende Experimente wo nötig amplifiziert. Der Erfolg der Differenzierungen konnte anhand der Genexpression von spezifischen Markergenen und mittels histologischer Färbungen belegt werden. Hierbei zeigte sich die Differenzierung zu Osteoblasten und Adipozyten erfolgreich, während die Differenzierung zu Chondrozyten trotz diverser Modifikationen am Protokoll nicht erfolgreich durchgeführt werden konnte. Eine vergleichende Hybridisierung zur Bestimmung differentieller Genexpression (MSC vs. Differenzierung) mittels selbst hergestellter Plasmid - DNA Microarrays ergab für die Osteogenese mit Genen wie destrin und enpp1, für die undifferenzierten MSC mit dem Gen sema3c neue Kandidatengene, deren biologische Funktion aufzuklären in zukünftigen Experimenten vielversprechende Ergebnisse liefern sollte. Die Analyse der transkriptomweiten Genexpression mittels NGS lieferte einen noch umfangreicheren Einblick ins Differenzierungsgeschehen. Es zeigte sich eine hohe Ähnlichkeit im Expressionsprofil von jungen MSC und Adipozyten, sowie zwischen den Profilen der alten MSC (eine Langzeitkultur) und Osteoblasten. Die alten MSC wiesen deutliche Anzeichen für eine spontane Differenzierung in die osteogene Richtung auf. Durch Analyse der 100 am stärksten exprimierten Gene jeder Zelllinie ließen sich für junge MSC und Adipozyten besonders Gene der extrazellulären Matrix (z.B col1a1,6 ; fn1 uvm.) auffinden. Sowohl Osteoblasten, als auch die alten MSC exprimieren hingegen verstärkt Gene mit Bezug zur oxidativen Phosphorylierung, sowie ribosomale Proteine. Eine Betrachtung der differentiellen Genexpression (junge MSC vs. Differenzierung) mit anschließender Pathway Analyse und Genontologie Anreicherungsstatistik unterstützt diese Ergebnisse vor allem bei Osteoblasten, wo nun jedoch zusätzlich auch Gene zur Regulation der Knochenentwicklung und Mineralisierung in den Vordergrund treten. Für Adipozyten konnte mit Genen des „Jak-STAT signaling pathway“, der Fokalen Adhäsion, sowie Genen des „Cytokine-cytokine receptor interaction pathway“ sehr spannende Einsichten in die Biologie dieses Zelltyps erlangt werden, die sicher weiterer Untersuchungen bedürfen. In undifferenzierten MSC konnte durch differentielle Genexpressionsanalyse die Rolle des nicht kanonischen Teils des WNT Signalweges als für die Aufrechterhaltung des Stammzellstatus potentiell äußerst einflussreich ermittelt werden. Die hier diskutierten Ergebnisse zeigen beispielhaft, dass besonders mittels Genexpressionsanalyse im Hochdurchsatzverfahren wertvolle Einblicke in die komplexe Biologie der Stammzelldifferenzierung möglich sind. Als Grundlage für nachfolgende Arbeiten konnten interessante Gene ermittelt und Hypothesen zu deren Einfluss auf Stammzelleigenschaften und Differenzierungsprozesse aufgestellt werden. Um einen besseren Einblick in den Differenzierungsverlauf zu ermöglichen, könnten künftig NGS Analysen zu unterschiedlichen Differenzierungszeitpunkten durchgeführt werden. Zudem wären weitere Anstrengungen zur erfolgreichen Etablierung der chondrogenen Differenzierung zur vollständigen Analyse der Genexpression des trilinearen Differenzierungspotentials von MSC wünschenswert.