Studio del pathway della Displasia Ectodermica Anidrotica (EDA)

Anhidrotic Ectodermal Dysplasia (EDA), is the most frequent form among Ectodermal Dysplasias, hereditary genetic disorders causing ectodermal appendages defective development. Indeed, EDA is characterized by defective formation of hair follicles, sweat glands and teeth both in human patients and animals. EDA, the gene mutated in Anhidrotic Ectodermal Dysplasia, encodes Ectodysplasin, a TNF family member that activates NF-kB mediated transcription. This disease can occur with mutations in other EDA-NF-kB pathway members, as EDA receptor, EDAR and its adapter, EDARADD. Moreover, mutations in TRAF6, NEMO, IKB and NF-kBs genes are responsible for Immunodeficiency associated EDA (EDA-ID). Several molecules, as SHH, WNT/DKK, BMP and LTβ, have already been reported to be EDA pathway regulators or effectors although the knowledge of the full spectrum of EDA targets remains incomplete. During the first part of the research project a gene expression analysis was performed in primary keratinocytes from Wild-type and Tabby (EDA model mouse) mice to identify novel EDA target genes. Earlier expression profiling at various developmental time points in Tabby and Wild-type mouse skin reported genes differentially expressed in the two samples and, to increase the resolution to find genes whose expression may be restricted to epidermal cells, the study was extended to primary keratinocyte cultures established from E19 Wild-type and Tabby skin. Using microarrays bearing 44,000 gene probes, we found 385 “preliminary candidate” genes whose expression was significantly affected by Eda defect. By comparing expression profiles to those from Eda-A1 (where Eda-A1 is highly expressed) transgenic skin, we restricted the list to 38 “candidate EDA targets”, 14 of which were already known to be expressed in hair follicles or epidermis. This work confirmed expression changes for 3 selected genes, Tbx1, Bmp7, and Jag1, both in primary keratinocytes and in Wild-type and Tabby whole skin, by Q-PCR and Western blotting analyses. Thus, this study detected novel candidate pathways downstream of EDA. In the second part of the research project, plasmid constructs were produced and analyzed to create a transgenic mouse model for Immunodeficiency associated EDA disease (XL-EDA-ID). In particular, plasmids containing mouse Wild-type and mutated Nemo cDNA under K-17 epidermis-specific promoter control and a Flag tag, were prepared, on the way to confine transgene expression to mice epidermis and to determine EDA phenotype without immunodeficiency for a comparison to Tabby model phenotype. EDA-ID mutations reported in patients and selected for this study are: C417R (C409R in mouse), causing Zinc Finger protein domain destabilization and A288G (A282G in mouse) affecting oligomerization of the protein. Moreover, the ex-novo mutation, ZnF, C-terminal Zinc Finger domain deletion, was tested. Thus, the constructs were analyzed by transient transfection, Western blotting and luciferase assays techniques, detecting Nemo Wild-type and mutant protein products and residue NF-kB activity in presence of mutants, after TNF stimulation. In particular, MEF_Nemo-/- cell line was used to monitor NF-kB activity without endogenous Nemo gene. Results show reduced NF-kB activity in presence of mutated Nemo forms compared to Wild-type: 81% for A282G (A288G in human); 24% for C409R (C417R in human); 15% for ZnF. C409R mutation (C417R in human), reported in 6 EDA-ID human patients, was selected to prepare transgenic model mouse. Mice (white, FVP) born following K17-promoter-Flag-Nemo_C409R plasmid region pronuclear injection, were analyzed for the transgene presence in the genotype and a preliminar examination of their phenotype was performed. In particular, one mouse showed considerable coat defects if compared to Wild-type mice. This preliminar analysis suggests a possible influence of Nemo mutant over-expression in epidermis without immunodeficiency. Still, more microscopic studies to analyze hair subtypes, Guard, Awl and Zigzag (usually alterated inTabby mouse model), Immunohistochemistry experiments to detect epidermis restricted Nemo expression and sweat glands analysis, will follow. This and other transgene positive mice will be crossed with black mice C57BL6 to obtain at least two indipendent agouti lines to analyze. Theses mice will be used in EDA target genes detection through microarrays. Following, plasmid constructs containing other Nemo mutant forms (A282G and ZnF) might be studied by the same experimental approaches to prepare more transgenic model mice to compare to Nemo_C409R and Tabby mouse models.

Immunoconiugati contenenti tossine vegetali o siRNA per la deplezione selettiva di cellule leucemiche. Preparazione, citotossicità e studi di mutagenesi sito-specifica.

CD33 is a myeloid cell surface marker absent on normal hematopoietic stem cells and normal tissues but present on leukemic blasts in 90% of adult and paediatric acute myeloid leukaemia (AML) cases. By virtue of its expression pattern and its ability to be rapidly internalized after antibody binding, CD33 has become an attractive target for new immunotherapeutic approaches to treat AML. In this study two immunoconjugates were constructed to contain a humanised single-chain fragment variable antibody (scFv) against CD33 in order to create new antibody-derived therapeutics for AML. The first immunoconjugate was developed to provide targeted delivery of siRNAs as death effectors into leukemic cells. To this purpose, a CD33-specific scFv, modified to include a Cys residue at its C-terminal end (scFvCD33-Cys), was coupled through a disulphide bridge to a nona-d-arginine (9R) peptide carrying a free Cys to the N-terminal. The scFvCD33-9R was able to completely bind siRNAs at a protein to nucleic acid ratio of about 10:1, as confirmed by electrophoretic gel mobility-shift assay. The conjugate was unable to efficiently transduce cytotoxic siRNA (siTox) into the human myeloid cell line U937. We observed slight reductions in cell viability, with a reduction of 25% in comparison to the control group only at high concentration of siTox (300 nM). The second immunoconjugate was constructed by coupling the scFvCD33-Cys to the type 1 ribosome inactivating protein Dianthin 30 (DIA30) through a chemical linking The resulting immunotoxin scFvCD33-DIA30 caused the rapid arrest of protein synthesis, inducing apoptosis and leading ultimately to cell death. In vitro dose-dependent cytotoxicity assays demonstrated that scFvCD33-DIA30 was specifically toxic to CD33-positive cell U937. The concentration needed to reach 50 % of maximum killing efficiency (EC50) was approximately 0.3 nM. The pronounced antigen-restricted cytotoxicity of this novel agent makes it a candidate for further evaluation of its therapeutic potential.

Der Einfluss der regulierten Expression der onkogenen Kinase PKB,Akt auf die T-Zell-vermittelte Tumorabstoßung

Eine wesentliche Voraussetzung für die maligne Transformation von Zellen ist die Inaktivierung des programmierten Zelltodes (Apoptose). Die dabei erworbenen Defekte der Apoptose-Signalwege führen häufig zu Resistenzen gegenüber Radio- und Chemotherapien. Immuntherapeutische Ansätze haben zum Ziel, solche resistenten Tumorzellen spezifisch zu entfernen. Resistenzen gegenüber Immuntherapien können wiederum in einer gestörten Immunerkennung der Tumorzellen oder deren Resistenz gegenüber Immuneffektormechanismen begründet sein. Ziel der vorliegenden Arbeit war, zu überprüfen, ob durch Proteinkinase B (PKB)/Akt Immunresistenz vermittelt werden kann. Hierbei zeigte sich, dass die Aktivierung des PKB/Akt-Signalweges in Tumorzellen einen deutlichen Schutz gegenüber verschiedenen Apoptosestimuli in vitro vermittelt. Die konditionale Aktivierung von PKB/Akt hemmte sowohl die pharmakologisch, als auch die durch ZTL induzierte Apoptose-Signalkaskade über eine posttranskriptionelle Stabilisierung des anti-apoptotischen Proteins MCL-1. Diese Beobachtung konnte auch in einem murinen Tumorimmuntherapiemodell in vivo bestätigt werden. Unstimulierte Splenozyten von C57Bl/6-Mäusen wurden adoptiv in NOD/SCID-Mäuse mit etablierten, PKB/Akt-exprimierenden, murinen Fibrosarkomen transferiert. Die konditionale Aktivierung von PKB/Akt inhibierte den tumorsuppressiven Effekt dieser transplantierten Splenozyten signifikant. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die PKB/Akt-abhängige Immunresistenz auch in vivo durch anti-apoptotisches MCL-1 vermittelt wird. PKB/Akt-exprimierende Fibrosarkome mit supprimierter endogener MCL-1-Expression verloren ihre Resistenz gegenüber der durch adoptiven Splenozytentransfer vermittelten Tumorsuppression. Dies bestätigte endogenes MCL-1 als entscheidenden Faktor der PKB/Akt-vermittelten Immunresistenz. Ferner konnte gezeigt werden, dass eine Hemmung der PKB/Akt-induzierten Signaltransduktion auf der Ebene der nachgeschalteten Kinase mTOR etablierte Fibrosarkome gegenüber adoptiver Lymphozytentherapie sensitiviert. Der mTOR-Inhibitor Rapamycin verhinderte die PKB/Akt-induzierte Aufregulation von MCL-1 und die damit einhergehende Resistenzentwicklung in vivo. Zusammengefasst wurde erstmalig gezeigt, dass eine Deregulation des PKB/Akt-Signalweges Resistenz gegenüber immunologischer Tumorsuppression vermitteln kann. PKB/Akt stellt somit ein entscheidendes Zielmolekül für die Verbesserung von Krebsimmuntherapien dar.

Studio del ruolo della Protein chinasi B/Akt nella migrazione di Cellule Staminali Mesenchimali umane

Le cellule staminali/stromali mesenchimali umane (hMSC) sono attualmente applicate in diversi studi clinici e la loro efficacia è spesso legata alla loro capacità di raggiungere il sito d’interesse. Poco si sa sul loro comportamento migratorio e i meccanismi che ne sono alla base. Perciò, questo studio è stato progettato per comprendere il comportamento migratorio delle hMSC e il coinvolgimento di Akt, nota anche come proteina chinasi B. L’espressione e la fosforilazione della proteinchinasi Akt è stata studiata mediante Western blotting. Oltre al time-lapse in vivo imaging, il movimento cellulare è stato monitorato sia mediante saggi tridimensionali, con l’uso di transwell, che mediante saggi bidimensionali, attraverso la tecnica del wound healing. Le prove effettuate hanno rivelato che le hMSC hanno una buona capacità migratoria. E’ stato osservato che la proteinchinasi B/Akt ha elevati livelli basali di fosforilazione in queste cellule. Inoltre, la caratterizzazione delle principali proteine di regolazione ed effettrici, a monte e a valle di Akt, ha permesso di concludere che la cascata di reazioni della via di segnale anche nelle hMSC segue un andamento canonico. Specifici inibitori farmacologici sono stati utilizzati per determinare il potenziale meccanismo coinvolto nella migrazione cellulare e nell'invasione. L’inibizione della via PI3K/Akt determina una significativa riduzione della migrazione. L’utilizzo di inibitori farmacologici specifici per le singole isoforme di Akt ha permesso di discriminare il ruolo diverso di Akt1 e Akt2 nella migrazione delle hMSC. E’ stato infatti dimostrato che l'inattivazione di Akt2, ma non quella di Akt1, diminuisce significativamente la migrazione cellulare. Nel complesso i risultati ottenuti indicano che l'attivazione di Akt2 svolge un ruolo critico nella migrazione della hMSC; ulteriori studi sono necessari per approfondire la comprensione del fenomeno. La dimostrazione che l’isoforma Akt2 è necessaria per la chemiotassi diretta delle hMSC, rende questa chinasi un potenziale bersaglio farmacologico per modulare la loro migrazione.

Preclinical development of anti-cancer strategies against human HER-2

HER-2 is a 185 kDa transmembrane receptor tyrosine kinase that belongs to the EGFR family. HER-2 is overexpressed in nearly 25% of human breast cancers and women with this subtype of breast cancer have a worse prognosis and frequently develop metastases. The progressive high number of HER-2-positive breast cancer patients with metastatic spread in the brain (up to half of women) has been attributed to the reduction in mortality, the effectiveness of Trastuzumab in killing metastatic cells in other organs and to its incapability to cross the blood-brain barrier. Apart from full-length-HER-2, a splice variant of HER-2 lacking exon 16 (here referred to as D16) was identified in human HER-2-positive breast cancers. Here, the contribution of HER-2 and D16 to mammary carcinogenesis was investigated in a model transgenic for both genes (F1 model). A dominant role of D16, especially in early stages of tumorigenesis, was suggested and the coexistence of heterogeneous levels of HER-2 and D16 in F1 tumors revealed the undeniable value of F1 strain as preclinical model of HER-2-positive breast cancer, closer resembling the human situation in respect to previous models. The therapeutical efficacy of anti-HER-2 agents, targeting HER-2 receptor (Trastuzumab, Lapatinib, R-LM249) or signaling effectors (Dasatinib, UO126, NVP-BKM120), was investigated in models of local or advanced HER-2-positive breast cancer. In contrast with early studies, data herein collected suggested that the presence of D16 can predict a better response to Trastuzumab and other agents targeting HER-2 receptor or Src activity. Using a multiorgan HER-2-positive metastatic model, the efficacy of NVP-BKM120 (PI3K inhibitor) in blocking the growth of brain metastases and the oncolytic ability of R-LM249 (HER-2-retargeted HSV) to reach and destroy metastatic HER-2-positive cancer cells were shown. Finally, exploiting the definition of “oncoantigen” given to HER-2, the immunopreventive activity of two vaccines on HER-2-positive mammary tumorigenesis was demonstrated.

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.

Role of Reactive Oxygen Species in signalling and oxidative stress

Results reported in this Thesis contribute to the comprehension of the complicated world of “redox biology”. ROS regulate signalling pathways both in physiological responses and in pathogenesis and progression of diseases. In cancer cells, the increase in ROS generation from metabolic abnormalities and oncogenic signalling may trigger a redox adaptation response, leading to an up-regulation of antioxidant capacity in order to maintain the ROS level below the toxic threshold. Thus, cancer cells would be more dependent on the antioxidant system and more vulnerable to further oxidative stress induced by exogenous ROS-generating agents or compounds that inhibit the antioxidant system. Results here reported indicate that the development of new drugs targeting specific Nox isoforms, responsible for intracellular ROS generation, or AQP isoforms, involved in the transport of extracellular H2O2 toward intracellular targets, might be an interesting novel anti-leukaemia strategy. Furthermore, also the use of CSD peptide, which simulate the VEGFR-2 segregation into caveolae in the inactive form, might be a strategy to stop the cellular response to VEGF signalling. As above stated, in the understanding of the redox biology, it is also important to identify and distinguish the molecular effectors that maintain normal biological and physiological responses, such as agents that stimulate our adaptation systems and elevate our endogenous antioxidant defences or other protective systems. Data here reported indicate that the nutraceutical compound sulforaphane and the Klotho protein are able to stimulate the HO-1 and Prx-1 expression, as well as the GSH levels, confirming their antioxidant and protective role. Finally, results here reported demonstrated that Stevia extracts are involved in insulin regulated glucose metabolism, suggesting that the use of these compounds goes beyond their sweetening power and may also offer therapeutic benefits hence improving the quality of life.

Einfluss subviraler Partikel des humanen Cytomegalovirus auf die Induktion der antiviralen Immunantwort

Das humane Cytomegalovirus (HCMV) ist ein opportunistischer Krankheitserreger, der insbesondere bei Patienten mit unreifem oder geschwächtem Immunsystem schwere, teilweise lebensbedrohliche Erkrankungen verursacht. Aufgrund der klinischen Relevanz wird die Entwicklung einer Impfung gegen HCMV mit großem Nachdruck verfolgt. Subvirale Partikel des HCMV, sogenannte Dense Bodies (DB), stellen eine vielversprechende Impfstoff-Grundlage dar. Die innere Struktur der Partikel besteht aus viralen Proteinen, die als dominante Antigene der zellulären Immunantwort gegen HCMV identifiziert wurden. Die äußere Hülle der Partikel entspricht der Virushülle, sie enthält die viralen Oberflächenproteine als Zielantigene der neutralisierenden Antikörper (NTAk)-Antwort in ihrer natürlichen Konformation. Die für ein Totantigen außergewöhnlich hohe Immunogenität der Partikel wurde bereits in Vorarbeiten dokumentiert. Ein Ziel dieser Arbeit war es, den molekularen Hintergrund für die herausragenden, immunogenen Eigenschaften von DB aufzuklären. Im ersten Teil der Arbeit wurde daher die Hypothese geprüft, dass DB geeignet sind, die Ausreifung und Aktivierung von dendritischen Zellen (DC) zu vermitteln und damit deren Fähigkeit zur Antigenpräsentation zu stimulieren. Derart aktivierten DC kommt eine wichtige Rolle beim Priming der T-lymphozytären Immunantwort zu. In der Tat konnte gezeigt werden, dass die Behandlung von unreifen dendritischen Zellen (iDC) mit DB zu verstärkter Expression von solchen Molekülen auf der DC-Oberfläche führt, die mit Ausreifung der Zellen verknüpft sind. Der Nachweis der verstärkten Freisetzung proinflammatorischer Zytokine belegte die Aktivierung der Zellen im Sinne einer entzündlichen Reaktion. Die erfolgreiche Stimulation von CD4 und CD8 T-Lymphozyten durch DB-behandelte DC belegte schließlich die funktionelle Relevanz der Ergebnisse. Zusammengefasst konnten in diesem Abschnitt der Arbeit die molekularen Grundlagen der adjuvanten Wirkung von DB aufgeklärt werden. rnIn einem zweiten Abschnitt wurde die NTAk-Antwort nach DB-Immunisierung näher untersucht. Der humoralen Immunantwort kommt eine entscheidende Bedeutung bei der Prävention der HCMV-Übertragung zu. Hier galt es zu prüfen, welchen Einfluss stammspezifische Unterschiede in der Expression viraler Oberflächenproteine auf die Induktion der NTAk-Antwort nach DB-Immunisierung nehmen. Im Fokus stand dabei die variable Expression des pentameren Proteinkomplexes aus den viralen Proteinen gH/gL/pUL128-UL131A. Dieser Komplex wird nur von kliniknahen HCMV-Stämmen (HCMVKlin) exprimiert und ist für deren breiten Zelltropismus verantwortlich. Der pentamere Komplex fehlte in allen bisherigen Analysen der DB-Immunogenität, die auf der Grundlage von Laborstämmen des HCMV (HCMVLab) durchgeführt worden waren. Ein erster Versuchsansatz zeigte, dass die NTAk-Antwort, die durch DB von HCMVLab (DBLab) induziert wird, auch gegen die Infektion mit HCMVKlin einen gewissen Schutz vermittelt. Dies war ein überraschender Befund, da Antikörpern gegen den pentameren Komplex eine entscheidende Rolle bei der Neutralisation von HCMVKlin zugeschrieben wurde. Die Ergebnisse zeigten jedoch, dass Antikörper gegen andere Zielstrukturen zur Neutralisation von HCMVKlin beitragen. Hieraus resultierte unmittelbar die Frage, inwieweit eine Aufnahme des pentameren Komplexes in einen DB-basierten Impfstoff überhaupt notwendig war. Um dies zu beantworten war es notwendig, DB herzustellen, die den pentameren Komplex enthielten. Hierzu wurde ein HCMVLab durch Mutagenese des 235 kpb Genoms so modifiziert, dass von dem resultierenden Stamm der pentamere Komplex exprimiert wurde. In gereinigten DB dieses Stammes konnten die Komponenten des pentameren Komplexes nachgewiesen werden. Die Seren von Tieren, die mit DB dieses neuen Stammes immunisiert wurden, zeigten in der Tat eine deutlich gesteigerte Kapazität zur Neutralisation von HCMVKlin auf verschiedenen Zielzellen. Diese Ergebnisse unterstreichen schlussendlich, dass die Expression des pentameren Komplexes einen Vorteil bei der Induktion der antiviralen NTAk-Antwort erbringt. Zusammengefasst liefern die Erkenntnisse aus dieser Arbeit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der immunogenen Wirkung von DB. Auf dieser Grundlage war es nunmehr möglich, ein Projekt zur Austestung der DB-Vakzine in einer ersten klinischen Studie zu initiieren.

Individualisierte Krebstherapie : präklinischer „proof of concept“ einer mutationsspezifischen Immuntherapie

Da nicht-synonyme tumorspezifische Punktmutationen nur in malignen Geweben vorkommen und das veränderte Proteinprodukt vom Immunsystem als „fremd“ erkannt werden kann, stellen diese einen bisher ungenutzten Pool von Zielstrukturen für die Immuntherapie dar. Menschliche Tumore können individuell bis zu tausenden nicht-synonymer Punktmutationen in ihrem Genom tragen, welche nicht der zentralen Immuntoleranz unterliegen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Hypothese zu untersuchen, dass das Immunsystem in der Lage sein sollte, mutierte Epitope auf Tumorzellen zu erkennen und zu klären, ob auf dieser Basis eine wirksame mRNA (RNA) basierte anti-tumorale Vakzinierung etabliert werden kann. Hierzu wurde von Ugur Sahin und Kollegen, das gesamte Genom des murinen B16-F10 Melanoms sequenziert und bioinformatisch analysiert. Im Rahmen der NGS Sequenzierung wurden mehr als 500 nicht-synonyme Punktmutationen identifiziert, von welchen 50 Mutationen selektiert und durch Sanger Sequenzierung validiert wurden. rnNach der Etablierung des immunologischen Testsysteme war eine Hauptfragestellung dieser Arbeit, die selektierten nicht-synonyme Punktmutationen in einem in vivo Ansatz systematisch auf Antigenität zu testen. Für diese Studien wurden mutierte Sequenzen in einer Länge von 27 Aminosäuren genutzt, in denen die mutierte Aminosäure zentral positioniert war. Durch die Länge der Peptide können prinzipiell alle möglichen MHC Klasse-I und -II Epitope abgedeckt werden, welche die Mutation enthalten. Eine Grundidee des Projektes Ansatzes ist es, einen auf in vitro transkribierter RNA basierten oligotopen Impfstoff zu entwickeln. Daher wurden die Impfungen naiver Mäuse sowohl mit langen Peptiden, als auch in einem unabhängigen Ansatz mit peptidkodierender RNA durchgeführt. Die Immunphänotypisierung der Impfstoff induzierten T-Zellen zeigte, dass insgesamt 16 der 50 (32%) mutierten Sequenzen eine T-Zellreaktivität induzierten. rnDie Verwendung der vorhergesagten Epitope in therapeutischen Vakzinierungsstudien bestätigten die Hypothese das mutierte Neo-Epitope potente Zielstrukturen einer anti-tumoralen Impftherapie darstellen können. So wurde in therapeutischen Tumorstudien gezeigt, dass auf Basis von RNA 9 von 12 bestätigten Epitopen einen anti-tumoralen Effekt zeigte.rnÜberaschenderweise wurde bei einem MHC Klasse-II restringierten mutiertem Epitop (Mut-30) sowohl in einem subkutanen, als auch in einem unabhängigen therapeutischen Lungenmetastasen Modell ein starker anti-tumoraler Effekt auf B16-F10 beobachtet, der dieses Epitop als neues immundominantes Epitop für das B16-F10 Melanom etabliert. Um den immunologischen Mechanismus hinter diesem Effekt näher zu untersuchen wurde in verschieden Experimenten die Rolle von CD4+, CD8+ sowie NK-Zellen zu verschieden Zeitpunkten der Tumorentwicklung untersucht. Die Analyse des Tumorgewebes ergab, eine signifikante erhöhte Frequenz von NK-Zellen in den mit Mut-30 RNA vakzinierten Tieren. Das NK Zellen in der frühen Phase der Therapie eine entscheidende Rolle spielen wurde anhand von Depletionsstudien bestätigt. Daran anschließend wurde gezeigt, dass im fortgeschrittenen Tumorstadium die NK Zellen keinen weiteren relevanten Beitrag zum anti-tumoralen Effekt der RNA Vakzinierung leisten, sondern die Vakzine induzierte adaptive Immunantwort. Durch die Isolierung von Lymphozyten aus dem Tumorgewebe und deren Einsatz als Effektorzellen im IFN-γ ELISPOT wurde nachgewiesen, dass Mut-30 spezifische T-Zellen das Tumorgewebe infiltrieren und dort u.a. IFN-γ sekretieren. Dass diese spezifische IFN-γ Ausschüttung für den beobachteten antitumoralen Effekt eine zentrale Rolle einnimmt wurde unter der Verwendung von IFN-γ -/- K.O. Mäusen bestätigt.rnDas Konzept der individuellen RNA basierten mutationsspezifischen Vakzine sieht vor, nicht nur mit einem mutations-spezifischen Epitop, sondern mit mehreren RNA-kodierten Mutationen Patienten zu impfen um der Entstehung von „escape“-Mutanten entgegenzuwirken. Da es nur Erfahrung mit der Herstellung und Verabreichung von Monotop-RNA gab, also RNA die für ein Epitop kodiert, war eine wichtige Fragestellungen, inwieweit Oligotope, welche die mutierten Sequenzen sequentiell durch Linker verbunden als Fusionsprotein kodieren, Immunantworten induzieren können. Hierzu wurden Pentatope mit variierender Position des einzelnen Epitopes hinsichtlich ihrer in vivo induzierten T-Zellreaktivitäten charakterisiert. Die Experimente zeigten, dass es möglich ist, unabhängig von der Position im Pentatop eine Immunantwort gegen ein Epitop zu induzieren. Des weiteren wurde beobachtet, dass die induzierten T-Zellfrequenzen nach Pentatop Vakzinierung im Vergleich zur Nutzung von Monotopen signifikant gesteigert werden kann.rnZusammenfassend wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit präklinisch erstmalig nachgewiesen, dass nicht-synonyme Mutationen eine numerisch relevante Quelle von Zielstrukturen für die anti-tumorale Immuntherapie darstellen. Überraschenderweise zeigte sich eine dominante Induktion MHC-II restringierter Immunantworten, welche partiell in der Lage waren massive Tumorabstoßungsreaktionen zu induzieren. Im Sinne einer Translation der gewonnenen Erkenntnisse wurde ein RNA basiertes Oligotop-Format etabliert, welches Eingang in die klinische Testung des Konzeptes fand.rn

Activation of the unfolded protein response in human acute myeloid leukemia

There is accumulating evidence for the involvement of the unfolded protein response (UPR) in the pathogenesis of many tumor types in humans. This is particularly the case in rapidly growing solid tumors in which the demand for oxygen and nutrients can exceed the supply until new tumor-initiated blood vessels are formed. In contrast, the role of the UPR during leukemogenesis remains largely unknown. Acute myeloid leukemia (AML) is a genetically heterogeneous clonal disorder characterized by the accumulation of somatic mutations in hematopoietic progenitor cells that alter the physiological regulation of self-renewal, survival, proliferation, or differentiation. The CCAAT/enhancer-binding protein alpha (CEBPA) gene is a key myeloid transcription factor and a frequent target for disruption in AML. In particular, translation of CEBPA mRNA can be specifically blocked by binding of the chaperone calreticulin (CALR), a well-established effector of the UPR, to a stem loop structure within the 5' region of the CEBPA mRNA. The relevance of this mechanism was first elucidated in certain AML subtypes carrying the gene rearrangements t(3;21) or inv(16). In our recent work, we could demonstrate the induction of key effectors of the UPR in leukemic cells of AML patients comprising all subtypes (according to the French-American-British (FAB) classification for human AML). The formation of the spliced variant of the X-box binding protein (XBP1s) was detectable in 17.4% (17 of 105) of AML patients. Consistent with an activated UPR, this group had significantly increased expression of the UPR target genes CALR, the 78 kDa glucose-regulated protein (GRP78), and the CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein (CHOP). Consistently, in vitro studies confirmed that calreticulin expression was upregulated via activation of the ATF6 pathway in myeloid leukemic cells. As a consequence, CEBPA protein expression was inhibited in vitro as well as in leukemic cells from patients with activated UPR. We therefore propose a model of the UPR being involved in leukemogenesis through induction of calreticulin along the ATF6 pathway, thereby ultimately suppressing CEBPA translation and contributing to the block in myeloid differentiation and cell-cycle deregulation which represent key features of the leukemic phenotype. From a more clinical point of view, the presence of activated UPR in AML patient samples was found to be associated with a favorable disease course.

Physiologic cold shock of Moraxella catarrhalis affects the expression of genes involved in the iron acquisition, serum resistance and immune evasion

Background Moraxella catarrhalis, a major nasopharyngeal pathogen of the human respiratory tract, is exposed to rapid downshifts of environmental temperature when humans breathe cold air. It was previously shown that the prevalence of pharyngeal colonization and respiratory tract infections caused by M. catarrhalis are greatest in winter. The aim of this study was to investigate how M. catarrhalis uses the physiologic exposure to cold air to upregulate pivotal survival systems in the pharynx that may contribute to M. catarrhalis virulence. Results A 26°C cold shock induces the expression of genes involved in transferrin and lactoferrin acquisition, and enhances binding of these proteins on the surface of M. catarrhalis. Exposure of M. catarrhalis to 26°C upregulates the expression of UspA2, a major outer membrane protein involved in serum resistance, leading to improved binding of vitronectin which neutralizes the lethal effect of human complement. In contrast, cold shock decreases the expression of Hemagglutinin, a major adhesin, which mediates B cell response, and reduces immunoglobulin D-binding on the surface of M. catarrhalis. Conclusion Cold shock of M. catarrhalis induces the expression of genes involved in iron acquisition, serum resistance and immune evasion. Thus, cold shock at a physiologically relevant temperature of 26°C induces in M. catarrhalis a complex of adaptive mechanisms that enables the bacterium to target their host cellular receptors or soluble effectors and may contribute to enhanced growth, colonization and virulence.

Bone morphogenetic protein-7 is a MYC target with prosurvival functions in childhood medulloblastoma

Medulloblastoma (MB) is the most common malignant brain tumor in children. It is known that overexpression and/or amplification of the MYC oncogene is associated with poor clinical outcome, but the molecular mechanisms and the MYC downstream effectors in MB remain still elusive. Besides contributing to elucidate how progression of MB takes place, most importantly, the identification of novel MYC-target genes will suggest novel candidates for targeted therapy in MB. A group of 209 MYC-responsive genes was obtained from a complementary DNA microarray analysis of a MB-derived cell line, following MYC overexpression and silencing. Among the MYC-responsive genes, we identified the members of the bone morphogenetic protein (BMP) signaling pathway, which have a crucial role during the development of the cerebellum. In particular, the gene BMP7 was identified as a direct target of MYC. A positive correlation between MYC and BMP7 expression was documented by analyzing two distinct sets of primary MB samples. Functional studies in vitro using a small-molecule inhibitor of the BMP/SMAD signaling pathway reproduced the effect of the small interfering RNA-mediated silencing of BMP7. Both approaches led to a block of proliferation in a panel of MB cells and to inhibition of SMAD phosphorylation. Altogether, our findings indicate that high MYC levels drive BMP7 overexpression, promoting cell survival in MB cells. This observation suggests the potential relevance of targeting the BMP/SMAD pathway as a novel therapeutic approach for the treatment of childhood MB.

Putative functions of extracellular matrix glycoproteins in secondary palate morphogenesis

Cleft palate is a common birth defect in humans. Elevation and fusion of paired palatal shelves are coordinated by growth and transcription factors, and mutations in these can cause malformations. Among the effector genes for growth factor signaling are extracellular matrix (ECM) glycoproteins. These provide substrates for cell adhesion (e.g., fibronectin, tenascins), but also regulate growth factor availability (e.g., fibrillins). Cleft palate in Bmp7 null mouse embryos is caused by a delay in palatal shelf elevation. In contrast, palatal shelves of Tgf-β3 knockout mice elevate normally, but a cleft develops due to their failure to fuse. However, nothing is known about a possible functional interaction between specific ECM proteins and Tgf-β/Bmp family members in palatogenesis. To start addressing this question, we studied the mRNA and protein distribution of relevant ECM components during secondary palate development, and compared it to growth factor expression in wildtypewild type and mutant mice. We found that fibrillin-2 (but not fibrillin-1) mRNA appeared in the mesenchyme of elevated palatal shelves adjacent to the midline epithelial cells, which were positive for Tgf-β3 mRNA. Moreover, midline epithelial cells started expressing fibronectin upon contact of the two palatal shelves. These findings support the hypothesis that fibrillin-2 and fibronectin are involved in regulating the activity of Tgf-β3 at the fusing midline. In addition, we observed that tenascin-W (but not tenascin-C) was misexpressed in palatal shelves of Bmp7-deficient mouse embryos. In contrast to tenascin-C, tenascin-W secretion was strongly induced by Bmp7 in embryonic cranial fibroblasts in vitro. These results are consistent with a putative function for tenascin-W as a target of Bmp7 signaling during palate elevation. Our results indicate that distinct ECM proteins are important for morphogenesis of the secondary palate, both as downstream effectors and as regulators of Tgf-β/Bmp activity.

AopP, a type III effector protein of Aeromonas salmonicida, inhibits the NF-kappaB signalling pathway

Aeromonas salmonicida subsp. salmonicida contains a functional type III secretion system that is responsible for the secretion of the ADP-ribosylating toxin AexT. In this study, the authors identified AopP as a second effector protein secreted by this system. The aopP gene was detected in both typical and atypical A. salmonicida isolates and was found to be encoded on a small plasmid of approximately 6.4 kb. Sequence analysis indicates that AopP is a member of the YopJ family of effector proteins, a group of proteins that interfere with mitogen-activated protein kinase (MAPK) and/or nuclear factor kappa B (NF-kappaB) signalling pathways. AopP inhibits the NF-kappaB pathway downstream of IkappaB kinase (IKK) activation, while a catalytically inactivated mutant, AopPC177A, does not possess this inhibitory effect. Unlike other effectors of the YopJ family, such as YopJ and VopA, AopP does not inhibit the MAPK signalling pathway.

Exploration of the role of serum factors in maintaining bone mass during hibernation in black bears

Disuse osteoporosis is a condition in which reduced mechanical loading (e.g. bed-rest, immobilization, or paralysis) results in unbalanced bone turnover. The American black bear is a unique, naturally occurring model for the prevention of disuse osteoporosis. Bears remain mostly inactive for up to half a year of hibernation annually, yet they do not lose bone mechanical strength or structural properties throughout hibernation. The long-term goal of this study is to determine the biological mechanism through which bears maintain bone during hibernation. This mechanism could pinpoint new signaling pathway targets for the development of drugs for osteoporosis prevention. In this study, bone specific alkaline phosphatase (BSALP), a marker of osteoblast activity, and tartrate resistant acid phosphatase (TRACP), a marker of osteoclast number, were quantified in the serum of hibernating and active black bears. BSALP and TRACP decreased during hibernation, suggesting a balanced reduction in bone turnover. This decrease in BSALP and TRACP were correlated positively to serum adiponectin and inversely to serum neuropeptide Y, suggesting a possible role of these hormones in suppressing bone turnover during hibernation. Osteocalcin (OCN) and undercarboxylated OCN increased dramatically in the serum of hibernating bears. These increases were inversely correlated with adiponectin, glucose, and serotonin, suggesting that OCN may have a unique role in energy homeostasis during hibernation. Finally, MC3T3-E1 osteoblasts were cultured in the serum from active and hibernating bears, and seasonal cell responses were quantified. Cells cultured in serum from hibernating bears had a reduced caspase-3/7 response, and more living cells, after apoptotic threat. The caspase-3/7 response was positively correlated to serum adiponectin and to gene expression of OCN and Runx2, suggesting that reduced caspase-3/7 activity may be related to the reduced differentiation potential of osteoblasts in hibernation serum, and that adiponectin is a potential effector hormone. In summary, the activities of osteoblasts and osteoclasts are reduced during hibernation in bears. This reduced turnover is due, in part, to hormonal control. Further study of potential effectors adiponectin and neuropeptide Y may provide insight into the biological mechanism through which bears maintain bone throughout hibernation.