ATP7A transgenic and nontransgenic mice are resistant to high copper exposure

The protein affected in Menkes disease, ATP7A, is a copper (Cu)-transporting P-type ATPase that plays an important role in Cu homeostasis, but the full extent of this role has not been defined at a systemic level. Transgenic mice that overexpress the human ATP7A from the chicken β-actin composite promoter (CAG) were used to further investigate the physiological function of ATP7A. Overexpression of ATP7A in the mice caused disturbances in Cu homeostasis, with depletion of Cu in some tissues, especially the heart. To investigate the effect of overexpression of ATP7A when dietary Cu intake was markedly increased, normal and transgenic mice were exposed to drinking water containing 300 mg/L of Cu as Cu acetate for 3 mo. Cu exposure resulted in partial restoration of heart Cu concentrations in male transgenic mice. Despite the extended period of Cu exposure, Cu concentrations in the liver remained relatively unaffected, with a significant increase in male nontransgenic mice. Liver pathology was unremarkable except for small areas of fibrosis that were detected only in livers of the Cu-exposed transgenic mice. Intracellular localization of ATP7A in various tissues was not affected by Cu exposure. Plasma Cu concentration and ceruloplasmin oxidase activity were reduced in both Cu-exposed transgenic and nontransgenic mice. The expression levels of other candidate Cu homeostatic proteins, endogenous Atp7b, ceruloplasmin, Ctr1, and transgenic ATP7A were not altered significantly by Cu exposure. Overall, mice are remarkably resistant to high Cu loads and the overexpression of ATP7A has only moderate effects on the response to Cu exposure. © 2008 American Society for Nutrition.

Avaliação da expressão da proteína twist em amostras de carcinoma epidermóide bucal e sua correlação com aspectos clínico-patológicos

Entre as neoplasias malignas que ocorrem na boca, 95% são representadas pelo carcinoma epidermóide de boca (ceb). no brasil, as estimativas para o ano de 2014, segundo o inca, apontam mais de 15.290 novos casos. esses dados mostram que o ceb representa um problema de saúde pública em razão de a morbidade afastar, na maioria dos casos, grande número de cidadãos do mercado de trabalho, além de onerar os custos com a saúde no estado, fruto dos dias de internação e do tratamento aplicado. a patogênese do ceb está relacionada a fatores genéticos além de agentes químicos, como o consumo de tabaco e álcool, físicos e biológicos, considerados carcinogênicos. o fator de transcrição twist foi recentemente apontado como um importante regulador da tem durante a progressão tumoral e metástase e vem se tornando um importante marcador diagnóstico e prognóstico para pacientes devido ao fato de sua sobre-regulação positiva e metilação do gene estarem sendo implicados em vários tipos de câncer. apesar de muitos estudos fornecerem importantes insights sobre a compreensão da biologia dos tumores malignos bem como dos genes envolvidos na tem, os mecanismos de twist na tumorigênese e na transição epitelial-mesenquimal do carcinoma epidermóide bucal ainda precisam ser elucidados. neste estudo nós investigamos o padrão de expressão da proteína twist através da técnica de imuno-histoquímica em 59 amostras carcinoma epidermóide bucal (ceb) provenientes de pacientes usuários do sistema único de saúde do estado do pará e avaliamos a existência de associação dos resultados com características clínico-patológicas dos tumores estudados e com a sobrevida dos pacientes. os resultados mostraram uma associação estatisticamente significante entre o consumo de álcool e os sítios mais afetados pelo ceb, sugerindo que o etanol pode desempenhar um papel potencializador dos agentes do tabaco nos sítios que recebem maior exposição dessas substâncias. a expressão da proteína twist também mostrou uma diminuição na média de sobrevida dos indivíduos. apesar dessa diminuição não ter apresentado significância estatística em nossos estudos, acreditamos que ela deve ser mais amplamente estudada, visando o melhor entendimento do papel desta no carcinoma epidermóide bucal. a positividade de marcação da proteína demonstrou relação com o tabagismo, onde 87,8% dos pacientes fumantes, apresentaram marcação positiva para a proteína, corroborarando o fato de que o fumo pode modular a expressão de marcadores tem incluindo twist. em síntese, os resultados deste estudo evidenciam algumas correlações intrigantes, que no nosso entender merecem especial atenção, no intuito de serem esclarecidas. assim como a localização intracelular da proteína observada neste estudo, que possivelmente está relacionada a algum processo oncogênico ainda não descrito.

Oestrogen receptor beta in adenoid cystic carcinoma of salivary glands

Aims: This study aimed to describe the expression of oestrogen receptor (ER)alpha, ER beta and aromatase in salivary gland adenoid cystic carcinoma (ACC). Methods and results: ER alpha, ER beta and aromatase expression was analysed by immunohistochemistry in tissue microarray blocks from 38 cases of ACC and seven normal salivary glands. The intracellular localization and amount of total protein expression were investigated by immunofluorescence and western blotting in an ACC cell line. Western blotting analysis showed overexpression of ER alpha, ER beta and aromatase in the ACC cell line; however, with immunofluorescence, only ER beta was shown to be expressed in the nucleus. Immunohistochemistry revealed positive nuclear expression of ER beta, positive cytoplasmic expression of aromatase and a lack of ER alpha expression as compared with normal salivary glands. Conclusions: The nuclear expression of ER beta indicates that oestrogen may be active in ACC and possibly able to mediate E2-targeted gene transcription. This study strongly suggests that ER beta may be involved in tumour progression, playing a role in tumour development, and thus corroborating the indication for ER antagonists in the clinical control of ACC. This study opens a new perspective on the potential use of anti-oestrogens and aromatase inhibitors as therapeutic agents against ACC.

Isolation and functional characterization of Hrp65-binding proteins in Chironomus tentans

It is well-established that the organization of nuclear components influences gene expression processes, yet little is known about the mechanisms that contribute to the spatial co-ordination of nuclear activities. The salivary gland cells of Chironomus tentans provide a suitable model system for studying gene expression in situ, as they allow for direct visualization of the synthesis, processing and export of a specific protein-coding transcript, the Balbiani ring (BR) pre-mRNA, in a nuclear environment in which chromatin and non-chromatin structures can easily be distinguished. The RNAbinding protein Hrp65 has been identified in this model system as a protein associated with non-chromatin nucleoplasmic fibers, referred to as connecting fibers (CFs). The CFs associate with BR RNP particles in the nucleoplasm, suggesting that Hrp65 is involved in mRNA biogenesis at the post-transcriptional level. However, the function of Hrp65 is not known, nor is the function or the composition of CFs. In the work described in this thesis, we have identified by yeast two-hybrid screening and characterized different proteins that bind to Hrp65. These proteins include a novel hnRNP protein in C. tentans named Hrp59, various isoforms of Hrp65, the splicing- and mRNA export factor HEL/UAP56, and a RING-domain protein of unknown function. Immuno-electron microscopy experiments showed that Hrp59 and HEL are present in CFs, and in larger structures in the nucleoplasm of C. tentans salivary gland cells. Hrp59 is a C. tentans homologue of human hnRNP M, and it associates cotranscriptionally with a subset of pre-mRNAs, including its own transcript, in a manner that does not depend quantitatively on the amount of synthesized RNA. Hrp59 accompanies the BR pre-mRNA from the gene to the nuclear envelope, and is released from the BR mRNA at the nuclear pore complex. We have identified the preferred RNA targets of Hrp59 in Drosophila cells, and we have shown that Hrp59 binds preferentially to exonic splicing enhancer sequences. Hrp65 self-associates through an evolutionarily conserved domain that can also mediate heterodimerization of Hrp65 homologues. Different isoforms of Hrp65 interact with each other in all possible combinations, and Hrp65 can oligomerize into complexes of at least six molecules. The interaction between different Hrp65 isoforms is crucial for their intracellular localization, and we have discovered a mechanism by which Hrp65-2 is imported into the nucleus through binding to Hrp65-1. Hrp65 binds to HEL/UAP56 in C. tentans cells. We have analyzed the distribution of the two proteins on polytene chromosomes and in the nucleoplasm of salivary gland cells, and our results suggest that Hrp65 and HEL become associated during posttranscriptional gene expression events. HEL binds to the BR pre-mRNP cotranscriptionally, and incorporation of HEL into the pre-mRNP does not depend on the location of introns along the BR pre-mRNA. HEL accompanies the BR mRNP to the nuclear pore and is released from the BR mRNP during translocation into the cytoplasm.

Untersuchungen zur Expression und Funktion intrazellulärer Globine

Im Rahmen meiner Dissertation untersuchte ich die intrazelluläre Lokalisation des Hämoglobin von Drosophila melanogaster, sowie von Neuroglobin und Cytoglobin der Vertebraten. Obwohl alle drei Globine erst kürzlich entdeckt wurden, liegen bereits Daten über ihre Struktur, ihre biochemischen Eigenschaften und die Lokalisation der mRNA vor. Ihre Funktionen konnten bisher jedoch nicht eindeutig geklärt werden. Das Globin von Drosophila melanogaster konnte mittels Westernblot sowohl in Larven als auch adulten Fliegen nachgewiesen werden. Ebenso war es mir möglich, mittels Immunperoxidaseuntersuchungen die Tracheen, die Terminalzellen der Tracheolen sowie die Fettkörperzellen als Ort der Globinexpression in Drosophila zu identifizieren. Diese Daten deuten darauf hin, dass dieses Globin eine Funktion als Sauerstoffpuffer, der sowohl Sauerstoff speichert als auch transportiert, hin. Damit würde das Drosophila Globin eine zu anderen Insektenglobinen vergleichbare Funktion übernehmen. Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass Neuroglobin auch in der neuronalen Netzhaut von Säugern und Fischen vorkommt. Des Weiteren konnte Neuroglobin in der Retina zellulär sowie subzellulär lokalisiert werden. In der avaskulären Mäuseretina wurde Neuroglobin neben den Innensegmenten der Photorezeptorzellen, auch noch in den beiden plexiformen Schichten sowie in der Ganglienzellschicht gefunden. Die gezeigte Kolokalisation dieses intrazellulären Globins mit Mitochondrien und somit auch mit den Orten des höchsten Sauerstoffbedarfs in der Retina deutet auf eine Funktion im Sauerstofftransport zu den Mitochondrien hin. Des Weiteren könnte Neuroglobin auch als Sauerstoffspeicher dienen, der es Neuronen ermöglicht, kurzfristige hypoxische Bedingungen unbeschadet zu überstehen. Andere mögliche Funktionen wie z.B. die als Detoxifizierer von reaktiven Sauerstoff- bzw. Sickstoffverbindungen, als Sauerstoffsensor, sowie als terminale Oxidase erscheinen durch die gezeigten Daten eher unwahrscheinlich. Die bisherige Annahme, dass Cytoglobin ein ubiquitär exprimiertes Protein ist, konnte von mir nicht bestätigt werden. Für nichtneuronale Gewebe konnte gezeigt werden, dass Cytoglobin lediglich auf das Cytoplasma von Fibroblasten und ontogenetisch verwandte Zelltypen wie Osteoblasten, Chondroblasten und Sternzellen beschränkt ist. Möglicherweise hat Cytoglobin dort eine Funktion in der Kollagensynthese. Ferner wird Cygb cytoplasmatisch und nukleär in einigen Neuronen der Retina und des Gehirns exprimiert. Dort könnte Cygb z.B. nukleäre Enzyme wie die NO-Synthase mit Sauerstoff versorgen. Andere Funktionen scheinen aufgrund meiner Daten im Moment unwahrscheinlich.

RNA non-codificanti indotti da danno al DNA regolano il fattore di trascrizione HIF-1α

Recenti analisi sull’intero trascrittoma hanno rivelato una estensiva trascrizione di RNA non codificanti (ncRNA), le quali funzioni sono tuttavia in gran parte sconosciute. In questo lavoro è stato dimostrato che alte dosi di camptotecina (CPT), un farmaco antitumorale inibitore della Top1, aumentano la trascrizione di due ncRNA antisenso in 5’ e 3’ (5'aHIF-1α e 3'aHIF-1α rispettivamente) al locus genico di HIF-1α e diminuiscono i livelli dell’mRNA di HIF-1α stesso. Gli effetti del trattamento sono Top1-dipendenti, mentre non dipendono dal danno al DNA alla forca di replicazione o dai checkpoint attivati dal danno al DNA. I ncRNA vengono attivati in risposta a diversi tipi di stress, il 5'aHIF-1α è lungo circa 10 kb e possiede sia il CAP in 5’ sia poliadenilazione in 3’ (in letteratura è noto che il 3'aHIF-1α è un trascritto di 1,7 kb, senza 5’CAP né poliadenilazione). Analisi di localizzazione intracellulare hanno dimostrato che entrambi sono trascritti nucleari. In particolare 5'aHIF-1α co-localizza con proteine del complesso del poro nucleare, suggerendo un suo possibile ruolo come mediatore degli scambi della membrana nucleare. È stata dimostrata inoltre la trascrizione dei due ncRNA in tessuti di tumore umano del rene, evidenziandone possibili ruoli nello sviluppo del cancro. È anche noto in letteratura che basse dosi di CPT in condizioni di ipossia diminuiscono i livelli di proteina di HIF-1α. Dopo aver dimostrato su diverse linee cellulari che i due ncRNA sopracitati non potessero essere implicati in tale effetto, abbiamo studiato le variazioni dell’intero miRnoma alle nuove condizioni sperimentali. In tal modo abbiamo scoperto che il miR-X sembra essere il mediatore molecolare dell’abbattimento di HIF-1α dopo trattamento con basse dosi di CPT in ipossia. Complessivamente, questi risultati suggeriscono che il fattore di trascrizione HIF-1α venga finemente regolato da RNA non-codificanti indotti da danno al DNA.

The silent survival of Staphylococcus aureus phagocyted by HL-60 derived neutrophils

Staphylococcus aureus is a Gram positive pathogen that causes various human infections and represents one of the most common causes of bacteremia. S. aureus is able to invade a variety of non-professional phagocytes and that can survive engulfment by neutrophils, producing both secreted and surface components that compromise innate immune responses. In the contest of our study we evaluated the functional activity of vaccine specific antibodies by opsonophagocytosis killing assay (OPKA). Interestingly a low level of killing of the staphylococcal cells has been observed. In the meanwhile intracellular survival studies showed that S. aureus persisted inside phagocytes for several hours until a burst of growth after 5 hours in the supernatant. These data suggest that the strong ability of S. aureus to survive in the phagocytes could be the cause of the low killing measured by OPKA. Moreover parallel studies on HL-60 cells infected with S. aureus done by using transmission electron microscopy (TEM) interestingly showed that staphylococcal cells have an intracellular localization (endosomal vacuoles) and that they are able not only to maintain the integrity of their membrane but also to replicate inside vacuolar compartments. Finally in order to generate 3D volume of whole bacteria when present inside neutrophilic vacuoles, we collected a series of tomographic two-dimensional (2D) images by using a transmission electron microscope, generating 5 different tomograms. The three-dimensional reconstruction reveals the presence of intact bacteria within neutrophil vacuoles. The S. aureus membrane appears completely undamaged and integral in contrast with the physiological process of phagosytosis through vacuoles progression. S. aureus bacteria show a homogenous distribution of the density in all the three dimensions (X, Y, Z). All these evidences definitely explain the ability of the pathogen to survive inside the endosomal vacuoles and should be the cause of the low killing level.

Untersuchungen zur Expression und Lokalisation der respiratorischen Proteine Neuroglobin (Ngb) und Cytoglobin (Cygb) in Säugern

Die vorliegende Dissertation beinhaltet Untersuchungen zur Expression und Funktion der respiratorischen Proteine Neuroglobin (Nbg) und Cytoglobin (Cygb) in Vertebraten. rnrnUm die Expression der Globine während der Entwicklung des Säugerhirns zu untersuchen, wurden die Hirne von Maus-Embryonen ab dem Fötalstadium MF10 bis zum Tag eins nach der Geburt (T1) mit Adulttieren verglichen. Quantifiziert wurde sowohl die mRNA- als auch die Protein-Expression. Beide Globine zeigten im Verlauf der Entwicklung einen stetigen Anstieg der mRNA-Expression, wobei Ngb zu Beginn in zehnfach höherer Konzentration vorlag und im zeitlichen Verlauf einen 130-fachen Anstieg zeigte. Cygb zeigte lediglich einen 16-fachen Anstieg bis zum Adultstadium. Auf Proteinebene konnte die Expressionszunahme beider Globine im Laufe der Entwicklung bestätigt werden. Weder in den hypoxieresistenten Frühembryonalstadien noch während der mit Sauerstoff-Stress verbundenen Geburt zeigte sich ein Expressionsmaximum. Dies spricht gegen eine Globin-Funktion in der Oxidanz-Abwehr. Eher ist zumindest Ngb mit der Reifung der Neurone und dem damit einhergehenden, gesteigerten oxidativen Stoffwechsel assoziiert.rnrnDes Weiteren sollte die zelluläre und intrazelluläre Lokalisation beider Globine anhand einer primären Zellkultur aus dem Hippocampus pränataler Ratten und in immortalen Zelllinien untersucht werden. Neuroglobin wurde dabei nur in Neuronen, nicht jedoch in Gliazellen nachgewiesen. Das Färbemuster war in allen Ngb-exprimierenden Zellen zytoplasmatisch. Cytoglobin wurde in der Primärkultur in den Neuronen jedoch ebenso in den mit anti-GFAP markierten Gliazellen beobachtet. In beiden Zellpopulationen war auch der Kern durch das CyGB-Antiserum markiert. rnEine genauere Untersuchung der intrazellulären Lokalisation sollte durch die Transfektion von Globin-pEGFP-Fusionsproteinen erfolgen. Nach Transfektion der Fusionskonstrukte wurde die GFP-Färbung bei beiden Globinen sowohl im Zytoplasma als auch im Kern beobachtet. Eine rein nukleäre Lokalisation, die insbesondere für Cygb von anderen Autoren postuliert wurde, konnte somit ausgeschlossen werden. rnrnIn primären Zellkulturen aus Cerebellum und Kortex, die mit Hilfe von Paraquat oxidativem Stress ausgesetzt wurden, wurde der Verlauf der Globin-mRNA-Expression mit dem unregulierten 18s rRNA-Referenzgen und mit den Antioxidanz-Enzymen Cu-Zn-SOD und Gpx verglichen. Neuroglobin zeigte einen Expressionsverlauf ähnlich dem der beiden Antioxidanz-Enzyme, jedoch liegt seine mRNA im Hirngewebe in hundertfach niedrigerer Menge als Cu-Zn-SOD und Gpx vor. Cytoglobin zeigte keine Veränderung der Expression. Eine Funktion der Globine im Sinne einer ROS-Abwehr kann aus den Befunden nicht abgeleitet werden. rnrnUntersuchungen von Tumor und Normalgewebe mittels eines cDNA-Cancer-Arrays zeigten, dass NGB in Tumoren verschiedenen Ursprungs nicht exprimiert wird, CyGB dagegen keine Änderung seiner Expression in Tumor versus Normalgewebe erfährt. Eine Induktion der beiden Globine z.B. durch Hypoxie in soliden Tumoren kann daher ausgeschlossen werden.rn

Identifizierung chemischer Transportinhibitoren zur Modulation (patho)biologischer Genprodukte

Die intrazelluläre Lokalisation von Proteinen und Makromolekülen unterliegt in Eukaryoten einer strengen Regulation. Insbesondere erlaubt die Kompartimentierung eukaryotischer Zellen in Zellkern und Zytoplasma den simultanen Ablauf räumlich getrennter biochemischer Reaktionen, und damit die unabhängige Regulation zellulärer Programme. Da trotz intensiver Forschungsbemühungen bis dato die molekularen Details sowie die (patho)biologische Bedeutung von Kern-Zytoplasma-Transportprozessen noch immer nicht vollkommen verstanden sind, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Fokus auf die Identifizierung von chemischen Transportinhibitoren gelegt. Das zu diesem Zweck entwickelte Translokations-Biosensor-System basiert auf der Kombination von autofluoreszierenden Proteinen, sowie spezifisch ausgewählten Kernexport- und Kernimportsignalen. Nach Etablierung geeigneter Zellmodelle, die effizient und stabil die Translokations-Biosensoren exprimieren, wurde die 17 000 Substanzen umfassende Bibliothek der ChemBioNet-Initiative nach Kernexportinhibitoren mittels einer Fluoreszenzmikroskopie-basierten Hochdurchsatzanalyse-Plattform durchmustert. Zunächst wurden Translokations-Algorithmen, welche eine zuverlässige automatisierte Erkennung von Zellkern und Zytoplasma erlauben, optimiert. Im Folgenden konnten acht neue niedermolekulare Kernexport-Inhibitoren identifiziert werden, die sich in der Stärke, der Geschwindigkeit, sowie in der Beständigkeit der vermittelten Inhibition unterscheiden. Die Aktivität der Inhibitoren konnte auf den isolierten nukleären Exportsignalen (NES) von HIV-1 Rev und Survivin als auch auf den entsprechenden Volllängeproteinen mittels Mikroinjektionsexperimenten sowie durch umfassende in vitro und biochemische Methoden bestätigt werden. Zur Untersuchung der funktionellen Einheiten der Inhibitoren wurden homologe Substanzen auf Ihre Aktivität hin getestet. Dabei konnten für die Aktivität wichtige chemische Gruppen definiert werden. Alle Substanzen stellen neue Inhibitoren des Crm1-abhängigen Exports dar und zeigen keine nachweisbare NES-Selektivität. Interessanterweise konnte jedoch eine zytotoxische und Apoptose-induzierende Wirkung auf verschiedene Krebszellarten festgestellt werden. Da diese Wirkung unabhängig vom p53-Status der Tumorzellen ist und die Inhibitoren C3 und C5 die Vitalität nicht-maligner humaner Zellen signifikant weniger beeinträchtigen, wurden diese Substanzen zum internationalen Patent angemeldet. Da der nukleäre Export besonders für Tumorzellen einen wichtigen Überlebenssignalweg darstellt, könnte dessen reversible Hemmung ausgenutzt werden, um besonders in Kombination mit gängigen Krebstherapien eine therapeutisch relevante Tumorinhibition zu erzeugen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der neuen Exportinhibitoren ist auf dem Gebiet der Infektionskrankheiten zu sehen, da auch die Aktivität des essentiellen HIV-1 Rev-Proteins inhibiert wird. Zusätzlich konnte in der Arbeit gezeigt werden, dass der zelluläre Kofaktor des Crm1-abhängigen Exports des HIV-1 Rev-Proteins, die RNA-Helikase DDX3, ein eigenes NES enthält. Der Nachweis einer direkten Interaktion des HIV-1 Rev- mit dem DDX3-Protein impliziert, dass multiple Angriffstellen für chemische Modulatoren hinsichtlich einer antiviralen Therapie gegeben sind. Da die Vielfalt des chemischen Strukturraums es unmöglich macht diesen experimentell vollständig zu durchmustern, wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Naturstoffe als vielversprechende Wirkstoffquelle untersucht. Um zukünftig umfassend bioaktive Substanzen aus diesen hochkomplexen Stoffgemischen experimentell identifizieren zu können, wurde eine Fluoreszenzmikroskopie-basierte Hochdurchsatzanalyse-Plattform am Mainz Screening Center (MSC) etabliert. Damit konnte bereits ein weiterer, bisher unbekannter Exportinhibitor aus Cyphellopsis anomala identifiziert werden. Neben einer Anwendung dieser Substanz als chemisches Werkzeug zur Aufklärung der Regulation von Transportvorgängen, stellt sich auch die evolutionsbiologisch relevante Frage, wie es dem Pilzproduzenten gelingt die Blockierung des eigenen Kernexports zu umgehen. Weiterführende Projekte müssen sich neben der Aufklärung der molekularen Wirkmechanismen der gefundenen Substanzen mit der Identifizierung spezifischer chemischer „Funktionseinheiten“ beschäftigen. Neben einem verbesserten mechanistischen Verständnis von Transportvorgängen stellen die erarbeiteten Transportinhibitoren Vorstufen zur Weiterentwicklung möglicher Wirkstoffe dar. Die im Rahmen dieser Arbeit etablierte Technologie-Plattform und molekularen Werkzeuge stellen darüber hinaus eine wichtige Voraussetzung dar, um eine systematische Suche nach möglichen Wirkstoffen im Forschungsfeld der „Chemischen Biomedizin“ voranzutreiben.

Nanoparticles for efficient uptake by human dendritic cells and T lymphocytes to be used in adoptive immunotherapy

Dendritic cells (DCs) are the most potent cell type for capture, processing, and presentation of antigens. They are able to activate naïve T cells as well as to initiate memory T-cell immune responses. T lymphocytes are key elements in eliciting cellular immunity against bacteria and viruses as well as in the generation of anti-tumor and anti-leukemia immune responses. Because of their central position in the immunological network, specific manipulations of these cell types provide promising possibilities for novel immunotherapies. Nanoparticles (NP) that have just recently been investigated for use as carriers of drugs or imaging agents, are well suited for therapeutic applications in vitro and also in vivo since they can be addressed to cells with a high target specificity upon surface functionalization. As a first prerequisite, an efficient in vitro labeling of cells with NP has to be established. In this work we developed protocols allowing an effective loading of human monocyte-derived DCs and primary antigen-specific T cells with newly designed NP without affecting biological cell functions. Polystyrene NP that have been synthesized by the miniemulsion technique contained perylenmonoimide (PMI) as a fluorochrome, allowing the rapid determination of intracellular uptake by flow cytometry. To confirm intracellular localization, NP-loaded cells were analyzed by confocal laser scanning microscopy (cLSM) and transmission electron microscopy (TEM). Functional analyses of NP-loaded cells were performed by IFN-γ ELISPOT, 51Chromium-release, and 3H-thymidine proliferation assays. In the first part of this study, we observed strong labeling of DCs with amino-functionalized NP. Even after 8 days 95% of DCs had retained nanoparticles with a median fluorescence intensity of 67% compared to day 1. NP loading did not influence expression of cell surface molecules that are specific for mature DCs (mDCs) nor did it influence the immunostimulatory capacity of mDCs. This procedure did also not impair the capability of DCs for uptake, processing and presentation of viral antigens that has not been shown before for NP in DCs. In the second part of this work, the protocol was adapted to the very different conditions with T lymphocytes. We used leukemia-, tumor-, and allo-human leukocyte antigen (HLA) reactive CD8+ or CD4+ T cells as model systems. Our data showed that amino-functionalized NP were taken up very efficiently also by T lymphocytes, which usually had a lower capacity for NP incorporation compared to other cell types. In contrast to DCs, T cells released 70-90% of incorporated NP during the first 24 h, which points to the need to escape from intracellular uptake pathways before export to the outside can occur. Preliminary data with biodegradable nanocapsules (NC) revealed that encapsulated cargo molecules could, in principle, escape from the endolysosomal compartment after loading into T lymphocytes. T cell function was not influenced by NP load at low to intermediate concentrations of 25 to 150 μg/mL. Overall, our data suggest that NP and NC are promising tools for the delivery of drugs, antigens, and other molecules into DCs and T lymphocytes.

Funktionelle Analyse der onkologisch relevanten Protease Threonin-Aspartase 1

Krebs stellt eine der häufigsten Todesursachen in Europa dar. Grundlage für eine langfristige Verbesserung des Behandlungserfolgs ist ein molekulares Verständnis der Mechanismen, welche zur Krankheitsentstehung beitragen. In diesem Zusammenhang spielen Proteasen nicht nur eine wichtige Rolle, sondern stellen auch bei vielerlei Erkrankungen bereits anerkannte Zielstrukturen derzeitiger Behandlungsstrategien dar. Die Protease Threonin Aspartase 1 (Taspase1) spielt eine entscheidende Rolle bei der Aktivierung von Mixed Lineage Leukemia (MLL)-Fusionsproteinen und somit bei der Entstehung aggressiver Leukämien. Aktuelle Arbeiten unterstreichen zudem die onkologische Relevanz von Taspase1 auch für solide Tumore. Die Kenntnisse über die molekularen Mechanismen und Signalnetzwerke, welche für die (patho)biologischen Funktionen von Taspase1 verantwortlich sind, stellen sich allerdings noch immer als bruchstückhaft dar. Um diese bestehenden Wissenslücken zu schließen, sollten im Rahmen der Arbeit neue Strategien zur Inhibition von Taspase1 erarbeitet und bewertet werden. Zusätzlich sollten neue Einsichten in evolutionären Funktionsmechanismen sowie eine weitergehende Feinregulation von Taspase1 erlangt werden. Zum einen erlaubte die Etablierung und Anwendung eines zellbasierten Taspase1-Testsystem, chemische Verbindungen auf deren inhibitorische Aktivität zu testen. Überraschenderweise belegten solch zelluläre Analysen in Kombination mit in silico-Modellierungen eindeutig, dass ein in der Literatur postulierter Inhibitor in lebenden Tumorzellen keine spezifische Wirksamkeit gegenüber Taspase1 zeigte. Als mögliche Alternative wurden darüber hinaus Ansätze zur genetischen Inhibition evaluiert. Obwohl publizierte Studien Taspase1 als ααββ-Heterodimer beschreiben, konnte durch Überexpression katalytisch inaktiver Mutanten kein trans-dominant negativer Effekt und damit auch keine Inhibition des wildtypischen Enzyms beobachtet werden. Weiterführende zellbiologische und biochemische Analysen belegten erstmalig, dass Taspase1 in lebenden Zellen in der Tat hauptsächlich als Monomer und nicht als Dimer vorliegt. Die Identifizierung evolutionär konservierter bzw. divergenter Funktionsmechanismen lieferte bereits in der Vergangenheit wichtige Hinweise zur Inhibition verschiedenster krebsrelevanter Proteine. Da in Drosophila melanogaster die Existenz und funktionelle Konservierung eines Taspase1-Homologs postuliert wurde, wurde in einem weiteren Teil der vorliegenden Arbeit die evolutionäre Entwicklung der Drosophila Taspase1 (dTaspase1) untersucht. Obwohl Taspase1 als eine evolutionär stark konservierte Protease gilt, konnten wichtige Unterschiede zwischen beiden Orthologen festgestellt werden. Neben einem konservierten autokatalytischen Aktivierungsmechanismus besitzt dTaspase1 verglichen mit dem humanen Enzym eine flexiblere Substraterkennungs-sequenz, was zu einer Vergrößerung des Drosophila-spezifischen Degradoms führt. Diese Ergebnisse zeigen des Weiteren, dass zur Definition und Vorhersage des Degradoms nicht nur proteomische sondern auch zellbiologische und bioinformatische Untersuchungen geeignet und notwendig sind. Interessanterweise ist die differentielle Regulation der dTaspase1-Aktivität zudem auf eine veränderte intrazelluläre Lokalisation zurückzuführen. Das Fehlen von in Vertebraten hochkonservierten aktiven Kernimport- und nukleolären Lokalisationssignalen erklärt, weshalb dTaspase1 weniger effizient nukleäre Substrate prozessiert. Somit scheint die für die humane Taspase1 beschriebene Regulation von Lokalisation und Aktivität über eine Importin-α/NPM1-Achse erst im Laufe der Entwicklung der Vertebraten entstanden zu sein. Es konnte also ein bislang unbekanntes evolutionäres Prinzip identifiziert werden, über welches eine Protease einen Transport- bzw. Lokalisations-basierten Mechanismus zur Feinregulation ihrer Aktivität „von der Fliege zum Menschen“ nutzt. Eine weitere Möglichkeit zur dynamischen Funktionsmodulation bieten post-translationale Modifikationen (PTMs) der Proteinsequenz, zu welcher Phosphorylierung und Acetylierung zählen. Interessanterweise konnte für die humane Taspase1 über den Einsatz unabhängiger Methoden einschließlich massenspektrometrischer Analysen eine Acetylierung durch verschiedene Histon-Acetyltransferasen (HATs) nachgewiesen werden. Diese Modifikation erfolgt reversibel, wobei vor allem die Histon-Deacetylase HDAC1 durch Interaktion mit Taspase1 die Deacetylierung der Protease katalysiert. Während Taspase1 in ihrer aktiven Konformation acetyliert vorliegt, kommt es nach Deacetylierung zu einer Reduktion ihrer enzymatischen Aktivität. Somit scheint die Modulation der Taspase1-Aktivität nicht allein über intra-proteolytische Autoaktivierung, Transport- und Interaktionsmechanismen, sondern zudem durch post-translationale Modifikationen gesteuert zu werden. Zusammenfassend konnten im Rahmen dieser Arbeit entscheidende neue Einblicke in die (patho)biologische Funktion und Feinregulation der Taspase1 gewonnen werden. Diese Ergebnisse stellen nicht nur einen wichtigen Schritt in Richtung eines verbesserten Verständnis der „Taspase1-Biologie“, sondern auch zur erfolgreichen Inhibition und Bewertung der krebsrelevanten Funktion dieser Protease dar.

Intraneuronal angiotensinergic system in rat and human dorsal root ganglia

To elucidate the local formation of angiotensin II (Ang II) in the neurons of sensory dorsal root ganglia (DRG), we studied the expression of angiotensinogen (Ang-N)-, renin-, angiotensin converting enzyme (ACE)- and cathepsin D-mRNA, and the presence of protein renin, Ang II, Substance P and calcitonin gene-related peptide (CGRP) in the rat and human thoracic DRG. Quantitative real time PCR (qRT-PCR) studies revealed that rat DRG expressed substantial amounts of Ang-N- and ACE mRNA, while renin mRNA as well as the protein renin were untraceable. Cathepsin D-mRNA and cathepsin D-protein were detected in the rat DRG indicating the possibility of existence of pathways alternative to renin for Ang I formation. Angiotensin peptides were successfully detected with high performance liquid chromatography and radioimmunoassay in human DRG extracts. In situ hybridization in rat DRG confirmed additionally expression of Ang-N mRNA in the cytoplasm of numerous neurons. Intracellular Ang II staining could be shown in number of neurons and their processes in both the rat and human DRG. Interestingly we observed neuronal processes with angiotensinergic synapses en passant, colocalized with synaptophysin, within the DRG. In the DRG, we also identified by qRT-PCR, expression of Ang II receptor AT(1A) and AT(2)-mRNA while AT(1B)-mRNA was not traceable. In some neurons Substance P and CGRP were found colocalized with Ang II. The intracellular localization and colocalization of Ang II with Substance P and CGRP in the DRG neurons may indicate a participation and function of Ang II in the regulation of nociception. In conclusion, these results suggest that Ang II may be produced locally in the neurons of rat and human DRG and act as a neurotransmitter.

Investigating the interaction of cellulose nanofibers derived from cotton with a sophisticated 3D human lung cell coculture

Cellulose nanofibers are an attractive component of a broad range of nanomaterials. Their intriguing mechanical properties and low cost, as well as the renewable nature of cellulose make them an appealing alternative to carbon nanotubes (CNTs), which may pose a considerable health risk when inhaled. Little is known, however, concerning the potential toxicity of aerosolized cellulose nanofibers. Using a 3D in vitro triple cell coculture model of the human epithelial airway barrier, it was observed that cellulose nanofibers isolated from cotton (CCN) elicited a significantly (p < 0.05) lower cytotoxicity and (pro-)inflammatory response than multiwalled CNTs (MWCNTs) and crocidolite asbestos fibers (CAFs). Electron tomography analysis also revealed that the intracellular localization of CCNs is different from that of both MWCNTs and CAFs, indicating fundamental differences between each different nanofibre type in their interaction with the human lung cell coculture. Thus, the data shown in the present study highlights that not only the length and stiffness determine the potential detrimental (biological) effects of any nanofiber, but that the material used can significantly affect nanofiber-cell interactions.

Translocation of particles and inflammatory responses after exposure to fine particles and nanoparticles in an epithelial airway model

ABSTRACT: BACKGROUND: Experimental studies provide evidence that inhaled nanoparticles may translocate over the airspace epithelium and cause increased cellular inflammation. Little is known, however, about the dependence of particle size or material on translocation characteristics, inflammatory response and intracellular localization. RESULTS: Using a triple cell co-culture model of the human airway wall composed of epithelial cells, macrophages and dendritic cells we quantified the entering of fine (1 mum) and nano-sized (0.078 mum) polystyrene particles by laser scanning microscopy. The number distribution of particles within the cell types was significantly different between fine and nano-sized particles suggesting different translocation characteristics. Analysis of the intracellular localization of gold (0.025 mum) and titanium dioxide (0.02-0.03 mum) nanoparticles by energy filtering transmission electron microscopy showed differences in intracellular localization depending on particle composition. Titanium dioxide nanoparticles were detected as single particles without membranes as well as in membrane-bound agglomerations. Gold nanoparticles were found inside the cells as free particles only. The potential of the different particle types (different sizes and different materials) to induce a cellular response was determined by measurements of the tumour necrosis factor-alpha in the supernatants. We measured a 2-3 fold increase of tumour necrosis factor-alpha in the supernatants after applying 1 mum polystyrene particles, gold nanoparticles, but not with polystyrene and titanium dioxide nanoparticles. CONCLUSION: Quantitative laser scanning microscopy provided evidence that the translocation and entering characteristics of particles are size-dependent. Energy filtering transmission electron microscopy showed that the intracellular localization of nanoparticles depends on the particle material. Both particle size and material affect the cellular responses to particle exposure as measured by the generation of tumour necrosis factor-alpha.

Convergent synthesis and cellular uptake of multivalent cell penetrating peptides derived from Tat, Antp, pVEC, TP10 and SAP

Cell penetrating peptides (CPP) are peptides of 10 to 30 residues derived from natural translocating proteins. Multivalency is known to enhance cellular uptake for the Tat peptide and closely related polycationic sequences. To test whether multivalency effects on cellular uptake might also occur with other CPP types, we prepared multivalent versions of the strongly cationic Tat, the amphipathic sequences Antp, pVEC and TP10, and the polyproline helix SAP by convergent thioether ligation of the linear CPP onto multivalent scaffolds, and evaluated their uptake in HeLa and CHO cells, intracellular localization, cytotoxicity and hemolysis. While multivalency did not increase the cellular uptake of pVEC or SAP, multivalency effects on uptake comparable to Tat were observed with TP10 and Antp, which are attributable to their polycationic nature. The efficient synthetic protocol for these divalent CPP and their localization in the cytoplasm suggest that CPP might be useful for application in cargo delivery into cells.