La Facultad de Ciencias del Mar : 33 aniversario

[ES]Mesa redonda de orientación profesional con la participación de egresados de la Facultad de Ciencias del Mar

Struktur- und Funktionsanalyse der zytokinbindenden Domäne des humanen Interleukin-6-Rezeptors

Die Familie der IL-6-Typ-Zytokine (IL-6, IL-11, CT-1, CNTF, LIF, OSM, BSF-3) ist durch eine vierhelikale Faltung gekennzeichnet. Alle Zytokine dieser Familie agieren über einen Rezeptorkomplex, der als gemeinsame Komponente mindestens ein Molekül gp130 enthält. IL-6 und IL-11 signalisieren über ein gp130-Homodimer, während CT-1, CNTF, LIF und OSM ein Heterodimer aus gp130 und dem strukturell verwandten LIFR oder, im Falle des OSM, auch OSMR verwenden. Die Rezeptoren der vierhelikalen Zytokine sind in ihrem extrazellulären Bereich modulartig aus Ig- und Fibronektin-Typ-III-ähnlichen Domänen aufgebaut. Sie besitzen als gemeinsame Struktureinheit ein zytokinbindendes Modul (CBM) aus zwei Fibronektin-Typ-III-ähnlichen Domänen, die durch vier konservierte Cysteine in der N-terminalen und ein konserviertes WSXWS-Motiv in der C-terminalen Domäne charakterisiert sind. Auf Zielzellen bindet IL-6 an den spezifischen IL-6 Rezeptor, worauf der Komplex aus IL-6/IL-6R mit dem Signaltransduktor gp130 assoziiert. Der IL-6R besteht in seinem extrazellulären Bereich aus drei Domänen. Die N-terminale Ig-ähnliche Domäne ist für die biologische Aktivität nicht notwendig. Die Domänen 2 und 3 bilden das CBM, welches auch in löslicher Form agonistisch wirkt. In der vorliegenden Arbeit wurden die strukturellen und funktionellen Eigenschaften der dritten extrazellulären Domäne des IL-6R untersucht. Das Protein läßt sich effizient in Bakterien exprimieren und in vitro renaturieren. Es konnte gezeigt werden, daß Domäne 3 für die Bindung an IL-6 ausreichend ist, der Komplex aus D3 und IL-6 jedoch nicht mehr mit dem gp130-Molekül assoziieren kann. Da der lösliche IL-6R (bestehend aus D2 und D3) in der Lage ist, an gp130 zu binden und ein biologisches Signal auszulösen, weisen diese Daten der C-terminalen CBM-Domäne (D3) eine ligandenbindende Funktion und der N-terminalen CBM-Domäne eine wichtige Rolle bei der Komplexbildung mit gp130 und Signalinduktion zu. Die gezeigte Expressions- und Renaturierungsstrategie für D3 wurde zur Markierung des Proteins mit 15N und 13C für die mehrdimensionale, heteronukleare NMR-Spektroskopie angewandt. Die hierdurch ermöglichte Strukturaufklärung von D3 als einer eindeutig in die Ligandenbindung involvierten Teilstruktur wird umfassendere strukturelle Informationen über den IL-6R-Komplex liefern, als es die bisherigen Mutations- bzw. Modellbaustudien konnten.

Die Regulation des Interleukin-12 p40 Promotors in Monozyten und Makrophagen

Interleukin-12 ist ein Schlüsselregulator zellvermittelter Immunantworten. In der vorliegenden Dissertation wurde die Regulation des IL-12 p40 Promotors in Monozyten und Makrophagen untersucht. Mit Hilfe von 'In Vivo Footprinting'-, Bandshift- und Transfektionsexperimenten konnte eine wichtige Funktion der Transkriptionsfaktoren NF-kappaB, C/EBP-beta und PU.1 bei der Aktivierung des Promotors gezeigt werden. 'In Vivo Footprinting'-Experimente führten auch zur Identifikation eines bisher nicht beschriebenen regulatorischen Elementes im IL-12 p40 Promotor. Dieses GA-12 genannte Motiv war in unstimulierten primären Monozyten protektiert, nicht jedoch in Zellen, die mit LPS oder LPS/ Interferon-gamma stimuliert wurden. Eine genauere Charakterisierung ergab, daß dieses Motiv eine repressorische Funktion auf den Promotor ausübt und in unstimulierten, nicht jedoch in stimulierten Monozyten und Makrophagen von einem spezifischen GATA-ähnlichen Komplex (GAP-12) erkannt wird. Zudem führte die Behandlung von Monozyten mit Interleukin-4 und Prostaglandin-E2, Inhibitoren der IL-12 Produktion, zu einer Verstärkung der Komplexbildung am GA-12 Motiv. Zur Analyse der Promotorregulation im nukleosomalen Umfeld wurden außerdem IL-12 p40 Promotor/ Luziferase transgene Mäuse hergestellt. Die Analyse dieser Mäuse zeigte, daß der proximale Promotor ausreichend Sequenzinformation beinhaltet, um in vivo die stimulations- und gewebespezifische Regulation des Gens zu gewährleisten. Anhand der erhobenen Daten konnte ein Modell der Regulation des IL-12 p40 Promotors in Monozyten und Makrophagen entworfen werden.

In vivo- und In vitro-DNA-Verpackung in virusähnliche Partikel des Humanen Papillomvirus Typ 33

Die Rolle der DNA-Bindungsdomäne der Kapsidproteine L1 und L2 humaner Papillomviren (HPV) wird bezüglich der in vitro DNA-Verpackung kontrovers diskutiert und ist für die in vivo DNA-Verpackung noch ungeklärt. Ich konnte zeigen, dass die L1 Proteine der HPV Typen 16, 18 und 33 DNA binden, nicht aber das HPV33 L2 Protein. Die DNA-Bindungsdomäne habe ich auf die letzten sieben Aminosäuren des Carboxyterminus eingegrenzt. In Funktionsanalysen zeigte ich, dass die DNA-Bindungsdomäne des L1 Proteins für den Einschluss von Markerplasmid DNA in Kapside in einem in vivo Ansatz essentiell ist, nicht aber für eine in vitro DNA-Verpackung. Das L2 Protein, das in Kapside eingebaut wurde, denen die L1 DNA-Bindungsdomäne fehlte, konnte die DNA-Verpackung nicht aufrechterhalten.Zusätzlich habe ich die Infektiösität in vitro und in vivo hergestellter DNA-haltiger Kapside (Pseudovirionen) verglichen. Dabei konnte ich zeigen, dass in vivo gewonnene Pseudovirionen, die DNA in Form von Chromatin enthalten, bis zu fünffach infektiöser sind als Pseudovirionen, die in vitro hergestellt wurden und histonfreie DNA enthalten. Biochemische und strukturelle Unterschiede konnten zwischen den zwei Arten von Pseudovirionen nicht festgestellt werden. Chromatin scheint demzufolge die Infektiösität der Pseudovirionen zu verstärken.

The role of Interleukin-12 in liver inflammation

Chronic liver inflammation during viral hepatitis is a major health problem worldwide. The role of proinflammatory cytokines, like IL-12, in breaking hepatic immune tolerance, and inducing acute liver inflammation and virus clearance is not clear. Nor is clear its role in uncontrolled severe inflammatory response, leading to fulminant hepatitis and hepatic failure. This work, focused in the study of the role of endogenous produced IL-12 in inducing hepatic inflammatory responses, demonstrates: In vitro, using adenovirus coding for IL-12, that hepatocytes stimulate CD4+ T cells in a tolerogenic manner, and that endogenous IL-12 is able to switch the immune response into Th1; and in vivo, that endogenous IL-12 induces hepatocyte damage and virus elimination in mice infected with adenovirus. In addition, and in order to study in vivo the relevance of IL-12 in acute inflammation, conditional IL-12 transgenic mice expressing IL-12 in the liver after cre-recombinase mediated induction were generated. For this purpose, an IL-12 fusion protein was created, which demonstrated high levels of bioactivity. Induction of IL-12 expression during embryonic development was achieved by crossbreeding with Act-Cre transgenic mice; induction of IL-12 expression in adult mice was achieved by a plasmid coding for the cre-recombinase. This study demonstrates that after induction, IL-12 is expressed in the liver of the transgenic mice. It also demonstrates that hepatic expression of IL-12 induces splenomegaly and liver inflammation, characterized by large infiltrations in portal tracts and veins, associated with hepatic damage, necrosis areas and lethality. Furthermore, constitutive hepatic IL-12 expression does not lead to abortion, but to total lethality, short after delivery. In conclusion, in this study, a transgenic mouse model has been generated, in which the expression of active IL-12 in the liver can be induced at any time; this model will be very helpful for studying hepatic pathologies. This study has also demonstrated that hepatic produced IL-12 is able of breaking liver tolerance inducing inflammation, virus elimination, severe hepatocyte damage, and lethality. These findings suggest IL-12 as a key cytokine in acute liver inflammation and fulminant hepatic failure. 5.1 Future studies Once the importance of IL-12 in inducing hepatic inflammation and virus elimination was demonstrated in this study, understanding the mechanisms of the IL-12 induced liver damage, and more important, how to avoid it will be the main focus in the future. It is very important to achieve hepatic inflammation for a more effective and faster viral elimination, but avoiding the toxicity of IL-12, which leads to massive liver injury and lethality is obviously necessary to allow IL-12 as therapy. For that purpose, future studies will be mainly base on three different points: 1. The determination of different cell populations present in the hepatic infiltration, which of them are responsible for liver injury, and as well their state of activation. 2. The measure of other pro- and anti-inflammatory cytokines and chemokines, which can play a role in IL-12-induced liver inflammation and hepatocyte damage. For these purposes, specific blocking antibodies (anti TNF-alpha, anti IL-12, anti IFN-g) will be used. The study with different transgenic mice: TNF-alpha Receptor knockout, TGF-b, will also help in determining the role of those cytokines during IL-12-induced liver damage and lethality. 3. The establishing of liver pathology models (viral infection, tumours, auto-antigens) in mice. Induction of IL-12 at any time of the pathology development will help in clarifying the role of IL-12 in those models. Finally, the transgenic mice expressing IL-23 in the liver will be generated.

Hepatische Überexpression des Interleukin-18 in transgenen Mäusen und dessen biologische und immunologische Funktion

In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von Interleukin-18 (IL-18) in der Leber untersucht. IL-18 wurde eine Bedeutung bei verschiedenen Lebererkrankungen zugeschrieben, die genauen Mechanismen sind jedoch nicht geklärt. IL-18 kann ein wesentlicher Faktor bei der Regulierung des Th1/Th2-Gleichgewichts in der Leber sein. Es wurden transgene Mäuse mit konstitutiver Überexpression der inaktiven Form von IL-18 (proIL-18) sowie transgene Mäuse mit Expression der aktiven Form von IL-18 ohne Signalpeptid (FLAG-IL-18) und mit Signalpeptid (SP-IL-18) in Hepatozyten unter der transkriptionellen Kontrolle des murinen Albumin-Promoters etabliert. In eigenen Vorarbeiten wurde eine konstitutive Expression von proIL-18 in Wildtyp-Hepatozyten festgestellt. Bei der Überexpression von proIL-18 in Hepatozyten zeigte sich eine Akkumulierung des Proteins in der Zelle und eine spontane entzündliche und fibrotische Aktivität in der Leber. Die Expression der aktiven Form von IL-18 ohne Signalpeptid (FLAG-IL-18) in Hepatozyten führte zu einer Speicherkrankheit in der Leber. Das Fusionieren des aktiven Teils von IL-18 mit IgG-k-Leadersequenz (SP-IL-18) ermöglichte die Sezernierung von IL-18 aus der Zelle ohne Einfluß auf die Produktion von IFN-g, TNF-a, IL-4 sowie Transaminasen. Die Rolle von IL-18 bei einem LPS-abhängigen Leberschaden mit und ohne Präkonditionierung mit CpG-Oligonukleotiden in vivo wurde untersucht. Die Behandlung proIL-18-transgener Mäuse mit LPS führte zur Sezernierung von biologisch aktivem IL-18 aus Hepatozyten. IL-18 hatte bei proIL-18- sowie bei SP-IL-18-transgenen Mäusen nach der LPS-Gabe keinen Einfluß auf die Leberschädigung und Produktion von IFN-g, TNF-a, IL-4. Nach sequenzieller Behandlung mit CpG und LPS fand sich bei SP-IL-18-transgenen Tieren im Gegensatz zu proIL-18-transgenen Mäusen eine stärkere Produktion von GOT, IFN-g und TNF-a im Vergleich zu Wildtyptieren. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß IL-18 alleine keine hepatotoxische Wirkung und keinen Einfluß auf die Produktion von IFN-g, TNF-a, IL-4 hat, wofür ein zusätzlicher Stimulus notwendig ist. Die in der vorliegenden Arbeit etablierten proIL-18- und SP-IL-18-transgenen Mausmodelle liefern die Grundlage zu weiteren Untersuchungen der Rolle von IL-18 in der Leber bei der Immunmodulation.

Espressione e ruolo funzionale di interleuchina-33 e del suo recettore, ST2, nelle malattie infiammatorie croniche intestinali

IL-33 is a novel member of the IL-1 family and ligand for the IL-1 receptor-related protein, ST2. Recent evidence suggests that the IL-33/ST2 axis plays a critical role in several autoimmune and inflammatory disorders; however, its role in inflammatory bowel disease (IBD) has not been clearly defined. We characterized IL-33 and ST2 expression and modulation following conventional anti-TNF therapy in Crohn’s disease and ulcerative colitis (UC) patients, and investigated the role of IL-33 in SAMP1/YitFc (SAMP) mice, a mixed Th1/Th2 model of IBD. Our results showed a specific increase of mucosal IL-33 in active UC, localized primarily to intestinal epithelial cells (IEC) and colonic inflammatory infiltrates. Importantly, increased expression of full-length IL-33, representing the most bioactive form, was detected in UC epithelium, while elevated levels of cleaved IL-33 were present in IBD serum. ST2 isoforms were differentially modulated in UC epithelium and sST2, a soluble decoy receptor with anti-inflammatory properties, was also elevated in IBD serum. Infliximab (anti-TNF) treatment of UC decreased circulating IL-33 and increased sST2, while stimulation of HT-29 IEC confirmed IL-33 and sST2 regulation by TNF. Similarly, IL-33 significantly increased and correlated with disease severity, and potently induced IL-5, IL-6 and IL-17 from mucosal immune cells in SAMP mice. Taken together, the IL-33/ST2 system plays an important role in IBD and experimental colitis, is modulated by anti-TNF therapy, and may represent a specific biomarker for active UC.

Ruolo di interleuchina-33 sull'espressione di geni profibrotici e sull'ipertrofia dei miofibroblasti nella fibrosi intestinale

Background: Intestinal fibrosis is a serious complication of IBD, with more than a third of Crohn’s disease (CD) patients developing a fibrostenosing phenotype with formation of strictures that will require surgical intervention. Remarkably, SAMP1/YitFc (SAMP) mice, a spontaneous model of CD, develop gut fibrosis; similar to IBD patients, the pathophysiology of SAMP fibrosis is unknown. IL-33 is a member of the IL-1 cytokine family and increased expression is associated with IBD. Emerging evidence suggests its potential role in liver and cutaneous fibrosis, as well as myofibroblast-associated colonic ulcerations . Aim: The aim of this study was to evaluate the role of IL-33 as a potential mediator of profibrotic events leading to intestinal fibrosis and possible stricture formation. Methods: A detailed histologic time course study, with collagen-specific Masson trichrome staining and IHC for ST2 (IL-33 receptor), was performed on SAMP and control AKR (parental strain) mice. qRT-PCR was done on full-thickness ilea for the profibrogenic genes, collagen (coll)-1, coll-3, connective tissue growth factor (CTGF) and insulin-like growth factor 1 (IGF-1). Exogenous IL-33 (33 μg/kg, i.p.) or vehicle was administered daily for 7d to SAMP and AKR mice (N=6/exp group), and ileal tissues evaluated as above. Finally, microarray analysis was performed on full-thickness ilea from SAMP and AKR mice, and IL-33 stimulated subepithelial myofibroblasts (SEMFs). Results: SAMP mice displayed ileal skip lesions with randomly distributed strictures, preceded by typical pre-stricture dilations of the ileum. Ileal wall was visibly thickened with hypertrophy of the serosa, muscularis mucosa, muscularis propria, within which intense collagen deposition was observed, and inflammatory infiltrates in segments showing strictures. Interestingly, intense ST2 staining was present within the inflamed lamina propria of SAMP, notably localized to SEMFs. Fibrosis was first observed at 20 wks, and reached its peak by 50 wks of age. mRNA expression of coll-1 (4.74±0.69-fold; P=0.001), coll-3 (4.92±1.05-fold; P=0.01), IGF1 (12.9±3.45; P=0.006), and CTGF (3.29±0.69; P=0.004) was dramatically elevated in SAMP vs. AKR ilea. IL-33 treatment of AKR mice induced a marked increase in muscle fiber/myofibroblast cellularity and hypertrophy of the muscularis propria (4.13±0.74-fold; P<0.0001), and mRNA expression of coll-1 (5.16±0.89-fold; P=0.0009), coll-3 (1.97±0.14-fold; P=0.01), IGF-1 (9.32±2.27-fold; P=0.004), and CTGF (1.43±0.31-fold; P=0.006) vs. vehicle controls. Microarray data from SAMP ilea and IL-33-treated SEMFs confirmed these trends, displaying a global increase in profibrogenic gene expression. Conclusion: These data suggest an important role for IL-33 in intestinal fibrosis, and may represent a potential target for the treatment of IBD-associated fibrosis and stricture formation.

Towards a new test of time dilation: Laser spectroscopy on lithium ions stored at a velocity of 33.8 % of the speed of light

The subject of the presented thesis is the accurate measurement of time dilation, aiming at a quantitative test of special relativity. By means of laser spectroscopy, the relativistic Doppler shifts of a clock transition in the metastable triplet spectrum of ^7Li^+ are simultaneously measured with and against the direction of motion of the ions. By employing saturation or optical double resonance spectroscopy, the Doppler broadening as caused by the ions' velocity distribution is eliminated. From these shifts both time dilation as well as the ion velocity can be extracted with high accuracy allowing for a test of the predictions of special relativity. A diode laser and a frequency-doubled titanium sapphire laser were set up for antiparallel and parallel excitation of the ions, respectively. To achieve a robust control of the laser frequencies required for the beam times, a redundant system of frequency standards consisting of a rubidium spectrometer, an iodine spectrometer, and a frequency comb was developed. At the experimental section of the ESR, an automated laser beam guiding system for exact control of polarisation, beam profile, and overlap with the ion beam, as well as a fluorescence detection system were built up. During the first experiments, the production, acceleration and lifetime of the metastable ions at the GSI heavy ion facility were investigated for the first time. The characterisation of the ion beam allowed for the first time to measure its velocity directly via the Doppler effect, which resulted in a new improved calibration of the electron cooler. In the following step the first sub-Doppler spectroscopy signals from an ion beam at 33.8 %c could be recorded. The unprecedented accuracy in such experiments allowed to derive a new upper bound for possible higher-order deviations from special relativity. Moreover future measurements with the experimental setup developed in this thesis have the potential to improve the sensitivity to low-order deviations by at least one order of magnitude compared to previous experiments; and will thus lead to a further contribution to the test of the standard model.

Pathogenic role of IL-33-mediated eosinophil infiltration and function in experimental inflammatory bowel disease

IL-33/ST2 axis is known to promote Th2 immune responses and has been linked to several autoimmune and inflammatory disorders, including inflammatory bowel disease (IBD), and recent evidences show that it can regulate eosinophils (EOS) infiltration and function. Based also on the well documented relationship between EOS and IBD, we assessed the role of IL-33-mediated eosinophilia and ileal inflammation in SAMP1/YitFc (SAMP) murine model of Th1/Th2 chronic enteritis, and we found that IL-33 is related to inflammation progression and EOS infiltration as well as IL-5 and eotaxins increase. Administering IL-33 to SAMP and AKR mice augmented eosinophilia, eotaxins mRNA expression and Th2 molecules production, whereas blockade of ST2 and/or typical EOS molecules, such as IL-5 and CCR3, resulted in a marked decrease of inflammation, EOS infiltration, IL-5 and eotaxins mRNA expression and Th2 cytokines production. Human data supported mice’s showing an increased colocalization of IL-33 and EOS in the colon mucosa of UC patients, as well as an augmented IL-5 and eotaxins mRNA expression, when compared to non-UC. Lastly we analyzed SAMP raised in germ free (GF) condition to see the microbiota effect on IL-33 expression and Th2 responses leading to chronic intestinal inflammation. We found a remarkable decrease in ileal IL-33 and Th2 cytokines mRNA expression as well as EOS infiltration in GF versus normal SAMP with comparable inflammatory scores. Moreover, EOS depletion in normal SAMP didn’t affect IL-33 mRNA expression. These data demonstrate a pathogenic role of IL-33-mediated eosinophilia in chronic intestinal inflammation, and that blockade of IL-33 and/or downstream EOS activation may represent a novel therapeutic modality to treat patients with IBD. Also they highlight the gut microbiota role in IL-33 production, and the following EOS infiltration in the intestinal mucosa, confirming that the microbiota is essential in mounting potent Th2 response leading to chronic ileitis in SAMP.

Die Beeinflussung einer Th2-Zell-vermittelten Immunantwort durch Interleukin-1-alpha am Beispiel des murinen allergischen Asthmas

Dass durch IL-1α die Th1-vermittelte Immunreaktion der kutanen Leishmaniasis beeinflusst werden kann, konnte unsere Arbeitsgruppe bereits zeigen. Daran anknüpfend war das Ziel meiner Dissertation zu prüfen, ob sich diese Erkenntnisse im Modell des murinen allergischen Asthmas reproduzieren lassen, auch im Sinne eines zukünftigen therapeutischen Nutzens für die Behandlung dieser epidemiologisch hochrelevanten Erkrankung. Daneben sollte die Verwendung der gesamten murinen Lunge als Quelle für Untersuchungsmaterial erschlossen werden. Zu diesem Zweck wurden bei BALB/c Mäusen ein (OVA)/Alum-induziertes allergisches Asthma in Gegenwart oder Abwesenheit von IL-1α generiert. Anschließend wurde eine broncheoalveoläre Lavage (BAL) durchgeführt, bzw. die komplette linke Lunge gewonnen und prozessiert. Der Einfluss von IL-1α auf den Phänotyp der Th2-vermittelten Immunantwort ließ sich auf zytomorphologischer, durchflusszytometrischer und Zytokin-Ebene nachweisen. So zeigte ein Teil unserer Ergebnisse, dass nach der frühen Gabe eine Tendenz zur Verlagerung des Gewichtes der Abwehrreaktion von Th2 in Richtung Th1 besteht. Ebenso fanden sich Hinweise für eine relative Augmentation der Th2-Antwort durch den Einsatz von IL-1α zu einem späteren Zeitpunkt. Eine absolute Verstärkung der Th2-Reaktion auf OVA durch IL-1α konnten wir nicht messen. Hier scheint mit OVA allein schon eine maximale Ausprägung erreicht zu sein. Neben den Th1/Th2-Effekten wurden auch einige gegenläufige Beobachtungen gemacht, welche nicht a priori durch das Th1/Th2-Paradigma zu erklären sind, sondern den Einfluß von IL-1α auf andere Systeme belegen, wie z. B. die Wirkung auf CCL28 und regulatorische T-Zellen. Für die Gewinnung von inflammatorischen Zellen aus der kompletten Lunge und deren weitere Untersuchung konnten wir eine Methode entwickeln und standardisieren, welche relativ einfach in der Durchführung ist und zuverlässig eine im Verhältnis zur BAL hohe Zellzahl liefert, was wiederum ein breites Spektrum an weiteren Untersuchungen erlaubt. Durch den Vorgang der mechanischen und enzymatischen Prozessierung scheinen die funktionellen Eigenschaften der Zellen nicht wesentlich beeinträchtigt zu sein. Der Einsatz von IL-1α resultierte letztendlich in einem Mischbild an hervorgerufenen Veränderungen und es bedarf noch weiterer Studien, um die unterschiedlichen induzierten Mechanismen sauber voneinander zu trennen und den therapeutischen Nutzen von IL-1α im allergischen Asthma zu evaluieren.