Development of muliplexed analytical methods based on bioluminescent whole-cell biosensors

The subject of this Ph.D. research thesis is the development and application of multiplexed analytical methods based on bioluminescent whole-cell biosensors. One of the main goals of analytical chemistry is multianalyte testing in which two or more analytes are measured simultaneously in a single assay. The advantages of multianalyte testing are work simplification, high throughput, and reduction in the overall cost per test. The availability of multiplexed portable analytical systems is of particular interest for on-field analysis of clinical, environmental or food samples as well as for the drug discovery process. To allow highly sensitive and selective analysis, these devices should combine biospecific molecular recognition with ultrasensitive detection systems. To address the current need for rapid, highly sensitive and inexpensive devices for obtaining more data from each sample,genetically engineered whole-cell biosensors as biospecific recognition element were combined with ultrasensitive bioluminescence detection techniques. Genetically engineered cell-based sensing systems were obtained by introducing into bacterial, yeast or mammalian cells a vector expressing a reporter protein whose expression is controlled by regulatory proteins and promoter sequences. The regulatory protein is able to recognize the presence of the analyte (e.g., compounds with hormone-like activity, heavy metals…) and to consequently activate the expression of the reporter protein that can be readily measured and directly related to the analyte bioavailable concentration in the sample. Bioluminescence represents the ideal detection principle for miniaturized analytical devices and multiplexed assays thanks to high detectability in small sample volumes allowing an accurate signal localization and quantification. In the first chapter of this dissertation is discussed the obtainment of improved bioluminescent proteins emitting at different wavelenghts, in term of increased thermostability, enhanced emission decay kinetic and spectral resolution. The second chapter is mainly focused on the use of these proteins in the development of whole-cell based assay with improved analytical performance. In particular since the main drawback of whole-cell biosensors is the high variability of their analyte specific response mainly caused by variations in cell viability due to aspecific effects of the sample’s matrix, an additional bioluminescent reporter has been introduced to correct the analytical response thus increasing the robustness of the bioassays. The feasibility of using a combination of two or more bioluminescent proteins for obtaining biosensors with internal signal correction or for the simultaneous detection of multiple analytes has been demonstrated by developing a dual reporter yeast based biosensor for androgenic activity measurement and a triple reporter mammalian cell-based biosensor for the simultaneous monitoring of two CYP450 enzymes activation, involved in cholesterol degradation, with the use of two spectrally resolved intracellular luciferases and a secreted luciferase as a control for cells viability. In the third chapter is presented the development of a portable multianalyte detection system. In order to develop a portable system that can be used also outside the laboratory environment even by non skilled personnel, cells have been immobilized into a new biocompatible and transparent polymeric matrix within a modified clear bottom black 384 -well microtiter plate to obtain a bioluminescent cell array. The cell array was placed in contact with a portable charge-coupled device (CCD) light sensor able to localize and quantify the luminescent signal produced by different bioluminescent whole-cell biosensors. This multiplexed biosensing platform containing whole-cell biosensors was successfully used to measure the overall toxicity of a given sample as well as to obtain dose response curves for heavy metals and to detect hormonal activity in clinical samples (PCT/IB2010/050625: “Portable device based on immobilized cells for the detection of analytes.” Michelini E, Roda A, Dolci LS, Mezzanotte L, Cevenini L , 2010). At the end of the dissertation some future development steps are also discussed in order to develop a point of care (POCT) device that combine portability, minimum sample pre-treatment and highly sensitive multiplexed assays in a short assay time. In this POCT perspective, field-flow fractionation (FFF) techniques, in particular gravitational variant (GrFFF) that exploit the earth gravitational field to structure the separation, have been investigated for cells fractionation, characterization and isolation. Thanks to the simplicity of its equipment, amenable to miniaturization, the GrFFF techniques appears to be particularly suited for its implementation in POCT devices and may be used as pre-analytical integrated module to be applied directly to drive target analytes of raw samples to the modules where biospecifc recognition reactions based on ultrasensitive bioluminescence detection occurs, providing an increase in overall analytical output.

Transgene Mausmodelle zur Untersuchung von Nervenzellwanderungen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden transgene Mausmodelle hergestellt, die eine weitere Aufklärung der Rolle des Transkriptionsfaktors Pax6 bei der Wanderung von Nervenzellen ermöglichen, sowie ein Kultursystem zur Darstellung embryonaler Wanderungen außerhalb des Mutterleibs entwickelt.Bei der YAC-transgenen Mäuselinie PhPax6-taulacZ wird das Reportergen taulacZ unter der Kontrolle des Pax6-Promotors exprimiert. Dadurch ist dort, wo Pax6 im Zellkern vorliegt, der Rest der Zelle über seine gesamte Ausdehnung mit der vom taulacZ-Transgen kodierten tau-b-Galactosidase markiert. Das räumlich-zeitliche Expressionsmuster von Pax6 und dem Transgen taulacZ wurde detailliert untersucht. Dabei wurde eine hohe Übereinstimmung festgestellt. Basierend auf der Darstellung der Zellen in ihrer gesamten Ausdehnung, die durch das taulacZ-Transgen erstmals möglich ist, wurde eine Klassifizierung Pax6-positiver Zelltypen vorgenommen. Zunächst wird Pax6 in Neuroepithelzellen, später in radialen Gliazellen exprimiert.Mit der zweiten transgenen Mäuselinie, PhPax6-tTA, wurde ein Werkzeug hergestellt, das die gezielte und hoch spezifische Expression von beliebigen Transgenen in Pax6-exprimierenden Zellen ermöglicht. In Pax6-positive Zellen der Medulla wurde das Grün Fluoreszierende Protein (GFP) eingeführt und das Wanderungsverhalten in vitro über mehrere Tage dargestellt. Erstmals können mit dieser Linie beliebige Expressionskonstrukte gezielt, hocheffizient und schnell in wandernde Neurone eingebracht werden, ohne störende Hinter-grundexpression in anderen Zellen.

Identifizierung und Charakterisierung cis regulatorischer Elemente des humanen Gens für Keratin 20 in vitro und im transgenen Mausmodell

ZusammenfassungKeratin 20 (K20) ist ein Intermediärfilament, das als Strukturelement in den Epithelien des Intestinaltrakts und den Merkelzellen der Haut exprimiert wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene K20 Expressionsvektoren generiert, mit denen regulatorische Elemente des humanen Gens für K20 charakterisiert wurden. Analysiert wurde der Bereich von –4,8 kb bzw. –21,5 kb bis 12,9 kb vom Transkriptionsstart. Die Vektoren, welche die Sequenz von –21,5 kb bis 12,9 kb umfassten, konnten die Expression des EGFP Reportergens in HT-29 Zellen signifikant steigern. Zwei Enhancer-Elemente zwischen –21,5 und –18,4 kb bzw. –18,4 und –14,9 kb verstärkten die Expression der Reporterkonstrukte in vitro signifikant. Die Analyse der Vektoren in transgenen Mäusen zeigte, dass diese das Transgen gewebespezifisch exprimieren. Mit dem Bereich von –4,8 kb bis 12,9 kb ließ sich transgenspezifische mRNA Expression in intestinalen Geweben mittels RT-PCR nachweisen. Die Verwendung der Sequenz von –21,5 kb bis 21,8 kb steigerte die Expression in vivo nicht weiter.Für die gewebespezifische Expression des K20 Vektors reicht die 4,8 kb 5´upstream Sequenz aus, der Bereich bis –21,5 kb verstärkt die Expression in vitro, allerdings fehlen für die starke gewebespezifische Expression von Transgenen in vivo noch weitere Kontrollelemente.

LrhA als Regulator der Flagellen, Motilität, Chemotaxis und Typ 1 Fimbrien in Escherichia coli

Das lrhA-Gen von E. coli kodiert für einen Transkriptionsregulator der LysR-Familie. Die Funktion von LrhA war ungeklärt und sollte durch Vergleich der Gesamt-mRNA aus einem E. coli-Wildtyp und einer isogenen lrhA-Mutante mit Hilfe von Genomanalysen untersucht werden. In der lrhA-Mutante war der mRNA-Gehalt vieler Gene um den Faktor 3 bis 80 erhöht. Es handelt sich um Flagellen-, Motilitäts- und Chemotaxisgene, bzw. um Gene der Typ 1 Fimbrien. Diese Ergebnisse wurden in Expressionsmessungen bestätigt. LrhA war in der Lage an den Promotor von flhDC zu binden, aber nicht an die Promotoren der übrigen Gene für Motilität und Chemotaxis. FlhDC kodiert für den übergeordneten Regulator FlhD2C2 der Fagellensynthese.LrhA war außerdem in der Lage an die Promotoren der Gene für Typ 1 Fimbrien fimA und fimE zu binden. Typ 1 Fimbrien stellen in E. coli Virulenzfaktoren dar. Eine Regulation weiterer Virulenzfaktoren durch LrhA konnte in DNA-Pathoarrays ausgeschlossen werden.LrhA ist damit ein wichtiger Transkriptionsregulator, der die Expression der Gene für Flagellen, Motilität, Chemotaxis und Typ 1 Fimbrien reguliert. FlhDC, fimA und fimE stellen dabei direkte Zielgene von LrhA dar. Außerdem konnte eine positive Autoregulation von LrhA nachgewiesen werden.

Strukturelle und funktionelle Untersuchungen zur Bedeutung der endogenen retroviralen Insertion HERV-K(C4) im C4-Gen des Menschen

Der Längenpolymorphismus des C4-Gens beruht auf der An- oder Abwesenheit einer 6.4 kb langen Insertion im Intron 9. Es handelt sich dabei um einen eigenständigen bisher noch nicht beschriebenen Virus-Typ, der alle Sequenzmerkmale der Familie der humanen endogenen Retroviren (HERV) trägt und zu den HERV-K Viren gehört. Der Provirus wurde als HERV-K(C4) bezeichnet. Die Orientierung dieses retroviralen Elements ist entgegengesetzt zu der Transkriptionsrichtung des C4-Gens. Mittels RT-PCR, RNase Protection Assays und Northern-Blot Analysen konnte der Nachweis von HERV-K(C4)-Antisense mRNA-Transkripten in verschiedenen humanen Zellinien und Geweben erbracht werden. Die retroviralen Transkripte schlossen am 5'- und 3'-Ende Sequenzen des C4-Exon 9 und Exon 10 ein, so daß diese wahrscheinlich "readthrough" Transkripte darstellen, die durch einen 5' des LTR2 gelegenen Promotor initiiert oder im Zusammenhang mit der C4-Expression transkribiert und reguliert werden. Weiterhin konnten insgesamt 4 HERV-K(C4)-mRNA Spezies, einschließlich einer Vollängen-RNA detektiert werden. Die drei subgenomischen mRNAs werden vermutlich durch einfaches und mehrfaches Spleißen generiert. Die quantitative Analyse in verschiedenen humanen Zellinien ergab, daß HERV-K(C4) durchschnittlich mit einer Kopienanzahl zwischen ca.1 bis 100 Transkripten in einer Zelle vorkommt, so daß es sich um low abundance mRNAs handelt. Mittels eines Reportergen-System konnte eine Aktivität des LTR2-Promotors in der Sense-Orientierung des Retrovirus nachgewiesen werden, die nach Stimulation mit IFN- signifikant abnahm. Ein humanes Modell-Systems wurde etabliert, um die Theorie einer Antisense-Abwehr gegen exogene Retroviren in HepG2-Zellen zu überprüfen. Die Theorie basiert auf dem Nachweis von HERV-K(C4)-Antisense-Transkripten, die über eine Heteroduplexbildung mit der Sense-mRNA von verwandten, infektiösen Retroviren eine mögliche Blockierung deren Translation erwirken könnten. Es konnte eine signifikante Abnahme der retroviralen Expression von bis zu 45% nach steigenden Dosen an IFN- in HepG2-Zellen nachgewiesen werden. Der funktionell aktive 3'-LTR-Sense Promotor sowie der Nachweis von HERV-K(C4)-Antisense Transkripten sprechen für die bedeutende Rolle von HERV-K(C4) bei der Genregulation und Schutz gegen exogene Retroviren, wodurch eine Selektion stattgefunden hat.

Atherosklerose und Apoptose

Subendothelial in den Arterienwänden abgelagertes LDL kann einer enzymatischen Modifikation unterliegen, die es in einen cytotoxischen Partikel überführt. In vitro Behandlung von LDL mit Proteasen (Trypsin) und Cholesterinesterase führt zu einem dem läsionalen LDL ähnlichen Produkt. Die Behandlung von humanen Endothelzellen mit enzymatisch verändertem LDL (E-LDL), das einen hohen Gehalt an freiem Cholesterin und freien Fettsäuren aufweist, führt zur Auslösung der Apoptose via ASK1 (apoptosis signal-regulating kinase 1) –abhängiger p38-Phosphorylierung. Durch eine Aktivierung der Effektor-Caspasen-3/-7 kommt es zur Fragmentierung der DNA und zur Spaltung des nukleären Enzyms Poly-(ADP-ribose)-Polymerase. Phosphatidylserin ist an der äußeren Zellmembran mittels Annexin-Bindung detektierbar. Natives oder oxidiertes LDL induziert bei gleicher Konzentration keinen programmierten Zelltod. In Depletions- und Rekonstitutionsexperimenten wurden freie Fettsäuren aus E-LDL als Auslöser der Apoptose identifiziert. In nativem LDL ist der Anteil an freien Fettsäuren gering, deshalb ist das Lipoprotein nicht cytotoxisch. E-LDL induziert weiterhin eine Erhöhung bzw. eine Hemmung der transkriptionellen Aktivität eines AP-1- bzw. NF-κB-Luciferase Reporterplasmids. Die Ausschaltung von ASK1 mittels RNA-Interferenz bzw. die Hemmung von p38 mit dem Inhibitor SB203580 rettet die Zellen vor dem programmierten Zelltod. E-LDL kann in Endothelzellen oxidativen Stress auslösen. Durch Vorbehandlung mit N-Acetyl-Cystein wird die Aktivierung sowohl von ASK1 als auch von p38 unterdrückt.

Approcci molecolari e bioinformatici volti alla caratterizzazione di Vgt1, QTL coinvolto nella regolazione dell'epoca di fioritura in Zea Mays

The genetic control of flowering time has been addressed by many quantitative trait locus (QTL) studies. A survey of the results from 29 independent studies reporting information on 441 QTLs led to the production of a QTL consensus map, which enabled the identification of 59 chromosome regions distributed on all chromosomes and shown to be frequently involved in the genetic control of flowering time and related traits. One of the major QTLs for flowering time, the Vegetative to generative transition 1 (Vgt1) locus , corresponds to an upstream (70 kb) non-coding regulatory element of ZmRap2.7, a repressor of flowering. A transposon (MITE) insertion was identified as a major allelic difference within Vgt1. One of the hypotheses is that Vgt1 might function by modifying ZmRap2.7 chromatin through an epigenetic mechanism. Therefore, the methylation state at Vgt1 was investigated using an approach that combines digestion with McrBc, an endonuclease that acts upon methylated DNA, and quantitative PCR. The analyses were performed on genomic DNA from leaves of six different maize lines at four stages of development. The results showed a trend of reduction of methylation from the first to the last stage with the exception of a short genomic region flanking the MITE insertion, which showed a constant and very dense methylation throughout leaf development and for both alleles. Preliminary results from bisulfite sequencing of a small portion of Vgt1 revealed differential methylation of a single cytosine residue between the two alleles. ZmRap2.7 expression was assayed in the four developmental stages afore mentioned for the six genotypes, in order to establish a link between methylation at Vgt1 and ZmRap2.7 transcription. To assess the role of Vgt1 as a transcriptional enhancer, two reporter vectors for stable transformation of plants have been developed.

Evaluation of a viral vector system, based on a defective interfering RNA of tomato bushy stunt virus, for protein expression and the induction of gene silencing

A viral vector system was developed based on a DI-RNA, a sub-viral particle derived from TBSV-BS3-statice. This newly designed vector system was tested for its applicability in protein expression and induction of gene silencing. Two strategies were pursued. The first strategy was replication of the DI-RNA by a transgenically expressed TBSV replicase and the second was the replication by a so called helper virus. It could be demonstrated by northern blot analysis that the replicase, expressed by the transgenic N. benthamiana plant line TR4 or supplied by the helper virus, is able to replicate DI-RNA introduced into the plant cells. Various genes were inserted into different DI constructs in order to study the vector system with regard to protein expression. However, independent of how the replicase was provided no detectable amounts of protein were produced in the plants. Possible reasons for this failure are identified: the lack of systemic movement of the DI-RNA in the transgenic TR4 plants and the occurrence of deletions in the inserted genes in both systems. As a consequence the two strategies were considered unsuitable for protein expression. The DI-RNA vector system was able to induce silencing of transgenes as well as endogenous genes. Several different p19 deficient helper virus constructs were made to evaluate their silencing efficiency in combination with our DI-RNA constructs. However, it was found that our vector system can not compete with other existing VIGS (virus induced gene silencing) systems in this field. Finally, the influence of DI sequences on mRNA stability on transient GUS expression experiments in GUS silenced plants was evaluated. The GUS reporter gene system was found to be unsuitable for distinguishing between expression levels of wild type plants and GUS silenced transgenic plants. The results indicate a positive effect of the DI sequences on the level of protein expression and therefore further research into this area is recommended.

Der Carrier DcuB als zweiter Sensor des Zweikomponentensystems DcuSR in Escherichia coli

Escherichia coli kann C4-Dicarboxylate und andere Carbonsäuren als Substrate für den aeroben und anaeroben Stoffwechsel nutzen. Die Anwesenheit von C4-Dicarboxylaten im Außenmedium wird über das Zweikomponentensystem DcuSR, bestehend aus der membranständigen Sensorkinase DcuS und dem cytoplasmatischen Responseregulator DcuR, erkannt. Die Bindung von C4-Dicarboxylaten an die periplasmatische Domäne von DcuS führt zu einer Induktion der Zielgene. Hierzu zählen die Gene für den anaeroben Fumarat/Succinat-Antiporter DcuB (dcuB), die anaerobe Fumarase (fumB) und die Fumaratreduktase (frdABCD). Unter aeroben Bedingungen stimuliert DcuSR die Expression des dctA Gens, das für den aeroben C4-Dicarboxylat-Carrier DctA kodiert. Für den Carrier DcuB konnte eine regulatorische Funktion bei der Expression der DcuSR-regulierten Gene gezeigt werden. Die Inaktivierung des dcuB Gens führte bereits ohne Fumarat zu einer maximalen Expression einer dcuB´-´lacZ Reportergenfusion und anderer DcuSR-abhängiger Gene. Diese Stimulierung erfolgte nur in einem dcuS-positiven Hintergrund. DcuB unterscheidet sich damit von den alternativen Carriern DcuA und DcuC, die diesen Effekt nicht zeigten. Mithilfe ungerichteter Mutagenese wurden DcuB-Punktmutanten hergestellt (Thr394Ile und Asp398Asn), die eine Geninduktion verursachten, aber eine intakte Transportfunktion besaßen. Dies zeigt, dass der regulatorische Effekt von DcuB unabhängig von dessen Transportfunktion ist. Durch gerichtete Mutagenese wurde die Funktion einer Punktmutation (Thr394) näher charakterisiert. Es werden zwei Modelle zur Membrantopologie von DcuB und der Lage der Punktmutationen im Protein vorgestellt. Da DcuB seine regulatorische Funktion über eine Interaktion mit DcuS vermitteln könnte, wurden mögliche Wechselwirkungen zwischen DcuB und DcuS als auch DcuR mithilfe von Two-Hybrid-Systemen untersucht. Für biochemische Untersuchungen von DcuB wurde außerdem die Expression des Proteins in vivo und in vitro versucht. Unter aeroben Bedingungen beeinflusst der C4-Dicarboxylat-Carrier DctA die Expression der DcuSR-abhängigen Gene. Eine Mutation des dctA Gens bewirkte eine stärkere Expression einer dctA´-´lacZ Reportergenfusion im Vergleich zum Wildtyp. Diese Expression nahm in einem dcuS-negativen Hintergrund ab, die Succinat-abhängige Induktion blieb jedoch erhalten. Unter anaeroben Bedingungen kann das dctA Gen auch durch Inaktivierung von DcuB induziert werden. Es wird ein Modell vorgestellt, das die Beteiligung beider Carrier an der DcuSR-abhängigen Regulation erklärt.

Analyse der konditionell-induzierten Überexpression von Smad7 in epithelialen Geweben der adulten Maus

Smad7 ist eine inhibitorische Komponente der TGF-β- bzw. Activin-Signalweiterleitung und erfüllt eine wichtige Aufgabe bei deren Regulation. So führt eine konstitutive Überexpression von Smad7 in epithelialen Geweben zum Auftreten verschiedener Phänotypen, wie embryonaler bzw. perinataler Letalität, Hyperproliferation der Epidermis und Thymusatrophie. Auch die Entwicklung der T-Zellen im Thymus und epithelialer Anhangsgebilde wie z.B. von Haaren und Zähnen wird dadurch beeinträchtigt. In dieser Arbeit sollte nun in der adulten Maus der Effekt einer Überexpression von Smad7 in epithelialen Geweben untersucht werden. Zu diesem Zweck wurde ein, auf dem Cre/loxP-Prinzip beruhendes Transgensystem verwendet (K5-Smad7-tg und K14-creERT2), welches eine konditionell-induzierte Überexpression von Smad7 in epithelialen Zellen der adulten Maus erlaubte. Die so gezüchteten doppeltransgenen Tiere wiesen keine signifikanten Veränderungen gegenüber ihren wildtyp bzw. einfachtransgenen Geschwistertieren auf. Die Überexpression von Smad7 in epithelialen Geweben der adulten Maus zu einem Auftreten verschiedenster veränderter Phänotypen der Haut und deren Anhänge, sowie der Schneidezähne. Bei diesen Tieren konnte auch ein signifikanter Körpergewichtsverlust und eine Erhöhung der Mortalitätsrate beobachtet werden, welche sich im Verlauf nach erfolgter Rekombination einstellte. Weitere Analysen zeigten signifikante Veränderungen in der Haut und im Thymus. So konnte in der Haut eine Erhöhung der Proliferationsrate epidermaler Zellen, eine reduzierte Expression von Smad3 und im Thymus Veränderungen in der Gesamtzahl der lebenden T-Zellen und deren Differenzierung beobachtete werden. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß die Hemmung der Signalweiterleitung der TGF-β-Superfamilie, speziell von TGF-β und Activin, zu verschiedenen morphogenetischen Defekten der Haut und deren Anhänge, der Zähne und der T-Zellentwicklung im Thymus führt.

Identification of the N-Linked Glycosylation Sites of the Transcription Factor Rest and Effect of Glycosylation on DNA Binding and Transcriptional Activity

REST is a zinc-finger transcription factor implicated in several processes such as maintenance of embryonic stem cell pluripotency and regulation of mitotic fidelity in non-neuronal cells [Chong et al., 1995]. The gene encodes for a 116-kDa protein that acts as a molecular platform for co-repressors recruitment and promotes modifications of DNA and histones [Ballas, 2005]. REST showed different apparent molecular weights, consistent with the possible presence of post-translational modifications [Lee et al., 2000]. Among these the most common is glycosylation, the covalent attachment of carbohydrates during or after protein synthesis [Apweiler et al., 1999] My thesis has ascertained, for the first time, the presence of glycan chians in the transcription factor REST. Through enzymatic deglycosylation and MS, oligosaccharide composition of glycan chains was evaluated: a complex mixture of glycans, composed of N-acetylgalactosamine, galactose and mannose, was observed thus confirming the presence of O- and N-linked glycan chains. Glycosylation site mapping was done using a 18O-labeling method and MS/MS and twelve potential N-glycosylation sites were identified. The most probable glycosylation target residues were mutated through site-directed mutagenesis and REST mutants were expressed in different cell lines. Variations in the protein molecular weight and mutant REST ability to bind the RE-1 sequence were analyzed. Gene reporter assays showed that, altogether, removal of N-linked glycan chains causes loss of transcriptional repressor function, except for mutant N59 which showed a slight residual repressor activity in presence of IGF-I. Taken togheter these results demonstrate the presence of complex glycan chians in the transcription factor REST: I have depicted their composition, started defining their position on the protein backbone and identified their possible role in the transcription factor functioning. Considering the crucial role of glycosylation and transcription factors activity in the aetiology of many diseases, any further knowledge could find important and interesting pharmacological application.

Ansatz zur Generierung einer konditionalen, reversiblen Wt1 k.o.-Maus

Ansatz zur Generierung einer konditionalen, reversiblen Wt1 k.o.-Maus Der Wilms-Tumor (WT, Nephroblastom) ist ein embryonaler Nierentumor, der durch die maligne Transformation von undifferenziertem Nierengewebe, sog. nephrogenen Resten, entsteht. WT treten mit einer Inzidenz von 1 in 10.000 Lebendgeburten auf. Das Hauptmanifestationsalter, der normalerweise einseitig und sporadisch auftretenden Tumore, liegt zwischen dem 3. und 4. Lebensjahr. Etwa 10 % der Patienten entwickeln jedoch bilaterale Tumore. In diesen Fällen ist eine Assoziation mit komplexen genetischen Krankheitsbildern (u. a. WAGR-, Denys-Drash-, Frasier- und Beckwith-Wiedemann-Syndrom) festzustellen. In 15 % der sporadischen WT sind Mutationen im WT1 (Wilms-Tumor 1)-Gen beschrieben. WT1 besteht aus zehn Exons und weist typische Merkmale von Transkriptionsfaktoren (z. B. vier Zinkfinger) auf. Zwei alternative Spleißereignisse betreffen Exon 5 (+/−Exon 5) und Exon 9 (Transkripte mit bzw. ohne die codierenden Sequenzen für die AS Lysin-Threonin-Serin; +/−KTS). Die Lage der drei alternativ vorhandenen AS zwischen den Zinkfingern 3 und 4 bestimmt die verschiedenen Funktionen der WT1-Proteine (4 Isoformen) als Transkriptionsfaktor (−KTS) bzw. als RNA-bindendes Protein (+KTS). Das zunächst im Zusammenhang mit WT als Tumorsuppressorgen identifizierte WT1 ist ein Entwicklungsgen mit einem sehr komplexen Expressionsmuster in der Embryonalentwicklung. Dabei ist v. a. die Bedeutung in der Urogenitalentwicklung entscheidend. Konstitutive, homozygote Wt1−/− k.o.-Mäuse sind embryonal (~ E12,5 dpc) letal und bilden u. a. keine Gonaden und keine Nieren. Aus diesem Grund existiert bisher kein Wilms-Tumormodell. Die Herstellung eines konditionalen murinen Tiermodells auf Basis des Tet on/off-Systems zur Untersuchung der Nierenentwicklung bzw. zur Analyse der Wilms-Tumorpathogenese war Ziel dieser Arbeit. Hierfür wurden drei Mauslinien generiert: Zwei transgene sog. Responder-Linien, die eine chimäre spleißbare Wt1-cDNA der Variante musWt1+Exon 5;+/−KTS unter der Kontrolle eines Tet-responsiven Promotors im Genom tragen. Dieses tTA/Dox-abhängig regulierbare Wt1-Transgen (tgWt1) sollte (exogen regulierbar) die Expression des endogenen Wt1-Lokus ausreichend nachahmen, um die kritischen Phasen der Embryogenese zu überwinden und lebensfähige Tiere zu erhalten. Parallel dazu wurde die Wt1-Effektor-Mauslinie (WE2) generiert. Diese trägt einen tetrazyklinabhängigen Transaktivator (tTA) zur Steuerung Tet-regulierbarer Transgene unter der Kontrolle des endogenen Wt1-Promotors. Die durch homologe Rekombination in ES-Zellen erreichte Integration des tTA direkt am Translationsstartpunkt des Wt1-Lokus hat in den Tieren einen heterozygoten Wt1 knock out/tTA knock in zur Folge. Die bisher vorgenommenen Verpaarungen doppelt transgener Wt1-tTA+/−/Resp-Mäuse ergaben keinen Rescue des letalen Wt1 k.o. und es konnten bislang keine Wilms-Tumore induziert werden. Alle im Verlauf der Arbeit generierten Mauslinien wurden umfassend charakterisiert. So konnte für die Tiere der Responder-Linien Wt1-Resp1 (mit zusätzlichen Isolator-Sequenzen zum Schutz des Transgens vor Positionseffekten) und Wt1-Resp2 (ohne Isolatoren) konnte die Tet-induzierbare Expression und die Spleißbarkeit des tgWt1 in MEF-Assays und mittels Effektor-Mäusen auf RNA-Ebene nachgewiesen werden. Die genomische Charakterisierung der WE2-Linie ergab eine ungeklärte etwa 120 kb große Inversion am Wt1-Lokus, die alle 5'-regulatorischen Sequenzen mitsamt des tTA vom Rest von Wt1 trennt. Tiere dieser Linie weisen aber dennoch einen funktionalen Wt1 k.o. auf: Unter den Nachkommen aus Intercross-Verpaarungen von Wt1-tTA+/−-Mäusen lassen sich auf Grund der Letalität keine Wt1−/−-Genotypen nachweisen. Die Charakterisierung der Effektor-Linie auf RNA-Ebene und mittels Reporter-Mäusen liefert ein Wt1-analoges tTA-Expressionsmuster: So findet man eine deutliche tTA-Expression u. a. in Niere (Glomeruli), Uterus, Ovar und Testis. Die hier vorgestellten Experimente ergeben darüber hinaus eindeutige Hinweise einer Beteiligung von Wt1 in der Entstehung der glatten Muskulatur bzw. in der Vaskulogenese.

RNA-basierte Impfstoffe zur Induktion optimaler Immunantworten

Antigen-kodierende RNA wird als eine sichere und effiziente Alternative zu traditionellen Impfstoff-Formulierungen, wie Peptid-, Protein-, rekombinanten viralen oder DNA basierten Impfstoffen betrachtet. Der endgültige klinische Nutzen RNA-basierter Impfstoffe wird von der Optimierung verschiedener Parameter abhängig sein, die zur Induktion und effizienten Expansion der humoralen und zellvermittelten Immunantwort beitragen. Vor diesem Hintergrund war die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit, die Etablierung pharmakologischer und immunologischer Parameter für die Generierung effektiver Immunantworten durch RNA-Impfstoffe sowie deren Wirksamkeit in vitro und im Mausmodell unter Nutzung von Modellantigenen zu testen. Zur Untersuchung und Optimierung der RNA-Pharmakokinetik, als einem Schlüsselaspekt der klinischen Medikamentenentwicklung, wurde der Einfluss von strukturellen Modifikationen auf die Transkriptstabilität und Translationseffizienz von Reporter-Proteinen in einer zeitabhängigen Kinetik evaluiert. Es wurde gezeigt, dass ein poly(A) Schwanz von 120 Adenosinen, verglichen mit einem kürzeren, ein freies 3´ poly(A) Ende, verglichen mit einem verdeckten und eine doppelte β-globin 3´ UTR, unabhängig voneinander zu einer Erhöhung der IVT-RNA Stabilität und zu einer Verbesserung der Translationseffizienz beitrugen und dadurch insgesamt zu einer erhöhten Proteinexpression führten. Antigen-kodierende IVT-RNA mit diesen molekularen Merkmalen in Kombination führte, im Vergleich zur Standard IVT-RNA, zu einer erhöhten Dichte und Stabilität von Peptid/MHC-Komplexen auf der Zelloberfläche transfizierter DCs und dadurch zu einer verbesserten Stimulation von CD4+ und CD8+ T-Zellen im murinen und humanen System. Mit dem Ziel, die RNA kodierte Antigenform für die Induktion einer verstärkten Antikörperantwort zu modifizieren, wurde im zweiten Teil der Arbeit ein Antigen-IgM Fusionskonstrukt hergestellt und hinsichtlich seiner Eignung als neues Impfstoff-Format untersucht. Die Ausgangshypothese, dass die RNA kodierten Antigen-IgM Fusionsproteine polymerisieren, von transfizierten Zellen sezerniert werden und aufgrund der repetitiven Antigenstruktur im Vergleich mit dem monomeren Antigen zu einer Verstärkung der Antikörperantwort führen, wurde in vitro und in vivo im Mausmodell bestätigt. Die Entwicklung und Evaluierung von Zytokinfusionsproteinen zur selektiven Verstärkung der antigenspezifischen Immunantworten bildeten den dritten Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit. Zur weiteren Verstärkung der Antikörperantwort wurde basierend auf den Resultaten aus dem zweiten Teil ein IL2-IgM Fusionskonstrukt hergestellt. Die Ko-Transfektion von Antigen-IgM und IL2-IgM kodierender IVT-RNA führte zu einer signifikant stärkeren Antikörperantwort als die Ko-Transfektion von Antigen-IgM und IL2. Für die Initiierung einer erfolgreichen anti-Tumor-Immunantwort ist das Priming antigenspezifischer T-Zellen essentiell. Um die Effizienz dieses Prozesses zu steigern, wurde ein bifunktionelles IL2-mCD40L Fusionskonstrukt hergestellt und sein Einfluss auf die Effektorfunktion von DCs in vitro und in vivo untersucht. Es wurde gezeigt, dass ein RNA kodiertes IL2-mCD40L Fusionsprotein als genetisches Adjuvanz zu einer Effizienzsteigerung des Priming zytotoxischer T-Zellen führt. Somit wurden in dieser Arbeit durch die Optimierung der Pharmakokinetik, die Modifikation der Antigenform und die Herstellung und Evaluierung von Zytokinfusionskonstrukten als genetische Adjuvantien, RNA-basierte Impfstoffe für eine optimierte Induktion von antigenspezifischen Immunantworten weiter verbessert.

Expressions- und Funktionsanalysen von "Tetraspan Vesicle Membrane Proteins" in Caenorhabditis elegans

Tetraspan vesicle membrane proteins (TVPs) sind ubiquitäre Komponenten von Transportvesikeln. Bei den Säugetieren unterscheidet man drei Familien, die Physine, Gyrine und SCAMPs (secretory carrier-associated membrane proteins). Ihre Funktion ist weitgehend unbekannt, es wird jedoch vermutet, dass sie eine Rolle bei der Vesikelbildung und der Vesikelrezirkulierung spielen. In Caenorhabditis elegans existiert von jeder Familie jeweils nur ein einziges Polypeptid: für die Physine Synaptophysin (SPH-1), für die Gyrine Synaptogyrin (SNG-1) und für die SCAMPs SCAMP (SCM-1). Ziel der Arbeit war es die Verteilung der C. elegans TVPs zu untersuchen und ihre Funktion unter besonderer Berücksichtigung der vesikelvermittelten synaptischen Kopplung zu bestimmen. Wenn die C. elegans TVPs in humanen Epithelzellen synthetisiert werden, lokalisieren sie in zytoplasmatischen Vesikeln. In Kotransfektionsexperimenten wurde gezeigt, dass sie größtenteils in den gleichen Strukturen enthalten sind. In C. elegans synthetisierte TVP-Reporterkonstrukte können in unterschiedlichen Geweben nachgewiesen werden. Dabei ist SNG-1 fast ausschließlich in Neuronen zu finden. SPH-1 und SCM-1 hingegen weisen komplexe und teilweise überlappende Verteilungsmuster auf. Während für SPH-1 eine starke Fluoreszenz im Pharynx, auf der apikalen Seite der Darmzellen oberhalb des sog. terminal webs und in adluminalen Regionen von exkretorischen Geweben gefunden wurde, war SCM-1 stark in der Muskulatur und den Coelomozyten vertreten. Die Expression von SCM-1 in Pharynx und Darm war deutlich schwächer. Die C. elegans TVPs werden früh in der Entwicklung ab der Gastrulation (SPH-1 und SCM-1) bzw. ab der Neurulation im sog. Komma-Stadium (SNG-1) produziert. Um die Funktion der TVPs in C. elegans zu untersuchen, wurden TVP-Mutanten analysiert. Durch Kombination aller drei TVP-Gen-Mutanten wurden TVP-Dreifachmutanten generiert. Diese wiesen keinen offensichtlichen Defekt im Bewegungsmuster auf, entwickelten sich normal und bildeten ein normales Nervensystem aus. Auch auf unterschiedliche chemische und physikalische Reize in sensorischen Tests reagierten die TVP-Dreifachmutanten in gleicher Weise wie Wildtyptiere. Ebenso zeigen die TVP-Dreifachmutanten elektrophysiologisch unter normalen Bedingungen keine anormalen Reaktionsmuster. In ultrastrukturellen Untersuchungen wurde lediglich eine signifikant erhöhte Anzahl Clathrin-ummantelter Vesikel in cholinergen Synapsen gefunden. Erst unter Stressbedingungen, hervorgerufen durch den GABA-Antagonisten Pentylentetrazol (PTZ), wiesen sowohl die TVP-Dreifach- als auch die TVP-Einzelmutanten eine deutlich erhöhte Krampfbereitschaft auf. Zusammengenommen zeigen die Analysen, dass TVPs zwar für grundlegende neuronale Prozesse nicht notwendig sind, dass sie aber auf der anderen Seite vermutlich an alternativen redundanten Wegen der Neurotransmitterfreisetzung beteiligt sind.

Differential cell type-specific transcriptional regulation of the CYP1A1 gene

Cytochrome P450 1A1 (CYP1A1) monooxygenase plays an important role in the metabolism of environmental pollutants such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and halogenated polycyclic aromatic hydrocarbons (HAHs). Oxidation of these compounds converts them to the metabolites that subsequently can be conjugated to hydrophilic endogenous entities e.g. glutathione. Derivates generated in this way are water soluble and can be excreted in bile or urine, which is a defense mechanism. Besides detoxification, metabolism by CYP1A1 may lead to deleterious effects since the highly reactive intermediate metabolites are able to react with DNA and thus cause mutagenic effects, as it is in the case of benzo(a) pyrene (B[a]P). CYP1A1 is normally not expressed or expressed at a very low level in the cells but it is inducible by many PAHs and HAHs e.g. by B[a]P or 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD). Transcriptional activation of the CYP1A1 gene is mediated by aryl hydrocarbon receptor (AHR), a basic-helix-loop-helix (bHLH) transcription factor. In the absence of a ligand AHR stays predominantly in the cytoplasm. Ligand binding causes translocation of AHR to the nuclear compartment, its heterodimerization with another bHLH protein, the aryl hydrocarbon nuclear translocator (ARNT) and binding of the AHR/ARNT heterodimer to a DNA motif designated dioxin responsive element (DRE). This process leads to the transcriptional activation of the responsive genes containing DREs in their regulatory regions, e.g. that coding for CYP1A1. TCDD is the most potent known agonist of AHR. Since it is not metabolized by the activated enzymes, exposure to this compound leads to a persisting activation of AHR resulting in diverse toxic effects in the organism. To enlighten the molecular mechanisms that mediate the toxicity of xenobiotics like TCDD and related compounds, the AHR-dependent regulation of the CYP1A1 gene was investigated in two cell lines: human cervix carcinoma (HeLa) and mouse hepatoma (Hepa). Study of AHR activation and its consequence concerning expression of the CYP1A1 enzyme confirmed the TCDD-dependent formation of the AHR/ARNT complex on DRE leading to an increase of the CYP1A1 transcription in Hepa cells. In contrast, in HeLa cells formation of the AHR/ARNT heterodimer and binding of a protein complex containing AHR and ARNT to DRE occurred naturally in the absence of TCDD. Moreover, treatment with TCDD did not affect the AHR/ARNT dimer formation and binding of these proteins to DRE in these cells. Even though the constitutive complex on DRE exists in HeLa, transcription of the CYP1A1 gene was not increased. Furthermore, the CYP1A1 level in HeLa cells remained unchanged in the presence of TCDD suggesting repressional mechanism of the AHR complex function which may hinder the TCDD-dependent mechanisms in these cells. Similar to the native, the mouse CYP1A1-driven reporter constructs containing different regulatory elements were not inducible by TCDD in HeLa cells, which supported a presence of cell type specific trans-acting factor in HeLa cells able to repress both the native CYP1A1 and CYP1A1-driven reporter genes rather than species specific differences between CYP1A1 genes of human and rodent origin. The different regulation of the AHR-mediated transcription of CYP1A1 gene in Hepa and HeLa cells was further explored in order to elucidate two aspects of the AHR function: (I) mechanism involved in the activation of AHR in the absence of exogenous ligand and (II) factor that repress function of the exogenous ligand-independent AHR/ARNT complex. Since preliminary studies revealed that the activation of PKA causes an activation of AHR in Hepa cells in the absence of TCDD, the PKA-dependent signalling pathway was the proposed endogenous mechanism leading to the TCDD-independent activation of AHR in HeLa cells. Activation of PKA by forskolin or db-cAMP as well as inhibition of the kinase by H89 in both HeLa and Hepa cells did not lead to alterations in the AHR interaction with ARNT in the absence of TCDD and had no effect on binding of these proteins to DRE. Moreover, the modulators of PKA did not influence the CYP1A1 activity in these cells in the presence and in the absence of TCDD. Thus, an involvement of PKA in the regulation of the CYP1A1 Gen in HeLa cells was not evaluated in the course of this study. Repression of genes by transcription factors bound to their responsive elements in the absence of ligands has been described for nuclear receptors. These receptors interact with protein complex containing histone deacetylase (HDAC), enzyme responsible for the repressional effect. Thus, a participation of histone deacetylase in the transcriptional modulation of CYP1A1 gene by the constitutively DNA-bound AHR/ARNT complex was supposed. Inhibition of the HDAC activity by trichostatin A (TSA) or sodium butyrate (NaBu) led to an increase of the CYP1A1 transcription in the presence but not in the absence of TCDD in Hepa and HeLa cells. Since amount of the AHR and ARNT proteins remained unchanged upon treatment of the cells with TSA or NaBu, the transcriptional upregulation of CYP1A1 gene was not due to an increased expression of the regulatory proteins. These findings strongly suggest an involvement of HDAC in the repression of the CYP1A1 gene. Similar to the native human CYP1A1 also the mouse CYP1A1-driven reporter gene transfected into HeLa cells was repressed by histone deacetylase since the presence of TSA or NaBu led to an increase in the reporter activity. Induction of reporter gene did not require a presence of the promoter or negative regulatory regions of the CYP1A1 gene. A promoter-distal fragment containing three DREs together with surrounding sequences was sufficient to mediate the effects of the HDAC inhibitors suggesting that the AHR/ARNT binding to its specific DNA recognition site may be important for the CYP1A1 repression. Histone deacetylase is recruited to the specific genes by corepressors, proteins that bind to the transcription factors and interact with other members of the HDAC complex. Western blot analyses revealed a presence of HDAC1 and the corepressors mSin3A (mammalian homolog of yeast Sin3) and SMRT (silencing mediator for retinoid and thyroid hormone receptor) in both cell types, while the corepressor NCoR (nuclear receptor corepressor) was expressed exclusively in HeLa cells. Thus the high inducibility of CYP1A1 in Hepa cells may be due to the absence of NCoR in these cells in contrast to the non-responsive HeLa cells, where the presence of NCoR would support repression of the gene by histone deacetylase. This hypothesis was verified in reporter gene experiments where expression constructs coding for the particular members of the HDAC complex were cotransfected in Hepa cells together with the TCDD-inducible reporter constructs containing the CYP1A1 regulatory sequences. An overexpression of NCoR however did not decrease but instead led to a slight increase of the reporter gene activity in the cells. The expected inhibition was observed solely in the case of SMRT that slightly reduced constitutive and TCDD-induced reporter gene activity. A simultaneous expression of NCoR and SMRT shown no further effects and coexpression of HDAC1 with the two corepressors did not alter this situation. Thus, additional factors that are likely involved in the repression of CYP1A1 gene by HDAC complex remained to be identified. Taking together, characterisation of an exogenous ligand independent AHR/ARNT complex on DRE in HeLa cells that repress transcription of the CYP1A1 gene creates a model system enabling investigation of endogenous processes involved in the regulation of AHR function. This study implicates HDAC-mediated repression of CYP1A1 gene that contributes to the xenobiotic-induced expression in a tissue specific manner. Elucidation of these processes gains an insight into mechanisms leading to deleterious effects of TCDD and related compounds.