Funktionelle Charakterisierung der Protein-Kinase CK2 in der Suppression Th2-vermittelter Immunantworten durch regulatorische T-Zellen

Regulatorische T-Zellen (Tregs) leisten durch ihre suppressiven Eigenschaften einen essenziellen Beitrag zur Aufrechterhaltung der immunologischen Toleranz. Sie verhindern schädliche Immunreaktionen gegen Autoantigene, kommensale Bakterien, sowie harmlose Nahrungsmittel-bestandteile. Gleichzeitig gewährleisten sie die Entwicklung effektiver Immunantworten gegen eindringende Pathogene, wie z.B. Parasiten, Bakterien und Viren. Damit haben Tregs direkten Einfluss auf das Gleichgewicht zwischen Immunität und Toleranz. Fehler in der suppressiven Funktionsweise von Tregs begünstigen daher auf der einen Seite die Entstehung zahlreicher autoimmuner Erkrankungen und Allergien. Auf der anderen Seite können Tregs Immunreaktionen bei chronischen Infektionen reduzieren, sowie die Entstehung effektiver Immunantworten gegen Tumore hemmen. Ihre Beteiligung an der Ätiologie all dieser Krankheiten macht Tregs zu einem bedeutenden potenziellen Zielobjekt, um diese Krankheiten effektiv zu therapieren. Die Erweiterung des Grundwissens um die molekularen Mechanismen der Treg-vermittelten Suppression ist daher ein notwendiger Schritt bei der Entwicklung Treg-basierter Theraphieansätze. 2003 konnte mit Foxp3 ein Transkriptionsfaktor identifiziert werden, der maßgeblich die suppressiven Funktionen von Tregs steuert. Um weiteren Einblick in die der Suppression zugrundeliegenden Signalwege zu erhalten, wurde im Institut für Immunologie ein komparativer Kinomarray durchgeführt, anhand dessen die Casein Kinase 2 (CK2) als eine der aktivsten Kinasen in Tregs identifiziert wurde (Daten freundlicherweise von Prof. Dr. Tobias Bopp bereitgestellt). rnBasierend auf den Ergebnissen des Kinomarrays wurde in dieser Arbeit die Funktion der CK2 in Tregs untersucht. Dabei konnte in in vitro Experimenten die Treg-vermittelte Suppression durch den pharmakologische CK2 Inhibitor DMAT aufgehoben werden. Weil derartige Inhibitoren jedoch nicht absolut spezifisch die Aktivität nur einer Kinase supprimieren, wurden außerdem Mäuse mit konditionalem „knockout“ der CK2β Untereinheit spezifisch in Tregs gekreuzt (CK2βTreg-/- Mäuse). Die Analyse dieser Tiere offenbarte eine essenzielle Beteiligung der CK2 an den suppressiven Funktionen von Tregs. So entwickeln CK2βTreg-/- Mäuse mit zunehmendem Alter Splenomegalien und Lymphadenopathien, von denen in besonderem Maße die Mukosa-assoziierten Lymphknoten betroffen sind. Eine Analyse des Aktivierungsstatus der T-Zellen in den Tieren konnte zudem einen erhöhten Anteil sogenannter Effektor-Gedächtnis T-Zellen aufdecken, die charakteristische Merkmale eines Th2 Phänotyps zeigten. Erhöhte Titer des Antikörperisotyps IgE in den Seren von CK2βTreg-/- Mäusen suggerieren zusätzlich eine fehlerhafte Suppression speziell Th2-vermittelter Immunantworten durch CK2β-defiziente Tregs. In Th2-vermittelten Asthma Experimenten in vivo konnte der Verdacht der fehlerhaften Kontrolle von Th2-Antwort bestätigt werden, wobei zusätzlich aufgedeckt wurde, dass bereits unbehandelte CK2βTreg-/- Mäuse Zeichen einer Entzündungsreaktion in der Lunge aufweisen. Bei der Suche nach den molekularen Ursachen der fehlerhaften Suppression Th2-vermittelter Immunantworten durch CK2β-defiziente Tregs konnten zwei mögliche Erklärungsansätze gefunden werden. Zum einen zeigen CK2β-defiziente Tregs eine verringerte Expression von Foxp3, was, in Analogie zu Ergebnissen der Gruppe von R. Flavell (Wang Y.Y. Nature. 445, 766-770 (2007)), zu einer Konversion von Tregs zu Th2 Zellen und damit zur Entstehung eines Th2-basierten, autoimmunen Phänotyps führt. Des Weiteren weisen CK2β-defiziente Tregs eine reduzierte Expression des Transkriptionsfaktors IRF4 auf, der in Tregs entscheidend für die Kontrolle Th2-basierter Immunreaktionen ist (Zheng Y. Nature. 19; 351-356 (2009)). Die dargelegten Ergebnisse identifizieren die CK2 damit als Kinase, die entscheidend an der Treg-vermittelten Suppression speziell Th2-basierter Immunantworten beteiligt ist. Demnach könnten pharmakologische CK2 Inhibitoren beispielsweise dazu eingesetzt werden, um die Treg-vermittelte Suppression im Rahmen chronischer Parasiten-Infektionen aufzuheben. Die in CK2βTreg-/- Mäusen beobachtete Prävalenz der Funktion der CK2 für Mukosa-assoziierte Organe stellt dabei einen zusätzlichen Vorteil dar, weil systemische Nebenwirkungen, die durch die Blockade der Treg-vermittelte Suppression entstehen, zumindest in nicht-Mukosa-assoziierten Geweben nicht zu erwarten sind.rn

Rolle der FOS-Proteine und des MAPK-Signallings in der Regulation der zellulären Antwort auf genotoxischen Stress

Die mittlere Überlebenszeit nach Erkennung eines Glioblastoms ohne Behandlung liegt bei 3 Monaten und kann durch die Behandlung mit Temozolomid (TMZ) auf etwa 15 Monate gesteigert werden. Neben TMZ sind die chlorethylierenden Nitrosoharnstoffe die meistversprechendsten und am häufigsten eingesetzten Chemotherapeutika in der Gliomtherapie. Hier liegt die mittlere Überlebenszeit bei 17,3 Monaten. Um die Therapie des Glioblastoms noch effektiver zu gestalten und Resistenzen zu begegnen, werden unterschiedlichste Ansätze untersucht. Eine zentrale Rolle spielen hierbei das activator protein 1 (AP-1) und die mitogen aktivierten Proteinkinasen (MAPK), deren Funktion in bisherigen Arbeiten noch unzureichend beleuchtet wurde.rnBesonders mit der Rolle des AP-1-bildenden Proteins FRA-1 in der Therapie des Glioblastoms haben sich bisher nur wenige Arbeiten beschäftigt, weshalb im ersten Teil der vorliegenden Arbeit dessen Funktion in der Regulation der Chemosensitivität gegenüber dem chlorethylierenden Agenz ACNU genauer untersucht wurde. Es konnte gezeigt werden, dass die FRA 1-Expression durch Behandlung mit ACNU induziert wird. Die Induktion erfolgte über die beiden MAPKs ERK1/2 und p38K. JNK hatte keinen Einfluss auf die Induktion. Durch die Herunterregulation der FRA-1-Expression mit Hilfe von siRNA und eines shRNA exprimierenden Plasmids kam es zu einer signifikanten Sensitivierung gegenüber ACNU. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Herunterregulation der FRA-1-Expression in einer verminderten AP 1-Bildung, bedingt durch eine reduzierte Menge an FRA-1 im AP-1-Komplex resultiert. Die Sensitivierung gegenüber ACNU ist weder durch eine Veränderung in der DNA-Reparatur, noch in der Modulation der FAS-Ligand- bzw. FAS-Rezeptor-Expression bedingt. Auch die hier untersuchten BCL 2-Familienmitglieder wiesen keine Unterschiede in der Expression durch Modulation der FRA 1-Expression auf. Allerdings kam es durch die verminderte FRA-1-Expression zu einer Reduktion der Zellzahl in der G2/M-Phase nach Behandlung mit ACNU. Diese ging einher mit einer reduzierten Menge an phosphoryliertem und unphosphoryliertem CHK1, weshalb davon auszugehen ist, dass FRA 1 nach ACNU-Behandlung in Gliomzellen vor der Apoptose schützt, indem es modulierend auf die Zellzykluskontrolle einwirkt.rnIm zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Regulation der apoptotischen Antwort nach Behandlung mit ACNU und TMZ genauer beleuchtet, wobei ein spezielles Augen¬merk auf AP 1 und die MAPKs gelegt wurde. Hier konnte gezeigt werden, dass die Apoptose nach Behandlung mit ACNU bzw. TMZ sowohl durch Spaltung von Pro-Caspase 8, als auch Pro-Caspase 9 eingeleitet wird. Dabei akkumulierte in beiden Fällen p53 vermehrt im Zellkern. Eine Inhibierung der transkriptionellen Aktivität von p53 führte nach ACNU-Behandlung zu einer Sensitivierung der Zellen, nach TMZ-Behandlung kam es zu einem leichten Anstieg in der Vitälität. Der FAS-Rezeptor wurde nach ACNU- und nach TMZ-Behandlung aktiviert und auch die DNA-Reparaturproteine DDB2 und XPC wurden in beiden Fällen vermehrt exprimiert. Für die MAPKs JNK und ERK1/2 konnte gezeigt werden, dass diese pro-apoptotisch wirken. Die AP-1-Bildung nach ACNU-Behandlung erfolgte bereits nach 24 h und war von langer Dauer, wohingegen nach TMZ-Behandlung nur eine transiente AP 1-Bildung zu relativ späten Zeitpunkten detektiert werden konnte. Ebenso konnte für das AP-1-Zielgen FAS-Ligand nach ACNU-Behandlung eine relativ schnelle, lang anhaltende Aktivierung detektiert werden, wohingegen nach TMZ-Behandlung zu einem späten Zeitpunkt ein kurzer Anstieg im Signal zu verzeichnen war. In späteren Experimenten konnte gezeigt werden, dass das BCL-2-Familienmitglied BIM eine zentrale Rolle in der Regulation des intrinsischen Apoptosesignalweges nach Behandlung mit ACNU und TMZ spielt. Die hier entstanden Ergebnisse tragen entscheidend zum Verständnis der durch diese beiden Agenzien gesteuerten, apoptotischen Signalwege bei und bieten eine fundierte Grundlage für weitere Untersuchungen.rn

Optimization of RNA-based transgene expression by targeting Protein Kinase R

The aim of this thesis was to establish a method for repeated transfection of in vitro transcribed RNA (IVT-RNA) leading to a sustained protein expression lasting for days or even weeks. Once transfected cells recognize IVT-RNA as "non-self" and initiate defense pathways leading to an upregulated interferon (IFN) response and stalled translation. In this work Protein Kinase R (PKR) was identified as the main effector molecule mediating this cellular response. We assessed four strategies to inhibit PKR and the IFN response: A small molecule PKR inhibitor enhanced protein expression and hampered the induction of IFN-transcripts, but had to be excluded due to cytotoxicity. A siRNA mediated PKR knockdown and the overexpression of a kinase inactive PKR mutant elevated the protein expression, but the down-regulation of the IFN response was insufficient. The co-transfer of the viral inhibitors of PKR and the IFN response was most successful. The use of E3, K3 and B18R co-transfection enabled repeated IVT-RNA-based transfection of human fibroblasts. Thus, the developed protocol allows a continuous IVT-RNA encoded protein expression of proteins, which could be the basis for the generation of induced pluripotent stem cells (iPS) for several therapeutic applications in regenerative medicine or drug research.

Sphingosine kinase 1 is critically involved in nitric oxide-mediated human endothelial cell migration and tube formation

Sphingosine kinases (SKs) convert sphingosine to sphingosine 1-phosphate (S1P), which is a bioactive lipid that regulates a variety of cellular processes including proliferation, differentiation and migration.

A novel mode of action of the putative sphingosine kinase inhibitor 2-(p-hydroxyanilino)-4-(p-chlorophenyl) thiazole (SKI II): induction of lysosomal sphingosine kinase 1 degradation

Sphingosine kinase 1 (SK1) is a key enzyme in the generation of sphingosine 1-phosphate (S1P) which critically regulates a variety of important cell responses such as proliferation and migration. Therefore, inhibition of SK-1 has been suggested to be an attractive approach to treat tumor growth and metastasis formation.

AICAR and metformin, but not exercise, increase muscle glucose transport through AMPK-, ERK-, and PDK1-dependent activation of atypical PKC

Activators of 5'-AMP-activated protein kinase (AMPK) 5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-beta-d-ribofuranoside (AICAR), metformin, and exercise activate atypical protein kinase C (aPKC) and ERK and stimulate glucose transport in muscle by uncertain mechanisms. Here, in cultured L6 myotubes: AICAR- and metformin-induced activation of AMPK was required for activation of aPKC and ERK; aPKC activation involved and required phosphoinositide-dependent kinase 1 (PDK1) phosphorylation of Thr410-PKC-zeta; aPKC Thr410 phosphorylation and activation also required MEK1-dependent ERK; and glucose transport effects of AICAR and metformin were inhibited by expression of dominant-negative AMPK, kinase-inactive PDK1, MEK1 inhibitors, kinase-inactive PKC-zeta, and RNA interference (RNAi)-mediated knockdown of PKC-zeta. In mice, muscle-specific aPKC (PKC-lambda) depletion by conditional gene targeting impaired AICAR-stimulated glucose disposal and stimulatory effects of both AICAR and metformin on 2-deoxyglucose/glucose uptake in muscle in vivo and AICAR stimulation of 2-[(3)H]deoxyglucose uptake in isolated extensor digitorum longus muscle; however, AMPK activation was unimpaired. In marked contrast to AICAR and metformin, treadmill exercise-induced stimulation of 2-deoxyglucose/glucose uptake was not inhibited in aPKC-knockout mice. Finally, in intact rodents, AICAR and metformin activated aPKC in muscle, but not in liver, despite activating AMPK in both tissues. The findings demonstrate that in muscle AICAR and metformin activate aPKC via sequential activation of AMPK, ERK, and PDK1 and the AMPK/ERK/PDK1/aPKC pathway is required for metformin- and AICAR-stimulated increases in glucose transport. On the other hand, although aPKC is activated by treadmill exercise, this activation is not required for exercise-induced increases in glucose transport, and therefore may be a redundant mechanism.

Loss of sphingosine kinase-1 in carcinoma cells increases formation of reactive oxygen species and sensitivity to doxorubicin-induced DNA damage

Sphingosine kinases (SK) catalyse the formation of sphingosine 1-phosphate, which is a key lipid mediator regulating cell responses such as proliferation, survival and migration. Here we have investigated the effect of targeted inhibition of SK-1 on cell damage and elucidated the mechanisms involved.

Purification, cDNA structure and biological significance of a single insulin-like growth factor-binding domain protein (SIBD-1) identified in the hemocytes of the spider Cupiennius salei

Cupiennius salei single insulin-like growth factor-binding domain protein (SIBD-1), which exhibits an IGFBP N-terminal domain-like profile, was identified in the hemocytes of the spider C. salei. SIBD-1 was purified by RP-HPLC and the sequence determined by a combination of Edman degradation and 5'-3'- RACE PCR. The peptide (8676.08 Da) is composed of 78 amino acids, contains six intrachain disulphide bridges and carries a modified Thr residue at position 2. SIBD-1 mRNA expression was detected by quantitative real-time PCR mainly in hemocytes, but also in the subesophageal nerve mass and muscle. After infection, the SIBD-1 content in the hemocytes decreases and, simultaneously, the temporal SIBD-1 expression seems to be down-regulated. Two further peptides, SIBD-2 and IGFBP-rP1, also exhibiting IGFBP N-terminal domain variants with unknown functions, were identified on cDNA level in spider hemocytes and venom glands. We conclude that SIBD-1 may play an important role in the immune system of spiders.

MAP kinase kinase 1 (MKK1) is essential for transmission of Trypanosoma brucei by Glossina morsitans

MAP kinase kinase 1 (MKK1) is encoded by a single copy gene in Trypanosoma brucei. It has been shown recently that MKK1 is not essential for bloodstream forms [14]. To investigate the requirement for MKK1 in other life-cycle stages we generated null mutants in procyclic forms of a fly-transmissible strain. These grew normally in culture and were able to establish midgut infections in tsetse at normal rates and intensities, but were incapable of colonising the salivary glands. Transformation of null mutants with an ectopic copy of MKK1 enabled parasites to complete the life cycle in tsetse and infect mice. This is the first example of a gene that is indispensable for transmission of T. brucei. It also raises the possibility that activating the MKK1 signalling cascade in vitro might trigger the differentiation and proliferation of life-cycle stages of T. brucei that are currently refractory to culture.

Thiazolidinedione-dependent activation of sphingosine kinase 1 causes an anti-fibrotic effect in renal mesangial cells

PPARγ agonists [thiazolidinediones (TZDs)] are known to exert anti-fibrotic effects in the kidney. In addition, we previously demonstrated that sphingosine kinase 1 (SK-1) and intracellular sphingosine-1-phosphate (S1P), by reducing the expression of connective tissue growth factor (CTGF), have a protective role in the fibrotic process.

Xanthohumol ameliorates atherosclerotic plaque formation, hypercholesterolemia, and hepatic steatosis in ApoE-deficient mice

SCOPE: Xanthohumol (XN), a prenylated antioxidative and anti-inflammatory chalcone from hops, exhibits positive effects on lipid and glucose metabolism. Based on its favorable biological properties, we investigated whether XN attenuates atherosclerosis in western-type diet-fed apolipoprotein-E-deficient (ApoE(-/-) ) mice. METHODS AND RESULTS: XN supplementation markedly reduced plasma cholesterol concentrations, decreased atherosclerotic lesion area, and attenuated plasma concentrations of the proinflammatory cytokine monocyte chemoattractant protein 1. Decreased hepatic triglyceride and cholesterol content, activation of AMP-activated protein kinase, phosphorylation and inactivation of acetyl-CoA carboxylase, and reduced expression levels of mature sterol regulatory element-binding protein (SREBP)-2 and SREBP-1c mRNA indicate reduced lipogenesis in the liver of XN-fed ApoE(-/-) mice. Concomitant induction of hepatic mRNA expression of carnitine palmitoyltransferase-1a in ApoE(-/-) mice-administered XN suggests increased fatty acid beta-oxidation. Fecal cholesterol concentrations were also markedly increased in XN-fed ApoE(-/-) mice compared with mice fed western-type diet alone. CONCLUSION: The atheroprotective effects of XN might be attributed to combined beneficial effects on plasma cholesterol and monocyte chemoattractant protein 1 concentrations and hepatic lipid metabolism via activation of AMP-activated protein kinase.