Genetic engineering and preclinical evaluation of oncolytic herpes simplex viruses retargeted to cancer-specific receptors

Oncolytic virotherapy exploits the ability of viruses to infect and kill cells. It is suitable as treatment for tumors that are not accessible by surgery and/or respond poorly to the current therapeutic approach. HSV is a promising oncolytic agent. It has a large genome size able to accommodate large transgenes and some attenuated oncolytic HSVs (oHSV) are already in clinical trials phase I and II. The aim of this thesis was the generation of HSV-1 retargeted to tumor-specific receptors and detargeted from HSV natural receptors, HVEM and Nectin-1. The retargeting was achieved by inserting a specific single chain antibody (scFv) for the tumor receptor selected inside the HSV glycoprotein gD. In this research three tumor receptors were considered: epidermal growth factor receptor 2 (HER2) overexpressed in 25-30% of breast and ovarian cancers and gliomas, prostate specific membrane antigen (PSMA) expressed in prostate carcinomas and in neovascolature of solid tumors; and epidermal growth factor receptor variant III (EGFRvIII). In vivo studies on HER2 retargeted viruses R-LM113 and R-LM249 have demonstrated their high safety profile. For R-LM249 the antitumor efficacy has been highlighted by target-specific inhibition of the growth of human tumors in models of HER2-positive breast and ovarian cancer in nude mice. In a murine model of HER2-positive glioma in nude mice, R-LM113 was able to significantly increase the survival time of treated mice compared to control. Up to now, PSMA and EGFRvIII viruses (R-LM593 and R-LM613) are only characterized in vitro, confirming the specific retargeting to selected targets. This strategy has proved to be generally applicable to a broad spectrum of receptors for which a single chain antibody is available.

Funktionelle Charakterisierung des TRPM5-Gens

In der vorliegenden Promotionsarbeit wurde der zur TRP (transient receptor potential)-Familie gehörende TRPM5-Kanal funktionell charakterisiert. Elektrophysiologische Analysen TRPM5-überexprimierender HEK 293-Zellen zeigten, dass TRPM5 einen Ca2+-aktivierbaren, nicht-selektiven Kationenkanal darstellt, der monovalente Ionen leitet. Die Aktivierung des TRPM5-Kanals hängt insbesondere von der Geschwindigkeit des intrazellulären Ca2+-Anstiegs ab. Somit stellt TRPM5 eine Komponente der zellulären Signaltransduktionskaskaden dar: Nach Rezeptoraktivierung induziert TRPM5 einen raschen, transienten Kationeneinstrom, der zur Depolarisation der Zellmembran führt. Die Expression der beiden humanen TRPM5-Spleißformen als TRPM5/EGFP-Fusionsproteine in HEK 293-Zellen zeigte eine vorwiegende Lokalisation in der Zellmembran. In elektrophysiologischen Analysen wurde nachgewiesen, dass TRPM5-short als TRPM5-Kanalblocker funktioniert. Für die funktionelle in vivo-Charakterisierung des TRPM5-Kanals wurde ein auf RNAi (RNA interference) basierendes, transgenes Trpm5-knock down-Mausmodell hergestellt. Obwohl in drei der vier etablierten Knock down-Mauslinien eine Trpm5-Herunterregulation in der Leber und/oder in der Zunge nachgewiesen werden konnte, zeigten alle Mäuse einen wildtyp-ähnlichen Phänotyp. Weiterführende Untersuchungen an den von Zhang et al. (Cell, 2003) hergestellten Trpm5-knock out-Mäusen offenbarten, dass Trpm5 für eine geregelte Glukosetoleranz essentiell ist. Insulinsekretionsanalysen mit isolierten Langerhans’schen Inseln dieser Mäuse zeigten, dass ohne Trpm5 eine beeinträchtigte Insulinsekretionskinetik in den pankreatischen Betazellen vorliegt. Somit stellt TRPM5 einen neuen Kandidaten für Erkrankungen wie Diabetes Typ 2 dar, die durch eine Fehlregulation der Insulinsekretion gekennzeichnet sind.

Generierung eines BAC-transgenen Mausstamms zur Analyse von Melanomen

Da Tumorerkrankungen ein enormes Gesundheitsproblem in der westlichen Welt darstellen, wird eine Vielzahl neuer Behandlungsstrategien entwickelt. Neuartige Tumor-Therapeutika werden jedoch üblicherweise zunächst an Tiermodellen evaluiert, bevor sie am Menschen angewandt werden.rnIn der vorliegenden Arbeit wurde ein BAC-transgenes Mausmodell generiert, welches als autochthones Melanommodell zur Anwendung kommen sollte.rnZunächst wurde dafür ein DNA-Konstrukt erzeugt. Dieses enthält die Melanom-Onkogene BrafV600E, Cdk4R24C und Mitf deren Expression durch die Tamoxifen-induzierbare Rekombinase CreERT2 kontrollierbar sein sollte. Die Verwendung des Tyrosinasepromoters sollte die melanozytenspezifische Expression der eingebrachten Gene gewährleisten. Ein weiterer Bestandteil des Konstrukts ist ein Luziferase-Gen, welches die Lokalisierung Onkogen-exprimierender Zellen durch in vivo-Biolumineszenz-Imaging erlaubt, da die Onkogen- und Luziferase-Expression durch 2A-Sequenzen gekoppelt sind.rnVor der Generierung der transgenen Tiere sollten in vitro Analysen die Funktionalität des Konstruktteils, bestehend aus den Onkogenen und der Luziferase, klären. Zu diesem Zweck wurde die Zelllinie C22 mit einem Expressionsvektor transfiziert, welcher den genannten Konstruktteil enthielt. Es konnte ein Anstieg der Braf- und Cdk4-Expression auf Protein Ebene, das Vorhandensein von Luziferase-Aktivität und die Aktivierung des MAP-Kinase-Signalwegs nachgewiesen werden. Die Funktionalität des untersuchten Konstruktteils war damit nahegelegt und die Generierung der transgenen Tiere wurde fortgesetzt.rnDie Pronukeus-Injektion resultierte schließlich in 3 Founder-Tieren, die mittels PCR und Southern Blot identifiziert wurden und die Bezeichnung „B6 tg Tyr iOnkogene“ (TyriOn) erhielten. Durch Verkreuzen der Founder-Tiere mit C57BL/6 Mäusen wurden im weiteren Verlauf 3 Linien erzeugt. Bei in vivo Biolumineszenz-Messungen zeigten Tiere der Linie D einen gewissen Grad an Hintergrund-Luziferase-Aktivität, die jedoch durch Tamoxifen-Injektionen verstärkt werden konnte. In den Folgegenerationen ging diese Tamoxifen-induzierte Verstärkung der Luziferase-Aktivität teilweise verloren. Es wurde die Vermutung angestellt, dass funktionelle und nicht-funktionelle Varianten des Transgens an unterschiedlichen Stellen im Genom von Founder D integriert hatten, und sich in den folgenden Generationen auf die Nachkommen verteilten. Die mangelnde Induzierbarkeit betroffener Tiere konnte nicht auf fehlende Integrität der Sequenz „iOnkogene“ in diesen Tieren oder auf nicht-funktionelle loxP-Stellen im Konstrukt zurückgeführt werden.rnTamoxifen-Injektionen führten in TyriOn-D Tieren im Laufe von 15 Monaten nicht zur Entwicklung von Tumoren. Ebenso wenig konnten in TyriOn-D / Cre del Tieren, welche die eingebrachten Onkogene maximal exprimieren sollten, Tumoren detektiert werden. Um zu analysieren, ob die eingebrachten Onkogene die Bildung von Tumoren begünstigen, wurden TyriOn-D Tiere mit dem Melanom-anfälligen Stamm MT/ret verkreuzt. Hierzu konnte im Rahmen dieser Arbeit noch kein Ergebnis erzielt werden. Allerdings konnte in Melanomen von TyriOn-D / MT/ret Tieren Luziferase-Aktivität bei in vivo Biolumineszenz-Messungen und CreERT2 RNA durch RT-PCR detektiert werden.rnTyriOn-D / MT/ret Tiere werden im weiteren Verlauf dieses Projektes nicht nur der Analyse der Melanomentwicklung dienen. Deren Tumore ermöglichen außerdem weitere Untersuchungen bezüglich der Funktionalität des Konstrukts, die teilweise in TyriOn Tieren keine Resultate ergaben.

Untersuchung der physiologischen Rolle des Wilms-Tumorgens 1 (WT1) im Rahmen der Generierung muriner in-vivo-Modelle für die Wilms-Tumorerkrankung

Der Wilms-Tumor ist eine embryonale Tumorerkrankung der Niere, als deren Ursprung Nierenvorläuferzellen des metanephrischen Mesenchyms gelten, deren Differenzierung während der frühen Nephrogenese ausbleibt und aus denen nachfolgend durch eine maligne Transformation Wilms-Tumore entstehen. Zwei Gene, die an der Wilms-Tumorgenese beteiligt zu sein scheinen, sind WT1 (Wilms-Tumorgen 1) und CTNNB1 (Catenin, cadherin-associated protein, beta 1). Während WT1 u.a. die Differenzierung des metanephrischen Mesenchyms steuert, begünstigen aktivierende Mutationen von CTNNB1 und eine dadurch bedingte Akkumulation seines Proteins β-Catenin die Tumorgenese vieler Organe. So verwundert es nicht, dass eine alleinige heterozygote Keimbahnmutation von WT1, die einen dominant-negativen Effekt auf funktionsfähiges WT1 ausübt, häufig zur Entstehung von Wilms-Tumoren in Patienten mit Denys-Drash-Syndrom (DDS) führt, sowie in etwa 15 % aller sporadischen Wilms-Tumore WT1 und CTNNB1 mutiert sind.rnDer Mechanismus der Entstehung von Wilms-Tumoren ist weitgehend unbekannt, was u.a. daran liegt, dass homozygote Wt1-Mutationen in der Maus embryonal (~ Tag 13,5 d.p.c.) letal sind. In der vorliegenden Arbeit sollten daher mit Hilfe einer Wt1 k.o.-Effektormaus (WE2) vier murine konditional reversible Wilms-Tumor-Modelle auf Basis des Tet off-Systems hergestellt werden. Dadurch lag in den zu generierenden Tieren Wt1 durch die Integration des WE2-Transgens zwar nur heterozygot mutiert vor, doch durch den endogenen Wt1-Promotor des Transgens sollte es zur zeitlichen und räumlichen Wt1-analogen Expression eines tetrazyklinabhängigen Transaktivators (tTA) kommen, der ohne die Gabe von Doxycyclin Tet-regulierbare Transgene in Wt1-exprimierenden Zellen aktivieren kann, die einen positiven Einfluss auf die Wilms-Tumorgenese haben könnten. So sollte durch das WE2 DDS-Modell ein DDS simuliert werden und es in Tieren der Modelle WE2 TC bCat∆Ex3, WE2 LC bCat∆Ex3 und WE2 Wnt1 zur Akkumulation von β-Catenin in Wt1-exprimierenden Nierenvorläuferzellen kommen, so dass deren Differenzierung ausbleibt und es durch eine maligne Transformation zur Entstehung eines Wilms-Tumors kommt.rnrnMit Hilfe von histologischen Analysen an entsprechenden Responder-Linien konnte zunächst gezeigt werden, dass die embryonale und adulte Expressionsdomäne des WE2-Effektors mit der von endogenen Wt1 übereinstimmt. Gleichzeitig wurden aber auch neue Expressionsorte von Wt1 nachgewiesen. So konnte die Expression des WE2-Effektors z.B. im Endothel der dorsalen Aorta detektiert werden, der als Entstehungsort von hämatopoetischen Stammzellen gilt. Anschließende hier vorgestellte Experimente zeigten, dass Wt1 direkt an diesem Prozess beteiligt ist und belegten eine noch nicht beschriebene Funktion von Wt1 in der frühen Hämatopoese.rnEs war jedoch mit keinem System möglich, eine Wilms-Tumorerkrankung zu simulieren. Während Tiere des WE2 DDS-Modells trotz nachweisbarer Induktion keinen Phänotyp aufwiesen, war wohl in den anderen Modellen eine konstitutive β-Catenin-Aktivierung in der Frühschwangerschaft nicht mit dem embryonalen Überleben vereinbar. Dabei schienen alle tripeltransgenen bzw. doppeltransgenen Embryonen, in denen durch einen frühen Doxycyclinentzug die Entstehung von Wilms-Tumoren möglich gewesen wäre, intrauterin zu sterben. Wurde dagegen Doxycyclin erst in der dritten Lebenswoche entzogen, so entwickelten die Tiere durch eine Wt1-vermittelte β-Catenin-Aktivierung Granulosazelltumore, polyzystische Nieren und Veränderungen der Hoden. Da alle diese organischen Veränderungen während der prä- bis frühen postnatalen Phase induziert wurden, schien die Doxycyclinmenge nicht auszureichen, um eine β-Catenin-Aktivierung zu verhindern. Es hätte also auch zur Entstehung von Wilms-Tumoren kommen können, so dass diese Ergebnisse darauf hinweisen, dass eine β-Catenin-Aktivierung wahrscheinlich nicht der physiologisch entscheidende Schritt bei der Entstehung eines Wilms-Tumors ist.rnrnDie Charakterisierung der WE2-Effektormaus und die Herstellung und Analysen der Systeme geben damit Einblick in die WT1- bzw. WT1/CTNNB1-assoziierte Wilms-Tumorgenese und ermöglichen die weitere Erforschung von Granulosazelltumoren, polyzystsischen Nieren, Veränderungen von Hoden und der Rolle von WT1 in der frühen Hämatopoese.rn

Antigenspezifische DNA-Immunisierung in Kombination mit IDO-kodierenden Plasmiden zur Therapie der experimentellen Typ I-Allergie

Derzeit stellt die allergenspezifische Immuntherapie die einzige nicht allein antisymptomatische Behandlungsform zur langfristigen Therapie von Typ I-Allergien dar, welche grundlegende Änderungen im immunologischen Geschehen induziert. Sie ist jedoch verbesserungswürdig in Bezug auf Behandlungsdauer, Erfolgschancen und Nebenwirkungen. Daher wurde in dieser Arbeit eine Strategie zur Therapie von Typ I-Allergien entwickelt und evaluiert, welche auf der Inhibition allergenspezifischer T-Zellen durch Dendritische Zellen (DC), die selektiv nach DNA-Immunisierung sowohl das relevante Allergen als auch Indolamin 2,3-dioxygenase (IDO) konstitutiv produzieren, basiert. IDO ist ein Enzym aus dem Tryptophan-Stoffwechsel, dessen Produktion durch DC einen lokalen immunsuppressiven Mechanismus induziert und in verschiedenen Situationen mit der Induktion peripherer Toleranz assoziiert ist. Zunächst wurden Plasmide hergestellt, die entweder IDO alleine oder IDO zusammen mit dem Antigen unter der Kontrolle des ubiquitär aktiven CMV- bzw. des DC-spezifischen Fascin-Promotors kodieren. Die Überprüfung der IDO-Expression durch die monocistronischen Plasmide anhand von Transfektionsexperimenten in vitro ergab, dass die IDO-Expression unter der Kontrolle des CMV-Promotors sehr viel stärker ausfiel als unter der Kontrolle des Fascin-Promotors. Nach Transfektion mit den bicistronischen Vektoren, in denen die Transgene für das Antigen und IDO durch eine IRES-Sequenz verbunden waren, war die IDO-Expression jedoch insgesamt sehr schwach. Im Rahmen der Überprüfung der Funktionalität der IDO-Expressionplasmide in vivo unter Verwendung der Genpistole wurden daher lediglich Plasmide getestet, die alleine IDO unter der Kontrolle des CMV-Promotors bzw. des Fascin-Promotors kodieren. Auch in vivo wurde eine stärkere IDO-Expression nach biolistischer Transfektion mit solchen Vektoren beobachtet, in denen der CMV-Promotor zur Expressionskontrolle verwendet wurde. Die Analyse des Einflusses einer Koexpression von IDO auf die durch biolistische Immunisierung mit einem antigenkodierenden Vektor induzierte systemische Immunantwort offenbarte einen inhibitorischer Effekt für den Fall, dass die Antigenproduktion mittels des Fascin-Promotors auf DC fokussiert war und die Expression des koapplizierten IDO-Transgens unter der Kontrolle des CMV-Promotors stand. In diesem Fall wurde eine Reduktion der antigenspezifischen IgG1- und IgG2a-Produktion, eine verringerte Sekretion von IFN-y durch restimulierte Milz- und Lymphknotenzellen sowie eine Reduktion der Zahl antigenspezifischer CD8+ Effektor-T-Zellen nachgewiesen. Im Mausmodell der IgE-vermittelten Typ I-Allergie wurde weiterhin gezeigt, dass nach prophylaktischer biolistischer Vakzinierung unter Verwendung dieser Vektorkombination eine Inhibition der durch die Vakzinierung bedingten antigenspezifischen Th1-Immunantwort ausgelöst wurde. Die Suppression der Th2-Antwort, welche durch Transfektion mit dem Antigenkodierenden Vektor unter Kontrolle des Fascin-Promotors bewirkt wurde, wurde durch Kotransfektion mit den IDO-kodierenden Vektoren aufrecht erhalten.

Optimierung von Transformationsprotokollen und Entwicklung von SSR-Markern für das Kolumnarwachstum beim Apfel

Ziel war es, molekularbiologische Untersuchungen zum Kolumnarwachstum des Apfels durchzuführen. Anhand Sequenzdaten des ‘Golden Delicious’ Genoms (Velasco et al. 2010) wurden drei neue SSR Marker entwickelt. Sie konnten bei untersuchten Geisenheimer Nachkommenschaften zuverlässig den Kolumnarwuchs auf DNA-Ebene detektieren. Zusätzlich wurden von Bai et al. (2012) veröffentlichte Marker untersucht. Die von Bai et al. (2012) gefundenen Grenzen des co-Lokus konnten in dieser Arbeit anhand der Geisenheimer Nachkommenschaften nicht bestätigt werden. Die „linke“ Begrenzung der co-Region wird nach Untersuchungen dieser Arbeit am ehesten von dem Marker Mdo.chr10.11 (Moriya et al. 2012) bei 18,757 Mbp definiert. Die „rechte“ Begrenzung der co-Region wird vermutlich von den Markern Co04R13 (Baldi et al. 2012) und C1753-3520 (Bai et al. 2012) bei 18,905 Mbp definiert, wodurch die potentielle co-Region auf 148 kb auf Chromosom 10 eingegrenzt werden könnte. Für Funktionsanalysen möglicher Kandidatengene des co-Gens wurde ein Agrobakterien-vermitteltes Transformationssystem für die Geisenheimer Apfelselektionen ‘A 14’ und ‘Procats 28’ adaptiert. Zusätzlich wurde der bereits in der Literatur als transformierbar beschriebene Genotyp ‘Jonagold’ (Viss et al. 2003) transformiert. Bei Transformationen der Apfelselektion ‘A 14’ gelang es, transgene Zellen an den Explantaten, am Kallusgewebe und an den Regeneraten zu erzeugen. Bei Transformationen von ‘Jonagold’ wurde ein fast vollständig transgenes Regenerat erzeugt.

Design and construction of a new Drosophila species, D.synthetica, by synthetic regulatory evolution

Here, I merge the principles of synthetic biology1,2 and regulatory evolution3-11 to create a new species12-15 with a minimal set of known elements. Using preexisting transgenes and recessive mutations of Drosophila melanogaster, a transgenic population arises with small eyes and a different venation pattern that fulfills the criteria of a new species according to Mayr's "Biological Species Concept"7,10. The genetic circuit entails the loss of a non-essential transcription factor and the introduction of cryptic enhancers. Subsequent activation of those enhancers causes hybrid lethality. The transition from "transgenic organisms" towards "synthetic species", such as Drosophila synthetica, constitutes a safety mechanism to avoid hybridization with wild type populations and preserve natural biodiversity16-18. Drosophila synthetica is the first transgenic organism that cannot hybridize with the original wild type population but remains fertile when crossed with other transgenic animals.

Therapeutic protein transduction of mammalian cells and mice by nucleic acid-free lentiviral nanoparticles

The straightforward production and dose-controlled administration of protein therapeutics remain major challenges for the biopharmaceutical manufacturing and gene therapy communities. Transgenes linked to HIV-1-derived vpr and pol-based protease cleavage (PC) sequences were co-produced as chimeric fusion proteins in a lentivirus production setting, encapsidated and processed to fusion peptide-free native protein in pseudotyped lentivirions for intracellular delivery and therapeutic action in target cells. Devoid of viral genome sequences, protein-transducing nanoparticles (PTNs) enabled transient and dose-dependent delivery of therapeutic proteins at functional quantities into a variety of mammalian cells in the absence of host chromosome modifications. PTNs delivering Manihot esculenta linamarase into rodent or human, tumor cell lines and spheroids mediated hydrolysis of the innocuous natural prodrug linamarin to cyanide and resulted in efficient cell killing. Following linamarin injection into nude mice, linamarase-transducing nanoparticles impacted solid tumor development through the bystander effect of cyanide.

Deregulated ephrin-B2 expression in the mammary gland interferes with the development of both the glandular epithelium and vasculature and promotes metastasis formation

Eph receptor tyrosine kinases and their membrane-bound ephrin ligands play key roles during morphogenesis and adult tissue homeostasis. Receptor-ligand interactions result in forward and reverse signalling from the receptor and ligand respectively. To delineate the role(s) of forward and reverse signalling in mammary gland biology we have established transgenic mice exhibiting mammary epithelial-specific overexpression of either the native ephrin-B2 or a dominant negative ephrin-B2 mutant incapable of reverse signalling. During pregnancy and lactation overexpression of the native ephrin-B2 resulted in precocious differentiation, whereas overexpression of mutated ephrin-B2 caused delayed epithelial differentiation and in disturbed tissue architecture. Both transgenes affected also mammary vascularisation. Whereas ephrin-B2 induced superfluous but organised capillaries, mutant ephrin-B2 overexpression resulted in an irregular vasculature with blind-ending capillaries. Mammary tumours were not observed in either transgenic line, however, the crossing with NeuT transgenic animals revealed that mutated ephrin-B2 expression significantly accelerated tumour growth and imposed a metastatic phenotype.

Promoter- and RNA polymerase II-dependent hsp-16 gene association with nuclear pores in Caenorhabditis elegans.

Some inducible yeast genes relocate to nuclear pores upon activation, but the general relevance of this phenomenon has remained largely unexplored. Here we show that the bidirectional hsp-16.2/41 promoter interacts with the nuclear pore complex upon activation by heat shock in the nematode Caenorhabditis elegans. Direct pore association was confirmed by both super-resolution microscopy and chromatin immunoprecipitation. The hsp-16.2 promoter was sufficient to mediate perinuclear positioning under basal level conditions of expression, both in integrated transgenes carrying from 1 to 74 copies of the promoter and in a single-copy genomic insertion. Perinuclear localization of the uninduced gene depended on promoter elements essential for induction and required the heat-shock transcription factor HSF-1, RNA polymerase II, and ENY-2, a factor that binds both SAGA and the THO/TREX mRNA export complex. After induction, colocalization with nuclear pores increased significantly at the promoter and along the coding sequence, dependent on the same promoter-associated factors, including active RNA polymerase II, and correlated with nascent transcripts.

An Sp1/Sp3 binding polymorphism confers methylation protection.

Hundreds of genes show aberrant DNA hypermethylation in cancer, yet little is known about the causes of this hypermethylation. We identified RIL as a frequent methylation target in cancer. In search for factors that influence RIL hypermethylation, we found a 12-bp polymorphic sequence around its transcription start site that creates a long allele. Pyrosequencing of homozygous tumors revealed a 2.1-fold higher methylation for the short alleles (P<0.001). Bisulfite sequencing of cancers heterozygous for RIL showed that the short alleles are 3.1-fold more methylated than the long (P<0.001). The comparison of expression levels between unmethylated long and short EBV-transformed cell lines showed no difference in expression in vivo. Electrophorectic mobility shift assay showed that the inserted region of the long allele binds Sp1 and Sp3 transcription factors, a binding that is absent in the short allele. Transient transfection of RIL allele-specific transgenes showed no effects of the additional Sp1 site on transcription early on. However, stable transfection of methylation-seeded constructs showed gradually decreasing transcription levels from the short allele with eventual spreading of de novo methylation. In contrast, the long allele showed stable levels of expression over time as measured by luciferase and approximately 2-3-fold lower levels of methylation by bisulfite sequencing (P<0.001), suggesting that the polymorphic Sp1 site protects against time-dependent silencing. Our finding demonstrates that, in some genes, hypermethylation in cancer is dictated by protein-DNA interactions at the promoters and provides a novel mechanism by which genetic polymorphisms can influence an epigenetic state.

Simulation of Drosophila circadian oscillations, mutations, and light responses by a model with VRI, PDP-1, and CLK.

A model of Drosophila circadian rhythm generation was developed to represent feedback loops based on transcriptional regulation of per, Clk (dclock), Pdp-1, and vri (vrille). The model postulates that histone acetylation kinetics make transcriptional activation a nonlinear function of [CLK]. Such a nonlinearity is essential to simulate robust circadian oscillations of transcription in our model and in previous models. Simulations suggest that two positive feedback loops involving Clk are not essential for oscillations, because oscillations of [PER] were preserved when Clk, vri, or Pdp-1 expression was fixed. However, eliminating positive feedback by fixing vri expression altered the oscillation period. Eliminating the negative feedback loop in which PER represses per expression abolished oscillations. Simulations of per or Clk null mutations, of per overexpression, and of vri, Clk, or Pdp-1 heterozygous null mutations altered model behavior in ways similar to experimental data. The model simulated a photic phase-response curve resembling experimental curves, and oscillations entrained to simulated light-dark cycles. Temperature compensation of oscillation period could be simulated if temperature elevation slowed PER nuclear entry or PER phosphorylation. The model makes experimental predictions, some of which could be tested in transgenic Drosophila.

Transplantation of human embryonic stem cell-derived alveolar epithelial type II cells abrogates acute lung injury in mice.

Respiratory diseases are a major cause of mortality and morbidity worldwide. Current treatments offer no prospect of cure or disease reversal. Transplantation of pulmonary progenitor cells derived from human embryonic stem cells (hESCs) may provide a novel approach to regenerate endogenous lung cells destroyed by injury and disease. Here, we examine the therapeutic potential of alveolar type II epithelial cells derived from hESCs (hES-ATIICs) in a mouse model of acute lung injury. When transplanted into lungs of mice subjected to bleomycin (BLM)-induced acute lung injury, hES-ATIICs behaved as normal primary ATIICs, differentiating into cells expressing phenotypic markers of alveolar type I epithelial cells. Without experiencing tumorigenic side effects, lung injury was abrogated in mice transplanted with hES-ATIICs, demonstrated by recovery of body weight and arterial blood oxygen saturation, decreased collagen deposition, and increased survival. Therefore, transplantation of hES-ATIICs shows promise as an effective therapeutic to treat acute lung injury.

Water-soluble fullerene (C60) derivatives as nonviral gene-delivery vectors.

A new class of water-soluble C60 transfecting agents has been prepared using Hirsch-Bingel chemistry and assessed for their ability to act as gene-delivery vectors in vitro. In an effort to elucidate the relationship between the hydrophobicity of the fullerene core, the hydrophilicity of the water-solubilizing groups, and the overall charge state of the C60 vectors in gene delivery and expression, several different C60 derivatives were synthesized to yield either positively charged, negatively charged, or neutral chemical functionalities under physiological conditions. These fullerene derivatives were then tested for their ability to transfect cells grown in culture with DNA carrying the green fluorescent protein (GFP) reporter gene. Statistically significant expression of GFP was observed for all forms of the C60 derivatives when used as DNA vectors and compared to the ability of naked DNA alone to transfect cells. However, efficient in vitro transfection was only achieved with the two positively charged C60 derivatives, namely, an octa-amino derivatized C60 and a dodeca-amino derivatized C60 vector. All C60 vectors showed an increase in toxicity in a dose-dependent manner. Increased levels of cellular toxicity were observed for positively charged C60 vectors relative to the negatively charged and neutral vectors. Structural analyses using dynamic light scattering and optical microscopy offered further insights into possible correlations between the various derivatized C60 compounds, the C60 vector/DNA complexes, their physical attributes (aggregation, charge) and their transfection efficiencies. Recently, similar Gd@C60-based compounds have demonstrated potential as advanced contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI). Thus, the successful demonstration of intracellular DNA uptake, intracellular transport, and gene expression from DNA using C60 vectors suggests the possibility of developing analogous Gd@C60-based vectors to serve simultaneously as both therapeutic and diagnostic agents.

Conditional and inducible transgene expression in endothelial and hematopoietic cells using Cre/loxP and tetracycline-off systems

In the present study, the tetracycline-off and Cre/loxP systems were combined to gain temporal and spatial control of transgene expression. Mice were generated that carried three transgenes: Tie2-tTA, tet-O-Cre and either the ZEG or ZAP reporter. Tie2-tTA directs expression of tetracycline-controlled transactivator (tTA) in endothelial and hematopoietic cells under the control of the Tie2 promoter. Tet-O-Cre produces Cre recombinase from a minimal promoter containing the tet-operator (tetO). ZEG or ZAP contains a strong promoter and a loxP-flanked stop sequence, followed by an enhanced green fluorescence protein (EGFP) or human placental alkaline phosphatase (hPLAP) reporter. In the presence of tetracycline, the tTA transactivator produced by Tie-2-tTA is disabled and Cre is not expressed. In the absence of tetracycline, the tTA binds tet-O-Cre to drive the expression of Cre, which recombines the loxP sites of the ZEG or ZAP transgene and results in reporter gene expression. In the present study, the expression of the ZEG or ZAP reporter genes in embryos and adult animals with and without tetracycline treatment was examined. In the presence of tetracycline, no reporter gene expression was observed. When tetracycline was withdrawn, Cre excision was activated and the reporter genes were detected in endothelial and hematopoietic cells. These results demonstrate that this system may be used to bypass embryonic lethality and access adult phenotypes.