Inhibition allergenspezifischer Immunantworten im Mausmodell der Typ-I Allergie nach biolistischer Vakzinierung mit allergenkodierenden Plasmiden in Kombination mit für immunmodulatorische Moleküle kodierender Plasmid-DNA

Die Induktion von Toleranz spielt bei der Inhibition allergischer Immunreaktionen eine wichtige Rolle. Hierbei ist die Induktion regulatorischer T Zellen (Treg) von großer Bedeutung. Da zu einer erfolgreichen Behandlung von allergischen Erkrankungen bisher nur wenige Therapiemöglichkeiten zur Verfügung stehen wie die spezifische Immuntherapie (SIT), die allerdings nicht immer zum Erfolg führt, ist es wichtig neue Therapieformen zu entwickeln. rnIn dieser Arbeit wurde daher die biolistische DNA-Immunisierung mit Kombinations-Vakzinen bestehend aus einem allergenkodierenden Plasmid (βGalaktosidase (βGal)) in Kombination mit einem Plasmid, welches für ein immunmodulatorisches Molekül kodiert (Indolamin-2,3-Dioxygenase (IDO), Transforming Growth Factor beta (TGF-β) oder Interleukin-10 (IL-10)), durchgeführt und im Mausmodell der allergeninduzierten IgE-vermittelten Atemwegsinflammation auf ihre Wirksamkeit untersucht. Die Expression des Allergens zusammen mit dem immunregulatorischen Molekül in transfizierten Dendritischen Zellen (DCs) sollte zu einer Induktion von Treg führen und somit eine Suppression der Immunantwort bewirken. rnIn den Versuchen wurde zunächst der Effekt einer Transgenexpression unter der Kontrolle des ubiquitären CMV-Promotors mit dem der Transgenexpression unter der Kontrolle des Fascin-Promotors, der eine Genxpression spezifisch in DCs erlaubt, verglichen. Hierbei stellte sich heraus, dass es wichtig ist die Expression des Antigens mit Hilfe des Fascin-Promotors auf DCs zu beschränken. Einzig in diesem Fall konnte nach der Vakzinierung ein inhibitorischer Effekt auf die Entwicklung einer Atemwegshyperreaktivität durch Expression des Immunmodulatoren IDO beobachtet werden. Es zeigte sich auch, dass es von Vorteil ist, wenn das immunregulatorische Molekül unter Verwendung des CMV-Promotors in allen transfizierten Zellen exprimiert wird. Dies bewirkt, dass IDO in ausreichenden Konzentrationen vorhanden ist. rnDie Expression von βGal unter der Kontrolle des Fascin-Promotors (pFascin-βGal) in Kombination mit der Expression der Moleküle IL-10, TGF-β oder IDO unter Kontrolle des CMV-Promotors (pCMV-IL-10, pCMV-TGFβ, pCMV-IDO) bewirkte eine Immunsupprimierung, die sich in einer inhibierten Produktion antigenspezifischer Antikörper, einer verminderten Zytokin-Produktion, einer reduzierten Induktion zytotoxischer T-Zellen und in einer Inhibition der allergeninduzierten Atemwegshyperreaktivität zeigte, im Vergleich zu einer Vakzinierung mit pFascin-βGal in Kombination mit einem Kontroll-Plasmid. Bei nachfolgender Proteinsensibilisierung blieben diese Effekte jedoch nicht bestehen. Einzig durch Vakzinierung mit IL-10-kodierenden Plasmiden konnte eine moderate Verminderung der Atemwegsreaktivität nachgewiesen werden. rnIn einem therapeutischen Modell der Atemwegsinflammation, in dem die Mäuse vor der DNA-Immunisierung mit dem Protein sensibilisiert wurden, wurde demonstriert, dass im Vergleich zu Mäusen, die nur mit dem Protein sensibilisiert wurden, eine DNA-Immunisierung mit pFascin-βGal aber auch mit pCMV-βGal einen inhibierenden Einfluss auf die Entwicklung einer Atemwegsinflammation hat. Eine weitere Reduktion der Atemwegsreaktivität durch eine kombinierte Vakzinierung mit pCMV-IDO wurde nur erreicht, wenn βGal unter der Kontrolle des Fascin-Promotors exprimiert wurde, nicht aber unter Kontrolle des CMV-Promotors.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.

Induktion regulatorischer T-Zellen zur Inhibition allergenspezifischer Immunantworten im Mausmodell der Typ I-Allergie

Die Induktion regulatorischer T-Zellen (Treg) spielt im Zusammenhang mit der Kontrolle allergenspezifischer Reaktionen, insbesondere auch im Rahmen einer erfolgreichen Hyposensibilisierung mit hohen Allergendosen, eine zentrale Rolle. In der vorliegenden Arbeit wurden die Mechanismen der Rekrutierung allergenspezifischer Treg daher in einem Mausmodell untersucht, in dem analog zur spezifischen Immuntherapie (SIT) die repetitive Verabreichung von hohen Antigendosen einen IgE-spezifischen Suppressionsmechanismus aktiviert, während die Injektion niedriger Antigendosen eine potente IgE-Antwort induziert. Th1-Zellen sowie konventionelle CD4+CD25+ oder CD8+CD28- Treg konnten als Vermittlerpopulationen des suppressiven Effektes in hochdosig immunisierten Mäusen ausgeschlossen werden. Mittels Transferexperimenten wurden erstmals CD4-CD8- doppelt negative Treg als eine die IgE-Suppression vermittelnde Zellpopulation identifiziert. Desweiteren wurden DNA-Transferexperimente durchgeführt, mit dem Ziel, adaptive Treg zum Zwecke der Inhibition allergenspezifischer Immunreaktionen zu induzieren. Dazu wurden IL-10- bzw. TGF-ß-kodierende Plasmide (pCMV-IL-10, pCMV-TGF-ß) hergestellt und in Kombination mit einem Plasmid, welches das Modellallergen ß-Galaktosidase (ßGal) unter der Kontrolle des DC-spezifischen Fascin-Promotors (pFascin-ßGal) kodierte, Mäusen mit der Genpistole appliziert. Die Expression des Modellallergens in Verbindung mit der konstitutiven Produktion von immunsuppressiven Zytokinen sollte bei den mit den transfizierten DC interagierenden antigenspezifischen T-Zellen zu einer verstärkten Differenzierung von Treg führen. Die Experimente zeigten, dass die Koapplikation von IL-10-kodierenden Plasmiden eine Immunsuppression induziert, die sich in einer verminderten antigenspezifischen Antikörperproduktion, Zytokinproduktion und CTL-Induktion zeigt, die jedoch bei nachfolgender Sensibilisierung mit ßGal-Protein nicht aufrechterhalten werden kann. Dahingegen führte die Koapplikation von TGF-ß-kodierenden Plasmiden verbunden mit einer nachfolgenden Sensibilisierung zu einer leichten Inhibition der IgG1- und IgG2a-Produktion verglichen mit der Vakzinierung mit pFascin-ßGal allein. Dieser inhibitorische Effekt von pCMV-TGF-ß wurde interessanterweise nicht bereits nach der DNA-Immunisierung, sondern erst nach Sensibilisierung mit dem Protein beobachtet.

Epidermal Langerhans Cells are Dispensable for Humoral and Cell-Mediated Immunity Elicited by Gene Gun Immunization.

Gene gun immunization, i.e., bombardment of skin with DNA-coated particles, is an efficient method for the administration of DNA vaccines. Direct transfection of APC or cross-presentation of exogenous Ag acquired from transfected nonimmune cells enables MHC-I-restricted activation of CD8(+) T cells. Additionally, MHC-II-restricted presentation of exogenous Ag activates CD4(+) Th cells. Being the principal APC in the epidermis, Langerhans cells (LC) seem ideal candidates to accomplish these functions. However, the dependence on LC of gene gun-induced immune reactions has not yet been demonstrated directly. This was primarily hampered by difficulties to discriminate the contributions of LC from those of other dermal dendritic cells. To address this problem, we have used Langerin-diphtheria toxin receptor knockin mice that allow for selective inducible ablation of LC. LC deficiency, even over the entire duration of experiments, did not affect any of the gene gun-induced immune functions examined, including proliferation of CD4(+) and CD8(+) T cells, IFN-gamma secretion by spleen cells, Ab production, CTL activity, and development of protective antitumor immunity.

Foreign gene transfer into Chinese shrimps (Penaeus chinensis) with gene gun

Plasmids pG DNA-RZ1 with a GFP (green fluorescent protein) reporter gene and a ribozyme gene incising penaeid white spot baculovirus (WSBV) were first introduced into the fertilized eggs of Chinese shrimps by gene gun. The treated and control samples of different development stages were observed with a fluorescent microscope. The transient expression of GFP gene was high in nauplius and zoea larvae. Results from RT-PCR and PCR for adults showed that the foreign genes had been transferred into the shrimps and had expressed the corresponding proteins. This work has established a transgenic method for penaeid shrimps, which will set base for the application of genetic engineering breeding into industry.

Delineation of a novel genetic region at 5q11 harboring tumor suppressor gene(s) and identification of the telomeric DNA as a marker for human prostate cancer

Prostate cancer is the most commonly diagnosed cancer and the second leading cause of cancer mortality in American men. The distinction between those cases of prostate cancer destined to progress rapidly to lethal metastatic disease and those with little likelihood of causing morbidity and mortality is a major goal of current research. Some type of diagnostic method is urgently needed to identify which histological prostate cancers have completed the progression to a stage that will produce a life-threatening disease, thus requiring immediate therapeutic intervention. The objectives of this dissertation are to delineate a novel genetic region harboring tumor suppressor gene(s) and to identify a marker for prostate tumorigenesis. I first established an in vitro cell model system from a human prostate epithelial cells derived from tissue fragments surrounding a prostate tumor in a patient with prostatic adenocarcinoma. Since chromosome 5 abnormality was present in early, middle and late passages of this cell model system, I examined long-term established prostate cancer cell lines for this chromosome abnormality. The results implicated the region surrounding marker D5S2068 as the locus of interest for further experimentation and location of a tumor suppressor gene in human prostate cancer. ^ Cancer is a group of complex genetic diseases with uncontrolled cell; division and prostate cancer is no exception. I determined if telomeric DNA, and telomerase activity, alone or together, could serve as biomarkers of prostate tumorigenesis. I studied three newly established human prostate cancer cell lines and three fibroblast cell cultures derived from prostate tissues. In conclusion, my data reveal that in the presence of telomerase activity, telomeric repeats are maintained at a certain optimal length, and analysis of telomeric DNA variations might serve as early diagnostic and prognostic biomarkers for prostate cancer. (Abstract shortened by UMI.)^

Role of Human Topoisomerase I in DNA Repair and Apoptosis

Human topoisomerase I (htopoI) is an enzyme that up to now was believed to function mainly in the removal of torsional stress generated during transcription and replication. In 1998, it was found that htopoI might play another important role in the cellular response to DNA damage -- the so-called htopoI damage response. Since this initial discovery, many studies have suggested that the htopoI damage response is involved in DNA repair as well as in apoptosis. Here we discuss the earliest as well as the latest results in this field. Combining all of the published and as yet unpublished results, we suggest and discuss a model of how htopoI may function during DNA repair and apoptosis. Furthermore, numerous results show that the htopoI damage response is not a spontaneous event, but is strictly regulated by cellular signalling pathways. We discuss which pathways may be involved and how the htopoI damage response is activated. Although the htopoI damage response was discovered several years ago, research in this area is just beginning. The future will surely bring more clarity regarding the precise mechanism behind the involvement of htopoI in DNA repair and apoptosis, as well as its implications for a broader understanding of how the human organism ensures genomic stability.

Kinetic studies on the interaction of gold(III) with nucleic acids. I. Native DNA-Au(III) system-spectrophotometric studies

Kinetics of the interaction of Au(III) with native calf thymus DNA has been studied spectrophotometrically to determine the kinetic parameters and to examine their dependency on the concentrations of DNA and Au(III), temperature, ionic strength and pH. The reaction is of the first order with respect to both the nucleotide unit of DNA and Au(III) in the stoichiometry of 2∶1 respectively. The rate constants vary with the initial ratio of DNA to Au(III) and is attributed to the effect of free chloride ions and the existence of a number of reaction sites with slight difference in the rate constants. The activation energies of this interaction have been found to be 14–16 kcal/mol. From the effect of ionic strength the reaction is found to occur between a positive and a negative ion in the rate-limiting step. The logarithm of rate constants are the linear function of pH and the slopes are dependent on ther-values. A plausible mechanism has been proposed which involves a primary dissociation of the major existing species (AuCl2(OH)2)−, to give (AuCl2)+ which then reacts with a site in the nucleotide unit of DNA in the rate-liminting step followed by a rapid binding to another site on the complementary strand of the DNA double helix. There exist a number of binding sites with slight difference in reactivity.

Carboxyl terminal domain basic amino acids of mycobacterial topoisomerase I bind DNA to promote strand passage

Bacterial DNA topoisomerase I (topoI) carries out relaxation of negatively supercoiled DNA through a series of orchestrated steps, DNA binding, cleavage, strand passage and religation. The N-terminal domain (NTD) of the type IA topoisomerases harbor DNA cleavage and religation activities, but the carboxyl terminal domain (CTD) is highly diverse. Most of these enzymes contain a varied number of Zn2+ finger motifs in the CTD. The Zn2+ finger motifs were found to be essential in Escherichia coli topoI but dispensable in the Thermotoga maritima enzyme. Although, the CTD of mycobacterial topoI lacks Zn2+ fingers, it is indispensable for the DNA relaxation activity of the enzyme. The divergent CTD harbors three stretches of basic amino acids needed for the strand passage step of the reaction as demonstrated by a new assay. We also show that the basic amino acids constitute an independent DNA-binding site apart from the NTD and assist the simultaneous binding of two molecules of DNA to the enzyme, as required during the catalytic step. Although the NTD binds to DNA in a site-specific fashion to carry out DNA cleavage and religation, the basic residues in CTD bind to non-scissile DNA in a sequence-independent manner to promote the crucial strand passage step during DNA relaxation. The loss of Zn2+ fingers from the mycobacterial topoI could be associated with Zn2+ export and homeostasis.

Single-walled carbon nanotubes binding to human telomeric i-motif DNA under molecular-crowding conditions: More water molecules released

The natural occurrence of the human telomeric G-quadruplex or i-motif in vivo has not been demonstrated and the biological effects of the induction of these structures need to be clarified. Intracellular environments are highly crowded with various biomolecules and in vitro studies under molecular-crowding conditions will provide important information on how biomolecules behave in cells. Here we report that cell-mimic crowding can increase i-motif stability at acid pH and cause dehydration.

Single-walled carbon nanotubes binding to human telomeric i-motif DNA: significant acceleration of S1 nuclease cleavage rate

Single-walled carbon nanotubes (SWNTs) binding to human telomeric i-motif DNA can significantly accelerate S1 nuclease cleavage rate by increasing the enzyme turnover number.

Langerin(+) Dermal Dendritic Cells Are Critical for CD8(+) T Cell Activation and IgH gamma-1 Class Switching in Response to Gene Gun Vaccines

The C-type lectin langerin/CD207 was originally discovered as a specific marker for epidermal Langerhans cells (LC). Recently, additional and distinct subsets of langerin(+) dendritic cells (DC) have been identified in lymph nodes and peripheral tissues of mice. Although the role of LC for immune activation or modulation is now being discussed controversially, other langerin(+) DC appear crucial for protective immunity in a growing set of infection and vaccination models. In knock-in mice that express the human diphtheria toxin receptor under control of the langerin promoter, injection of diphtheria toxin ablates LC for several weeks whereas other langerin(+) DC subsets are replenished within just a few days. Thus, by careful timing of diphtheria toxin injections selective states of deficiency in either LC only or all langerin(+) cells can be established. Taking advantage of this system, we found that, unlike selective LC deficiency, ablation of all langerin(+) DC abrogated the activation of IFN-gamma producing and cytolytic CD8(+) T cells after gene gun vaccination. Moreover, we identified migratory langerin(+) dermal DC as the subset that directly activated CD8(+) T cells in lymph nodes. Langerin(+) DC were also critical for IgG1 but not IgG2a Ab induction, suggesting differential polarization of CD4(+) T helper cells by langerin(+) or langerin-negative DC, respectively. In contrast, protein vaccines administered with various adjuvants induced IgG1 independently of langerin(+) DC. Taken together, these findings reflect a highly specialized division of labor between different DC subsets both with respect to Ag encounter as well as downstream processes of immune activation. The Journal of Immunology, 2011, 186: 1377-1383.

Functional Analysis of saxophone, the Drosophila Gene Encoding the BMP Type I Receptor Ortholog of Human ALK1/ACVRL1 and ACVR1/ALK2

In metazoans, bone morphogenetic proteins (BMPS) direct a myriad of developmental and adult homeostatic evens through their heterotetrameric type I and type II receptor complexes. We examined 3 existing and 12 newly generated mutations in the Drosophila type I receptor gene, saxophone (sax), the ortholog of the human Activin Receptor-Like. Kinasel and -2 (ALK1/ACVR1 and ALK2/ACVR1) genes. Our genetic analyses identified two distinct classes of sax alleles. The first class consists of homozygous viable gain-of-function (GOF) alleles that exhibit (1) synthetic lethality in combination with mutations in BMP pathway components, and (2) significant maternal effect lethality that can be rescued by an increased dosage of the BMP encoding gene, dpp(+). In contrast, the second class consists of alleles that are recessive lethal and do not exhibit lethality in combination with mutations in other BMP pathway components. The alleles in this second class are clearly loss-of-function (LOF) with both complete and partial loss-of-function mutations represented. We find that one allele in the second class of recessive lethals exhibits dominant-negative behavior, albeit distinct from the GOF activity of the first class of viable alleles. On the basis of the fact that the first class of viable alleles can be reverted to lethality and on our ability to independently generate recessive lethal sat mutations, our analysis demonstrates that sax is an essential gene. Consistent with this conclusion, we find that a normal sax transcript is produced by sax(P), a viable allele previously reported to be mill, and that this allele can be reverted to lethality. Interestingly, we determine that two mutations in the first: class of sax alleles show the same amino acid substitutions as mutations in the human receptors ALK1/ACVR1-1 and ACVR1/ALK2, responsible for cases of hereditary hemorrhagic telangiectasia type 2 (HHT2) and fibrodysplasia ossificans progressiva (FOP), respectively. Finally, the data presented here identify different functional requirements for the Sax receptor, support the proposal that Sax participates in a heteromeric receptor complex, and provide a mechanistic framework for future investigations into disease states that arise from defects in BMP/TGF-beta signaling.

Electroporation enhances reporter gene expression following delivery of naked plasmid DNA to the lung

BACKGROUND: Existing methods of non-viral airway gene transfer suffer from low levels of efficiency. Electroporation has been used to enhance gene transfer in a range of tissues. Here we assess the usefulness of electroporation for enhancing gene transfer in the lungs of mice and sheep. METHODS: Naked plasmid DNA (pDNA) expressing either luciferase or green fluorescent protein (GFP) was delivered to mouse lungs by instillation. Following surgical visualisation, the lungs were directly electroporated and the level and duration of luciferase activity was assessed and cell types that were positive for GFP were identified in lung cryosections. Naked pDNA was nebulised to the sheep lung and electrodes attached to the tip of a bronchoscope were used to electroporate airway segment bifurcations, Luciferase activity was assessed in electroporated and control non-electroporated regions, after 24 h. RESULTS: Following delivery of naked pDNA to the mouse lung, electroporation resulted in up to 400-fold higher luciferase activity than naked pDNA alone when luciferase was under the control of a cytomegalovirus (CMV) promoter. Following delivery of a plasmid containing the human polyubiquitin C (UbC) promoter, electroporation resulted in elevated luciferase activity for at least 28 days. Visualisation of GFP indicated that electroporation resulted in increased GFP detection compared with non-electroporated controls. In the sheep lung electroporation of defined sites in the airways resulted in luciferase activity 100-fold greater than naked pDNA alone. CONCLUSIONS: These results indicate that electroporation can be used to enhance gene transfer in the lungs of mice and sheep without compromising the duration of expression.

Primaquine-induced differential gene expression analysis in mice liver using DNA microarrays

Primaquine (PQ). a clinically important derivative of 8-aminoquinoline used against the hepatic stages (hypnozoites) of Plasmodium vivax and Plasmodium ova Ie. was studied to evaluate and compare between mRNA expression. and biochemical and histological parameters of hepatic stress in adult Swiss mice (Mus musculus). Following single oral dose of PQ (40 mglkg. bw). alanine aminotransferase (ALT) and aspartate aminotransferase (AST) along with hematoxylin and eosin stained liver sections did not show any signs of hepatic stress at 6. 12 and 24 h except for ALT activity at 6 h. However. analysis at RNA transcript level revealed consistent and significant deregulation (p<0.01 and twofold) of 16 probes corresponding to important cellular processes such as protein transportation. transcription regulation. intracellular signaling. protein synthesis, hematopoiesis, cell adhesion and cell proliferation. Pathway analysis identified large number of affected genes corresponding to 40 Gene Ontology terms having a z score greaibr than 2. These results indicate that PQ at high doses may affect gene expression in liver and may produce undesirable outcomes if consumed for longer durations.