Im Karpfenfisch Alburnus alburnus wurden die bisher größten überzähligen Chromosomen bei Wirbeltieren entdeckt. Dies ermöglichte eine umfangreiche zytogenetische und molekulare Studie dieser außergewöhnlichen Genomelemente. Aus Populationsstudien, die mehrere Fundorte in Deutschland einschlossen, konnten Informationen über die Verteilung der B Chromosomen in Fischen verschiedener Herkunftsorte ermittelt werden. Eine derartige Studie könnte zukünftig auch auf andere Länder ausgedehnt werden. Eine detaillierte, zytogenetische Analyse mit allen konventionellen Hellfeld- und Fluoreszenzbänderungen sowie Fluoreszenz in situ Hybridisierungen mit den ribosomalen 5S, 18S/28S rDNA-Proben und der Telomerprobe (TTAGGG)n, zeigte, dass die außergewöhnlich großen B Chromosomen von A. alburnus heterochromatisch, GC-reich und spät replizierend sind. Es wurden bei Alburnus alburnus keinerlei Hinweise auf heteromorphe Geschlechtschromosomen gefunden. Die molekularen Untersuchungen basierten hauptsächlich auf AFLP-Analysen, mit denen eine B Chromosomen-spezifische Bande entdeckt und isoliert werden konnte. Nach Klonierung und Sequenzierung sowie dem Durchsuchen einer Fischspezifischen Datenbank konnte eine retrotransposable Sequenz (Gypsy/Ty3 LTRRetrotranpson) gefunden werden. Ferner konnte eine deutliche Homologie zu dem Nterminalen Teil der reversen Transkriptase von Medaka, Oryzias latipes, dokumentiert werden. Die Southern blot-Untersuchungen und der PCR-Test zeigten, dass es sich bei der entdeckten 203 bp-Sequenz um eine B Chromosomen- und Alburnus alburnus-spezifische Sequenz handelt, welche hochrepetitiv über die beiden Arme der überzähligen Chromosomen verteilt ist. Der Ursprung und die Funktion der massiven überzähligen Chromosomen blieb offen. Da es aber nach wie vor wenig Information über B Chromosomensequenzen und DNA-Organisation im Allgemeinen und besonders bei Fischen gibt (Mestriner et al., 2000), sind die Ergebnisse dieser Studie für die Aufdeckung des Ursprungs und der Evolution überzähliger Chromosomen von allgemeiner Bedeutung, da sie wohl den Hauptanteil der DNA-Zusammensetzung des größten, bisher unter den Wirbeltieren entdeckten überzähligen Chromosoms darstellen. Die Analyse meiotischer Chromosomen zeigte, dass das B Chromosom in der Diakinese als selbstpaarendes Ringchromosom vorliegt. Zusammenfassung und Ausblick 101 Mittels durchflußzytophotometrischer DNA-Messungen konnte der Beitrag des außerordentlich großen B Chromosoms zum Gesamt-DNA-Gehalt von A. alburnus bestimmt werden und Fische auf das Vorhandensein des überzähligen Chromosoms, allerdings unter Tötung, analysiert werden. Dies kann in Zukunft durch Ausnutzung von Sequenzinformation über das B Chromosom und der damit einhergehenden Konstruktion spezifischer PCR-Primer („minimal-invasiver Flossentest“) vermieden werden. Fische aus unterschiedlichen Populationen, eventuell auch europaweit, können so schnell und zuverlässig auf das Vorhandensein des überzähligen Chromosoms hin untersucht werden, mit dem Zweck, durch künftige Verpaarung der Tiere mit 0, 1 oder 2 B Chromosomen den Vererbungs- bzw. Weitergabemechanismus der überzähligen Chromosomen auf die nächste Generation zu studieren. / In the cyprinid fish Alburnus alburnus the largest supernumerary chromosomes in vertebrates were found. This enables a detailed cytogenetic and molecular study of these extraordinary genome elements. From Population studies, including different locations in Germany, information about the distribution of the B chromosome polymorphism was gained. Such a study could in the future be extended on other European countries. A detailed cytogenetic analysis with all conventional bright field and fluorescence bandings as well as in situ hybridisation using the 5S, 18S/28S rDNA-probe and the telomere probe shows that the unusually large B chromosomes of A. alburnus are heterochromatic, rich in GC-base pairs and late replicating. No hints to heteromorphic sex chromosomes were found in A. alburnus. The molecular studies were predominately based on AFLP-analyses, with which a B chromosome-specific band was found and isolated. After cloning and sequencing as well as screening a fishspecific database a retrotransposable sequence (Gypsy/Ty3 LTR-retrotransposon) was found. Additionally, a strong homology to the N-terminal part of a reverse transcriptase of medaka, Oryzias latipes, could be documented. Southern blot analyses and a PCR-test demonstrated that the found 203 bp-sequence is B chromosome- and Alburnus alburnus-specific and distributed in a highly repetitive manner on both of the arms of the supernumeray chromosomes. The origin and function of the massive supernumerary chromosomes remains open. Since there is not much information about B chromosome sequences and DNA organisation in general and especially in fishes (Mestriner et al., 2000), the results of this study are of general interest for the detection of the origin and evolution of supernumerary chromosomes, since the results obviously present the major part of the DNA-composition of the largest supernumerary chromosomes, so far found in vertebrates. Analyses of meiotic chromosomes show that the B chromosome behaves as autopaired ring chromosome in diakineses. Using DNA-flow measurements, the contribution of the especially large B chromosome to the DNA content of A. alburnus could be determined and fishes could be analysed on the presence of the supernumerary chromosome, by sacrificing them. This could in future be circumvented by the use of sequence information about the B chromosome and the possibility of constructing special PCR-primers (minimal-invasive fin-test).

Although the role of B-cells in autoimmunity is not completely understood, their importance in the pathogenesis of autoimmune diseases has been more appreciated in the past few years. It is now well known that they have roles in addition to (auto) antibody production and are involved by different mechanisms in the regulation of T-cell mediated autoimmune disorders. The evolution of an autoimmune disease is a dynamic process, which takes a course of years during which complex immunoregulatory mechanisms shape the immune repertoire until the development of clinical disease. During this course, the B-cell repertoire itself is influenced and a change in the distribution of immunoglobulin heavy and light chain genes can be observed. B-cell depletive therapies have beneficial effects in patients suffering from rheumatoid arthritis (RA), highlighting also the central role of B-cells in the pathogenesis of this disease. Nevertheless, the mechanism of action is unclear. It has been hypothesised that B-cell depletion is able to reset deviated humoral immunity. Therefore we wanted to investigate if transient B-cell depletion results in changes of the peripheral B-cell receptor repertoire. To address this issue, expressed immunoglobulin genes of two patients suffering from RA were analysed; one patient for the heavy chain repertoire (patient H), one patient for the light chain repertoire (patient L). Both patients were treated with rituximab, an anti-CD20 monoclonal antibody that selectively depletes peripheral CD20+ B-cells for several months. The B-cell repertoire was studied before therapy and at the earliest time point after B-cell regeneration in both patients. A longer follow-up (up to 27 months) was performed in patient H who was treated a second time with rituximab after 17 months. Heavy chain gene analysis was carried out by nested-PCR on bulk DNA from peripheral B-cells using family-specific primers, followed by subcloning and sequencing. During the study, patient H received two courses of antibody treatment. B-cell depletion lasted 7 and 10 months, respectively and each time was accompanied by a clinical improvement. Anti-CD20 therapy induced two types of changes in this patient. During the early phase of B-cell regeneration, we noticed the presence of an expanded and recirculating population of highly mutated B-cells. These cells expressed very different immunoglobulin VH genes compared before therapy. They were class-switched and could be detected for a short period only. The long-term changes were more subtle. Nevertheless, characteristic changes in the VH2 family, as well as in specific mini-genes like VH3-23, 4-34 or 1-69 were noticed. Some of these genes have already been reported to be biased in autoimmune diseases. Also in autoimmune diseases, in particular in RA, clonal B-cells have been frequently found in the repertoire. B-cell depletion with anti-CD20 antibody resulted in a long term loss of clonal B-cells in patient H. Thus, temporary B-cell depletion induced significant changes in the heavy chain repertoire. For the light chain gene analysis, the repertoire changes were analysed separately for naive (CD27-) and memory (CD27+) B-cells. Individual CD19+ B-cells were sorted into CD27- and CD27+ cells and single cell RT-PCR was performed, followed by direct sequencing. During the study, patient L received one course of antibody treatment. B-cell depletion lasted 10 months and the light chain repertoire was studied before and after therapy. Before therapy, some differences in the distribution of VL and JL genes were observed between naive and memory B-cells. In particular, the predominant usage of Jk-proximal Vk genes by the CD27- naive B-cells indicated that the receptor editing was less frequent in this population compared to memory cells. In VlJl rearrangements also, some evidence for decreased receptor editing was noticed, with the overrepresentation of the Jl2/3 gene segments. The CDR3 regions of naive and memory cells showed different characteristics: the activity of the terminal deoxynucleotidyl transferase and exonuclease in Vl(5’) side was greater in memory cells. Also in the light chain repertoire, we observed some changes induced by the B-cell depletive therapy. There was a tendency of a less frequent usage of Jk-proximal Vk genes in the naive population. Some Vl genes, previously described in autoimmune diseases and connected to rheumatoid factor activity, such as 3p, 3r, 1g, were not found after therapy. The different characteristics of the CDR3 regions of VlJl rearrangements were not observed anymore. Very significantly, the ratio Vk to Vl was shifted toward a greater usage of Vk genes in the naive population after therapy. Taken together, these results indicate that therapeutic transient B-cell depletion by anti-CD20 antibody therapy modulates the immunoglobulin gene repertoire in the two RA patients studied. Measurable changes were observed in the heavy chain as well as in the light chain repertoire, which may be relevant to the course of the disease. This also supports the notion that the composition of the B-cell repertoire is influenced by the disease and that B-cell depletion can reset biases that are typically found in autoimmune diseases. / Obwohl die Rolle der B-Zellen für den Verlauf einer Autoimmunerkrankung noch nicht vollständig klar ist, so hat ihre Bedeutung für die Autoimmunpathogenese in den letzten Jahren zugenommen. Man weiß mittlerweile sehr wohl, dass ihre Rolle über die reine Produktion von (Auto-)antikörpern hinausgeht und sie z.B. an der Regulation T-Zellvermittelter Autoimmunstörungen beteiligt sind. Das B-Zellrepertoire selbst wird im Laufe einer autoimmunen Erkrankung durch solche immunregulatorische Prozesse beeinflusst. B-Zelldepletive Therapien zeigen vorteilhafte Effekte bei Patienten mit Rheumatoider Arthritis, was wiederum die zentrale Rolle von B-Zellen in der Pathogenese unterstreicht. Nichtsdestotrotz bleibt der genaue Mechanismus unklar. So wird z.B. spekuliert, dass mittels B-Zell-Depletion eine Neugenerierung der humoralen Immunität erreicht wird. Vor diesem Hintergrund untersuchten wir, ob eine vorübergehende B-Zell-Depletion zu Veränderungen im peripheren B-Zellrepertoire führt. Hierfür wurde das B-Zell-Rezeptorrepertoire von zwei Patienten mit Rheumatoider Arthritis im einen Fall bezüglich der schweren Kette (Patient H) und im anderen Fall bezüglich der leichten Kette (Patient L) analysiert. Beide Patienten wurden mit Rituximab, einem monoklonalen anti-CD20 Antikörper, der zu einer selektiven und über mehrere Monate anhaltenden Depletion peripherer CD20+-B-Zellen führt, behandelt. Das B-Zellrepertoire wurde für beide Patienten unmittelbar vor Therapie sowie in der frühen B-Zellregeneration untersucht. Bei Patient H erfolgte eine zweite Behandlung mit Rituximab nach 17 Monaten. Das Follow-up erfolgte in diesem Fall bis Monat 27. Die Analyse der Schwerketten erfolgte mittels nested-PCR mit DNA aus peripheren B-Zellen unter Verwendung familienspezifischer Primer und anschließendem Subklonieren und Sequenzieren. Während der Studie erhielt Patient H zwei Zyklen der Antikörperbehandlung. Die B-Zell-Depletion hielt 7 bzw. 10 Monate an und war zu jedem Zeitpunkt mit einer klinischen Besserung des Patienten verbunden. Die Anti-CD20 Therapie bewirkte zwei Arten von Veränderungen in diesem Patienten. Während der frühen Phase der B-Zellregeneration konnten wir eine ausgedehnte und rezirkulierende Population hochmutierter B-Zellen nachweisen. Diese Zellen exprimierten verglichen mit dem Zeitpunkt vor Therapie sehr unterschiedliche VH Gene. Es handelte sich hierbei um „class-switched“ Zellen, welche nur für kurze Zeit nachweisbar waren. Die Langzeit Veränderungen dagegen waren eher diskret. Nichtsdestotrotz konnten Veränderungen sowohl in der Familie VH2 als auch in spezifischen Mini-Genen wie VH3-23, 4-34 oder 1-69 festgestellt werden. Eine Häufung einiger dieser Gene wurde bereits im Zusammenhang mit Autoimmunerkrankungen berichtet. Zusätzlich bewirkte die Rituximabtherapie ein Verschwinden klonaler B-Zellen für die gesamte Periode. Folglich bewirkte die vorübergehende B-Zell-Depletion signifikante Veränderungen im Schwerkettenrepertoire. Für die Genanalyse der leichten Kette wurden die Veränderungen getrennt für naive (CD27-) und Gedächtnis- (CD27+) B-Zellen untersucht. Einzelne CD19+ B-Zellen wurden in CD27- und CD27+-Zellen sortiert und anschließend eine Single-cell-RT-PCR mit direkter Sequenzierung der Produkte durchgeführt. Während der Studie erhielt Patient L eine Behandlung. Die B-Zell-Depletion dauerte 10 Monate und das Leichtkettenrepertoire wurde vor und nach Therapie analysiert. Gewisse Unterschiede bezüglich der Verteilung von VL und JL Genen zwischen den Populationen naiver und Gedächtnis-B-Zellen konnten vor Therapie nachgewiesen werden. Insbesondere die bevorzugte Nutzung von Vκ Genen Jκ-proximal in CD27- naive B-Zellen spricht für ein vermindertes „receptor editing“ in dieser Population. Ferner fanden sich in VλJλ-Rearrangements Hinweise für ein vermindertes „receptor editing“ mit einer Überrepräsentation der Jλ2/3 Gensegmente. Die CDR3-Regionen der naiven und Gedächtnis-B-Lymphozyten zeigten unterschiedliche Eigenschaften: die Aktivität der Terminalen-Deoxynucleotidyl-Transferase und Exonuklease im Vλ-Abschnitt (5´) war höher als in Gedächtniszellen. Die B-Zelldepletive Therapie führtete zu signifikanten Veränderungen. So fand sich die Tendenz einer weniger häufigen Nutzung von Jκ-proximal gelegenen Vκ Gensegmenten in der naiven B-Zellpopulation. Einige Vλ Gene, wie z.B. 3p, 3r oder 1g, welche kürzlich in Verbindung mit Rheumafaktor bei Autoimmunerkränkungen beschrieben wurden, waren nach der Therapie nicht mehr nachweisbar. Ebenso verschwanden die unterschiedlichen Eigenschaften der CDR3-Regionen von VλJλ-Rearrangements. Besonders auffällig war das Verhältnis Vκ zu Vλ zugunsten einer häufigeren Nutzung von Vκ Genen in der naiven Population nach Therapie verschoben. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass mittels therapeutischer und vorüber- gehender B-Zell-Depletion durch anti-CD20-Antikörper das Immunglobulingenrepertoire in den beiden untersuchten Patienten moduliert wurde. Messbare Unterschiede fanden sich sowohl im Schwerketten- als auch im Leichtkettenrepertoire. Es erscheint wahrscheinlich, dass diese Veränderungen mit dem beobachteten therapeutischen Ansprechen in Verbindung stehen. Die Ergebnisse stützen die Annahme, dass die Zusammensetzung des B-Zellrepertoires durch die Krankheit beeinflusst wird und für Autoimmunerkrankungen charakteristische Veränderungen mittels B-Zell-Depletion aufgehoben werden können.

Das Hauptthema der hier vorliegenden Arbeit befaßt sich mit dem B-Zell spezifischen Oberflächenprotein CD22, einem Mitglied der Siglec (Sialinsäure bindende Igähnliche Lektine) Proteinfamilie. Dieses Transmembranprotein besitzt sieben extrazelluläre Immunoglobulin-ähnliche Domänen und kann über die äußerste V-set Domäne seine Liganden: α2,6 verknüpfte Sialinsäuren binden. CD22 hat eine Transmembrandomäne und eine cytoplasmatische Domäne mit sechs potentiellen Tyrosin Phosphorylierungsstellen, von denen drei eine ITIM-Sequenz (engl. immunoreceptor tyrosine-based inhibitory motif) aufweisen. CD22 defiziente Mäuse zeigten eindeutig, daß das Siglec CD22 ein negativer Regulator des BCR-Signals ist. Durch BCR-Kreuzvernetzung wird CD22 tyrosinphosphoryliert, die inhibitorische Tyrosinphosphatase SHP-1 gebunden, aktiviert, und ist nun in der Lage das BCR Ca2+ Signal zu inhibieren. Um die Rolle der CD22Ligandenbindungsdomäne, in vivo zu untersuchen, sollte in dieser Arbeit eine CD22 knock -in Maus erzeugt werden (CD22R130E Maus), in der die Ligandenbindungsdomäne von CD22 durch eine Punktmutation funktionell ausgeschaltet ist. In der hieraus resultierenden Mauslinie sollte dann die BZellentwicklung, Signaltransduktion und der Immunstatus analysiert werden. Der Vergleich des Phänotyps der CD22R130E Maus und der CD22 defizienten Maus sollte dann zeigen, wie die Adhäsions- und Signalleitungseigenschaften von CD22 zusammenhängen. Der „Targeting“ Vektor für die „Gene Targeting“ Experimente wurde von der Arbeitsgruppe Dr. Anton van der Merwe (von Christina Piperi) angefertigt. Ursprünglich wurde ein „Targeting“ Vektor aus genomischer C57BL/6-DNA verwendet, um den genetischen Hintergrund der CD22-defizienten Maus beizubehalten. Dieser Vektor wurde von mir für ES-Zell Transfektionen in der C57Bl/6 ES-Zellline verwendet. Aus den Gene Targeting Experimenten mit der C57Bl/6-III ES-Zelllinie konnten zwei ES-Zellklone isoliert werden, die eine korrekte homologe Integration des Targetvektors trugen. Aus einem Blastozysteninjektions- Experiment mit einem Cre-deletierten C57BL/6-III Subklon wurden sechs hochchimäre Mäuse erhalten, mit denen allerdings keine Keimbahntransmission erzielt werden konnte. Nach Problemen mit Keimbahntransmission von Klonen aus der C57BL/6-III ESZelllinie, wurden noch die BALB/c und die E14Tg2a ES-Zelllinie für neue Gene Targeting Experimente verwendet. Die Experimente mit der BALB/c ES-Zelllinie ergaben keine ES-Zellklone mit korrekter homologer Integration, dies beruhte wahrscheinlich auf dem nicht isogenen Hintergrund. Alle folgenden Experimente mit der E14Tg2a ES-Zelllinie (genetischer Hintergrund: 129/ola) wurden mit dem verlängerten R130E-Targetvektor (Targetvektor 2), der mit 129/ola DNA um 2,3 Kb in 5’-Richtung verlängert wurde, um den isogenetischen Anteil des Targetvektors zu erhöhen, durchgeführt. Aus diesen Experimenten resultierten wiederum zwei ESZellklone, deren korrekte homologen Rekombination durch Southern Blot bestätigt werden konnten. Bei den darauffolgenden Blastozysten-Injektionsexperimenten mit diesen zwei E14Tg2a Klonen konnten fünf chimäre Tiere gewonnen werden. Ein 80 %ig chimäres Männchen erzeugte eine hohe Anzahl von Nachkommen mit Keimbahntransmission. Bei der Analyse dieser Tiere trat das Resultat zutage, daß alle diese Tiere mit Keimbahntransmission einen wildtypischen Genotyp besaßen. Ein weiteres Mitglied der Siglecproteinfamilie, das murine SiglecG (ein Ortholog zu humanem Siglec10), wurde in dieser Arbeit untersucht. In Zusammenarbeit mit dem Labor von Dr. Paul Crocker sollte eine SiglecG knock out Maus hergestellt werden. Die Strategie für die Gene Targeting Experimente für einen SiglecG knock out basierten auf der Verwendung der BalbI ES-Zelllinie (aus BALB/c Mäusen), da hiermit sehr gute Erfahrungen vorlagen, was die Stabilität ihrer Pluripotenz und des Keimbahntransmissionspotenzials angeht. Daher wurde im Labor von Paul Crocker (von Sheena Kerr) ein Kontroll- und ein Targetvektor kloniert, mit dem große Teile der ersten und zweiten Ig-Domäne von SiglecG ausgeschaltet werden sollte. Mit diesem Vektor führte ich mehrere ES-Zell Transfektionsexperimente durch. Innerhalb der Zeitspanne meiner Doktorarbeit konnten keine ES-Zellklone mit einem korrekten homologen Integrationsereignis gewonnen werden. Mittels der ursprünglichen Strategie konnte die mir nachfolgende Doktorandin jedoch ES-Zell Klone isolieren, nach Blastozysteninjektion Keimbahntransmission erzielen und somit eine SiglecGdefiziente Maus generieren. Eine andere Zusammenarbeit kam mit Dr. Burkhard Kneitz (Physiologisches Chemie I, Biozentrum, Universität Würzburg) zustande. Seine Intention war es, die Rolle des TGF-β Signalmediators SMAD2 auf B-Zellebene näher zu untersuchen. Von Erwin Böttinger bekamen wir eine Mauslinie, in der das Smad2-Gen gefloxt ist, die mit der CD19-Cre Maus gekreuzt wurde. So wurde eine B-Zell spezifische SMAD2 knock out Maus (bSmad2-/-) erzeugt. Meine Aufgabe bestand darin, die B-Zellkompartmente und die Immunantworten der B-Zell spezifischen Smad2-defizienten Maus zu analysieren. Faßt man alle gewonnenen Daten aus den hier generierten B-Zell spezifischen Smad2 knock out Tieren zusammen, so kann man zu dem klaren Ergebnis kommen, daß der TGF-β Signalmediator Smad2 eine entscheidende Rolle bei der Weiterleitung von TGF-β Signalen in das Zellinnere von B-Zellen spielt. Hierbei zeigten sich klare Veränderungen, im Vergleich zu Kontrolltieren, eine Erhöhung der Zellzahl in den Peyerschen Plaques (PP), und der B1-Zellen im Peritoneum. Die IgA-Immunantwort war in bSmad-/- Tieren stark erniedrigt. Der für TGF-β beschriebene Effekt der Proliferationshemmung von aktivierten B-Zellen war bei aktivierten B-Zellen der bSmad2-/- Mäuse hingegen nicht beeinträchtigt. / The main topic of this thesis dealt with the B cell-specific transmembrane protein CD22, a member of the Siglec (Sialic-acid binding Ig-like lectin) protein family. This transmembrane protein posseses seven extracellular domains and is capable to bind α2,6 sialic acids via its most outer V-set domain. Furthermore there are one transmembrane domain and six potential tyrosine-based phosphorylation motifs, three of which match ITIM (immunoreceptor tyrosine-based inhibitory motif) consensus sequences. CD22 deficient mice clearly showed that the Siglec CD22 is a negativ modulator of BCR signalling. BCR engagement causes tyrosine phosphorylation of CD22, now the inhibitory tyrosine phosphatase SHP-1 is able to bind, is then getting activated and is thus inhibiting the BCR Ca2+ signal. To elucidate the function of the CD22 adhesion domain in vivo, especially concerning the connection with CD22 signalling, one main topic of this work was to generate a CD22 knock in mouse (CD22R130E), in order to functionally eliminate the CD22 adhesion domain through a point mutation. The resulting new mouse line should give the opportunity to investigate B-cell development, signal transduction and the immune status ot the CD22R130E mouse. The comparison between the phenotypes of the CD22R130E mouse and the CD22 deficient mouse should resolve the interplay of adhesion and signalling of CD22. The cloning of the targeting vector for the gene targeting experiments was done in the laboratory of Dr. Anton van der Merwe (by Christina Piperi). Basically, the idea was to keep the C57BL/6 genetic background, which was already used to generate the CD22 deficient mouse by Dr. Lars Nitschke (Nitschke et al. 1997). This vector was used by me for the ES cell transfection experiments with the C57Bl/6-III ES cell line. Finally, two ES-cell clones could be identified from gene targeting experiments with the C57BL/6 ES-cell line, which carried a correct homologous integrated target vector. With one Cre-deleted C57BL/6 subclone it was possible to generate six chimaeric animals from one injection experiment, although none of these animals could give rise to germline transmission. Since occurence of crucial problems with the germline transmission of C57BL/6-III ES-cell clones, the BALB/c and E14Tg2a ES-cell lines were used for new gene targeting experiments. With the following gene targeting experiments using the BALB/c ES-cell line no homologous recombinants were obtained. This was probably due to the non-isogenic background. All following experiments performed with the E14Tg2a ES-cell line (genetic background: 129/ola) were carried out with the elongated R130E-targeting vector (targeting vector 2). This vector was created by using a genomic 129/ola template, in order to gain a new isogenetic 2.3 kb 5’- fragment. These experiments gave rise to two ES-cell clones with a correct homologous recombination event confirmed by southern blot. It was now possible to generate five chimaeric animals out of three injection experiments with these two EScell clones. One male animal, with 80 % chimaerism, produced offspring with germline transmission. The analysis of these animals with germline transmission showed that all of them possessed a wildtype like genotype. This thesis dealt with a further member of the Siglec protein family, the murine SiglecG (an ortholog to human Siglec10). In collaboration with the laboratory of Dr. Paul Crocker a SiglecG knock out mouse was to be generated. The strategy to do the gene targeting experiments was based on the usage of the BalbI ES-cell line (from BALB/c mice), since it possesses well known stability concerning pluripotential and germline transmission potential. In the laboratory of Paul Crocker (by Sheena Kerr) a control and target vector was cloned, which should eliminate a large part of the first and second Ig-domain of SiglecG. I performed different ES-cell transfection experiments with this vector. Within the timecourse of my work it was not possible to gain any ES-cell clones with correct homologous integration events. Later on ES-cell clones, germline transmission and generation of the SiglecG deficient mouse was achieved with the original strategy by the following Phd student. Another collaboration was evolved by Dr. Burkhard Kneitz (Department of Physiological Chemistry I, Würzburg). His intention was to investigate the meaning of the TGF-β signalmediator SMAD2 in a B-cell specific manner. From Erwin Böttinger we received a mouse line with a floxed Smad2 gene, which was crossed with a CD19-Cre mouse line (Rickert et al. 1997). Thus a B-cell specific SMAD2 knock out mouse (bSmad2-/-) was generated. I had to analyse the B-cell compartments and the immune responses of the B-cell specific SMAD2 knock out mouse. Taking together all data gained with the newly generated B-cell specific SMAD2 knock out mouse showed that the signalmediator SMAD2 is a crucial downstream component of TGF-β signalling in B-cell biology. The crucial differences of bSmad2-/- animals in comparison to control animals were given in an increase of cells of Payers Patches (PP) and B1 cells of peritoneal lavages. The IgA immune response was strongly reduced in bSmad2-/- animals. The well known effect of TGF-β concerning inhibition of proliferation with activated B-cells (Kehrl et al. 1986; 1989; 1991) was not impaired with activated B-cells of bSmad2-/- animals.

Die Stimulation von Lymphozyten durch alleinige Quervernetzung ihrer Antigenrezeptoren führt in Abhängigkeit von der Signalstärke zur Induktion von Apoptose. Dieser Prozess spielt im Rahmen der negativen Selektion von B-Zellen eine wichtige Rolle und kann am Beispiel von WEHI 231 Zellen, einer murinen Lymphomzelllinie modellhaft nachempfunden werden. Die Quervernetzung des B-Zellrezeptors (BZR) in WEHI 231 Zellen führt in Abhängigkeit von der Prozessierung der mitochondrialen Caspase 9 zu Apoptose. Dies kann durch Überexpression des antiapoptotischen Bcl-2 Familienmitglieds A1 verhindert werden. Interessanterweise besitzt A1 im Gegensatz zu Fast allen anderen Bcl-2 Proteinen keinen C-terminalen Bereich, der das Protein in intrazelluläre Membranen wie Mitochondrien und Endoplasmatisches Retikulum verankert. Ob und gegebenenfalls welche Bedeutung das C-terminale Ende für das Protein und dessen Funktion hat wurde in dieser Arbeit untersucht. Eine C-terminale Deletionsmutante wies im Vergleich zum Wildtyp eine höhere Proteinstabilität auf. Die Fusion der letzten 35 Aminosäuren von A1 an eine enzymatisch inaktive Form von Caspase 3 führte zu einem sehr instabilen chimären Protein. Somit scheint der C-Terminus von A1 sowohl notwendig als auch hinreichend für die kurze Halbwertszeit des Proteins zu sein. Die meisten kurzlebigen Proteine werden über den proteasomalen Signalweg degradiert. Dies scheint auch für A1 zu gelten, da seine Halbwertszeit durch den Einsatz eines Proteasomeninhibitors verlängert wurde. In Koexpressionsstudien konnte zudem eine Ubiquitylierung von A1 beobachtet werden, welche bei der stabileren A1 Mutante stark reduziert war. A1 ist jedoch nicht immer instabil. In Anwesenheit des „BH3-only“ Proteins Bim, das A1 direkt binden kann, wird die Halbwertszeit von A1 enorm erhöht. Die antiapoptotische Funktion von A1 scheint sich jedoch nicht nur auf die Neutralisation durch bloße Bindung zu beschränken, da die Deletionsmutante trotz vergleichbarer Interaktion mit Bim einen sehr viel geringeren Schutz gegen Etoposid vermittelter Apoptose verlieh. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass das antiapoptotische Bcl-2 Familienmitglied A1 eine sehr kurze Halbwertszeit besitzt und das der C-Terminus nicht nur die Stabilität sondern auch die antiapoptotische Schutzfunktion für das Protein vermittelt. / The strong stimulation of lymphocytes through their antigen receptors leads to the induction of apoptosis unless a costimulatory signal is provided. This process plays an important role in the negative selection of B-lymphocytes and can be mimicked in the immature murine lymphoma cell line WEHI 231. Engagement of the B-cell receptor (BCR) on WEHI 231 cells leads to apoptosis via a pathway that requires the processing of mitochondria-dependent caspase 9. This can be prevented by overexpression of the antiapoptotic Bcl-2 family member A1. In contrast to most Bcl-2 proteins, A1 does not contain a C-terminal region which recruits it to intracellular membranes of the mitochondria or endoplasmatic reticulum. The aim of this thesis was to investigate the function of the A1 C-terminus. Deleting the C-terminus increased the stability of A1 whereas fusing the last 35 amino acids of A1 onto an enzymatically-inactive caspase 3 mutant leads to a highly unstable chimeric protein. It therefore appears that the C-terminus is responsible for A1´s short half-life. Most short-lived proteins are degraded via the proteasomal pathway. It is likely A1 is also degraded via the proteasomal pathway, since its half-life was increased in the presence of a proteasomal inhibitor. Furthermore, coexpression studies showed a strong ubiquitylation of A1, which was greatly reduced in the stable truncated variant of A1. However, A1 is not always unstable. In the presence of the ”BH3-only“ protein Bim, a direct interaction partner of A1, the half-life of A1 was strongly increased. The antiapoptotic function of A1 can not just be mediated by the binding and neutralising of proapoptotic partners such as Bim because the C-terminal deletion mutant, which can also interact with Bim, fails to protect cells from etoposide-induced apoptosis. Taken together these results show that the Bcl-2 family member A1 has a very short half life and that the C-terminus is not only responsible for its rapid turnover but also for the antiapoptotic function of the protein.

B lymphocyte induced maturation protein-1 (Blimp-1) und X-box-binding protein-1” (XBP-1) sind als Transkriptionsfaktoren unverzichtbar für die terminale Differenzierung von B-Lymphozyten zu Immunglobulin (Ig)-sezernierenden Plasmazellen. Ebenso stellen die unfolded protein response (UPR) und das Spleißen von XBP-1, beides ausgelöst durch erhöhte Ig-Produktion, entscheidende Schritte auf dem Weg zur Plasmazellentstehung dar. Allerdings ist das Molekül/ sind die Moleküle nach wie vor unbekannt, die diesen beiden Ereignissen in der Signalkaskade vorgeschaltet sind. Da die ektope Expression von Blimp-1 in B-Zellen hinreicht, diese zu Plasmazellen zu differenzieren, erscheint es plausibel, dass Blimp-1 das Molekül sein könnte, das die Auslösung einer UPR und das Spleißen von XBP-1 steuert. Dieser Möglichkeit wurde durch ektope Expression von Blimp-1 in der Maus-B-Zell-Lymphomlinie WEHI 231 und in primären B-Zellen aus der Milz von Mäusen nachgegangen. Die ektope Expression von Blimp-1 führte in beiden Zelltypen zur Erhöhung der Ig Produktion, zum Spleißen von XBP-1 und zur Sekretion von Immunglobulinen. Interessanterweise war der N-terminale Anteil von Blimp-1, bestehend aus den Aminosäuren 1-751, hinreichend, um diese Effekte auszulösen, während der C-Terminus, der die Aminosäuren 465-856 umfaßte, keinen Effekt hatte. Darüberhinaus, wurde die Expression von BIP, dessen Gen ein UPR-Zielgen ist, durch ektope Expression von Blimp-1 bzw. dessen N-Terminus in primären B-Zellen erhöht. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass Blimp-1, speziell dessen N-terminale Domäne, hinreichend ist, um eine UPR und die Prozessierung von XBP-1 auszulösen, was zur Ig-Sekretion von B-Zellen führt. / B lymphocyte induced maturation protein-1 (Blimp-1) and X-box-binding protein-1 (XBP-1) are indispensible transcription factors required for B lymphocyte terminal differentiation into Ig secreting plasma cells. Occurrence of an unfolded protein response (UPR) and XBP-1 splicing, due to elevated Ig levels, are critical events during plasma cell generation. However, the upstream molecule sufficient to trigger these events remain elusive. Because ectopic expression of Blimp-1 in B cells is sufficient to generate plasma cells, it is plausible that Blimp-1 might be the upstream molecule, sufficient for the induction of UPR and XBP-1 splicing. The results from the current study indicate that ectopic expression of Blimp-1 or its N-terminal domain, in B cells, is sufficient to induce XBP-1 splicing, UPR and Ig (immunoglobulin) secretion. Further more Blimp-1 is able to directly repress the antiapoptotic gene A1, by binding to specific DNA elements in A1 promoter. This repression of A1 by Blimp-1 seems to be an important prerequisite for Plasma cell differentiation because ectopic expression of A1 in primary B cells resulted in reduced immunoglobulin secretion.

Die chronische lymphatische Leukämie vom B-Zell-Typ (B-CLL) macht ca. 90% der chronischen lymphatischen Leukämien aus. Der klinische Verlauf der B-CLL ist heterogen, und bei 3-5% der Patienten kommt es im Verlauf der Erkrankung zu einer Transformation in ein aggressives Lymphom, meist in ein diffuses großzelliges B-Zell-Lymphom (DLBCL) oder in ein Hodgkin-Lymphom (HL). Eine solche Transformation wird als Richter-Syndrom bezeichnet und ist mit einer ungünstigen klinischen Prognose assoziiert. In B-Zell-Lymphomen (B-NHL) ermöglicht der Mutationsstatus der variablen Anteile der Immunglobulinschwerkettengene (IgVH) eine Aussage über das Entwicklungsstadium der B-Zelle, in dem sich die Transformation zu einem B-Zell-Lymphom ereignet hat. In der B-CLL stellt der Mutationsstatus auch einen bedeutenden prognostischen Faktor dar, wobei die Erkrankung bei Patienten mit unmutierten IgVH Genen meist einen ungünstigen klinischen Verlauf zeigt. Die wenigen bisher durchgeführten molekularen Analysen an Fällen von Richter-Syndromen deuten darauf hin, dass ein Transformationsereignis sowohl bei B-CLL-Patienten mit mutierten als auch mit unmutierten IgVH Genen vorkommen kann, und dass die Tumorzellen des DLBCL oder HL sowohl klonal identisch mit dem B-CLL-Klon sein können als auch unabhängig als sekundäres Lymphom entstehen können. Um die klonale Beziehung zwischen DLBCL- bzw. Hodgkin/Reed-Sternberg (HRS)-Zellen und den Zellen der vorbestehenden B-CLL zu analysieren, den Mutationsstatus des IgVH Gens sowie mögliche prognostische Faktoren in B-CLL-Fällen mit Richter-Transformation zu identifizieren, wurde eine größere Fallserie mit Hilfe eines PCR-basierten GeneScan Ansatzes mit anschließender Sequenzierung der IgVH-Gene untersucht. In Fällen mit HRS bzw. HRS-ähnlichen Zellen wurden die CD30-positiven Tumorzellen mittels Laser-Capture Mikrodissektion (LCM) isoliert. Weiterhin erfolgte eine morphologische und immunhistochemische Analyse der Fälle. Insgesamt wurden 48 Patientenproben untersucht, darunter 40 Fälle mit Richter-Syndrom sowie weitere 8 B-CLL-Fälle mit CD30-positiven HRS-ähnlichen Zellen. Unter den 40 Proben mit Richter-Syndrom zeigten 34 B-CLL-Fälle eine Transformation in ein DLBCL, in 6 Fällen erfolgte eine Transformation in ein HL. In 23 Fällen mit B-CLL und DLBCL wurde eine Sequenzierung der IgVH Gene durchgeführt. In 18 Fällen waren B-CLL und DLBCL klonal identisch, in 5 Fällen war das DLBCL als klonal unabhängige Neoplasie entstanden. Unter den klonal verwandten Paaren zeigten 11 von 15 Paaren unmutierte IgVH-Gene sowohl in der B-CLL als auch im DLBCL, wohingegen 5 von 6 Fälle mit Transformation einer B-CLL in ein HL mutierte IgVH Gene trugen. HRS-Zellen in 2 Fällen und HRS-ähnliche Zellen in einem Fall waren klonal verschieden vom B-CLL-Zellklon. Die VH-Gene VH3-23, VH3-74, VH1-2 und VH3-9 waren überproportional häufig in B-CLL Fällen mit einer späteren Transformation in ein DLBCL vertreten, wohingegen VH4-34 und VH3-48 in mehr als der Hälfte der Fälle mit Transformation zu einem HL nachgewiesen werden konnten. Der immunhistochemische Nachweis von ZAP70 zeigte eine signifikante Assoziation mit unmutierten IgVH-Genen in B-CLL mit nachfolgender Richter-Transformation. Bei 24 Patienten konnte der klinische Verlauf eruiert werden. Die mediane Überlebenszeit von Patienten mit B-CLL mit stattgehabter Transformation in ein DLBCL oder ein HL betrug 7 beziehungsweise 21 Monate. Es fanden sich weder signifikante Unterschiede der Überlebenszeit zwischen klonal verwandten und nicht verwandten Fällen, noch zwischen IgVH-mutierten und -unmutierten Fällen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass bei der Richter-Transformation einer B-CLL in ein DLBCL dieses einerseits aus dem präexistenten B-CLL-Klon entstehen kann, andererseits aber auch als unabhängige, klonal nicht verwandte Neoplasie auftreten kann. In der Mehrzahl der Fälle (78% in dieser Serie) sind B-CLL und DLBCL jedoch klonal identisch und nur gelegentlich entsteht ein DLBCL ohne klonale Beziehung zur B-CLL als unabhängige, sekundäre Neoplasie. Eine klonale Transformation in ein DLBCL tritt vorwiegend bei B-CLL-Patienten mit unmutierten IgVH-Genen auf, wohingegen die Mehrzahl der B-CLL-Patienten mit einer Transformation in ein HL oder CD30-positive HRS-ähnliche Zellen mutierte IgVH-Gene aufweist. Dieser Befund lässt auf unterschiedliche Transformationswege der beiden Subtypen des Richter-Syndroms schließen. Weiterhin existieren vermutlich wesentliche Unterschiede in der Pathogenese zwischen DLBCL-Fällen, die sich aus einer vorbestehenden B-CLL entwickelt haben, und de novo DLBCL-Fällen, da de novo DLBCL zumeist durch mutierte IgVH-Gene charakterisiert sind. / B-cell chronic lymphocytic leukemia (B-CLL) comprises 90% of chronic lymphoid leukemias in Western countries and patients with B-CLL have a heterogeneous clinical course. Approximately 3-5% of B-CLL patients encounter transformation to an aggressive lymphoma, mainly diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) or Hodgkin’s lymphoma (HL) which has been defined as Richter’s syndrome and is associated with a poor clinical outcome. The mutational status of the immunoglobulin heavy chain variable region (IgVH) gene not only implies the developmental stage at which the neoplastic transformation occurs in a given B-cell lymphoma, but also constitutes an important prognostic factor in B-CLL, since B-CLL patients with unmutated IgVH genes usually have a poor clinical outcome. Sparse molecular analyses performed in Richter’s syndrome so far suggest that it can occur in B-CLL patients carrying mutated or unmutated IgVH genes, and tumor cells in DLBCL or HL can be clonally identical to the B-CLL clone or arise as an independent, secondary lymphoma. To determine the clonal relationship between DLBCL or Hodgkin/Reed-Sternberg (HRS) cells and pre-existing B-CLL cells in a larger series, to identify the IgVH gene usage and the mutational status and to explore possible prognostic factors in B-CLL undergoing Richter’s transformation, we utilized a PCR-based GeneScan approach with subsequent sequencing of the IgVH genes. In cases with HRS/HRS-like cells laser capture microdissection (LCM) was employed to isolate these cells. In addition, a thorough morphological and immunohistochemical analysis was performed. In total, specimens from 48 patients were investigated including 40 cases of Richter’s syndrome and additional 8 cases of B-CLL cases with the presence of CD30-positive HRS-like cells. Among 40 cases of Richter’s syndrome, 34 B-CLL cases showed transformation to DLBCL and 6 cases transformed from B-CLL to HL. Sequencing was performed in 23 paired B-CLL and DLBCL cases. In 18 cases, B-CLL and DLBCL were clonally identical, whereas DLBCL developed as a clonally independent neoplasm in 5 patients. Among the clonally related pairs, 11 out of 15 cases carried unmutated IgVH genes in both the B-CLL and DLBCL component, whereas 5 of 6 B-CLL cases that showed transformation to HL carried mutated IgVH genes. HRS cells in two samples and HRS-like cells in one sample were clonally distinct from the B-CLL clone and infected by EBV, whereas one sample of HRS-like cells was related to the clone from the surrounding B-CLL cells and did not express latent membrane protein-1 (LMP1). The VH genes VH3-23, VH3-74, VH1-2 and VH3-9 were overused in B-CLL cases that transformed to DLBCL, whereas VH4-34 and VH3-48 were used in over half of the B-CLL cases with transformation to HL. Immunohistochemical staining of ZAP70 was significantly associated with unmutated IgVH genes in B-CLL cases undergoing Richter’s transformation. Clinical follow-up data could be obtained from 24 patients. The median survival times of B-CLL patients with transformation to DLBCL or HL were 7 and 21 months, respectively. No significantly different survival times were found between clonally related or unrelated cases, or between IgVH-mutated or -unmutated cases. We conclude that in Richter’s transformation, DLBCL can evolve by clonal transformation of the pre-existing B-CLL clone or occur as an independent, clonally unrelated neoplasm. In the majority of cases (78% in our series), B-CLL and DLBCL are clonally identical. In a subset of patients, however, DLBCL develops as an independent secondary neoplasm that is not clonally related to the B-CLL. Clonal transformation into DLBCL predominantly occurs in B-CLL patients with unmutated IgVH genes, whereas most B-CLL patients that show transformation to HL or CD30-positive HRS-like cells carry mutated IgVH genes. The tendency that IgVH-unmutated B-CLL transforms to DLBCL and IgVH-mutated B-CLL transforms to HL implies different transformation pathways in the two subtypes of Richter’s syndrome. In addition, important pathogenetic differences are likely to exist between DLBCL cases derived from a pre-existing B-CLL as compared to de novo DLBCL cases, since de novo DLBCL is usually characterized by mutated IgVH genes. The biased usage of IgVH genes in the two subtypes of Richter’s syndrome suggests a possible role for antigen involvement in tumorigenesis also in B-CLL cases that undergo Richter’s transformation. Finally, EBV-association in the HL variant of Richter’s syndrome occurs more frequently in clonally unrelated secondary malignancies.

There are an estimated 350 million people chronically infected with Hepatitis B Virus (HBV), of which approximately 600 000 die each year from HBV complications including cirrhosis and liver cancer. The X protein from HBV (HBx) has been implicated in the progression of chronic HBV to liver cancer and has been reported to manipulate several critical cellular pathways. These include the cell cycle, the tumour suppressor protein p53, protein degradation and signal transduction pathways. The role of these interactions in HBV replication and the viral lifecycle is currently unknown. The lack of animal models and infectable cell lines together with solubility and stability issues related to the HBx protein have made progress difficult. The reliance on approximate cellular and animal models has yielded many discordant studies that have confounded our interpretations of the role of HBx. There have been no novel approaches attempting to express HBx at a quantity and quality sufficient for high resolution X-ray and nuclear magnetic resonance structural determination. Additionally no bioinformatic analyses have been applied to HBx, and thus distinctive features of HBx that may be responsible for these challenges have not been reported. This thesis describes the detailed experimentation to express and purify HBx in a functional, soluble and stable form. The study focussed on Saccharomyces cerevisiae and Semliki Forest Virus (SFV) expression systems, together with the use of a solubility-enhancing Maltose Binding Protein protein tag (MBP). The S. cerevisiae-based pYES2 and YEp and mammalian expression vectors showed production of HBx protein. However HBx that had been expressed using S. cerevisiae and human cells could not be reliably detected in Western blots using antibodies raised against E. coliexpressed HBx. This result was despite the positive visualisation of HBx using the same antibodies and immunofluorescence microscopy. This validated previous reports describing the variable antigenicity of HBx. Furthermore these findings supported the decision to develop eukaryotic-based HBx expression vectors as results suggested structural differences between eukaryote and prokaryote expressed protein. HBx was subsequently detected and purified in a soluble and active form using an MBP tag as well as a SFV expression vector. All of these options provide an excellent point from which further work at optimising HBx expression and structural elucidation can occur. Bioinformatic analysis of HBx suggested the presence of protein disorder and protease sensitive sites within the negative regulatory domain of HBx. Literature descriptions of the molecular promiscuity that protein disorder allows, offers an explanation for the presence of the discordant findings on HBx interactions and functions. It is generally accepted that proteins containing disorder are tightly regulated and thus experimental systems employing overexpression methodologies may encourage cellular toxicity and non-specific interactions through the use of short linear motifs. Evolutionary analysis of HBx sequences revealed that the eight HBV genotypes (A-H) showed concordance regarding synonymous and non-synonymous substitutions at the overlapping and non-overlapping domains of hbx. Substitutions in hbx were most common at positions where a synonymous substitution occurred in the overlapping partner gene. The presence of sites under positive, neutral and negative selection were identified across the length of HBx. The different genotypes showed positive selection indicating selective pressures unique to each, thus offering a contributing explanation for the variable disease severity observed between the subtypes. Overall, this thesis has provided novel methods to express and purify HBx in S. cerevisiae and mammalian cells. These methods, together with an increased understanding of the nature of HBx sequences through bioinformatic analysis, pave the way to conduct both structural studies and biological assays to elucidate the genuine roles of HBx in the HBV lifecycle and its contribution to the progression to liver cancer.

Hepatitis B virus (HBV) is a major global public health burden, with over 350 million people chronically infected. This results in approximately 600,000 liver cancer-related deaths annually. Chronic HBV infections are normally managed with long-term anti-HBV therapeutics, such as reverse transcription inhibitors, which target post-transcriptional viral processes without affecting the cccDNA. Treatment failure however is largely as a result of the stability of this episomal viral DNA. The cccDNA minichromosome serves as a reservoir of HBV DNA and is capable of re-establishing viral replication following withdrawal of treatment. Designer nucleases, like transcription activator-like effector nucleases (TALENs), have recently been used to create double stranded breaks (DSBs) at target-specific endogenous DNA loci. These nucleases are designed as pairs, which upon dimerisation cleave double-stranded DNA. Subsequent activation of the cellular non-homologous end-joining (NHEJ) pathway often results in targeted mutagenesis at the DSB site. As TALENs may be designed to bind to any DNA sequence, they are commonly used as genetic engineering agents. Inactivation of HBV cccDNA, using these engineered TALENs, presents a unique approach to disabling viral replication permanently. To investigate this, a panel of TALENs targeting the core (C), surface (S) and two different polymerase (P1 and P2) regions of HBV cccDNA were generated using a Golden gate modular assembly approach. TALENs were initially tested in two liver-derived cell lines. Firstly as transient co-transfections in Huh7 cells using a HBV replication competent plasmid, followed by long term investigations in HepG2.2.15 cells which model HBV replication in vitro. Inactivation of HBV was determined by measuring markers of viral replication, whilst TALEN-mediated targeted disruption was verified by T7 endonuclease 1 (T7E1) or CELI endonuclease assays and sequencing. In vitro, the S TALEN inhibited HBsAg secretion by 80% in Huh7 cells and 60% in HepG2.2.15 cells. Furthermore, S TALEN-mediated targeted disruption occurred in 35-47% of cccDNA copies, whilst the C TALEN resulted in 11% targeted disruption of cccDNA in without inhibition of HBsAg expression. The P2 TALEN showed no anti-HBV efficacy, however the P1 TALEN inhibited HBsAg expression by up to 60% without any evidence of site-directed cleavage. As this TALEN binding site spans the HBV Enhancer I sequence, knock-down of HBsAg expression is most likely to occur as a result of transient transcriptional repression. To confirm whether permanent repression of HBV transcription could be achieved, a KRAB-based transcription activator-like repressor (rTALE) targeting the HBV pre-S2 promoter was generated. Using an in vitro reporter gene assay, the pre-S2 rTALE inhibited luciferase expression by up to 90%. However this was only achieved using high molar concentrations of the repressor, suggesting multiple rTALEs may improve HBV transcriptional repression. As the S and C TALENs displayed significant anti-HBV efficiency in vitro, they were tested in a murine hydrodynamic injection model of HBV replication. In vivo, the S TALEN inhibited HBsAg secretion by 95% and induced disruption in 77–87% of HBV DNA targets. In addition the C TALEN inhibited HBcAg expression and induced disruption in 78-93% of HBV DNA targets. Additionally, serological analysis showed a reduction in circulating virions and no apparent liver toxicity, as determined by real-time PCR (qPCR) and aspartate transaminase (AST)/ alanine aminotransferase (ALT) liver function tests respectively. Deep sequencing at the S and C TALEN binding sites showed targeted mutagenesis of HBV DNA in samples extracted from murine hepatocytes transfected with TALENs, however wild-type sequences were exclusively detected in mice that had not been treated with anti-HBV TALENs. Furthermore, frameshift deletions were predominantly detected indicating major disruptions in the HBV surface and core sequences. These results indicate that TALENs designed to disable and silence HBV cccDNA are effective both in vitro and in vivo and as such provide a promising therapeutic approach to treat this serious infection.

PhD, Faculty of Health Sciences, University of the Witwatersrand, 2009 / Chronic infection with the hepatitis B virus (HBV) is a major risk factor for cirrhosis and hepatocellular carcinoma, which is the sixth most common cancer worldwide. Available treatment for chronic HBV infection has limited efficacy in preventing associated complications. The compact and multifunctional nature of the viral genome limits its mutability making HBV an ideal candidate for therapy based on nucleic acid hybridisation. The potent and specific gene silencing that can be achieved with RNA interference (RNAi) has fueled interest in exploiting this pathway as a therapeutic modality. Synthetic and expressed RNA sequences have been used to activate RNAi. These engineered sequences mimic natural substrates of the RNAi pathway, which allows them to enter and reprogramme the pathway to effect silencing of intended targets. Tradionally expressed RNAi activators have been transcribed as short hairpin RNA (shRNA) sequences from RNA polymerase III (Pol III) promoters. These shRNA mimic precursor microRNA (pre-miRNA) and consequently enter the RNAi pathway at a relatively late stage. Overexpression of shRNA sequences from Pol III promoters, specifically the U6 promoter, has been associated with toxic side effects and has raised concerns about the use of expressed RNAi activators. Another concern of developing therapeutic RNAi expression cassettes is the emergence of HBV mutants that are resistant to silencing by a single expressed RNAi effecter. These points have highlighted the need for the development expressed RNAi activators that are effective at low concentrations and capable of combinatorial silencing. To address these issues the aim of this study was to assess the feasibility of anti HBV effecter sequences that mimic an early substrate (viz. primary miRNA or pri-miRNA) of the RNAi pathway. Pri-miRNA expression is typically under the transcriptional control of Pol II promoters. Consequently RNAi activators that Abstract - xi - mimic pri-miRNA, so-called pri-miR shuttles, may be expressed from Pol II promoters. Initially a panel of shRNA expression cassettes driven by a Pol III promoter was constructed and silencing of HBV replication assessed. Pri-miR shuttles were then designed by incorporating guide sequences of the most effective anti HBV U6 shRNA into naturally occurring pri-miR-122 and pri-miR-31. Potent inhibition of viral replication was observed with both Pol III and Pol II-driven pri-miR shuttle expression cassettes in vitro and in vivo. Subsequently liver-specific pri-miR-122 and multimeric pri-miR-31 shuttle expression cassettes were created. Pri-miR-122 shuttle sequences expressed from the alpha-1 antitrypsin promoter and HBV basic core promoter exhibited the best liver-specific silencing. Polycistronic pri-miR-31 shuttle sequences were shown to produce multiple RNAi activators capable of silencing multiple target sequences. Silencing by the pri-miR shuttle sequences was independent of toxic effects that arise from induction of the interferon response or saturation of the endogenous miRNA pathway. Pri-miR shuttles clearly represent an improved option for the use of expressed shRNA and brings therapeutic RNAi technology a step closer to clinical application.

MSc (Med), Faculty of Health Sciences, University of the Witwatersrand / The hepatitis B virus remains a major public health problem even after decades of its discovery. Horizontal transmission during early childhood is the predominant mode of transmission in highly endemic regions such as sub-Saharan Africa. Infection exhibits a wide spectrum of clinical manifestations, from an asymptomatic stage to severe liver disease which may result in hepatocellular carcinoma (HCC). The HBV X protein (HBx) has been implicated in carcinogenesis, which often has a poor prognosis, consequently the use of highly specific monoclonal antibodies (mAbs) directed against HBx in an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) could lead to early identification of HBV carriers at risk of developing liver cancer. A variety of mixed hybridoma cell cultures secreting anti-HBx antibodies were cloned and sub-cloned by “limiting dilution”. Clonal supernatants were assessed for anti-HBx antibody production by Indirect ELISA and Western/Immunoblotting. Monoclonal antibodies were then characterized according to their relative binding affinity (Indirect ELISA) and relative epitope specificity (Competitive ELISA). One of our monoclonal antibodies was found to bind to the same epitope on HBx as the commercial anti-HBx antibody and with the same high affinity. In the developed Sandwich ELISA, our monoclonal antibody proved effective as the „detecting‟ antibody when the commercial anti-HBx antibody was deployed as the „capture‟ antibody. This Sandwich ELISA will be further developed in our laboratory with the object of applying it to patient sera.