Chitinasen sind wichtigen Moleküle im Lebenszyklus parasitischer Fadenwürmer und bedeutende Medikamenten- und Impfstoffziele. Hier wurden drei Chitinasesequenzen (I, II und III) durch Charakterisierung von 9 Klonen aus einer Genbank von Acanthocheilonema viteae gefunden. Die Anzahl der drei sehr homologen Chitinasegene wurde durch Southern-Blot bestätigt. Die größten Unterschiede sind in den Exons zu finden, die die Serin-Threonin-reiche Domäne der Chitinasen codieren. Diese Domäne ist in Sequenz III ca. 10fach länger als in Sequenz I. Sequenz I und III haben Eigenschaften eines transkribierten Genes: ein Startcodon, ein offener Leserahmen, ein Stopcodon und ein Polyadenylierungssignal. Sequenz II fehlt das erste Exon mit dem Startcodon. Bei Durchmusterung einer cDNA-Bibliothek adulter A. viteae Würmer bzw. L3 Stadien, sowie durch Reverser Transkriptase-PCR (RT-PCR) wurden in den Mikrofilarien, L3 und L4 Transkripte für Gen I gefunden, jedoch nicht für Gen III. Das N-terminale Fragment der A. viteae-Chitinase wurde in ein Expressionsplasmid ligiert und in E. coli exprimiert. Ungefähr 80 % der exprimierten Chitinase lagen in Einschluss-Körpern vor. Dieser unlösliche Anteil konnte unter denaturierenden, der lösliche Anteil unter nativen Bedingungen aufgereinigt werden. Die aus den Einschluss-Körpern aufgereinigte Chitinase zeigte im Vergleich zur löslichen Chitinase eine 13fach verminderte Aktivität. Vom aktiven Zentrum der Chitinase wurden Peptide synthetisiert und parallel mit Chitinase aus den Einschluss-Körpern für Vakzinierungsexperimente im A. viteae / Meriones unguiculatus-Filarien-Modell genutzt. Die Reduzierung der Wurmlast um 29 % nach einer Immunisierung mit rekombinantem Protein zeigte eine tendenziell schützende Kapazität des Proteins. In zwei unabhängigen Experimenten konnte nach Immunisierung mit zwei synthetischen Peptiden (P1 und P2) eine bedeutende Reduktion der Wurmlast beobachtet werden. In der P1-Gruppe gab es eine gleichmäßige Reduktion der Mf-Last, die nur im zweiten Experiment signifikant war (39 %, p > 0,05 und 45 %, p < 0,05). In der P2-Gruppe konnte in einem von zwei Experimenten eine signifikante Reduktion der Mf-Last erzielt werden (75 %, p < 0,05). Diese Ergebnisse lassen vermuten, daß Filarien-Chitinasen potenzielle Ziele für Impfstoffe sind. / Chitinases are enzymes that break down chitin to its monomers. They are important molecules in the life cycle of parasitic nematodes representing important drug and vaccine targets. Here, three chitinase sequences (I, II and III) were obtained by characterising nine clones from a genomic library of Acanthocheilonema viteae. Southern blots confirmed the existence of three chitinase genes in A. viteae. The organisation of all three genomic sequences is similar, with the greatest difference occurring in exons encoding the serine-threonine rich domain of chitinases: this domain is about ten times larger in sequence III compared to I, but is absent in sequence II. Sequence I and III had features of regularly transcribed genes: start ATG, open reading frame, stop codon and polyadenylation signal. Sequence II lacked the first exon with start ATG. Screening of cDNA libraries from adult female A. viteae worms and L3 (third-stage larvae), as well as reverse transcriptase PCR (RT-PCR) ! showed transcripts in uterine microfilariae, L3 and L4 (fourth-stage larvae) for gene I only. The N-terminal fragment of A. viteae chitinase was cloned into an expression vector and expressed in Escherichia coli. About 80% of the expressed chitinase were found in inclusion bodies and were purified under denaturing conditions. The soluble fraction was about 20% and could be purified under native conditions. Chitinase purified from inclusion bodies was 13-fold less active compared to soluble chitinase. Synthetic peptides (P1 and P2) were designed from the active site of A. viteae chitinase, and used in parallel with chitinase from inclusion bodies in vaccination experiments using the A. viteae / Meriones unguiculatus filariasis model. Vaccination with recombinant protein led to a 29 % significant reduction in adult worm burden in a single experiment. Vaccination with P1 and P2 led to an overall non significant reduction in adult worm burden in two independent experiments. In the P1 group, there was a consistent reduction (39%, p>0.05 and 45%, p

Die Infektion mit Filarien (Nematoden) ruft massive Schädigungen beim Menschen hervor. Strategien zur Bekämpfung dieser Parasitose basieren auf einer Massenbehandlung mit Ivermectin und Derivaten. Allerdings ist die Behandlung der Patienten zeitaufwändig und teuer. In diesem Zusammenhang stellt Aufklärung molekularer Mechanismen, die die parasitische Lebensform dieser Würmer ermöglichen, einen neuen Ansatzpunkt für die Entwicklung von Therapeutika und Präventivmaßnahmen dar. Die Moleküle Cystatin und Chitinase wurden, auf Grund ihrer immunodulatorischen und katalytischen Eigenschaften, bei der Nager-Filarie Acanthocheilonema viteae als essentielle Proteine identifiziert. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die detaillierte, funktionale Charakterisierung dieser beiden Proteine. Um das räumliche Expressionsmuster und damit potentielle Funktionen des Sekretionsprotein Cystatins zu ermitteln, wurde der frei lebende Nematode Caenorhabditis elegans als heterologes Expressionssystem genutzt. Unter dem Einfluss des Cystatin-Promoters konnte GFP in pharyngealen und rektalen Zellen von C. elegans exprimiert werden. Möglicherweise ist das Cystatin damit bei A. viteae in den Häutungsprozess involviert, da bei C. elegans derartige Enzyme in den pharyngealen Zellen gespeichert werden. Des Weiteren wurde der Häutungsprozess der infektiösen L3 zum Stadium der L4 durch Ausschalten des Gens mittels RNAi um drei Tage verzögert. Allerdings war der Effekt transient und die Verzögerung des Häutungsprozesses beeinflusste weder die Viabilität noch die Infektiösität der Larven. Die Analyse der Regulation von Cystatin während der Entwicklung des Parasiten mittels der Real-Time PCR zeigte, dass das Gen im Stadium der Mikrofilarien, die der Immunantwort des Wirtes voll exponiert sind, maximal exprimiert wird. Für die Chitinase von A. viteae konnte eine essentielle Rolle im Häutungsprozess nachgewiesen werden. Das Ausschalten des Gens führte zu einer Hemmung der Häutung bei 90 % der L3 und damit zu ihrem Tod. Die maximale Expression im L3 Stadium des Parasiten ist ein weiterer Hinweis darauf, dass dieses Protein in den Häutungsprozess involviert ist. Mittels RNAi bei adulten Parasiten konnte die katalytische Rolle der Chitinase beim Abbau des Chitins im Ei bestätigt werden, da hier nur ungeschlüpfte Mikrofilarien ausgeschieden wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern weitere Hinweise darauf, dass sowohl das Cystatin als auch die Chitinase von A. viteae auf Grund ihrer essentiellen endogenen Funtionen attraktive Zielmoleküle in der Bekämpfung von Filariosen darstellen. / Nematodes which cause filariasis have detrimental effect on humans. Strategies to eliminate this disease are based on mass treatment with drugs like ivermectin. However, they have several drawbacks such as long duration required for treatment and tenuous financial supports. Understanding the molecular mechanisms of genes required for parasitism will help to develop novel therapeutic and preventive strategies. The aim of this study was a detailed functional characterization of cystatin and chitinase of Acanthocheilonema viteae, a rodent filarial nematode. To this end, C. elegans was used as a heterologous system to determine the spatial expression pattern of A. viteae cystatin and chitinase and thereby their possible functions. The promoter of cystatin drove the expression of reporter, GFP, to the pharyngeal and rectal gland cells of transgenic C. elegans lines, this being compatible with the fact that cystatin is secreted in the parasites. This also suggests that cystatin in A. viteae is probably required for moulting since generally in C. elegans the enzymes required for moulting are stored in the pharyngeal gland cells. Moreover, knockdown of cystatin by RNAi delayed moulting of the infective L3 to the L4. However, the RNAi effect was transient and the delay in moulting did not affect the viability and infectivity of the larvae. Analyses of the developmental regulation of cystatin by real-time PCR showed that it is maximally expressed in the blood microfilarial stage, which are exposed to the full force of host immune responses. This is compatible to the fact that A. viteae cystatin immunomodulates the host immune responses. This study also determined that chitinase of A. viteae plays an essential role in the moulting of the L3 larvae since knockdown of chitinase inhibited moulting in 90% of the L3 larvae thereby killing them. Moreover, maximum expression of chitinase was observed by real-time PCR in the L3 stage supplementing that it is involved in moulting. RNAi of chitinase in adults led to the release of unhatched microfilariae confirming the essential catalytic role of chitinase in the degradation of the chitin egg shells. This study substantiates that cystatin and chitinase of A. viteae are attractive intervention targets due to their essential endogenous functions in the parasite.

Parasitische Würmer gehören mit über 3,5 Milliarden Betroffenen zu den weltweit verbreitetesten Infektionskrankheiten. Der Erfolg dieser Parasiten beruht auf ihren ausgefeilten Mechanismen mit denen sie das Immunsystem ihrer Wirte manipulieren. Interessanter Weise gehen Wurminfektionen mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit an Allergien zu erkranken einher. Wie genau die Parasiten das Immunsystem manipulieren ist weitgehend unbekannt. Um diese Mechanismen besser studieren zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit versucht RNA interference (RNAi), anhand des Modellmoleküls Tropomyosin zu etablieren. Wie sich am Beispiel des Strongyliden Heligmosomoides polygyrus bakeri zeigte, ist RNAi als Manipulationsmethode für Nematoden nicht oder nur in geringem Maße geeignet. Dies lässt sich auf das Fehlen von Aufnahme- und Verbreitungsmechanismen für Doppelstrang-RNA zurückführen. Desweiteren wurden die Auswirkungen von rekombinantem Tropomyosin der Filarie Acanthocheilonema viteae (rAv-TMY) auf die Entstehung allergischer Atemwegserkrankungen im Mausmodell untersucht. Eine viermalige Behandlung mit rAv-TMY in einem Zeitraum von vier Wochen führte zu verringerten entzündlichen Reaktionen in den Atemwegen. Die Analyse immunologischer Parameter ergab, dass rAv-TMY signifikant den Einstrom von Entzündungszellen in die Atemwege reduziert, allem voran den Einstrom von Eosinophilen. Dies lässt sich durch die verringerte Ausschüttung an IL-5, Eotaxin und MCP-5 zurückführen. Zudem wurde die Bildung von antigenspezifischen IgE verringert während sich die Produktion blockierender IgG1 Antikörper erhöhte. Diese Arbeit belegt somit die anti-allergischen Eigenschaften von rAv-TMY. Damit stellt rAv-TMY ein interessantes Kandidatenmolekül zur Behandlung allergischer Reaktionen dar. Desweiteren kann der Vergleich von allergenem, nicht allergenem und modulatorischem Tropomyosin wichtige Informationen über die allgemeinen Eigenschaften von Allergenen und ihrer molekularen Struktur geben. / Parasitic worms are among the world''s most prevalent infectious diseases with more than 3.5 billion. The success of these parasites is based on their sophisticated ways to manipulate the immune system of their hosts. Interestingly, worm infections abate the risk to develop allergic disorders. How exactly parasitic worms modulate the immune system is so far largely unknown. In order to be able to investigate parasite induced modulation, this work aimed to establish RNA interference (RNAi), a method of genetic manipulation, using tropomyosin as target gene. As shown for the example of Heligmosomoides polygyrus RNAi is not or only to a small extent useful as method to genetically manipulate nematodes. This can be explained with the lack of uptake and spreading mechanisms for double stranded RNA. Furthermore, this work examined the impact of the recombinant muscle protein tropomyosin of Acanthocheilonema viteae (rAv-TMY) on the course of a rodent model of allergic airway inflammation. A four-time treatment with rAv-TMY over a period of four weeks resulted in decreased inflammatory responses in the airways. The analysis of immunological parameters showed that rAv-TMY significantly reduces the influx of inflammatory cells into the airways, especially eosinophils. The reduced eosinophil influx can be attributed to the decreased expression of IL-5, eotaxin and MCP-5 in the airways. In addition, the formation of antigen-specific IgE was impaired whereas the production of the blocking antibody IgG1 was increased. These results demonstrate the anti-allergic properties of rAv-TMY. For this reason rAv-TMY becomes an interesting model molecule for the treatment of allergic diseases. Furthermore, the comparison of allergenic, non-allergenic and modulatory tropomyosin might put some light on the nature of allergens and their molecular patterns.