Background: Juvenile Idiopathic Arthritis (JIA) is a heterogeneous disease with unknown etiology of arthritis for more than six weeks in patients aged under 16 years. Human Cytomegalovirus (HCMV) is a lymphotropic betaherpesvirus that persists in the human body and causes ongoing stimulation of the effector T-cell system. For both, JIA and HCMV, a premature immunosenescence is shown. Aim: To investigate the potential influence of HCMV on the prematurely altered immune system of JIA patients. Methods: T-cell phenotype, intracellular cytokine production and the expression of chemokine receptors were measured by flow cytometry (FACS). HCMV serostatus was measured by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Phenotype and cytokine production of lymphocytes derived from JIA patients and healthy donors were compared regarding their HCMV serostatus. Results: Both JIA patients and healthy donors showed an association between HCMV seropositivity and immunosenescence resulting in low proportions of naive T-cells and relatively higher proportions of differentiated T-cells. Within the JIA patients HCMV seropositivity was associated with higher intracellular IFNγ production. T-cells in JIA patients showed a higher CCR5 expression in association with HCMV seropositivity. This association was not seen in healthy donors. Conclusion: The T-cell phenotype was similarly associated with HCMV in JIA patients and healthy donors. In contrast, JIA patients showed evidence of TH1 predominance in association with HCMV seropositivity. Regarding CCR5 this effect is significantly stronger in JIA patients than in healthy donors. The present study suggests that HCMV associated changes of the T-cell differentiation may be corroborated in JIA patients. / Hintergrund: Die Juvenile Idiopathische Arthritis (JIA) ist eine heterogene Erkrankung mit unbekannter Ätiologie der Arthritis bei Patientinnen und Patienten unter 16 Jahren für mehr als sechs Wochen. Das Humane Zytomegalievirus (HCMV) ist ein lymphotropes Betaherpesvirus, das im menschlichen Körper persistiert und eine anhaltende Stimulation des Effektor-T-Zell-Systems bewirkt. Sowohl für JIA als auch für HCMV zeigt sich eine vorzeitige Immunoseneszenz. Ziel: Untersuchung des potenziellen Einflusses von HCMV auf das vorzeitig gealterte Immunsystem von JIA-Patientinnen und Patienten. Methoden: T-Zell-Phänotyp, intrazelluläre Zytokinproduktion und die Expression von Chemokinrezeptoren wurden mittels Durchflusszytometrie (FACS) gemessen. Der HCMV-Serostatus wurde mittels Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA) gemessen. Phänotyp und Zytokinproduktion von Lymphozyten von JIA-Patientinnen und Patienten und Gesundkontrollen wurden hinsichtlich ihres HCMV-Serostatus verglichen. Ergebnisse: Sowohl JIA-Patientinnen und Patienten als auch Gesundkontrollen zeigten einen Zusammenhang zwischen HCMV-Seropositivität und Immunseneszenz, nämlich geringere Anteile naiver T-Zellen und relativ höhere Anteile an differenzierten T-Zellen. Bei den JIA-Patientinnen und Patienten war die HCMV-Seropositivität mit einer höheren intrazellulären IFNγ-Produktion verbunden. T-Zellen bei JIA-Patientinnen und Patienten zeigten eine höhere CCR5-Expression in Verbindung mit HCMV-Seropositivität. Diese Assoziation wurde bei Gesundkontrollen nicht beobachtet. Schlussfolgerung: Der T-Zell-Phänotyp war bei JIA-Patientinnen und Patienten und Gesundkontrollen ähnlich mit HCMV assoziiert. Im Gegensatz dazu zeigten JIA-Patientinnen und Patienten Hinweise auf eine TH1-Dominanz in Verbindung mit HCMV-Seropositivität. Bei CCR5 ist dieser Effekt bei JIA-Patientinnen und Patienten signifikant stärker als bei Gesundkontrollen. Die vorliegende Studie legt nahe, dass HCMV-assoziierte Veränderungen der T-Zell-Differenzierung bei JIA-Patientinnen und Patienten bestätigt werden können.

Der DNA-Verpackungsmechanismus des humanen Cytomegalievirus (HCMV) ist charakteristisch für große DNA-Viren wie Herpesviren und ds-Bakteriophagen. Er beruht auf der Spaltung der konkatemeren DNA durch einen viralen, hetero-oligomeren Proteinkomplex, der Terminase. In der vorliegenden Arbeit konnten die funktionellen Domänen der Terminase-Untereinheit pUL89 in vitro identifiziert und charakterisiert werden. Neben einer Nuklease-Aktivität besitzt pUL89 auch die Fähigkeit dsDNA sequenz-unabhängig zu binden. Durch Nuklease-Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass pUL89 sowohl dsDNA, als auch lineare DNA spaltet. PUL89 weist dabei eine größere Spezifität zu dsDNA auf. Des Weiteren konnte nachgewiesen werden, dass die Aminosäure D463 eine zentrale Funktion innerhalb der Nuklease-Aktivität besitzt. Durch kolorimetrische DNA-Bindungsuntersuchungen konnte die Aminosäure R544 als essenziell für die dsDNA-Bindungsfähigkeit von pUL89 identifiziert werden. Basierend auf den in vitro Ergebnissen wurden rekombinanten TB40/E-Virusmutanten mit Mutationen im ORF UL89 durch die En Passant Mutagenese generiert. Mit Hilfe dieser Viren sollte der Einfluss der Mutationen auf die Replikation des Virus charakterisiert werden. Es war möglich nachzuweisen, dass die Aminosäuren E534 und R544 eine essenzielle Aufgabe innerhalb von HCMV erfüllen, da die Mutation einer dieser Aminosäure zu nicht wachstums-fähigen BAC-Mutanten führte. Zur Charakterisierung dieser Konstrukte wurden die Zelllinien HELF Fi301-UL89 und HELF Fi301-vProm-UL89 verwendet. Durch Untersuchungen hinsichtlich der Wachstumseigenschaften, Proteinexpression, DNA-Spaltung, DNA-Bindung sowie elektronenmikroskopischen Aufnahmen, konnte gezeigt werden, dass die wachstums-kompetenten BAC-Mutanten keinen signifikanten Unterschied zum Wildtyp-Virus TB40/E zeigten. Sodass nachgewiesen werden konnte, dass die basischen Aminosäuren H565 und H571 keine essenzielle Funktion in pUL89 erfüllen. / The human cytomegalovirus DNA packaging mechanism is characteristic for large DNA viruses like Herpes viruses and ds bacteriophages. This mechanism is based on the cleavage of concatemeric DNA by the viral heterooligomeric protein complex terminase. This dissertation includes the identification and characterization of functional domains of the HCMV terminase subunit pUL89. PUL89 contain a nuclease activity and the ability to bind dsDNA. This protein shows the property to cut as well dsDNA as linear DNA. The amino acid D463 shows a significant role in this cleavage event. Colorimetric DNA binding experiments show the central role of R544 in DNA binding by pUL89. Based of the in vitro results recombinant TB40/E viruses with mutations in the ORF UL89 were generated. These viruses allow a characterization of the impact of virus replication. It was possible to show that the amino acids E534 and R544 have a functional role in HCMV. The mutation of one of these amino acids was enough to generate a growth deficient mutant. The stable cell lines HELF Fi301-UL89 and HELF Fi301-vProm UL89 were used for the characterization of the growth deficient mutants. The growth competent mutants H656A and H571A show no significant differences in comparison with the wild type TB40/E virus. This was verified by growth kinetics, protein expression characterizations, pulse field gel electrophoresis, DNA binding assays and electron microscopy.

Das Humane Cytomegalievirus (HCMV) ist ein ubiquitäres Pathogen, welches den Metabolismus der Wirtszelle auf vielfältige Weise manipuliert, um seine eigene Vermehrung zu begünstigen. In der vorliegenden Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass auch das Ubiquitin-Proteasom-System in die HCMV-Replikation involviert ist. So konnte zunächst gezeigt werden, dass die Chymotrypsin-ähnliche (CT-L) Aktivität des konstitutiven Proteasoms in HCMV-infizierten Zellen signifikant erhöht ist. Wurde die CT-L Proteasomaktivität durch Proteasominhibitoren (PI) blockiert, so hatte dies die Hemmung der HCMV-Replikation zur Folge. Die Charakterisierung des Einflusses von PI auf die virale Proteinexpression ergab, dass bei niedriger MOI (MOI 0.1) deutlich verringerte Mengen der sehr frühen Proteine vorlagen, dieser Effekt jedoch bei hoher MOI (ab MOI 1) aufgehoben war. Die Expression früher Proteine war MOI-unabhängig reduziert. Hingegen war die Expression der späten Proteine MOI-unabhängig vollständig unterdrückt. Studien mit dem Nukleosidanalogon BrdU ergaben zudem, dass die de novo Synthese viraler DNA blockiert war. Um erste Hinweise auf den Wirkungsmechanismus von PI zu erhalten, wurde untersucht, ob der Transkriptionsfaktor NF-kappaB oder zelluläre Transkriptionsrepressoren wie z.B. hDaxx am anti-HCMV-Effekt beteiligt sind. Durch die Charakterisierung einer Virusmutante mit Deletion der NF-kappaB-Bindestellen im MIE-Enhancer/Promotor konnte gezeigt werden, dass der antivirale Effekt von PI nicht auf der Hemmung der Aktivierung von NF-kappaB beruht. Experimente mit hDaxx-knockdown Zellen ergaben hingegen, dass die Stabilisierung des Transkriptionsrepressors hDaxx partiell zum anti-HCMV-Effekt von PI beiträgt. Darüber hinaus müssen jedoch weitere virale oder zelluläre Zielproteine existieren, deren Beeinflussung durch PI kritisch für die Virusreplikation ist. Zusammenfassend stellt das Proteasom somit einen neu identifizierten potentiellen Angriffspunkt für die anti-HCMV-Therapie dar. / The Human Cytomegalovirus (HCMV) is a ubiquitous pathogen that manipulates many aspects of the host cell metabolism to enhance viral replication. This work demonstrates that the ubiquitin-proteasome system is also involved in HCMV replication. First of all, the chymotrypsin-like (CT-L) activity of the constitutive proteasome was significantly increased in HCMV infected cells. In the presence of proteasome inhibitors (PI) viral replication was efficiently blocked. Characterisation of the influence of PI on viral protein expression showed that immediate early protein expression was clearly reduced at low MOI (MOI 0.1); however, this effect was abolished at high MOI (starting from MOI 1). Expression of early proteins was significantly decreased independently of the MOI used for infection. In contrast, late protein expression was completely suppressed at both low and high MOI. Additionally, studies using the nucleoside analogue BrdU showed that PI block the de novo synthesis of viral DNA. In order to gain insight into the working mechanism of PI the involvement of the transcription factor NF-kappaB and cellular repressors of transcription (e.g. hDaxx) in the antiviral effect of PI was examined. Studies using a mutant virus carrying deletions of the NF-kappaB binding sites in the MIE-enhancer/promoter revealed that the anti-HCMV effect of PI is not due to inhibition of NF-kappaB activation. Analyses using hDaxx-knockdown cells showed that stabilisation of the transcriptional repressor hDaxx partially contributes to the antiviral effect of PI. However, the existence of additional viral or cellular target proteins of PI is very likely. In summary, the proteasome thus represents a newly identified and promising target for anti-HCMV therapy.

HINTERGRUND: Die Reaktivierung des Humanen Cytomegalievirus (HCMV) ist immer noch eine häufige Ursache für Morbidität und Mortalität unter immunsupprimierten Patienten. Eine effiziente T-Zell-Antwort vermag die unkontrollierte Ausbreitung des Virus zu verhindern. Vieles über diese T-Zell-Antwort ist aber noch unklar. Im Rahmen dieser Studie wurden daher bei HCMV-seropositiven herz- (n = 17) und lungentransplantierten (n = 3) Patienten Epitope in zwei wichtigen T-Zell-Zielen, den HCMV-Proteinen IE-1 (UL123) und pp65 (UL83), identifiziert, die Frequenzen der für diese Epitope spezifischen T-Zellen gemessen und die Klonalität ausgewählter starker CD8+ T-Zell-Antworten untersucht. METHODEN: Dazu wurden Pentadecapeptide, die die gesamte Aminosäure-Sequenz von IE-1 bzw. pp65 umfassten und sich um jeweils 11 Aminosäurereste überlappten, in Pools von 25 bis 30 Peptiden so zusammengefasst, dass jedes Peptid in einer einzigartigen Kombination von drei Pools enthalten war. PBMC der Patienten wurden dann mit den Peptid-Pools stimuliert und die resultierenden T-Zell-Reaktionen durch Färbung von intrazellulär zurückgehaltenem Interferon-gamma durchflusszytometrisch sichtbar gemacht. Immunogene Peptide konnten anhand der jeweiligen drei Pools, die zu IFN-gamma-Produktion führten, eindeutig identifiziert werden. Einige dieser T-Zell-Populationen wurden durch einen IFN-gamma-Sekretions-Assay, magnetische Zellseparation und durchflusszytometrische Feinsortierung aus PBMC isoliert und ihre Klonalität mit Hilfe einer Polymerase-Kettenreaktion zum Nachweis klonal expandierter gamma-T-Zell-Rezeptor-Rearrangements (TCR-PCR) und anschliessender Fragmentanalyse fluoreszenzmarkierter PCR-Amplifikate untersucht. ERGEBNISSE: Bei den Patienten bestanden grosse Unterschiede hinsichtlich des jeweils immundominanten Proteins, der Dominanz von CD4+ bzw. CD8+ T-Zell-Subpopulation, der antigenen Determinanten, der gemessenen Peptid-spezifischen T-Zell-Frequenzen sowie der Anzahl der identifizierten Epitope. Zehn zuvor noch nicht beschriebene Epitope wurden eben-falls identifiziert und die präsentierenden HLA-Allele der meisten in der Patientengruppe identifizierten Epitope bestimmt. Die mittels TCR-PCR untersuchten CD8+ T-Zell-Reaktionen waren auf einen oder wenige Klone fokussiert. Die Korrelation der experimentellen Daten mit den klinischen Verläufen der Patienten hinsichtlich HCMV-Reaktivierung und -Erkrankung erbrachte jedoch keine Hinweise auf einen konkreten Zusammenhang. SCHLUSSFOLGERUNGEN: Zusammenfassend ermöglichen die hier vorgestellten Methoden die Untersuchung des Langzeitverlaufes der CD4+ und CD8+ T-Zell-Antwort gegen immundominante Proteine auf Epitop-Ebene nach initialer Identifizierung der antigenen Determinanten, die direkte Bestimmung der Frequenzen der Epitop-spezifischen T-Zellen sowie die Untersuchung der Klonalität dieser Reaktionen aus ca. 2 x 20 ml Blut. Die Langzeit-Untersuchung von Patienten mit hohem Risiko für HCMV-Reaktivierung und -Erkrankung kann so zu einem besseren Verständnis der komplexen HCMV-spezifischen T-Zell-Anwort und damit möglicherweise auch zur Verbesserung von Diagnose, Prophylaxe und Therapie dieser Patienten beitragen. / BACKGROUND: Human cytomegalovirus (HCMV) reactivation is still a leading cause of morbidity and mortality among immunosuppressed patients. Uncontrolled viral spread is prevented by an efficient T-cell response. However, little is known about the nature of this T-cell response. In this study we identified epitopes in two immunodominant HCMV-proteins, IE-1 (UL123) and pp65 (UL83), measured the frequencies of T-cells specific for these, and studied the clonotypic composition of selected T-cell responses in a group of HCMV-seropositive heart (n = 17) and lung (n = 3) transplant patients. METHODS: For both proteins overlapping pentadecapeptides covering the entire respective amino acid sequences were arranged in pools of 25 peptides each in such a way that every peptide was contained in exactly 3 pools. PBMC were stimulated with the resulting 15 pools for IE-1 or 16 pools or pp65, respectively, as well as with pools containing all peptides of the corresponding protein. Individual peptides leading to a positive T-cell response were identified by flow cytometric detection of intracellular interferon-gamma, each single peptide corresponding to a unique combination of 3 peptide pools. Selected T-cell populations specific for the previously identified single peptides were purified by performing an IFN-gamma secretion assay prior to magnetic cell separation and subsequent fluorescence-activated cell sorting. The clonality of these highly purified peptide-specific T-cell populations was then investigated by a T-cell receptor-gamma rearrangement-PCR and subsequent fragment analysis of fluorescence-labelled PCR amplificates. RESULTS: We observed broad heterogeneity among the patients in terms of the immunodominant protein, number of epitopes, predominance of CD4 or CD8 T-cell responses, and epitope-specific T-cell frequencies. 10 previously unknown epitopes were identified, and the HLA-restriction of most of the identified epitopes could be determined. The investigated T-cell responses showed a high degree of clonal focussing. These data were correlated to the patients episodes of HCMV reactivation, but a correlation between differences in the T-cell responses and a different clinical outcome in terms of HCMV-reactivation could not be established. CONCLUSIONS: In summary, this novel approach allows the rapid identification of epitopes contained in a given protein, direct determination of T-cell frequencies, and investigation of the T-cell clonality in the CD4 and CD8 T-cell subsets from as little as 2 times 20 ml of blood. Long-term follow-up of patients at risk for HCMV reactivation and disease may thus allow a more detailed insight into the complexity of the T-cell response to HCMV and may thus lead to improved diagnosis, prophylaxis and therapy.