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Die vorliegende Arbeit befasst sich dem Glykosaminoglykan (GAG) Hyaluronan (HA) und dessen Einfluss auf die Entwicklung des malignen Melanoms (MM). Das in der extrazellulären Matrix (ECM) reichlich vorkommende HA wird schon seit dem späten 20. Jahrhundert genauerer im Zusammenhang mit der Tumorentwicklung untersucht. Gegensätzliche Eigenschaften von HA, die zum einen Tumore fördern und zum anderen ihnen entgegenwirken, wurden seither veröffentlicht. Allgemeiner Konsens ist, dass das HA-Molekulargewicht über die verschiedenen Effekte von HA entscheidet. Momentan ist jedoch nicht ausreichend belegt, wie HA auf das Tumorwachstum einwirkt und welche HA-Größen dies speziell begünstigen. Diese Untersuchung basiert auf einem in vivo Knockout von der Hyaluronan Synthase 2 (Has2) in der Maus, der die Produktion von hoch-molekulargewichtigen HA (HMW-HA) weitestgehend einschränkte. Das Wachstum vom experimentellem MM wurde in Abwesenheit der meisten HMW-HA untersucht. Diese Arbeit versuchte den Beweis zu erbringen, dass das lokale Wachstum und die Metastasenbildung der MM-Zellen abhängig von der vorhandenen HMW-HA in der Nähe des Tumors ist. Der Has2-knockout in der Mauslinie C57BL6 wurde verifiziert und nach einem veränderten Phänotyp der Mäuse untersucht. Obwohl nahezu dreiviertel der absoluten HA Menge durch den Knockout fehlte, zeigten die Mäuse keinen offensichtlichen Veränderungen. Erst eine Messung der Haut-Permeabilität deutete auf eine womöglich verstärkte Ausbildung der Stratum corneum hin. Eine direkte Auswirkung vom fehlendem HA auf das Tumorwachstum und der Metastasierungsrate konnte nicht ausreichend belegt werden. Das verwendete Mausmodell sowie die Wahl des experimentellen Tumors werden in dieser Arbeit kritisch diskutiert. Parallel durchgeführte in vitro Versuche mit teilweise artifiziellen 3D Matrizen, die unterschiedliche Mengen von HA enthielten, zeigten einen stärkeren Einfluss von niedermolekulare HA (LMW-HA) auf die Proliferation und Invasion von MM Zellen. Diese Beobachtungen stimmen mit dem derzeitigen Konsens überein, dass LMW-HA aktivierende Signaltransduktion auslöst und HMW-HA eher homöostatisch wirkt.:TABLE OF CONTENT Zusammenfassung Summary Table of content List of figures List of tables Abbreviations 1 Introduction 1.1 Structures of the skin 1.2 The malignant melanoma 1.3 The tumor microenvironment (TME) 1.4 Hyaluronan 1.4.1 HA Structure 1.4.2 HA anabolism 1.4.3 HA catabolism 1.4.4 HA binding proteins 1.4.5 HA cell surface receptors 1.5 Hyaluronan in malignant melanoma 1.6 Aim of the thesis 2 Methods 2.1 Murine malignant melanoma cell lines 2.2 Inducible Has2-knockout mice 2.2.1 The Cre/loxP System 2.2.2 Genetical modification for the Has2-knockout 2.2.3 4-Hydroxytamoxifen induction of knockout 2.2.4 Experimental tumor model in mouse 2.2.5 Intravenous tumor injection 2.3 Primary Has2-knockout fibroblasts for in vitro experiments 2.3.1 Isolation of primary fibroblast from mouse skin tissue 2.3.2 Induction of Has2-ko fibroblasts 2.4 Molecular analysis 2.4.1 PCR analysis of genome DNA 2.4.2 Quantification of gene expression 2.4.3 Microarray analysis 2.4.4 Quantification of Has2 protein levels 2.4.5 Quantification of HA 2.4.6 HA size analysis by agarose gel electrophoresis 2.5 Physical analysis of the skin 2.5.1 Skin elasticity measurement 2.5.2 Skin permeability measurement 2.5.3 Skin hydration and TEWL measurement 2.6 Histological analysis 2.6.1 Cryo-fixed samples 2.6.2 Immunofluorescence staining 2.6.3 FFPE samples 2.6.4 HA staining 2.6.5 Histochemical images 2.7 Physiological analysis of MM cell proliferation with BrdU-Assay 2.8 Statistical analysis 3 Materials 3.1 Mouse lines 3.2 Cell lines 3.3 Buffer and solution recipes 3.4 Chemicals 3.5 Molecular-biological reagents and enzymes 3.6 Primers 3.7 Antibodies 3.8 Kits 3.9 Devices and tools 3.10 Disposables 3.11 Software 4 Results 4.1 The Has2-knockout mouse model 4.1.1 Has2-knockout characterization 4.1.2 Incomplete Has2 deletion 4.1.3 Effects of the HA knockdown 4.1.4 Has2-knockout efficiency in other organs 4.1.5 Effects of Has2-knockout on gene expression 4.2 In vitro Has2-knockout and effect on MM cells 4.2.1 In vitro Has2- and HA-knockdown 4.2.2 Has2-ko fibroblast conditioned media decreased MM proliferation 4.2.3 MM conditioned media influenced fibroblast’s HA secretion 4.2.4 The transition towards in vivo tumor experiments 4.3 In vivo Tumor experiments 4.3.1 HA threshold, correlation, and exclusions 4.3.2 Effects of HA knockdown on primary tumor volume and weight 4.3.3 Tumor histology and HA localization 4.3.4 HA fragments in tumors, healthy-, and tumor-related-skin samples 4.3.5 Metastasis formation 5 Discussion 5.1 HA knockdown 5.2 HA knockdown phenotype 5.2.1 Skin stiffness 5.2.2 Skin water homeostasis 5.3 Paracrine interactions between MM and fibroblasts 5.4 HA thresholding 5.5 Tumor readouts 5.6 In vitro ECM models 5.7 Metastasis 5.8 Alternative tumor models with stronger stromal interaction 5.9 The presented results considering current HA-Tumor research 6 Conclusion 7 Literature Danksagung Lebenslauf Akademischer Werdegang Stipendium und Auszeichnung Publikation und Posterpräsentation Publikationen Vorträge und Posterpräsentationen Eigenständigkeitserklärung / The present work addresses the glycosaminoglycan (GAG) hyaluronan (HA) and its influence on the development of malignant melanoma (MM). HA, which is abundant in the extracellular matrix (ECM), has been studied closely in relation to tumor development since the late 20th century. Opposing properties of HA, on the one hand promoting tumors and the other hand counteracting them, have since been published. The general consensus is that HA molecular weight determines the various effects of HA. However, there is insufficient evidence on how HA affects tumor growth and which HA sizes specifically promote it. This study is based on an in vivo knockout of hyaluronan synthase 2 (Has2) in mice, which largely restricted the production of high molecular weight HA (HMW-HA). Growth from experimental MM was examined in the absence of most HMW-HA. This work sought to provide evidence that local growth and metastasis of MM cells is dependent on the presence of HMW-HA in the vicinity of the tumor. Has2 knockout in the mouse line C57BL6 was verified and examined for an altered phenotype of the mice. Although nearly three-quarters of the absolute HA amount was absent due to the knockout, the mice showed no obvious change. Only a measurement of skin permeability indicated a possible increased barrier function of the stratum corneum. A direct effect of the lack of HA on tumor growth and metastasis rate could not be sufficiently demonstrated. The applied mouse model and the choice of experimental tumor are critically discussed in this work. Parallel in vitro experiments with partially artificial 3D matrices containing different amounts of HA showed a stronger influence of low molecular weight HA (LMW-HA) on proliferation and invasion of MM cells. These observations are consistent with the emerging consensus that LMW-HA triggers activating signal transduction and HMW-HA is more homeostatic.:TABLE OF CONTENT Zusammenfassung Summary Table of content List of figures List of tables Abbreviations 1 Introduction 1.1 Structures of the skin 1.2 The malignant melanoma 1.3 The tumor microenvironment (TME) 1.4 Hyaluronan 1.4.1 HA Structure 1.4.2 HA anabolism 1.4.3 HA catabolism 1.4.4 HA binding proteins 1.4.5 HA cell surface receptors 1.5 Hyaluronan in malignant melanoma 1.6 Aim of the thesis 2 Methods 2.1 Murine malignant melanoma cell lines 2.2 Inducible Has2-knockout mice 2.2.1 The Cre/loxP System 2.2.2 Genetical modification for the Has2-knockout 2.2.3 4-Hydroxytamoxifen induction of knockout 2.2.4 Experimental tumor model in mouse 2.2.5 Intravenous tumor injection 2.3 Primary Has2-knockout fibroblasts for in vitro experiments 2.3.1 Isolation of primary fibroblast from mouse skin tissue 2.3.2 Induction of Has2-ko fibroblasts 2.4 Molecular analysis 2.4.1 PCR analysis of genome DNA 2.4.2 Quantification of gene expression 2.4.3 Microarray analysis 2.4.4 Quantification of Has2 protein levels 2.4.5 Quantification of HA 2.4.6 HA size analysis by agarose gel electrophoresis 2.5 Physical analysis of the skin 2.5.1 Skin elasticity measurement 2.5.2 Skin permeability measurement 2.5.3 Skin hydration and TEWL measurement 2.6 Histological analysis 2.6.1 Cryo-fixed samples 2.6.2 Immunofluorescence staining 2.6.3 FFPE samples 2.6.4 HA staining 2.6.5 Histochemical images 2.7 Physiological analysis of MM cell proliferation with BrdU-Assay 2.8 Statistical analysis 3 Materials 3.1 Mouse lines 3.2 Cell lines 3.3 Buffer and solution recipes 3.4 Chemicals 3.5 Molecular-biological reagents and enzymes 3.6 Primers 3.7 Antibodies 3.8 Kits 3.9 Devices and tools 3.10 Disposables 3.11 Software 4 Results 4.1 The Has2-knockout mouse model 4.1.1 Has2-knockout characterization 4.1.2 Incomplete Has2 deletion 4.1.3 Effects of the HA knockdown 4.1.4 Has2-knockout efficiency in other organs 4.1.5 Effects of Has2-knockout on gene expression 4.2 In vitro Has2-knockout and effect on MM cells 4.2.1 In vitro Has2- and HA-knockdown 4.2.2 Has2-ko fibroblast conditioned media decreased MM proliferation 4.2.3 MM conditioned media influenced fibroblast’s HA secretion 4.2.4 The transition towards in vivo tumor experiments 4.3 In vivo Tumor experiments 4.3.1 HA threshold, correlation, and exclusions 4.3.2 Effects of HA knockdown on primary tumor volume and weight 4.3.3 Tumor histology and HA localization 4.3.4 HA fragments in tumors, healthy-, and tumor-related-skin samples 4.3.5 Metastasis formation 5 Discussion 5.1 HA knockdown 5.2 HA knockdown phenotype 5.2.1 Skin stiffness 5.2.2 Skin water homeostasis 5.3 Paracrine interactions between MM and fibroblasts 5.4 HA thresholding 5.5 Tumor readouts 5.6 In vitro ECM models 5.7 Metastasis 5.8 Alternative tumor models with stronger stromal interaction 5.9 The presented results considering current HA-Tumor research 6 Conclusion 7 Literature Danksagung Lebenslauf Akademischer Werdegang Stipendium und Auszeichnung Publikation und Posterpräsentation Publikationen Vorträge und Posterpräsentationen Eigenständigkeitserklärung

Fragestellung: Um die Auswirkungen von genetischen Varianten für CASP1 in vivo analysieren zu können, sollte in dieser Arbeit ein Tiermodell generiert werden. Dadurch könnten die zugrundeliegenden Pathomechanismen der an „ICE-Fieber“ leidenden Patienten in einem gesamten Organismus aufgeklärt werden, da die Untersuchung von Patientenmaterial nur sehr eingeschränkt möglich ist. Ein Mausmodell stellt eine der besten Alternativen zur Analyse von Primärmaterial dar, da die Immunsysteme von Maus und Mensch sehr ähnlich sind. Ergebnisse: Um die natürliche Expression und Regulation der Procaspase-1 im Mausmodell zu gewährleisten, wurde für die Generierung ein BAC-Transgen verwendet. Mittels homologer Rekombination wurde die künstliche Variante C284A von Casp1 inseriert. Diese führt zu einer Zerstörung des enzymatischen Zentrums der Caspase-1 und zum vollständigen Verlust der enzymatischen Aktivität. Nach zwei Pronukleusinjektionen konnten lediglich drei Gründertiere mit mosaikartiger Expression des zufällig im Genom integrierten Transgens Casp1C284A und in der F1-Generation nur ein Tier mit stabil integriertem Transgen identifiziert werden. Die Nachkommen dieses transgenen Tieres zeigten keine basale Expression von Casp1C284A, jedoch konnte nach Stimulation von BMDCs mit LPS in vitro die Expression sowohl auf RNA- wie auch auf Proteinebene nachgewiesen werden. Ebenfalls eine erhöhte Sekretion der proinflammatorischen Zytokine TNF-α und IL-6 wurde in den Zellen der transgenen Tiere detektiert. Gleichfalls konnte nach Stimulation mit LPS in vivo eine gesteigerte Entzündungsreaktion in den Tieren mit Casp1C284A gezeigt werden, da ein stärkerer und länger anhaltender Abfall der peripheren Körpertemperatur und außerdem eine gesteigerte Sekretion von TNF-α und IL-6 zu verzeichnen war. Eine gesteigerte Inflammation des fetalen Gewebes, ausgelöst durch die integrierte künstliche Variante der Procaspase-1, könnte die Frage nach der geringen Anzahl der generierten Gründertiere beantworten. Hierfür wurde weiterführend eine Maus mit einem konditionalen Casp1C284A-Konstrukts generiert, welches zusätzlich eine zeit- als auch zelltyp-spezifische Expression der Procaspase-1 mit zentraler Mutation ermöglicht. Nach erfolgreichem Screening der ES-Zellen konnten diese in Blastozysten mikroinjiziert und Chimäre identifiziert werden. Eine embryonale Letalität des transgenen Konstrukts konnte durch die Verpaarung der ki-Tiere R26_Casp1C284A mit PGK-Cre-Tieren, die Cre-Rekombinase ubiquitär exprimieren, nahezu ausgeschlossen werden, da die Nachkommen alle lebensfähig waren und eine basale Expression des „knock-ins“ in mehreren Organen und auch in BMDCs nachgewiesen wurde. Ferner konnte nach Induktion einer Inflammation in vivo mit einer subletalen Dosis von LPS ein gesteigerter und länger anhaltender peripherer Temperaturabfall in den ki-Tieren ähnlich zu den transgenen Tieren detektiert werden. Desgleichen wurde eine Tendenz zu einer gesteigerten Sekretion der Zytokine TNF-α und IL-6 verzeichnet. Schlussfolgerungen: Mit dem transgenen Casp1C284A-Mausmodell als auch mit dem konditionalen R26_Casp1C284A-Modell konnte gezeigt weren, dass eine inaktive Variante der Procaspase-1 zur Entstehung einer gesteigerten Inflammation in einem gesamten Organismus führen kann. Somit können die im Rahmen dieser Arbeit generierten Tiermodelle zur Analyse der Pathomechanismen der an „ICE-Fieber“ leidenden Patienten herangezogen werden. In künftigen Studien kann ferner geklärt werden, ob die Entzündungsreaktionen durch eine verstärkte Interaktion von Casp1C284A mit der Kinase RIP2 verursacht werden und dadurch ähnlich wie im Patienten eine Aktivierung des proinflammatorischen Moleküls NFκB ausgelöst wird. Im Anschluss könnte eine spezifische Inhibierung des RIP2-Signalweges in diesen Mausmodellen getestet werden und schließlich im Patienten Anwendung finden. Die in dieser Arbeit generierten Mausmodelle könnten somit zur Erprobung zukünftiger therapeutischer Konzepte dienen.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Das angeborene und adaptive Immunsystem 1.2 Sensoren des angeborenen Immunsystems 1.2.1 Membran-gebundene Rezeptoren 1.2.2 Intrazelluläre PRRS 1.2.3 Inflammasome als Multiproteinkomplexe 1.2.4 Das NLRP3-Inflammasom 1.2.5 Metabolische Krankheiten, die mit Inflammasom-Aktivität assoziiert werden 1.2.6 Inflammasom-assoziierte autoinflammatorische Erkrankungen 1.2.6.1 Das Cryoporin-assoziierte periodische Syndrom (CAPS) 1.2.6.2 Familian Mediterranean Fever (FMF) 1.2.6.3 Pyogenic arthritis, pyoderma gangrenosum and acne syndrome (PAPA) 1.3 Caspase-1 1.3.1 Caspasen im Allgemeinen 1.3.2 Der Caspase-1 Gen-Lokus und das Caspase-1 Gen 1.3.3 Das Caspase-1 Protein 1.3.4 Funktionen von Caspase-1 1.3.4.1 Prozessierung der Zytokine pro-IL-1ß und pro-IL-18 1.3.4.2 Induktion von Pyroptose 1.3.4.3 Aktivierung der Caspase-1 durch ER-Stress 1.3.4.4 Aktivierung des Transkriptionsfaktors NFκB 1.3.4.5 weitere Funktionen 1.3.5 Caspase-1 Genvarianten und Entzündung 1.4 Mausmodelle 1.4.1 NLRP3 1.4.2 Pyrin 1.4.3 Caspase-1 2 Zielsetzung 3 Material und Methoden 3.1 Material 3.1.1 Antibiotika 3.1.2 Antikörper 3.1.3 Bakterienstämme 3.1.4 BAC-Klon 3.1.5 Plasmide 3.1.6 Zelllinie 3.1.7 Chemikalien und Substanzen 3.1.8 Enzyme 3.1.9 Größenstandards 3.1.10 Oligonukleotide 3.1.11 Kommerzielle Kits 3.1.12 Puffer und Lösungen 3.1.13 Mauslinien 3.1.14 Medien 3.1.15 Geräte 3.1.16 Software 3.2 Molekularbiologische Methoden 3.2.1 Agarosegelelektrophorese 3.2.2 Amplifikation von Nukleinsäuren mittels Polymerasekettenreaktion 3.2.3 Aufreinigung von DNA-Fragmenten aus Agarosegelen 3.2.4 Aufreinigung von BAC-DNA mittels Elektroelution 3.2.5 Aufreinigung von Subklon-Plasmid-DNA für die Elektroporation von ES-Zellen 3.2.6 Bestimmung der Konzentration und der Reinheit von DNA und RNA 3.2.7 c-DNA-Synthese 3.2.8 Dephosphorylierung von 5´-Phosphatresten 3.2.9 DNA-Isolierung 3.2.9.1 DNA-Isolierung aus Bakterienzellen 3.2.9.2 DNA-Isolierung aus eukaryotischen Zellen 3.2.10 DNA-Sequenzierung 3.2.11 Enzymatische Restriktionsspaltung von DNA-Fragmenten 3.2.12 Homologe Rekombination von DNA-Sequenzen 3.2.13 Ligation von DNA-Fragmenten mit linearisierten Vektoren 3.2.14 Phenol-Chloroform-Extraktion 3.2.15 Pulsfeldgelelektrophorese 3.2.16 Quantitative Real-Time-PCR (qRT-PCR) 3.2.17 RNA-Isolation aus eukaryotischen Zellen und Geweben 3.2.18 Southern Blot 3.3 Mikrobiologische Methoden 3.3.1 Kultivierung von Bakterien 3.3.2 Hitzschock-Transformation von E.coli 3.3.3 Kryokonservierung 3.4 Proteinbiochemische Methoden 3.4.1 CBA (cytokine bead assay) 3.4.2 Proteinbestimmung 3.4.3 Immunpräzipitation mit Caspase-1 p10 (M-20) Antikörper von Santa Cruz 3.4.4 Immunpräzipitation mit AntiFlag M2 Affinity Gel von Sigma 3.4.5 Diskontinuierliche SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese (SDS-PAGE) 3.4.6 Western Blot 3.4.7 Immunchemische Detektion von Proteinen 3.5 Zellbiologische Methoden 3.5.1 Bestimmung der Zellzahl 3.5.2 Isolierung und Generierung von BMDCs 3.5.3 Kryokonservierung von Zellen 3.5.4 Kultivierung von Zelllinien 3.6 Tierexperimentelle Methoden 3.6.1 Genotypisierung 3.6.2 Haltung 3.6.3 Hautbiopsie 3.6.4 Retroorbitale Blutentnahme und Herzpunktion 3.6.5 Injektion von LPS 3.6.6 Organentnahme 4 Ergebnisse 4.1 Generierung eines Casp1C284A-BAC-Transgens 4.1.1 Identifikation und Verifizierung des BAC-Klons 4.1.2 Klonierung des Casp1C284A-BAC-Transgens 4.1.2.1 Entfernung der wt-loxP-Stelle vom Vektorrückrat 4.1.2.2 Insertion eines Flag-Tags 4.1.2.3 Einführung der Punktmutation C284A 4.1.3 „Shaving“ des generierten Casp1C284A-BAC-Konstrukts 4.1.4 Aufreinigung des Casp1C284A-BAC-Konstrukts und Pronukleusinjektion 4.1.5 Genotypisierung der transgenen Casp1C284A Gründertiere 4.2 Charakterisierung der transgenen Casp1C284A-Tiere (tg) 4.2.1 In vitro-Stimulation von BMDCs mit LPS 4.2.2 In vivo-Stimulation der transgenen Casp1C284A-Tiere 4.3 Generierung eines konditionalen Casp1C284A-Konstrukts 4.3.1 Klonierung des Targetingvektors pSerc_Casp1C284A_Flag und des Kontroll-Targetingvektors pSerc_Casp1_Flag 4.3.2 Screening von ES-Zellen 4.3.3 Genotypisierung der Chimäre und Verpaarung mit PGK-Cre Tieren 4.3.4 Expressionsanalyse der R26_Casp1C284A del-Tiere 4.3.5 In vivo-Stimulation der R26_Casp1C284A del-Tiere 5 Diskussion 5.1 Entwurf eines Mausmodells für ICE-Fieber 5.2 Konstruktion des Casp1C284A-BAC-Transgens 5.3 Identifizierung von Casp1C284A-transgenen Tieren 5.4 Funktionelle Analyse des Casp1C284A-BAC-Transgens 5.5 Konstruktion des konditionalen Mausmodells R26_Casp1C284A 5.6 Aktivierung des ki-Mausmodells R26_Casp1C284A durch Cre-mediierte Rekombination in vivo 5.7 Funktionelle Analyse des ki-Mausmodells R26_Casp1C284A 5.8 Relevanz eines Mausmodells für den Patienten 6 Zusammenfassung 7 Literaturverzeichnis 8 Anhang A. Abbildungsverzeichnis B. Tabellenverzeichnis / Problem: In order to recapitulate the effects of the CASP1 variants found in the patients a mouse model should be generated. The analysis of material from the patients unfortunately is very restricted and therefore the generation of a mouse model represents the best alternative to see if the in vitro hypothesis of the IFG group really applies to an in vivo situation. Results: To generate a transgenic mouse model the artificial variant Casp1C284A was inserted into a BAC to enable a natural expression and regulation of Casp1C284A. This mutation results in a disruption of the active centre and to a complete loss of the enzymatical activity of caspase-1. After two pronuclei injections we received 180 pubs of TG mice. Only three of them harboured transgenic sequences and only one animal in the F1 generation harboured the complete Casp1C284A sequence. Expression analyses of the offspring of this mouse revealed no basal transcriptional expression of the transgene. Hence, protein expression could not be detected in unstimulated cells. However, stimulation with LPS upregulated transcription and low-level translation of Casp1C284A in BMDCs and an elevated secretion of the proinflammatory cytokines TNF-α and IL-6 was detected as well. Likewise, after in vivo stimulation of transgenic mice with LPS i.p. the drop of body temperature was significantly enhanced in comparison to the control mice. And also the level of the proinflammatory cytokines was increased. Furthermore, a conditional R26_Casp1C284A construct allowing a temporal or a celltype specific expression of the caspase-1 with the central mutation was generated. Positive screened ES cell clones were injected into blastocysts and thereafter chimera could be identified. An embryonic lethality due to the integration of the enzymatically inactive caspase-1 could be excluded by the crossing with ubiquitious expressing PGK-Cre mice. All the corresponding mice were alive and a basal transcriptional as well translational expression was demonstrated. Concordantly with the results of the transgenic mice the conditional R26_Casp1C284A mice showed an enhanced drop of the body temperature in comparison to control mice after stimulation with sublethal dose of LPS in vivo. Likewise, a trend to an elevated secretion of TNF-α and IL-6 was observed. Conclusion: With the generated transgenic Casp1C284A as well as the conditional R26_Casp1C284A animal models we showed that an inactive variant of the procaspase-1 could result in a proinflammatory cytokine response and a development of an increased inflammation of a whole organism. Thus, these data support the previous postulated model of the IFG group for proinflammatory effects induced by variants of procaspase-1 with reduced enzymatic activity. Hence, the mouse models established in this work are suited for further analysis of the pathomechanism in the patients with ICE fever. For instance the cellular mechanism could be examined if the inflammation is provoked by an increased interaction of the mutated procaspase-1 with the kinase RIP2 and therefore the NFκB activation is increased, respectively. Also a further medicinal inhibition of the RIP2 signaling or other therapeutic testings in this mouse models are conceivable.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Das angeborene und adaptive Immunsystem 1.2 Sensoren des angeborenen Immunsystems 1.2.1 Membran-gebundene Rezeptoren 1.2.2 Intrazelluläre PRRS 1.2.3 Inflammasome als Multiproteinkomplexe 1.2.4 Das NLRP3-Inflammasom 1.2.5 Metabolische Krankheiten, die mit Inflammasom-Aktivität assoziiert werden 1.2.6 Inflammasom-assoziierte autoinflammatorische Erkrankungen 1.2.6.1 Das Cryoporin-assoziierte periodische Syndrom (CAPS) 1.2.6.2 Familian Mediterranean Fever (FMF) 1.2.6.3 Pyogenic arthritis, pyoderma gangrenosum and acne syndrome (PAPA) 1.3 Caspase-1 1.3.1 Caspasen im Allgemeinen 1.3.2 Der Caspase-1 Gen-Lokus und das Caspase-1 Gen 1.3.3 Das Caspase-1 Protein 1.3.4 Funktionen von Caspase-1 1.3.4.1 Prozessierung der Zytokine pro-IL-1ß und pro-IL-18 1.3.4.2 Induktion von Pyroptose 1.3.4.3 Aktivierung der Caspase-1 durch ER-Stress 1.3.4.4 Aktivierung des Transkriptionsfaktors NFκB 1.3.4.5 weitere Funktionen 1.3.5 Caspase-1 Genvarianten und Entzündung 1.4 Mausmodelle 1.4.1 NLRP3 1.4.2 Pyrin 1.4.3 Caspase-1 2 Zielsetzung 3 Material und Methoden 3.1 Material 3.1.1 Antibiotika 3.1.2 Antikörper 3.1.3 Bakterienstämme 3.1.4 BAC-Klon 3.1.5 Plasmide 3.1.6 Zelllinie 3.1.7 Chemikalien und Substanzen 3.1.8 Enzyme 3.1.9 Größenstandards 3.1.10 Oligonukleotide 3.1.11 Kommerzielle Kits 3.1.12 Puffer und Lösungen 3.1.13 Mauslinien 3.1.14 Medien 3.1.15 Geräte 3.1.16 Software 3.2 Molekularbiologische Methoden 3.2.1 Agarosegelelektrophorese 3.2.2 Amplifikation von Nukleinsäuren mittels Polymerasekettenreaktion 3.2.3 Aufreinigung von DNA-Fragmenten aus Agarosegelen 3.2.4 Aufreinigung von BAC-DNA mittels Elektroelution 3.2.5 Aufreinigung von Subklon-Plasmid-DNA für die Elektroporation von ES-Zellen 3.2.6 Bestimmung der Konzentration und der Reinheit von DNA und RNA 3.2.7 c-DNA-Synthese 3.2.8 Dephosphorylierung von 5´-Phosphatresten 3.2.9 DNA-Isolierung 3.2.9.1 DNA-Isolierung aus Bakterienzellen 3.2.9.2 DNA-Isolierung aus eukaryotischen Zellen 3.2.10 DNA-Sequenzierung 3.2.11 Enzymatische Restriktionsspaltung von DNA-Fragmenten 3.2.12 Homologe Rekombination von DNA-Sequenzen 3.2.13 Ligation von DNA-Fragmenten mit linearisierten Vektoren 3.2.14 Phenol-Chloroform-Extraktion 3.2.15 Pulsfeldgelelektrophorese 3.2.16 Quantitative Real-Time-PCR (qRT-PCR) 3.2.17 RNA-Isolation aus eukaryotischen Zellen und Geweben 3.2.18 Southern Blot 3.3 Mikrobiologische Methoden 3.3.1 Kultivierung von Bakterien 3.3.2 Hitzschock-Transformation von E.coli 3.3.3 Kryokonservierung 3.4 Proteinbiochemische Methoden 3.4.1 CBA (cytokine bead assay) 3.4.2 Proteinbestimmung 3.4.3 Immunpräzipitation mit Caspase-1 p10 (M-20) Antikörper von Santa Cruz 3.4.4 Immunpräzipitation mit AntiFlag M2 Affinity Gel von Sigma 3.4.5 Diskontinuierliche SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese (SDS-PAGE) 3.4.6 Western Blot 3.4.7 Immunchemische Detektion von Proteinen 3.5 Zellbiologische Methoden 3.5.1 Bestimmung der Zellzahl 3.5.2 Isolierung und Generierung von BMDCs 3.5.3 Kryokonservierung von Zellen 3.5.4 Kultivierung von Zelllinien 3.6 Tierexperimentelle Methoden 3.6.1 Genotypisierung 3.6.2 Haltung 3.6.3 Hautbiopsie 3.6.4 Retroorbitale Blutentnahme und Herzpunktion 3.6.5 Injektion von LPS 3.6.6 Organentnahme 4 Ergebnisse 4.1 Generierung eines Casp1C284A-BAC-Transgens 4.1.1 Identifikation und Verifizierung des BAC-Klons 4.1.2 Klonierung des Casp1C284A-BAC-Transgens 4.1.2.1 Entfernung der wt-loxP-Stelle vom Vektorrückrat 4.1.2.2 Insertion eines Flag-Tags 4.1.2.3 Einführung der Punktmutation C284A 4.1.3 „Shaving“ des generierten Casp1C284A-BAC-Konstrukts 4.1.4 Aufreinigung des Casp1C284A-BAC-Konstrukts und Pronukleusinjektion 4.1.5 Genotypisierung der transgenen Casp1C284A Gründertiere 4.2 Charakterisierung der transgenen Casp1C284A-Tiere (tg) 4.2.1 In vitro-Stimulation von BMDCs mit LPS 4.2.2 In vivo-Stimulation der transgenen Casp1C284A-Tiere 4.3 Generierung eines konditionalen Casp1C284A-Konstrukts 4.3.1 Klonierung des Targetingvektors pSerc_Casp1C284A_Flag und des Kontroll-Targetingvektors pSerc_Casp1_Flag 4.3.2 Screening von ES-Zellen 4.3.3 Genotypisierung der Chimäre und Verpaarung mit PGK-Cre Tieren 4.3.4 Expressionsanalyse der R26_Casp1C284A del-Tiere 4.3.5 In vivo-Stimulation der R26_Casp1C284A del-Tiere 5 Diskussion 5.1 Entwurf eines Mausmodells für ICE-Fieber 5.2 Konstruktion des Casp1C284A-BAC-Transgens 5.3 Identifizierung von Casp1C284A-transgenen Tieren 5.4 Funktionelle Analyse des Casp1C284A-BAC-Transgens 5.5 Konstruktion des konditionalen Mausmodells R26_Casp1C284A 5.6 Aktivierung des ki-Mausmodells R26_Casp1C284A durch Cre-mediierte Rekombination in vivo 5.7 Funktionelle Analyse des ki-Mausmodells R26_Casp1C284A 5.8 Relevanz eines Mausmodells für den Patienten 6 Zusammenfassung 7 Literaturverzeichnis 8 Anhang A. Abbildungsverzeichnis B. Tabellenverzeichnis

Mouse strains are frequently used to model human disease states, to test the efficiency of drugs and therapeutic principles. However, the direct translation of murine experimental data to human pathological events often fails due to sufficient differences in the organization of the immune system of both species. Here we give a short overview of the principle differences between mice and humans in defense strategies against pathogens and mechanisms involved in response to pathogenic microorganisms and other activators of the immune system. While in human blood mechanisms of immune resistance are highly prevailed, tolerance mechanisms dominate for the defense against pathogenic microorganisms in mouse blood. Further on, species-related differences of immune cells mainly involved in innate immune response as well as differences to maintain oxidative homeostasis are also considered. A number of disease scenarios in mice are critically reflected for their suitability to serve as a model for human pathologies. Due to setbacks in these studies, novel mouse models were created to bridge the immune system of both species: humanized mice. Accordingly, a special section of this review is devoted to new results applying humanized mouse models taking limitations and prospects into account.

The current thesis investigated a potential relationship between Alzheimer disease and type-2 diabetes mellitus by analysing early gene expression related to insulin receptor signalling in the hippocampus as well as glucose metabolism in APP/PS1 mice, a model of familial Alzheimer disease. Compared to wild-type animals, a reduction in hippocampal insulin receptor and insulin-receptor substrate 2 transcripts in APP/PS1 mice three-month old as well as an increase in insulin-like growth factor 2 transcripts after six months was detected using real-time polymerase chain reaction. The alterations in hippocampal insulin signalling were accompanied by perturbation of glucose metabolism analysed by intraperitoneal glucose tolerance test. At the age of six months APP/PS1 mice developed glucose intolerance. Learning and recognition memory in APP/PS1 mice were tested using the Novel Object Recognition Test. Cognitive decline became evident in APP/PS1 mice at six months of age. Degradation of both insulin and amyloid β is mediated through insulin-degrading enzyme. However, expression of insulin-degrading enzyme in APP/PS1 mice was notdifferent from wild-type littermates. Changes in hippocampal phosphorylation of the tau phosphoepitopes serine 199, threonine 205, serine 396 and serine 404 were investigated using Western blot. Levels of three phosphoepitopes were increased significantly at either age.IV Protein expression of the phosphorylated form of glycogen synthase kinase 3β remained unchanged indicating an alternative pathway of tau phosphorylation in the APP/PS1 mouse model of familial Alzheimer disease. The current results demonstrate an increase in cyclin-dependant kinase 5 phosphoralyted at tyrosine 15 in APP/PS1 mice at three and six months of age. The correlation between elevated levels of phosphorylated tau and cyclin-dependant kinase 5 suggests that cyclin-dependant kinase 5 might contribute to tau phosphorylation in APP/PS1 mice. In general, this work corroborates common pathologic features in Alzheimer disease and diabetes mellitus. A significant cognitive decline in APP/PS1 mice was associated with changes in early gene expression of insulin-related molecules and perturbations in glucose metabolism. Cyclin-dependant kinase 5 is considered to coregulate tau phosphorylation in APP/PS1 mice, and to be part of a pathway contributing to pathology in Alzheimer disease

Mesenchymale Stammzellen bieten eine interessante Option in der regenerativen Medizin, da sie praktisch unlimitiert verfügbar sind. Um das Verhalten von humanen MSC zu studieren, werden Untersuchungen momentan an immundefizienten Mäusen durchgeführt, deren Verwendung kostenintensiv und aufwendig ist. Fra-gestellung war, ob durch Immunisolation (Alginat, Dialyseschlauch, Diffusionskammer) die Knorpel erhaltenden -, bzw. bildenden Eigenschaften von MSC-Konstrukten ebenso gut in immunkompetenten Mäusen untersucht werden können. Gleichzeitig sollte geprüft werden, ob die mit einer Immunabschirmung einhergehende Reduktion der Zellversorgung und damit die Annäherung an die Gelenksituation ihre Mineralisierung vermindern kann und ob Mauszellen für eine Veränderung der vordifferenzierten Knorpelpellets verantwortlich sind. Hierzu wurden hBMSC chondrogen differenziert. Die Zellpellets wurden mit Alginat, dem Dialyseschlauch oder der Diffusionskammer verkapselt und parallel zu unver-kapselten Kontrollpellets subkutan in immundefiziente SCID-Mäuse sowie in immunkompetente BDF1-Mäuse implantiert. Die Explantate wurden mit Alzianblau-, Alizarinrot-, Kollagen Typ II-Färbungen, sowie einer ALU in-situ Hybridisierung mar-kiert und mittels Histologiescore doppelt blind bewertet (MannWhitneyU). Überra-schenderweise zeigten die unverkapselten Kontrollen in den BDF1-Mäusen weder Zeichen von Inflammation noch von Destruktion und 4/5 der Pellets waren auf Kol-lagen Typ-II und Alzianblau positiv. Gleichzeitig war der Grad der Mineralisierung in den BDF1-Mäusen gegenüber SCID-Mäusen reduziert (p = 0,03). Durch Alginat wurde die Mineralisierung in den BDF1 Mäusen (0/8) völlig verhindert, während in den SCID-Mäusen noch 7/8 der Pellets Kalzifizierung zeigten (p = 0,001). Die Verkapselung mit Alginat verglichen mit der Kontrolle führte in beiden Mausstämmen zu höheren Scores für Kollagen Typ II (SCID: p = 0,013, BDF1: p = 0,042) und zeigte gleichzeitig eine Reduktion der Mineralisierung (SCID: p = 0,018, BDF1: p = 0,031). In SCID-Mäusen war außerdem der Alzianblau-Wert gegenüber den Kontrollen erhöht (p = 0,003). Die Diffusionskammer erwies sich als ungeeignet, da die Pellets ihre knorpeligen Eigenschaften verloren. Durch die Verwendung des Dialyseschlauches konnte lediglich in der SCID-Maus eine Erhöhung der Kollagen Typ II (p = 0,03) und eine Reduktion der Kalzifizierung (p = 0,004) erreicht werden. Sowohl im Alginatbead in der BDF1-Maus (1/3 Spendern), als auch im Dialyseschlauch mit Kollagenmembran (2/3 Spendern) konnte eine erfolgreiche in vivo Chondrogenese durchgeführt werden. Zur Untersuchung der in vivo Stabilität knorpeliger MSC-basierter Konstrukte stellt die BDF1-Maus eine attraktive, kostengünstige Alternative mit einer gegenüber der SCID-Maus verringerten Mineralisierungsrate dar. Die in vitro gebildete knorpelige Extrazellulärmatrix erzeugt dabei bereits eine Immunisolation, welche die Transplantatdestruktion verhindert. Ob ein intaktes lymphozytäres System die Knorpelstabilität gegenüber defizienten Immunsystemen begünstigt, muss durch die Untersuchung weiterer Ansätze belegt werden. Im Gegensatz zur Diffusionskammer bietet Alginat das richtige Maß an Versorgungsreduktion, um die Stabilisierung des Knorpelphänotyps der Konstrukte zu ermöglichen.

Gastric cancer is the second leading cause of cancer related deaths and the fifth most common malignancy worldwide. The prognosis of gastric cancer is often poor. Frequently, the lack of clinical signs lead to a delayed diagnosis with three quarters of patients presenting with non-curable advanced disease. The only curative option is surgery, supported in recent years by perioperative chemotherapy. However, known molecular alterations represent possibilities for targeted therapies to improve overall survival. Nevertheless, biomarkers to predict therapy response are missing, resulting in several failed clinical trials for targeted drugs. Organoids are a recently developed three-dimensional culture system derived from different sources, i.e. adult tissue stem cells, embryonic stem cells (ESC) or induced pluripotent stem cells (iPSC). While in ESC or iPSC derived organoids a functional niche is present that maintains stem cells, this niche is missing in adult stem cell derived organoids and needs to be replaced by a definite medium containing the relevant growth factors. Organoids have the ability of proliferation, self-renewal and self-organization. They show a comparable functionality of the organs they are derived from. In sum, organoids are valuable tools to study diseases on a patient level. In this work, we focused on the characterization of gastric cancer by using human and mouse cancer organoids. Firstly, a human gastric cancer organoid biobank was established. The patient derived organoid lines were characterized concerning their molecular profile, treated with classical chemotherapeutics and mutation specific targeting was performed. The generated human cancer organoids showed a high similarity to the tissue they were derived from and allowed a detailed analysis of observed alterations for each individual patient. However, the high number of mutations effected targeted therapies and needed to be interpreted in the whole mutation spectrum of each specific organoid line. In order to establish organoids with defined mutations for in depth analysis of pathway interference, we decided to combine inducible alleles of frequently altered signaling pathways in gastric cancer in mice and derived organoids of the stomach. These organoid lines were further analyzed by their morphology, functionality and drug response. Successful interference with activated pathways demonstrated their potential usefulness as living biomarkers for therapy response testing. In order to analyze gastric cancer in vivo a stomach specific mouse model was established. Intensive literature and database research resulted in the identification of Annexin10 (Anxa10) as potential stomach specific gene which at the same time is expressed in all different cell types of the stomach epithelium. We therefore generated an inducible Cre recombinase mouse line under the Anxa10 promotor. The Anxa10 CreERT2 line showed only stomach specific recombination events and no restriction to a specific cell type. Nevertheless, activation of Cre resulted in a patchy recombination pattern throughout the whole gland and not a uniform recombination in all cells. Due to this patchy expression, the mouse line is an optimal tool for cancer models, where a complete transformation of an organ is not desired. On the other side it is not useful, if a complete knock-out of a certain floxed allele is needed. This new stomach specific mouse line was then used to model gastric cancer subtypes in vivo. Frequently altered pathways and hotspot mutations of each gastric cancer subtype were defined based on the TCGA database. Alterations were mainly found in the following pathways: RTK/RAS, PI3K/AKT, WNT, TGF β, cell adhesion and chromatin remodelling. We generated and analyzed three different mouse models: one for the chromosomal instability (CIN) subtype and two for the genomically stable (GS) subtype. The different models mimicked very closely the histology of known human gastric cancer subtypes. The intestinal CIN model with mutations in Kras, Smad4 and Tp53 developed tumors with glandular and tubular structures showing morphologies to human intestinal type gastric cancer. The first GS model with alterations in Kras, Cdh1 and Smad4 showed cancers with a diffuse tumor cell morphology with the presence of typical signet ring cells. The second GS model with Kras, Cdh1 and Apc alterations showed similarities to the adenomatous tooth like gastric cancer subtype. Taken together, this study demonstrates that gastric cancer organoids might serve as living biomarkers to predict therapy response and resistance in individual patients. Additionally, the generated gastric cancer mouse model is to our knowledge the first model initiating tumor formation exclusively in the stomach with similar characteristics as described for human gastric cancer. This mouse represents a prime tool for further gastric cancer research.

Im Zentrum der vorliegenden Arbeit steht die Proteomanalyse des APP23-Mausmodells für die Alzheimer-Krankheit (AK). Es wurden die Gehirnregionen Hippocampus und Cortex der Altersstadien Embryonaltag 16 sowie 1, 2, 7 und 15 Monate untersucht und somit erstmals eine Art „Proteom-Lebensprofil“ eines Mausmodells erstellt. Bei dem Vergleich der APP23-Mäuse mit Wildtypmäusen konnte innnerhalb aller untersuchten Altersstadien und Gehirnregionen eine große Anzahl quantitativer Proteinexpressionsunterschiede festgestellt werden. Interessanterweise bestand jedoch im Hippocampus adoleszenter, zwei Monate alter Mäuse, ein herausragend großer Unterschied. Ein Vergleich der Proteomzusammensetzung zwischen den verschiedenen Altersstadien zeigte, dass spezifisch im Hippocampus der adoleszenten APP23-Mäuse viele entwicklungsbedingte Proteomveränderungen ausgeblieben waren. Zusammen mit der Beobachtung, dass in diesem Altersstadium viele synaptische Proteine in den APP23-Mäusen herunterreguliert waren, weisen die gewonnenen Daten darauf hin, dass ein natürlicher Peak in der hippocampalen Plastizität während der Adoleszenzphase in den APP23-Mäusen ausgeblieben war. Es ist weiterhin bekannt, dass APP als auch eine wichtige Rolle in der embryonalen Neurogenese spielt. Da über diese Prozesse noch wenig bekannt ist, wurde im Rahmen der vorliegenden Studie weiterhin eine grundlegende Untersuchung der murinen embryonalen Gehirnentwicklung durchgeführt. Dabei wurde beobachtet, dass innerhalb eines Zeitraums von zwei Entwicklungstagen die Anzahl an quantitativ veränderten Proteinen konstant ist. Dies könnte die maximal mögliche Veränderungsrate wiederspiegeln, die wiederum einen begrenzenden Faktor für die Geschwindigkeit der Embryonalentwicklung darstellt. Weiterhin stieg im Zuge der Neurogenese die Konzentration zelltypspezifischer Proteine an während im Gegenzug die Konzentration unspezifischer Proteine abnahm. / The work presented here focuses on the analysis of the APP23 mouse model for alzheimer´s disease (AK). Using a proteomics approach; the two brain regions cortex and hippocampus, were analyzed at the ages 1,2,7 and 15 months and at embryonic day 16. Thus, for the first time, a lifetime profile of brain proteome alterations caused by mutant APP expression was created. Protein expression alterations between APP23 and control mice were numerous at all age stages but unexpectedly, the hippocampus of two-month old (adolescent) mice, showed a dramatic peak in the number of altered proteins. When comparing proteome patterns longitudinally between age-stages, protein alterations were largely absent in the hippocampus of adolescent APP23-mice but not in other stages compared. Apparently, the large difference in hippocampal protein pattern changes between two-month old APP23- and wildtype-mice was caused by an absence of distinct developmental changes in APP23-mice. In summary, the absence of longitudinal developmental proteome alterations during adolescence, a developmental stage where neuronal plasticity is prominent and horizontal (disease/control) down-regulation of many proteins related to plasticity suggests the disruption of a normally occurring peak of hippocampal plasticity during adolescence of APP23-mice. APP was also suggested to play an important role in embryonic neurogenesis. Since information about the molecular mechanisms of neurogenesis is scarce, a basic analysis of protein changes during normal embryonic neurogenesis was conducted. Interestingly, the rate of protein concentration change within two days of development was constant. This might represent the maximal rate limiting the speed of embryonic development. During neurogenesis, cell-type specific proteins were up- and unspecific proteins down-regulated. In summary, this study shows that it is of utmost importance to investigate AK even at an early age prior to the occurrence of disease symptoms.

Der Induzierbare Kostimulator (ICOS) ist ein wichtiger Regulator der T-Zell-Effektorfunktion. In vivo führt ein Defekt von ICOS zur Beeinträchtigung der T-Zellabhängigen humoralen Immunität. In gendefizienten Mäusen wurden stark gestörte B-Zellantworten beobachtet. Mehrere in vitro und in vivo Studien führen diese Phänomene auf eine beeinträchtigte Regulation von Kommunikationsmolekülen auf der Zelloberfläche und Expression von Zytokinen durch ICOS-defiziente T-Zellen zurück. In dieser Arbeit konnte jedoch anhand Antigen-spezifischer T-Zellen in einem murinen adoptiven Transfersystem gezeigt werden, dass das Signal über ICOS die frühe T-Zellaktivierung nicht signifikant beeinflusst. Stattdessen trägt ICOS wesentlich zum Überleben und zur Expansion von Effektor T-Zellen bei, die zuvor lokal durch Antigengabe mit Adjuvanz induziert wurden. Diese beobachtete biologische Funktion von ICOS lässt sich auch auf FoxP3+ Regulatorische T-Zellen übertragen, welche durch systemische Antigengabe ohne Adjuvanz generiert wurden. In Übereinstimmung mit diesem Befund führt die Abwesenheit von ICOS unter homöostatischen Bedingungen in nicht-immunisierten Mäusen zu reduzierten Zellzahlen von Effektor-Memory T-Zellen und FoxP3+ Regulatorischen T-Zellen. Der regulierende Effekt von ICOS auf die Größe einer spezifischen Effektor T-Zellpopulation gilt auch für Follikuläre T-Helferzellen, konnte jedoch für zytotoxische CD8+ T-Zellen nicht eindeutig nachgewiesen werden. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse kristallisiert sich eine globale biologische Rolle von ICOS für Effektorzellen heraus. Als kostimulatorisches, agonistisches Molekül reguliert ICOS generell die Pool-Größe aller Effektor T-Zellen mit unterschiedlichen, teilweise gegensätzlichen funktionellen Eigenschaften. Mit Hilfe dieses neuen Konzeptes können frühere in vivo Studien, deren Ergebnisse in Bezug auf die Funktion von ICOS scheinbar widersprüchlich waren, in Einklang gebracht werden. / The Inducible Co-Stimulator (ICOS) is an important regulator of T cell effector function. In vivo ICOS deficiency results in impaired T-cell dependent humoral immunity. Knock out mice show strongly defective B cell responses. Several in vitro and in vivo studies attributed this phenomenon to impaired upregulation of cell surface communication molecules and cytokine synthesis by ICOS-deficient T cells. However, in this work now could be shown with antigen-specific T cells in a murine adoptive transfer system that signaling via ICOS does not significantly affect early T cell activation. Instead, ICOS substantially contributes to the survival and expansion of effector T cells upon local challenge with antigen and adjuvant. Importantly, the observed biological function of ICOS also extends to FoxP3+ regulatory T cells, as can be observed after systemic antigen delivery without adjuvant. In line with these findings, absence of ICOS under homeostatic conditions of nonimmunized mice leads to a reduced number of both effector-memory and FoxP3+ regulatory T cells. The regulatory function of ICOS to control the poolsize of special T cell effector populations is also observed for follicular B helper T cells. The influence of ICOS on cytotoxic CD8+ T cells could not be clearly demonstrated. Based on these results, I propose a biological role for ICOS as a costimulatory, agonistic molecule for a variety of effector T cells with differing and partly opposing funtional roles. This concept may reconcile a number of past in vivo studies with seemingly cotradictory results on ICOS function.

Die Enzyme der Sulfotransferase-Gensuperfamilie (SULT) konjugieren nukleophile Gruppen von kleinen endogenen Verbindungen und Fremdstoffen mit der negativ geladenen Sulfo-Gruppe. Dadurch wird die Polarität dieser Verbindungen erhöht, ihre passive Permeation von Zellmembranen verhindert und somit ihre Ausscheidung erleichtert. Jedoch stellt die Sulfo-Gruppe in bestimmten chemischen Verbindungen eine gute Abgangsgruppen dar. Aus der Spaltung resultierende Carbenium- oder Nitreniumionen können mit DNA oder anderen zellulären Nukleophilen reagieren. In Testsystemen für Mutagenität wurden zahlreiche Verbindungen, darunter Nahrungsinhaltsstoffe und Umweltkontaminanten, durch SULT zu Mutagenen aktiviert. Dabei zeigten sich zum einen eine ausgeprägte Substratspezifität selbst orthologer SULT-Formen unterschiedlicher Spezies und zum anderen Interspezies-Unterschiede in der SULT-Gewebeverteilung. Daher könnten sich die Zielgewebe einer SULT-induzierten Krebsentstehung bei Mensch und Nager unterscheiden. Um die Beteiligung von humanen SULT an der Bioaktivierung von Fremdstoffen im Tiermodell untersuchen zu können, wurden transgene Mauslinien für den Cluster der humanen SULT1A1- und -1A2-Gene sowie für die humane SULT1B1 generiert. Zur Herstellung der transgenen Linien wurden große genomische Konstrukte verwendet, die die SULT-Gene sowie – zum Erreichen einer der Humansituation entsprechenden Gewebeverteilung der Proteinexpression – deren potentielle regulatorische Sequenzen enthielten. Es wurden je drei transgene Linien für hSULT1A1/hSULT1A2 und drei transgene Linien für hSULT1B1 etabliert. Die Expression der humanen Proteine konnte in allen Linien gezeigt werden und fünf der sechs Linien konnten zur Homozygotie bezüglich der Transgene gezüchtet werden. In der molekularbiologischen Charakterisierung der transgenen Linien wurde der chromosomale Integrationsort der Konstrukte bestimmt und die Kopienzahl pro Genom untersucht. Mit Ausnahme einer hSULT1A1/hSULT1A2-transgenen Linie, bei der Kopien des Konstrukts in zwei unterschiedliche Chromosomen integriert vorliegen, wiesen alle Linien nur einen Transgen-Integrationsort auf. Die Untersuchung der Transgen-Kopienzahl ergab, dass die Mauslinien zwischen einer und etwa 20 Kopien des Transgen-Konstrukts pro Genom trugen. In der proteinbiochemischen Charakterisierung wurde gezeigt, dass die transgenen Linien die humanen Proteine mit einer weitgehend der des Menschen entsprechenden Gewebeverteilung exprimieren. Die Intensität der im Immunblot nachgewiesenen Expression korrelierte mit der Kopienzahl der Transgene. Die zelluläre und subzelluläre Verteilung der Transgen-Expression wurden bei einer der hSULT1A1/hSULT1A2-transgenen Linien in Leber, Niere, Lunge, Pankreas, Dünndarm und Kolon und bei einer der hSULT1B1-transgenen Linien im Kolon untersucht. Sie stimmte ebenfalls mit der Verteilung der entsprechenden SULT-Formen im Menschen überein. Da sich die erzeugten transgenen Linien aufgrund ihrer mit dem Menschen vergleichbaren Gewebeverteilung der SULT-Expression als Modellsystem zur Untersuchung der menschlichen SULT-vermittelten metabolischen Aktivierung eigneten, wurde eine der hSULT1A1/hSULT1A2-transgenen Linien für zwei erste toxikologische Untersuchungen eingesetzt. Den Mäusen wurden chemische Verbindungen verabreicht, für die in in-vitro-Versuchen eine hSULT1A1/hSULT1A2-vermittelte Bioaktivierung zu Mutagenen gezeigt worden war. In beiden Untersuchungen wurde die Gewebeverteilung der entstandenen DNA-Addukte als Endpunkt einer gewebespezifischen genotoxischen Wirkung ermittelt. In der ersten Untersuchung wurden 90 mg/kg Körpergewicht 2-Amino-1-methyl-6-phenylimidazo[4,5-b]pyridin – ein in gebratenem Fleisch gebildetes heterozyklisches aromatisches Amin – transgenen sowie Wildtyp-Mäusen oral verabreicht. Acht Stunden nach Applikation wiesen die transgenen Mäuse signifikant höhere Adduktniveaus als die Wildtyp-Mäuse in Leber, Lunge, Niere, Milz und Kolon auf. In der Leber der transgen Mäuse war das Adduktniveau 17fach höher als in der Leber der Wildtyp-Mäuse. Die Leber war bei den transgenen Tieren das Organ mit dem höchsten, bei den Wildtyp-Tieren hingegen mit dem niedrigsten DNA-Adduktniveau. In der zweiten Untersuchung (Pilotstudie mit geringer Tierzahl) wurde transgenen und Wildtyp-Mäusen 19 mg/kg Körpergewicht des polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffs 1-Hydroxymethylpyren – ein Metabolit der Nahrungs- und Umweltkontaminante 1-Methylpyren – intraperitoneal verabreicht. Nach 30 Minuten wurden, verglichen mit den Wildtyp-Mäusen, bis zu 25fach erhöhte Adduktniveaus bei den transgenen Mäusen in Leber, Niere, Lunge und Jejunum nachgewiesen. Somit konnte anhand einer in dieser Arbeit generierten transgenen Mauslinie erstmals gezeigt werden, dass die Expression der humanen SULT1A1/hSULT1A2 tatsächlich sowohl auf die Stärke als auch die Zielgewebe der DNA-Adduktbildung in vivo eine Auswirkung hat. / The enzymes of the sulfotransferase gene superfamily (SULT) conjugate nucleophilic groups of small endogenous compounds and xenobiotics with the negatively charged sulfo group. Thus, the polarity of the compounds is increased, their passive permeation of cell membranes is hindered and their excretion facilitated. The sulfate groups, however, form a good leaving group in certain chemical linkages due to their electron-withdrawing characteristics. Carbenium or nitrenium ions resulting from a spontaneous cleavage may react with DNA and other cellular nucleophiles. In test systems for mutagenicity, a large amount of compounds including ingredients of nutrition and environmental contaminants were activated to mutagens by SULT. A pronounced substrate specificity even of orthologous SULT forms of different species was evidenced. Also, the tissue distribution of SULT exhibited pronounced interspecies differences. The target tissues of a SULT induced carcinogenesis might thus be different in humans and rodents. To investigate the involvement of human SULT in the bioactivation of xenobiotics in an animal model, transgenic mouse lines for the human SULT1A1- and -1A2 gene cluster as well as for human SULT1B1 were generated. For the construction of the transgenic lines, large genomic constructs were used, containing the SULT genes plus their potential regulatory sequences to cause a tissue distribution of protein expression corresponding to the situation in humans. Three transgenic lines for hSULT1A1/hSULT1A2 and three transgenic lines for hSULT1B1 were established. The expression of the human proteins could be shown for all lines and except for one line, all could be bred to transgene homozygosity. By molecular biological characterization of the transgenic lines, the chromosomal integration locus of the constructs was identified and the copy number per genome was investigated. With the exception of one hSULT1A1/hSULT1A2 transgenic line, where the construct had integrated into two different chromosomes, all lines exhibited just one transgene integration locus. By investigating the transgene copy number it was deduced that the mouse lines carry between one and 20 copies of the transgene construct per genome. The protein biochemical characterization showed that the transgenic mouse lines express the human proteins with a tissue distribution largely similar to the distribution in humans. The intensity of the proteins detected by immunoblotting correlated with the copy number of the transgenes. The cellular and subcellular distribution of the transgene expression was investigated for one of the hSULT1A1/1A2 transgenic lines in liver, kidney, lung, pancreas, small intestine and colon and for one of the hSULT1B1 transgenic lines in colon. It also accorded with the distribution of the respective SULT in humans. Owing to the similarity of transgene expression to the corresponding human tissue distribution, the transgenic lines were considered suitable as model systems for the investigation of the human SULT-mediated metabolic activation. One of the hSULT1A1/hSULT1A2 transgenic lines was used in two first toxicological investigations with chemical compounds for which in vitro experiments had demonstrated a hSULT1A1/hSULT1A2 mediated bioactivation. In both investigations, the tissue distribution of the resulting DNA adducts was determined as an end point for a tissue-specific genotoxic effect. For the first investigation, 90 mg/kg bodyweight of 2-amino-1-methyl-6-phenylimidazo[4,5-b]pyridine – a heterocyclic amine formed in cooked meat – were orally administered to transgenic and wild type mice. Eight hours after application, the transgenic mice exhibited significantly higher adduct levels than the wild type controls in liver, lung, kidney, spleen and colon. The adduct level in the liver of the transgenic mice exceeded that in the wild type liver by a factor of 17. Furthermore, the liver was the organ with the highest adduct level in the transgenic mice and with the lowest adduct level in the wild type mice. For the second investigation (a pilot study with few animals), 19 mg/kg bodyweight of the polycyclic aromatic hydrocarbon 1-hydroxymethylpyrene – a metabolite of the nutritional and environmental contaminant 1-methylpyrene – were administered intraperitoneally to transgenic and wild type mice. After 30 minutes, up to 25 fold higher adduct levels compared to the wild type were detected in liver, kidney, lung and jejunum of the transgenic mice. Thus, by means of one of the transgenic mouse line generated in this thesis, it could be shown for the first time that the expression of human SULT1A1/SULT1A2 has in fact an impact on the strength as well as on the target tissue of DNA-adduct generation in vivo.