Merkel cell carcinoma (MCC) is an aggressive neuroendocrine skin cancer that has been associated with the Merkel cell polyomavirus (MCPyV). Indeed, MCC is one of the cancers with the best-established viral carcinogenesis. Despite persistence of the virus in MCC cells and the subsequent expression of viral antigens, the majority of MCC tumors are able to escape the surveillance of the immune system. Therefore the aim of the here presented thesis was to scrutinize immune escape mechanisms operative in MCC. A better understanding of their underlying molecular processes should allow to improve immunotherapeutic treatment strategies for MCC patients. The manuscripts included in this thesis characterize three novel immune evasion strategies of MCC. I) the epigenetic silencing of the NKG2D ligands MICA and MICB via histone H3 hypoacetylation II) reduced HLA class I surface expression via epigenetic silencing of the antigen processing machinery (APM) III) the activation of the PI3K-AKT pathway in a mutation independent manner as potential immune escape strategy MCC tumors and MCC cell lines were analyzed for their expression of MICA/B, HLA and components of the antigen processing machinery as well as for the activation of the PI3K-AKT pathway in situ and in vitro. These analysis reviled MICA and MICB, as well as HLA class I were not expressed or at least markedly reduced in ~80% of MCCs in situ. The PI3K-AKT pathway, that had only recently been demonstrated to play a significant role in tumor immune escape, was activated in almost 90% of MCCs in situ. To determine the underlying molecular mechanisms of these aberrations well characterized MCC cell lines were further analyzed in vitro. The fact that the PI3K-AKT pathway activation was due to oncogenic mutations in the PIK3CA or AKT1 gene in only 10% of MCCs, suggested an epigenetic regulation of this pathway in MCC. In line with this MICA/B as well as components of the APM were indeed silenced epigenetically via histone hypoacetylation in their respective promoter region. Notably MICA/B and HLA class I expression on the cell surface of MCC cells could be restored after treatment with HDAC inhibitors in combination with the Sp1 inhibitor Mithramycin A in all analyzed MCC cell lines in vitro and in a xenotransplantation mouse model in vivo. Moreover inhibition of HDACs increased immune recognition of MCC cell lines in a MICA/B and HLA class I dependent manner. Several studies have accumulated evidence that immunotherapy is a promising treatment option for MCC patients due to the exquisite immunogenicity of this malignancy. However, current immunotherapeutic interventions towards solid tumors like MCC have to account for the plentitude of tumor immune escape strategies, in order to increase response rates. The immune escape mechanisms of MCC described in this thesis can be reverted by HDAC inhibition, thus providing the rationale to combine ‘epigenetic priming’ with currently tested immunotherapeutic regimens. / Das Merkelzellkarzinom (MCC) ist ein aggressiver neuroendokriner Hautkrebs, der mit dem Merkelzell-Polyomavirus (MCPyV) assoziiert ist. Das MCC ist eine der Krebserkrankungen mit der am besten etablierten viralen Karzinogenese. Trotz der Anwesenheit des MCPyV in MCC-Zellen und der daraus einhergehenden Expression viraler Antigene sind die meisten MCC-Tumoren in der Lage der Überwachung durch das Immunsystem zu entgehen. Aus diesem Grund war das Ziel der hier vorliegenden Arbeit, neue im MCC operative „immune escape“ Mechanismen zu ermitteln. Ein besseres Verständnis der hierbei zugrunde liegenden Mechanismen, sollte es ermöglichen, immuntherapeutische Behandlungsstrategien für MCC-Patienten zu verbessern. Die vorgestellten Manuskripte beschreiben drei neuartige „immune evasion“ Strategien des MCC: I) die epigenetische Inaktivierung der NKG2D-Liganden MICA und MICB mittels Histone-H3-Hypoacetylierung II) eine reduzierte HLA Klasse I-Oberflächenexpression aufgrund epigenetischer Inaktivierung der Antigenprozessierungsmaschinerie (APM) III) die mutationsunabhängige Aktivierung des PI3K-AKT-Signalweges, als potentieller „immune escape“ Mechanismus MCC-Tumoren und MCC-Zelllinien wurden sowohl bezüglich der Expression von MICA/B, HLA Klasse I und Komponenten der APM als auch auf die Aktivierung des PI3K Signalweges in situ und in vitro untersucht. Diese Analysen zeigten, dass sowohl MICA und MICB als auch HLA Klasse I in ca. 80% der MCC-Tumoren in situ nicht, oder nur sehr reduziert, exprimiert wurden. Der PI3K-AKT-Signalweg, welcher erst kürzlich mit Tumor „immune escape“ in Verbindung gebracht wurde, war in fast 90% aller MCC-Tumoren in situ aktiviert. Um die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen dieser Aberrationen zu entschlüsseln, wurden gut charakterisierte MCC-Zelllinien in vitro untersucht. Die Tatsache, dass der PI3K-AKT-Signalweg in nur 10% der MCCs auf Mutationen im PI3KA- oder AKT1-Gen zurückzuführen war, suggeriert eine epigenetische Regulation dieses Signalwegs. In Übereinstimmung hiermit waren sowohl MICA/B als auch Gene der APM epigenetisch mittels Histon-Hypoacetylierung in ihren jeweiligen Promoterregionen inaktiviert. Bemerkenswerterweise konnten in vitro und in einem Xenotransplantations-Mausmodell in vivo sowohl die MICA/B als auch die HLA Klasse I-Oberflächenexpression aller untersuchter MCC-Zelllinien durch die Behandlung mit HDAC-Inhibitoren in Kombination mit dem Sp1-Inhibitor Mithramycin A wieder hergestellt werden. Des Weiteren erhöhte die Inhibition von HDACs die MCC-Immunerkennung auf eine MICA/B und HLA Klasse I-abhängige Weise. Zahlreiche aktuelle Studien bestärken die Annahme, dass aufgrund der besonderen Immunogenität des MCC, die Immuntherapie eine aussichtsreiche Behandlungsoption für MCC-Patienten darstellt. Nichtsdestotrotz müssen die derzeitigen immuntherapeutischen Methoden zur Behandlung solider Tumore die Vielzahl von Tumor „immune escape“ Mechanismen mitberücksichtigen, um die Ansprechrate zu erhöhen. Die Tatsache, dass die hier beschriebenen „immune escape“ Mechanismen durch HDAC-Inhibition aufgehoben werden können, spricht für die Hypothese, dass eine Kombination von „epigenetischem Priming“ mit derzeitig untersuchten immuntherapeutischen Ansätzen sinnvoll ist.

Merkel cell carcinoma (MCC) is a rare and aggressive skin cancer. In approximately 80% of cases, genomic integration of the Merkel cell polyomavirus (MCPyV) is observed and overexpression of the two MCPyV T antigens (TAgs) is regarded as the main oncogenic determinant of MCPyV-positive MCC cases. However, the nature of the cells from which MCC arises is unknown. Therefore, the goal of the present work was to determine the cell of origin of MCC. First, we characterized MCC patients’ tumors and demonstrated a high similarity of MCPyV- negative MCC with extracutaneous neuroendocrine carcinoma while MCPyV-positive MCC differs from these two groups with respect to morphology, immunohistochemical profile, genetics, origin and behavior. Based on the analysis of a trichoblastoma/MCC combined tumor, we demonstrated that a MCPyV-positive MCC can arise following MCPyV integration in an epithelial cell. In addition, the high similarity between trichoblastoma cells and Merkel cell (MC) progenitors of the hair follicle suggests that these hair follicle cells may represent a general start point for the development of MCPyV-positive MCC. A contribution of the viral TAgs to the development of the characteristic Merkel cell-like MCC phenotype is suggested by experiments demonstrating induction of Merkel cell markers upon TAg expression in human primary keratinocytes or hair follicle cells. As potential mechanisms mediating these phenotypic changes, we identified the capability of MCPyV LT to repress degradation of master regulator of MC development, i.e. the transcription factor ATOH1. To conclude, our work suggests that MCPyV integration in epithelial cells of the hair follicle may represent an important path for MCC development. / Das Merkelzellkarzinom (MCC) ist ein seltener und aggressiver Hautkrebs. In etwa 80% der Fälle wird die genomische Integration des Merkelzell-Polyomavirus (MCPyV) beobachtet und die Überexpression der beiden MCPyV-T-Antigene (TAgs) gilt als die wichtigste onkogene Determinante der MCPyV-positiven MCC-Fälle. Die Ursprungszelle des MCC ist jedoch bisher unbekannt. Daher war das Ziel der vorliegenden Arbeit, die Hinweise auf die Herkunftszelle zu generieren. ...

Für Patienten mit malignem Melanom im Stadium der Fernmetastasierung gibt es bis heute lediglich Therapieoptionen mit sehr eingeschränkten Erfolgsaussichten. Diese Tatsache bestätigt die Notwendigkeit von Biomarkern zur Vorhersage des Erfolgs verschiedener Therapien. Der ATP-basierende ex vivo Chemosensitivitätsassay hat sich als erfolgreiche Methode zur individuellen Vorhersage eines Chemotherapieerfolgs herausgestellt. Tatsächlich zeigte der Assay ein heterogenes Sensitivitätsprofil gegen verschiedene Chemotherapeutika und ließ in getesteten Patienten ein ex vivo wirksames Chemotherapieregime identifizieren, das anschließend auch klinische Therapieerfolge bei Verwendung der Therapie mit dem besten individuellen Chemosensitivitätsindex(BICSI) zeigte. Um diesen sehr aufwendigen Assay zukünftig zu umgehen, sollten in der vorliegenden Arbeit prädiktive molekulare Biomarker der Chemosensitivität identifiziert werden. Hierfür wurden im Voraus durch einen Microarray die Kandidaten Secernin 1 (SCRN1), Lysyl oxidaselike 1 (LOXL1), Thymosin beta 4 X-linked (TMSB4X), Vesicle-associated membrane protein 5 (VAMP5) und Serine protease inhibitor B1 (SERPINB1) als differentiell exprimierte Gene in chemosensitivem gegenüber chemoresistentem Gewebe identifiziert. Die relative Expression dieser Kandidatengene wurde daraufhin in bis zu 128 verschiedenen Melanomgeweben mit dem Chemosensitivitätsindex verschiedener Chemotherapeutika korreliert. Hierbei konnte eine signifikante Korrelation zwischen SerpinB1 mit der Chemosensitivität gegenüber der Therapiekombination mit Paclitaxel und Cisplatin auf Gen- aber nicht auf Proteinebene identifiziert werden. Weiterhin konnte eine differentielle Expression ebenfalls in chemosensitiven und -resistenten Melanomzelllinien nachgewiesen werden, die allerdings im Vergleich mit dem analysierten Gewebe in gegensätzlicher Richtung verlief. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass SerpinB1 ein vielversprechender Marker für die Chemosensitivität gegenüber Paclitaxel und Cisplatin ist, dessen funktionelle Bedeutung aber unklar bleibt. Das Merkelzellkarzinom (MCC) ist ein seltener und hoch aggressiver Tumor der mit dem Merkelzellpolyomavirus (MCV) in Zusammenhang steht. Da MCC Zelllinien zur Aufrechterhaltung ihrer Viabilität die MCV T-Antigene benötigen, könnte der Einsatz von Interferonen (IFN) ein möglicher therapeutischer Ansatz zur Behandlung dieser Krebserkrankung sein. In der vorliegenden Arbeit haben wir daher die Effekte von IFNs auf MCC Zelllinien, mit besonderer Berücksichtigung der MCV+ Linien, untersucht. IFNs vom Typ I (hier Multiferon, ein Mix verschiedener IFN α Subtypen, und IFN β) wirkten stark inhibierend auf die zelluläre Viabilität. Die Zellzyklusanalyse zeigte eine Erhöhung des sub-G Anteils der Zellen nach Behandlung mit IFN, was auf Apoptose als ausschlagebenden Grund schließen ließ. Diese Effekte waren für die Behandlung mit IFN β weniger stark ausgeprägt. Der inhibitorische Effekt von Typ I IFNs auf MCV+ MCC Zelllinien war assoziiert mit einer verringerten Expression des viralen großen T-Antigens (LTA) und einer Erhöhung in der Expression von promyelocytic leukemia protein (PML), das dafür bekannt ist, die Funktion des LTA störend zu beeinflussen. Zusätzlich führte die intratumorale Anwendung von Multiferon in vivo zu einer Regression im Wachstum von MCV+, aber nicht MCV- MCC Xenotransplantaten. Die Ergebnisse zeigen das Typ I IFNs einen starken antitumoralen Effekt haben, der zum Teil durch die Regulierung des LTA herbeigeführt wird. Neben diesen direkten Effekten der IFNs auf die Zellproliferation induzieren diese auch die Expression von MHC Klasse I Molekülen in MCC Zelllinien. Die Durchflusszytometrie zeigte eine Induktion der MHC Klasse I Expression in drei MHC I negativen MCC Zelllinien und eine Erhöhung der Expression, die vor der Behandlung eine geringe Menge an MHC I aufwiesen. Diese Effekte konnten auch in den in vivo Xenotransplantaten beobachtet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Behandlung mit IFN sowohl direkte als auch indirekte Effekte auf das MCC hat und eine breite Anwendung in Patienten mit MCV+ und MCV- Tumoren finden kann. Neben IFNs sind auch Artemisinin und seine Derivate bekannt für ihre antitumoralen und antiviralen Eigenschaften. Daher haben wir den Effekt des Artemisininderivats Artesunate auf MCV+ und MCV- MCC Zelllinien getestet. Tatsächlich konnten wir auch hier einen antiproliferativen Effekt des Stoffes nachweisen, der stärker auf MCV+ als auf MCV- Zelllinien wirkte und bei ersteren wiederum mit einer reduzierten LTA Expression einherging. Im Vergleich dazu blieben Fibroblasten von der Behandlung unbeeinflusst. Das verringerte Tumorwachstum konnte ebenfalls für in vivo Xenotransplantationsmodelle gezeigt werden. Auf Grundlage dieser Erkenntnis sollte eine genauere Untersuchung dieses alten Naturheilstoffes für die Behandlung von MCC Patienten in Betracht gezogen werden. / For melanoma patients with distant metastases all available therapeutic options demonstrate only very limited efficacy up to date. This fact substantiates the need of predictive markers for therapy response. For example, ex-vivo chemosensitivity testing by an ATP-based luminescence assay is a promising tool to predict the individual outcome of different chemotherapy regimens. Indeed, this assay demonstrates a heterogeneous chemosensitivity against different cytotoxic drugs which correlates with chemotherapy outcome in terms of therapy response and overall survival; for the treatment of the patient the drug with the best individual chemosensitivity index(BICSI) is used. To circumvent this elaborate assay in the future, we want to identify and characterize predictive molecular biomarkers of specific chemosensitivity. Initially, predictive biomarker aspirants were identified by a microarray comparing chemosensitive and chemoresistant melanoma cell lines. To this end, we found Secernin 1 (SCRN1), Lysyl oxidaselike 1 (LoxL1), Thymosin beta 4 X-linked (TMSB4X), Vesicleassociated membrane protein 5 (Vamp 5) and Serine protease inhibitor B1 (SerpinB1) as differential expressed in chemosensitive versus chemoresistant melanoma cells. Furthermore, we correlated the relative expression of our candidates with the chemosensitivity index of different chemotherapy regimes in up to 128 melanoma tissues so far. Importantly, we found a significant correlation between SerpinB1 gene but not protein expression and chemosensitivity towards Paclitaxel and Platin. Moreover, we also detected a differential expression of SerpinB1 in melanoma cell lines which however was running in reverse direction compared to the analyzed tissues. In conclusion, SerpinB1 seems to be a promising biomarker for prediction of Paclitaxel and Platin chemosensitivity. Merkel cell carcinoma (MCC) is a rare and highly aggressive skin cancer associated with the Merkel cell polyomavirus (MCV). As MCC cell lines demonstrate oncogene addiction to the MCV T-antigens, pharmacological interference of the large T-antigen(LTA) may represent an effective therapeutic approach for this deadly cancer. In this study, we investigated the effects of interferons (IFNs) on MCC cell lines, especially on MCV positive (MCV+) lines. Type I IFNs (i.e. Multiferon, a mix of different IFN α subtypes, and IFN β) strongly inhibited the cellular viability. Cell cycle analysis demonstrated increased sub-G fractions for these cells upon IFN treatment indicating apoptotic cell deathν these effects were less pronounced for IFN β. Notably, this inhibitory effect of type I IFNs on MCV+ MCC cell lines was associated with a reduced expression of the MCV LTA as well as an increased expression of promyelocytic leukemia protein (PML), which is known to interfere with the function of the LTA. In addition, the intra-tumoural application of multiferon resulted in a regression of MCV+ but not MCV- MCCs in vivo. Together, our findings demonstrate that type I IFNs have a strong antitumour effect, which is at least in part explained by modulation of the virally encoded LTA. Moreover, in addition to directly affecting MCC cell proliferation, IFNs strongly reinduce MHC class I expression in MCC cells. Flowcytometry demonstrated a re-induction of MHC class I expression upon IFN treatment in three MHC class I- MCV+ cell lines and an increase in MHC class I expression in cell lines that were characterized by a weak expression prior to treatment. Importantly, the increase or induction of MHC class I expression could also be demonstrated in vivo in xenotransplantation models. These results imply that IFN treatment has both a direct and an indirect effect in MCC and should be applicable in a general manner, i.e. irrespective of the MCV status of the patient. Beside IFN, Artemisinins are also known for their antitumoral and antiviral properties. In consequence, we tested the effect of Artesunate, i.e., an Artemisinin drivate, on MCV+ and MCV- MCC cell lines. In this regard, we could demonstrate an antiproliferative effect which was stronger on MCV+ cell lines, and which was associated with a reduced expression of the viral LTA. In contrast, fibroblasts were uneffected by Artenusate treatment. The reduced tumor growth could also be shown in vivo by intra-tumoral injection of Artesunate in MCV+ xenotransplantation models. According to these findings, a more detailed investigation of this ancient natural drug for the treatment of MCC patients should be considered.