Einleitung: Der seit über 30 Jahren ausgiebig erforschte Transkriptionsfaktor p53 besitzt offenbar Funktionen, die über seine bekannte und gut untersuchte Aktivität als Tumorsuppressor hinausgehen. So scheint er auch an der Regulation der menschlichen Lebenserwartung - über die Vermittlung einer allgemeinen physischen Robustheit - sowie der weiblichen Fertilität beteiligt zu sein. Insbesondere Primaten zeichnen sich durch eine vergleichsweise lange Lebenserwartung und eine lange reproduktive Phase aus. Ob p53 hier eine Rolle spielen könnte, ist unbekannt. Unsere Arbeitsgruppe entdeckte vor einigen Jahren das humane endogene Retrovirus-K (HERV-K) Protein Np9, dessen Gen sich in mehreren Kopien nur bei Menschen, Schimpansen und Gorillas findet. Weitere Untersuchungen wiesen außerdem darauf hin, dass Np9 an den Tumorsuppressor p53 zu binden vermag. Ziele der Untersuchungen: Es stellte sich also die Frage, ob die Funktion von p53 durch die Bindung an Np9 moduliert werden kann. Eine derartige Modulation des multifunktionellen Transkriptionsfaktors wäre natürlich auf Hominiden beschränkt. In der vorliegenden Arbeit sollten einige Teilaspekte der Interaktion von p53 und Np9 näher untersucht werden. Material und Methoden: Für die Bindungskartierung von p53 und Np9 wurden GST-Pulldown-Analysen durchgeführt. Die GST-Protein-Plasmide wurden in E.coli BL21 transformiert und nach Induktion mit IPTG exprimiert. Sie dienten als „Fängerproteine“ und waren dank ihres Glutathion-S-Transferase-tags in der Lage an GST-Sepharose-Kügelchen zu binden. Der putative Interaktionspartner als „Beuteprotein“ wurde in vitro translatiert und in diesem Zuge auch mit 35S radioaktiv markiert. Dann wurde er mit den an die Beads gebundenen GST-Proteinen inkubiert und anschließend die Proben auf ein SDS-Gel aufgetragen und aufgetrennt. Das Gel wurde anschließend auf eine Membran übertragen und der Blot auf einen Radioaktivfilm aufgelegt, woraufhin die Protein-Protein-Bindungen anhand des radioaktiven Beuteproteins als Banden erkennbar waren. Abschließend wurde der Blot mit GST-Antikörper inkubiert, dann am Folgetag mit Anti-Mouse-Antikörper. Mittels ECL Substrat konnte nun die Bindung der GST-getaggten Proteine an die Sepharosebeads nachgewiesen werden. Für den Electrophoretic Mobility Shift Assay wurden verschiedene Versuchsansätze pipettiert, welchen nach einer Inkubationszeit das zuvor mit 32P radioaktiv markierte Oligonukleotid zugegeben wurde. Nach erneuter Inkubation wurden die Proben auf das nicht-denaturiende EMSA-Gel aufgetragen und elektrophoretisch aufgetrennt. Dabei wurden die Protein-Oligonukleotid-Verbindungen gemäß ihrer Ladung, Größe und Konformation getrennt. Die Gele wurden im Geltrockner getrocknet und direkt mit einer Verstärkerfolie auf den Radioaktivfilm in einer Radioaktivkassette aufgelegt. Ergebnisse: Zunächst war es notwendig, die Bindung der beiden Partner biochemisch zu kartieren. Dies geschah mittels der GST-Pulldown-Analyse, in der Fragmente der Proteine exprimiert, miteinander inkubiert und schließlich kopräzipitiert wurden. Es stellte sich heraus, dass p53 mit seinem C-Terminus an Np9 bindet. Np9 hingegen band mit seinen Aminosäureresten (aa) 1-64 (ohne den C-terminus mit den aa 65-74) an p53. Das Np9-Fragment 36-74 zeigte nur eine schwache Bindung an p53. Interessanterweise band das Np9-Fragment 36-64 stärker an p53 als Volllängen-Np9 (1-74), was auf eine die Interaktion hemmende Domäne im C-Terminus von Np9 hinweisen könnte. Um zu untersuchen, ob die Bindung von Np9 an den C-Terminus von p53 die p53-DNA-Interaktion beeinflusst, wurden Electrophoretic Mobility Shift Assays (EMSAs) durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass Np9-zumindest in vitro-durch Bindung an die regulatorische Domäne von p53 und in Anwesenheit des p53-aktivierenden Antikörpers PAb421 in der Lage war, die spezifische Bindungsfähigkeit von p53 an DNA zu erhöhen und somit seine Funktion als Transkriptionsfaktor zu unterstützen. Schlussfolgerungen: Die Resultate weisen also erstmals darauf hin, dass das nukleäre HERV-K Protein Np9 spezifisch in Hominiden eine p53-abhängige Tumorsuppressoreigenschaft aufweisen könnte. Weitere Untersuchungen-insbesondere in vivo-sind nun notwendig. Dies könnte auch als Forschungsgrundlage zu endogenen Retrovirusproteinen beim Pferd dienen.:1 Einleitung und Zielsetzung der Arbeit 1 2 Literaturübersicht 2 2.1 Der Tumorsuppressor p53 2 2.2 Das Kernprotein Np9 7 2.2.1 Retroviren 7 2.2.2 Endogene Retroviren 8 2.2.3 Humane endogene Retroviren 8 2.2.4 HERV-K 10 2.2.5 Das nukleäre Protein Np9 10 3 Material und Methoden 15 3.1 Material 15 3.1.1 Chemikalien 15 3.1.2 Puffer und Lösungen 17 3.1.3 Antikörper 21 3.1.4 Enzyme 22 3.1.5 Reaktionskits 22 3.1.6 Bakterienstämme 23 3.1.7 Kulturmedien 23 3.1.8 Oligonukleotide für EMSA 23 3.1.9 Größenstandards 24 3.1.10 Plasmide 26 3.2 Methoden 28 3.2.1 Nukleinsäuretechniken 28 3.2.2 Protein-Methoden 31 3.2.3 Prokaryonten 40 4 Ergebnisse 42 4.1 Interaktion zwischen Np9 und dem Tumorsuppressorprotein p53 42 4.2 GST-Pulldown 43 4.2.1 Klonierung für die GST-Pulldown-Analysen 43 4.2.2 Induktion der Proteinexpression 48 4.2.3 GST-Pulldown-Experimente 53 4.3 EMSA (Electrophoretic Mobility Shift Assay) 57 4.3.1 Radioaktive Markierung der Sonden 58 4.3.2 EMSA-Experimente 58 5 Diskussion 63 6 Zusammenfassung 68 7 Summary 70 8 Literaturverzeichnis 72 Danksagung 86 Abbildungsverzeichnis 87 Tabellenverzeichnis 88 / Introduction: The transcription factor p53, extensively investigated for over 30 years, apparently has functions which exceeds his known and well examined activity as a tumor suppressor. It seems to be involved in the regulation of the human life expectancy – by providing a general physical robustness - as well as of the female fecundity. Primates too are characterized by a comparatively long life expectancy and long reproductive phases, yet the possible influence of p53 is unknown. Our research group has discovered some years ago the Np9 protein of human endogenous retrovirus K (HERV K), which is found in several copies only with humans, chimpanzees and gorillas. Other investigations by our group suggested that Np9 might be able to interact with the tumor suppressor p53. Objective of the investigations: To study whether the function of p53 can be modulated by the interaction with Np9. Such a modulation of the multifunctional transcription factor would of course be limited to hominids. In the present work some aspects of the interaction between p53 and Np9 were analysed. Materials and methods: For the mapping of the interaction of p53 and Np9, GST pulldown assays were carried out. The GST protein plasmids were transformed in E. coli BL21 and expressed after IPTG induction. They served as bait proteins and bound to GST sepharose beads because of their Glutathione S-transferase-tags. The putative interaction partner as a prey protein was translated in vitro and radioactively marked with 35S. After being incubated with the GST-proteins bound to the beads, the samples were transferred on a SDS gel and separated. The gel was transferred to a membrane and the blot was exposed to an X-ray film. Thus, the radioactively labelled prey protein forms bands that identify the protein-protein interaction. Finally the blot was incubated with GST antibody, then on the following day with anti-mouse antibody. Using ECL-substrate it was now possible to demonstrate that the GST-tagged proteins bound to the sepharose beads. For the Electrophoretic Mobility Shift Assay different samples were prepared and, after an incubation time, the oligonucleotide radioactively marked with 32P was added. After additional incubation it was transferred on non-denaturating EMSA gel and separated by electrophoresis. Thus the protein oligonucleotide conjugates were separated according to charge, size and conformation. The gels were dried in the gel dryer, transferred to a membrane and placed against an X-ray film in a cassette. Results: Initially a biochemical mapping of the binding of the two partners had to be carried out. This was done by means of the GST pulldown assay, in which fragments of the proteins were extruded, incubated together and finally co-precipitated. It turned out that the C-terminus of p53 bound to Np9. However, Np9 bound to p53 with his amino acid residues (aa) 1-64 (lacking the C-terminal aa 65-74). The Np9 fragment 36-74 showed only a weak binding to p53. Interestingly the Np9 fragment 36-64 was binding stronger to p53 than a full length Np9 (1-74), which could point to a C-terminal domain in Np 9 inhibiting the interaction. In order to examine whether the binding of Np9 to the C-terminal of p53 affects the interaction of p53 with DNA, Electrophoretic Mobility Shift Assays (EMSAs) were carried out. It could be shown that Np9 was able to raise the specific binding ability of p53 with DNA and to support therefore its function as a transcription factor, by binding to the regulatory domain of p53 in presence of the activating p53 antibody PAB421. Conclusions: The results show for the first time that, specifically in hominids, the nuclear HERV-K protein Np9 could have a tumor suppressing quality that is dependent on p53. Further investigations, in particular in vivo, are necessary. This could be the starting point for research on equine endogenous retrovirusproteins in horses.:1 Einleitung und Zielsetzung der Arbeit 1 2 Literaturübersicht 2 2.1 Der Tumorsuppressor p53 2 2.2 Das Kernprotein Np9 7 2.2.1 Retroviren 7 2.2.2 Endogene Retroviren 8 2.2.3 Humane endogene Retroviren 8 2.2.4 HERV-K 10 2.2.5 Das nukleäre Protein Np9 10 3 Material und Methoden 15 3.1 Material 15 3.1.1 Chemikalien 15 3.1.2 Puffer und Lösungen 17 3.1.3 Antikörper 21 3.1.4 Enzyme 22 3.1.5 Reaktionskits 22 3.1.6 Bakterienstämme 23 3.1.7 Kulturmedien 23 3.1.8 Oligonukleotide für EMSA 23 3.1.9 Größenstandards 24 3.1.10 Plasmide 26 3.2 Methoden 28 3.2.1 Nukleinsäuretechniken 28 3.2.2 Protein-Methoden 31 3.2.3 Prokaryonten 40 4 Ergebnisse 42 4.1 Interaktion zwischen Np9 und dem Tumorsuppressorprotein p53 42 4.2 GST-Pulldown 43 4.2.1 Klonierung für die GST-Pulldown-Analysen 43 4.2.2 Induktion der Proteinexpression 48 4.2.3 GST-Pulldown-Experimente 53 4.3 EMSA (Electrophoretic Mobility Shift Assay) 57 4.3.1 Radioaktive Markierung der Sonden 58 4.3.2 EMSA-Experimente 58 5 Diskussion 63 6 Zusammenfassung 68 7 Summary 70 8 Literaturverzeichnis 72 Danksagung 86 Abbildungsverzeichnis 87 Tabellenverzeichnis 88

Daten des humanen Genomprojektes zeigen, dass ca. 8% des gesamten humanen Genoms aus retroviralen Sequenzen besteht. Der überwiegende Teil dieser Proviren ist aufgrund verschiedener Mutationen defekt. Im Gegensatz zu allen anderen HERV Proviren scheinen einige HERV-K Proviren intakt zu sein und besitzen offene Leserahmen für alle viralen Proteine. Die Familie des humanen endogenen Retrovirus K HML2 umfasst ca. 30 eng verwandte Proviren. Zusätzlich zu den Strukturproteinen Gag und Env und der Reversen Transkriptase, exprimiert HERV-K zwei regulatorische Proteine, Rec und Np9. Beide sind im Nukleus lokalisiert und tumorigene Eigenschaften bzw. eine Expression in Assoziation mit Tumorgeweben wurde nachgewiesen. Neben Zelllinien, wie die Teratokarzinomzelllinie GH und einigen Brustkrebszelllinien, für die die Expression von HERV-K mRNA und die Produktion von Viruspartikeln bekannt ist, konnte die Expression von HERV-K Proteinen und Partikeln für Melanomzellen gezeigt werden. Volllängen mRNA von HERV-K war in allen untersuchten humanen Proben nachweisbar. Gespleißtes env und rec war in 39% der Gewebe und in 38% der Melanomzelllinien exprimiert. Zusätzlich werden HERV-H, -R und -W exprimiert. Von den auf spezifische Antikörper gegen HERV-K Proteine untersuchten Seren der Melanompatienten waren 16% positiv für das transmembrane Hüllprotein, jedoch reagierte kein Serum mit Re oder Np9. Da im Zuge der Entstehung von Tumoren immer auch eine Dedifferenzierung der entarteten Zellen diskutiert wird, wurde die Expression von HERVs in undifferenzierten, embryonalen Stammzellen bestimmt. In den untersuchten embryonalen Stammzellen lässt sich Volllängen mRNA, sowie gespleißte env, rec und np9 mRNA nachweisen. Während der Differenzierung zu neuronalen Vorläuferzellen sinkt die Expression jedoch wieder auf ein mit normalen Zellen vergleichbares Niveau. Obwohl gespleißte RNA und virale Proteine von HERV-K vor allem in Tumoren und Tumorzelllinien exprimiert werden, ist deren Funktion während der Tumorentstehung noch immer ungeklärt. Auch die Bedeutung der HERV-K Expression in humanen Stammzellen ist noch unklar, insbesondere in Hinblick auf eine mögliche Tumorigenität. / In contrast to all other human endogenous retroviruses, proviruses of the human endogenous retrovirus family HERV-K have maintained open reading frames for all viral proteins. Although most proviruses are defective, structural proteins Gag and Env, the reverse transcriptase and two regulatory proteins, Rec and Np9, have been described. Rec resembles the Rev protein of HIV and tumourigenic potential was confirmed. Np9 as well is located in the nucleus and expression in association with tumour tissues was observed. Additionally to cell lines known to produce HERV-K virus particles, such as the teratocarcinoma cell line GH and breast cancer cell lines, recently melanoma cells were described to express HERV-K proteins and particles. In order to study the expression of HERV-K, -H, -R and -W, in melanoma cell lines and biopsies primer sets were used. Antisera specific for HERV-K proteins were used for immunohistochemistry and sera from melanoma patients were investigated for HERV-K specific antibodies. Full length mRNAs of all HERVs were found in all human cells. Spliced env and rec of HERV-K were detected in 39% of the melanoma biopsies and in 38% of the melanoma cell lines. Expression of HERV-K in situ was shown by immunohistochemistry. In addition, 16% of the patients sera tested showed antibodies against the HERV-K transmembrane envelope protein, but no antibodies against Np9 or Rec could be detected. A certain dedifferentiation of cells as a consequence of tumour development is discussed. Therefore the expression of HERV-K in undifferentiated embryonic stem cells was investigated. The investigated stem cells showed expression of HERV-K full length, env, rec and np9 mRNA. Although the expression decreased with differentiation to neuronal precursor cells. Even though HERV-K mRNA and proteins were expressed in a high percentage of melanomas their function in tumour development is still unclear. As well as the meaning of the HERV-K expression in embryonic stem cells, particularly for a tumourigenic potential.