Ein charakteristisches Merkmal des humoralen Immunsystems ist die Produktion vieler verschiedener Antikörper. Geläufige diagnostische Tests für den Nachweis von Krankheit-spezifischen Serumantikörpern nutzen Antigene zum Nachweis der Krankheit via Antikörperbindung. Derartige diagnostische Tests setzen jedoch die Kenntnis von Krankheit-spezifischen Antigenen voraus. Die vorliegende Arbeit berücksichtigt die unterschiedlichen Bindungsreaktivitäten ganzer Antikörperrepertoires verschiedener Gruppen von Individuen. Dazu werden die Serumantikörperbindungen gegenüber Zufallsbibliotheken gemessen. Die Moleküle dieser beliebigen Bibliotheken müssen keine Verwandtschaft zu den Antigenen der Krankheit haben. Mit modernen Herstellungsverfahren von Peptidarrays auf Glasträgern können mit einmal synthetisierten Peptiden hunderte von Träger-Replikas produziert werden. Die Suche nach hochaffinen Bindern zur Diagnose von Krankheiten mit unbekannten Antigenen oder mit Kreuzreaktivitäten zwischen gesunden und kranken Individuen könnte überflüssig werden. Gestützt auf die beschriebenen Voraussetzungen zeigt die vorliegende Arbeit, dass die Messung von Serumantikörper-Bindungen gegenüber Peptidbibliotheken mit zufälligen Sequenzen die Unterscheidung zwischen Gruppen von gesunden und kranken Individuen für unterschiedliche Krankheiten ermöglicht. Eine unerwartet kleine Anzahl von Peptiden ist ausreichend für eine zuverlässige Vorhersage der untersuchten Gruppen. Der unvoreingenommene Ansatz ermöglicht eine ebenso gute Unterscheidung von gesund und krank, wie sie auch mit voreingenommenen Bibliotheken gezeigt worden sind. Wir vermuten, dass der vorliegende Ansatz ein wichtiger Schritt in Richtung zuverlässiger Diagnose darstellt, insbesondere für Krankheiten mit noch unbekannten Antigenen. Ausserdem bietet die hohe Spezifizität der Detektone und deren kleinen Mitgliederzahl eine Grundlage für die gleichzeitige Diagnose von verschiedenen Krankheiten auf einem einzigen Peptid-Mikroarray. / A characteristic trait of the humoral immune system is the production of lots of different antibodies. Commonly used diagnostic tests for the detection of disease-specific serum-antibodies successfully exploit these antibody reactivities against disease eliciting antigens. Such diagnostic tests do however need the knowledge of disease specific antigen as a prerequisite. The presented work looks at the binding reactivities of whole antibody repertoires of different groups of individuals. Therefore the binding of serum-antibodies are measured against arbitrary probe molecule libraries. The arbitrary molecules of such libraries do not need to be related to the antigens of the disease to be diagnosed. Modern synthesis and printing processes of peptides on glass chips arrays allow the production of hundreds or peptide-chip replicas with small amounts of uniquely synthesized peptides. The search for high-affinity binders for the diagnosis of diseases with no known antigens might become redundant. Based on the described premises the presented work demonstrates the differentiation of different diseases by means of antibody serum reactivity differences towards arbitrary peptide libraries between healthy and diseased individuals. The number of peptides necessary for reliable prediction of the investigated groups of individuals are unanticipated small. The unbiased approach of the library design works as well as it possibly could with intended libraries, like whole-proteome arrays, used in recent other works. We presume our approach to be an important step forward towards reliable diagnosis, in particular for diseases caused by yet unknown antigens. Furthermore, the high specificity of the detectons and their smallness in size might provide a basis for simultaneous diagnosis of various diseases on a single peptide microarray.

Die Modifizierung von Proteinsequenzen unter anderem durch den Austausch von Aminosäuren ist ein zentraler Aspekt in evolutionären Prozessen. Solche Prozesse ereignen sich nicht nur innerhalb großer Zeiträume und resultieren in der Vielfalt des Lebens, das uns umgibt, sondern sind auch täglich beobachtbar. Diese mikroevolutionären Prozesse bilden eine Grundlage zur Immunabwehr höherer Wirbeltiere und werden durch das humorale Immunsystem organisiert. Im Zuge einer Immunantwort werden Antikörper wiederholt der Diversifizierung durch somatische Hypermutation unterworfen. Ziele dieser Arbeit waren, neue Kenntnisse über die Mikroevolution von Antikörpern während der Immunantwort zu gewinnen und die Beziehung zwischen Aminosäureaustauschen und Affinitätsänderungen zu verstehen. Zu diesem Zweck wurde zunächst gezeigt, dass die SPOT Synthese eine präzise Methode ist, um Signalintensitäten drei verschiedenen Bindungsaffinitätsklassen zuzuordnen. Antikörper-Peptid Bindungsdaten, die aus SPOT Synthese Experimenten generiert wurden, bildeten die Grundlage zur Konstruktion der Substitutionsmatrix AFFI - der ersten Substitutionsmatrix, die ausschließlich auf Bindungsaffinitätsdaten beruht. Diese bildete die Grundlage für die Gewinnung eines reduzierten Aminosäuresatzes. Durch einen theoretischen Ansatz konnte gezeigt werden, dass der reduzierte Aminosäuresatz eine optimale Basis für die Epitopsuche darstellt. Für den Prozess der somatischen Hypermutation und Selektion wurde ein neuer Ansatz präsentiert, um für die Affinitätsreifung relevante Mutationen zu identifizieren. Die Analyse zeigte, dass das Spektrum der selektierten Mutationen viel umfangreicher ist als bisher angenommen wurde. Die Tatsache, dass auch einige stille Mutationen stark bevorzugt werden, deutet darauf hin, dass entweder die intrinsische Mutabilität stark unterschätzt wurde oder, dass Selektion nicht nur auf Affinitätsreifung von Antikörpern basiert sondern auch auf ihrer Expressionsrate. / A central task of the evolutionary process is the alteration of amino acid sequences, such as the substitution of one amino acid by another. Not only do these amino acid changes occur gradually over large time scales and result in the variety of life surrounding us, but they also happen daily within an organism. Such alterations take place rapidly for the purposes of defense, which in higher vertebrates, is managed by the humoral immune system. For an effective immune response, antibodies are subjected to a micro-evolutionary process that includes multiple rounds of diversification by somatic hypermutation resulting in increased binding affinity to a particular pathogen. The goal of this work was to provide insights into the microevolution of antibodies during the immune response, including the relationship between amino acid substitutions and binding affinity changes. A preliminary step in this work was to determine the accuracy of the SPOT synthesis technique, which could be shown to be an accurate method for assigning measured signal intensities to three different binding affinity classes. A substitution matrix based on data produced with these binding experiments was constructed and named AFFI. AFFI is the first substitution matrix that is based solely on binding affinity. A theoretical approach has additionally revealed that an AFFI-derived reduced set of amino acids constitutes an optimal basis for epitope searching. For the process of somatic hypermutation and selection, a novel approach to identify mutations relevant to affinity maturation was presented. The analysis revealed that the spectrum of mutations favored by the selection process is much broader than previously thought. The fact that particular silent mutations are strongly favored indicates either that intrinsic mutability has been grossly underestimated, or that selection acts not only on antibody affinity but also on their expression rates.