Ein wirksames Immunsystem erfordert das Zusammenspiel von zellulären und humoralen Komponenten, die sich in den frühen Lebensphasen der Organismen entwickeln. Die meisten Zellen, die in die Immunantwort involviert sind, leiten sich aus Stammzellen des Knochenmarks ab. Deshalb wurde bei Organismen ohne Endoskelett - den Invertebraten - keinerlei Fähigkeiten zu Immunreaktionen angenommen. Der Evolutionserfolg der Invertebraten zeigt jedoch, daß sie in der Lage sind, sich pathogenen Keimen und Parasiten erfolgreich zu widersetzen. Markant für viele immunologische Prozesse in Invertebraten ist die äußerst starke Erstreaktion (Humphreys und Reinherz, 1994). Die vorgelegten Untersuchung wurde an einer nicht induzierbaren, sondern natürlichen vorkommenden Erstreaktion (lytischen Aktivität) durchgeführt. Die Analyse des lytischen Prozesses schloß neben der Isolierung und Charakterisierung eines Hämolysins (Eiseniapore) aus Eisenia fetida fetida und eines Eiseniapore-regulierenden Faktors (ERF) - einem hier erstmals nachgewiesenen Hämolysin- Regulator bei Invertebraten - die Aufklärung der Eiseniapore -Membran- Wechselwirkung an Lipidmembranen ein. Hierbei bildeten Leakage-messungen an Liposomen mit unterschiedliche r Lipidzusammensetzung einen experimentellen Schwerpunkt. Diese Messungen ermöglichten zum einen die Identifizierung des Lipidrezeptors Sphingomyelin, der die Bindung Eiseniapores an der Targetmembran vermittelt, und zum anderen geben sie einen Hinweis auf eine spezielle Wechselwirkung von Sphingomyelin mit Cholesterol. Die Einteilung tierischer Toxine erfolgt nach Bernheimer (1996) in einer ersten Grobansprache in Sphingomyelin-inhibierbare und in Thiol-aktivierbare Proteine. Eiseniapore ist das erste beschriebene Toxin, daß sich in diese dichotome Ordnung nicht einteilen läßt, da es durch Thiolgruppen aktiv iert werden kann und außerdem durch Sphingomyelin inhibierbar ist. Trotz der Fähigkeit der unmittelbaren Erkennung ohne vorherigen Kontakt gelten die Immunantworten der meisten Invertebraten als sogenannte 'langsame Immunreaktionen' (Humphreys und Reinherz, 1994). Mit den in dieser Arbeit vorgestellten Leakagemessungen werden zum ersten Mal sehr schnelle Reaktionen bei Anneliden beschrieben. Die Kinetik des Leakagevorgangs folgt einer Reaktion 2. Ordnung, woraus geschlossen werden kann, daß Eis eniapore an einem Punkt des Leakageprozesses als Dime agier t. Die Sekundärstruktur Eiseniapores erfährt während der Membranbindung keine signifikante Änderung: 37% b-sheet, 28% a-helix, 17% b-turn und 18% Zufallsknäuel. Somit gehört Eiseniapore zu den wenigen membranaktiven Toxinen mit einem hohen Anteil an b-sheet Strukturen, einer Gruppe von Proteinen, über die im Gegensatz zu den a-helikalen Proteinen nur sehr wenig Informationen vorliegen (van der Goot et al., 1997). Durch Elektronenmikroskopie und Elektrophorese wurde die eigentliche lytische Struktur an der Targetmembran identifiziert. Es ist eine Proteinpore, bestehend aus sechs Eiseniapore-Monomeren, die einen Tunnel in der Membran bilden, der anderen Porenformern (Komplement) gleicht. Da lytische Proteine für viele Organismen beschrieb en werden konnten, wurde für die Klassifikation der gewonnen en Details untersucht, ob die membrandestabilisieren den Vorgänge jeweils analog oder homolog zu denen anderer lytischer Proteine sind. Für die lytische Aktivität in E. fetida ssp. wurde bisher eine Analogie (funktionsgleiche Struktur) zu lytischen Proteinen des Komplementsystems verneint (Roch et al., 1995). Die vorgelegten Ergebnisse zeigen jedoch, daß es für die Annahme einer Analogie von Eiseniapore mit dem lytischen Komplex des Komplements zahlreiche Anhaltspunkte gibt. Ein Indiz für die immunologis che Verwandtschaft von Eiseniapore mit der Komplementkomponente C9 und des ERF mit dem Komplementregulator Vitronectin ist neben der gezeigten Kreuzreaktionen der Nachweis, daß der ERF neben der Eiseniapore- auch die Komplement-vermittelte Hämolyse inhibiert, wie auch Vitronectin die Eiseniapore- und die Komplement-induzierte Hämolyse unterdrückt. Dies demonstriert erstmals die Funktionsähnlichkeit lytischer Proteine aus den Stämmen Oligochaeta und Mammalia.

Chlamydien durch die Modulation spezifischer Wirtszellproteine verschiedene Wege der Apoptose verhindern können. Mcl-1 und cIAP-2 erwiesen sich als bedeutende Faktoren, die durch die Infektion hochreguliert und absolut notwendig für die Inhibierung der Apoptose durch Chlamydien waren. Hochregulation der Mcl-1 Expression führte zu einem Block im apoptotischen Weg oberhalb der Mitochondrien. cIAP-2 zusammen mit anderen Inhibitor of Apoptosis Proteins (IAP) verhinderten die Aktivierung von Caspase-3, denfinalen Schritt in der apoptotischen Kaskade. Weiterhin wurde beobachtet, dass die Aktivierung des MAPKinase-Signalweges durch die Infektion wichtig war für die Hochregulierung von Mcl-1 und cIAP-2. Ein Hochdurchsatz-Screen wurde durchgeführt, um andere Wirtszellfaktoren, die für die Apoptoseinhibierung durch die Chlamydien verantwortlich sind, zu identifizieren. Neben Mcl-1 waren die identifizierten Faktoren hauptsächlich Mitglieder des MAPKinase-Signalweges. Dabei wurde deren Rolle für die Apoptoseresistenz bestätigt. Eine weiterführende Analyse der im Screen ermittelten Faktoren identifizierte eine Funktion von HIF-1a bei der Modulation der Expression anti-apoptotischer Faktoren während der Infektion. Es wurde beobachtet, dass HIF-1a stabilisiert und zum Nukleus transloziert wird. Es ist bekannt, dass HIF-1a HIF-1a im Nukleus binden kann, um den funktionalen Transkriptionsfaktor HIF zu bilden. Dieser reguliert die Expression verschiedener Überlebensfaktoren, unter anderem Mcl-1. HIF-1a Knockdown inhibierte die Chlamydien-induzierte Hochregulation von Mcl-1 mRNA-Expression. / chlamydial infection blocked the apoptotic pathway at multiple levels by modulation of specific host cell proteins. Mcl-1 and cIAP-2 were two most prominent factors that were up-regulated during the infection, and absolutely required for apoptosis inhibition. Increased expression of Mcl-1 led to a block in the apoptotic pathway upstream of the mitochondria. cIAP-2, together with other inhibitor of apoptosis proteins (IAPs), blocked the activation of caspase-3 at the final step of the apoptosis cascade. Further, it was observed that the activation of the MAPK pathways during infection was needed for the up-regulation of Mcl-1 and cIAP-2. A high throughput RNAi screen was performed to identify other host factors required for the apoptosis resistance during the infection. Besides Mcl-1, the targets from the screen prominently included members of the MAPK pathways, confirming their role in the apoptosis resistance. Pathway analysis of the targets identified the role of HIF-1a in modulating the expression of the anti-apoptotic factors during infection. It was observed that during infection, HIF-1a gets stabilized and translocates to the nucleus. It is known that HIF-1a can bind to HIF-1a in the nucleus to form the functional transcription factor HIF, which can regulate the expression of survival factors like Mcl-1. This was seen to be the case, because knock down of HIF-1a abrogated the infection induced up-regulation of Mcl-1 at the mRNA levels.

Infektionen lösen eine Immunantwort aus, welche u.a. durch Induktion von Interferonen (IFN) für die Expression von antibakteriell oder antiviral wirkenden Proteinen sorgt. Eines der am stärksten induzierten Gene nach Typ I IFN Stimulation ist das Interferon stimulated gene 15 (ISG15). ISG15 gehört zu den Ubiquitin-ähnlichen Proteinen und wird über eine Enzymkaskade kovalent an zu modifizierende Proteine konjugiert. Sowohl freiem ISG15, als auch ISG15-Konjugaten wurden antivirale Funktionen nachgewiesen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Regulation von ISG15, der ISGylierung und der an der ISGylierung beteiligten Enzyme vergleichend nach Typ I und Typ II IFN Stimulation untersucht. In HeLa Zellen zeigte sich, dass ISG15 und ISG15-Konjugate sowohl nach Typ I, als auch nach Typ II IFN Stimulation gebildet werden. Die Unterschiede in der Menge der ISGylierten Proteine konnten in Zusammenhang mit der unterschiedlich starken Expression der an der ISGylierung beteiligten Enzyme gebracht werden. Durch Inhibition der Expression der einzelnen Enzyme wurde weiterhin nachgewiesen, dass nach Typ I und Typ II IFN Stimulation das gleiche E2-Enzym (UBE2L6), aber unterschiedliche E3-Ligasen an der ISGylierung beteiligt sind. Während die ISGylierung nach Typ I IFN Stimulation größtenteils von der E3-Ligase Herc5 abhängt, zeigte sich, dass nach Typ II IFN Stimulation weitere noch nicht identifizierte ISG15 E3-Ligasen an dem Prozess beteiligt sind. Microarry- und siRNA-Analysen führten zur Identifizierung der potentiellen ISG15 E3-Ligasen UBE3A und ARIH1. Dabei zeigte sich, dass UBE3A nach Typ I und ARIH1 nach Typ II IFN Stimulation einen Einfluss auf die ISGylierung von Proteinen haben. Diese Ergebnisse machen deutlich, dass in HeLa Zellen Typ I und Typ II Interferone die ISGylierung induzieren, wobei sich die Enzymkaskade zwischen den Interferonen auf Ebene der E3-Ligasen unterscheidet. Diese Ergebnisse geben neue Einblicke in die Regulation der IFN vermittelten ISGylierung. / Infections initiate the induction of an immune response that lead to induction of interferons followed by expression of antibacterial and antiviral proteins. One of the most upregulated genes after type I interferon (IFN) stimulation is the Interferon stimulated gene 15 (ISG15). ISG15 belongs to the family of ubiquitin-like modifiers and is covalently attached to target proteins via an enzyme cascade. It was shown that free ISG15 as well as ISG15-conjugates exhibit antiviral functions. In this thesis the regulation of ISG15, ISGylation and the involvement of enzymes after type I and type II IFN treatment were analysed. It could be demonstrated that ISG15 and ISG15-conjugates are generated after type I as well as type II IFN treatment in HeLa cells. Differences in the amount of ISGylated proteins were shown to correlate with the expression of proteins of the enzyme cascade. Inhibition of these enzymes demonstrated that the E2-enzyme UBE2L6 is involved in the ISGylation process after both types of IFN stimulation, whereas different E3-ligases are implicated in ISGylation of proteins after type I and type II IFN stimulation. It could be shown that the E3-ligase Herc5 is involved in type I IFN mediated ISGylation, whereas other not yet identified ISG15 E3-ligases are involved in type II IFN mediated ISGylation. Microarry- and siRNA-assays led to the identification of the putative ISG15 E3-ligases UBE3A and ARIH1, whereas UBE3A had an influence on type I IFN mediated ISGylation and ARIH1 affected the type II IFN mediated ISGylation. In this thesis it could be demonstrated that both types of interferons are able to induce ISGylation in HeLa cells, but different E3 ligases are involved in conjugation of ISG15 to its target proteins after type I and type II IFN induction. These observations give new insights into the regulation of IFN mediated ISGylation.

Neuere Untersuchungen legen eine kardioprotektive Rolle für den Angiotensin AT2-Rezeptor nahe, welcher die Postinfarkt-Entzündungsreaktion vermindert, wobei der zelluläre Mechanismus noch wenig verstanden ist. Das Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die potentielle Rolle des AT2-Rezeptors in der zellulären Immunantwort auf ischemische Herzverletzungen zu ergründen. Sieben Tage nach myokardialem Infarkt in Ratten wurde der AT2-Rezeptor mittels Immunfluoreszenzfärbung von Gewebeschnitten in einer CD8 T-Zellfraktion detektiert, die das Peri-Infarkt-Myokard infiltiert hatte. Wir haben eine Methode entwickelt, die es mittels kombinierter MACS und FACS Technilogie ermöglicht, CD8+AT2R+ T-Zellen aus dem Myokard zu isolieren und zu analysieren. Im Gegensatz zu den CD8+AT2R- T-Zellen, die in Kultur sowohl auf adulte als auch auf fötale Kardiomyozyten stark zytotoxisch wirkten, zeigten die CD8+AT2R+ T-Zellen keinerlei Zytotoxizität. Die CD8+AT2R+ T-Zellen zeigten eine erhöhte Expression von IL-10 und eine geringere mRNA Expression von IL-2 und IFN-gamma im Vergleich zu CD8+AT2R-T-Zellen. Weiterhin konnten wir zeigen, dass in vitro Stimulation des AT2-Rezeptors zur Hochregulation der IL-10-Expression von CD8+ T-Zellen führt. Entsprechend führt die in vivo Aktivierung des AT2-Rezeptors zur Vergrößerung der CD8+AT2R+ T-Zellpopulation und erhöhter IL-10-Produktion im ischemischen Myokard. Diese CD8+AT2R+ T-Zellen konnten auch in humanem periphärem Blut detektiert werden. Wir haben eine CD8+AT2+T-Zellpopulation definiert, welche sich während ischemischer Herzverletzung vergrößert und das Kardiomyocytenüberleben mittels kardioprotektivem IL-10 aufrechterhält. Somit konnten wir einen neuartigen AT2-Rezeptorvermittelten zellulären Mechanismus aufdecken, welcher die adaptive Immunantwort im Herzen moduliert. / One important aspect of cardiac remodeling after myocardial infarction is the activation of an immune response, which removes death cardiomyocytes and initiates scar formation. On the other hand, activation and infiltration of immunocompetent cells are responsible for augmenting damage in non-infarcted areas. Emerging evidence suggests a cardioprotective role of the angiotensin AT2R by attenuating this post-infarct inflammatory reaction, albeit the underlying cellular mechanisms are not well understood. We aimed here at elucidating a potential role of the cardiac angiotensin AT2R in regulating the cellular immune response to ischemic heart injury. Seven days after myocardial infarction in rats, immunofluorescence staining of tissue sections showed that AT2R was detected in a fraction of CD8+ T cells infiltrating the peri-infarct myocardium. We developed a method that allowed the isolation and characterization of CD8+AT2R+ T cells infiltrating the myocardium via combined MACS and FACS technology. While the CD8+AT2R- T cells exhibited potent cytotoxicity to both adult and fetal cardiomyocytes in vitro, the CD8+AT2R+ T cells were non-cytotoxic to these cardiomyocytes. The CD8+AT2R+ T cells were characterized by upregulated IL-10 and downregulated IL-2 and INF-gamma gene expression when compared to CD8+AT2R- T cells. We further showed that IL-10 gene expression was enhanced in CD8+ T cells upon in vitro AT2R stimulation. In addition, in vivo AT2R activation leads to an increment of the CD8+AT2R+ T cells and IL-10 production in the ischemic myocardium. Moreover, the CD8+AT2R+ T cell population was also detected in human peripheral blood. We have defined a CD8+ T cell population that expresses AT2R and increases during ischemic heart injury. This population sustains cardiomyocyte viability by providing cardioprotective IL-1 via a novel AT2R-mediated cellular mechanism for modulating adaptive immune response in the heart.

Zelluläre Entscheidungen, wie z. B. die Differenzierung von T-Helferzellen (Th-Zellen) in spezialisierte Effektorlinien, haben großen Einfluss auf die Spezifität von Immunreaktionen. Solche Reaktionen sind das Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels einzelner Zellen, die über kleine Signalmoleküle, so genannte Zytokine, kommunizieren. Die hohe Anzahl der Komponenten, sowie deren komplizierte und oft nichtlineare Interaktionen erschweren dabei die Vorhersage, wie bestimmte zelluläre Reaktionen erzeugt werden. Aus diesem Grund sind die globalen Auswirkungen der gezielten Beeinflussung einzelner Zellen oder spezifischer Signalwege nur unzureichend verstanden. So wirken beispielsweise etablierte Behandlungen von Autoimmunkrankheiten oft nur bei einem Teil der Patienten. Durch Einzelzellmethoden wie Live-Cell-Imaging, Massenzytometrie und Einzelzellsequenzierung, können Immunzellen heutzutage quantitativ auf mehreren Ebenen charakterisiert werden. Diese Ansammlung quantitativer Daten erlaubt die Formulierung datengetriebener Modelle zur Vorhersage von zellulären Entscheidungen, allerdings fehlen in vielen Fällen Methoden, um die verschiedenen Daten auf geeignete Weise zu integrieren und zu annotieren. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit quantitativen Modellformulierungen für die Entscheidungsfindung von Zellen im Immunsystem mit dem Schwerpunkt auf Lymphozytenproliferation, -differenzierung und -tod. / Cellular decisions, such as the differentiation of T helper (Th) cells into specialized effector lineages, largely impact the direction of immune responses. Such population-level responses are the result of a complex interplay of individual cells which communicate via small signaling molecules called cytokines. The system's complexity, stemming not only from the number of components but also from their intricate and oftentimes non-linear interactions, makes it difficult to develop intuition for how cellular responses are actually generated. Not surprisingly, the global effects of targeting individual cells or specific signaling pathways through perturbations are poorly understood. For instance, common treatments of autoimmune diseases often work for some patients, but not for others. Recently developed methods such as live-cell imaging, mass cytometry and single-cell sequencing now enable quantitative characterization of individual immune cells. This accumulating wealth of quantitative data has laid the basis to derive predictive, data-driven models of immune cell behavior, but in many cases, methods to integrate and annotate the data in a way suitable for model formulation are missing. In this thesis, quantitative workflows and methods are introduced that allow to formulate data-driven models of immune cell decision-making with a particular focus on lymphocyte proliferation, differentiation and death.