Ein wesentliches Merkmal der Immundepression ist eine Monozytendeaktivierung mit verminderter Antigenpräsentation und Sekretion proinflammatorischer Zytokine. Infolge dessen sind Patienten mit Immundepression besonders anfällig gegenüber Infektionen. Als mögliche Mediatoren werden antiinflammatorische Zytokin wie IL10 und TGF-beta diskutiert, deren immunhemmende Wirkung allerdings nach Ihrem Entfernen schnell reversibel ist. An der Entwicklung einer langanhaltenden Immundepression müssen demnach weitere Mediatoren beteiligt sein. Eine Studie mit Patienten nach Herz-Operationen zeigte eine Korrelation zwischen einer erhöhten Anfälligkeit gegenüber Infektionen und einer Überexpression des Hitzeschockproteins Hämoxygenase-1 (HO-1) in peripheren Blutleukozyten, dem in vielen Studien eine antiinflammatorische und cytoprotektive Wirkung zugeschrieben wird. Eine Porphyrin-induzierte HO-1 Überexpression in humanen Monozyten korreliert mit einer verminderten MHC-II Expression. Allerdings kann eine Hemmung der HO-1-Expression diesen Effekt nicht aufheben, so dass die verwendeten Porphyrine die Antigenpräsentation durch HO-1-unabhängige Mechanismen beeinflussen müssen. Während sich die Hemmung der IFN-Gamma-induzierten MHC-II Expression durch eine gleichzeitig verminderte STAT-1-Phosphorylierung erklären lässt, ist die Porphyrin-induzierte Hemmung der konstitutiven MHC-II-Expression unabhängig von STAT-1. Zudem konnte weder eine Abhängigkeit von STAT-3, noch von einer verstärkten Histonacetylierung oder PKA-Aktivierung gezeigt werden. Die Ergebnisse deuten zudem darauf hin, dass die Porphyrin-Effekte nicht über eine Interaktion mit dem Hämoglobin-Scavenger Rezeptor CD163 induziert werden. Eine Porphyrin-Behandlung von Monozyten in vitro resultiert in einem ähnlichen Phänotyp, wie er in Monozyten von immundepressiven Patienten beobachtet wird, so dass ein verbessertes Wissen über die beeinflussten Signalwege neue Ansätze zur frühzeitigen Behandlung einer Immundepression liefern kann. / A long lasting immunodepression is characterised by a deactivation of the function of monocytes with decreased antigen presentation and decreased secretion of pro-inflammatory cytokines. This may predispose patients with immunodepression to infectious complications. Although anti-inflammatory cytokines as IL-10 and TGF-beta are discussed, the mechanism that induces and sustains this long lasting immunodepression is still incompletely understood. A previous study with patients after cardiac surgery could show a correlation between over expression of heme oxygenase-1 (HO-1) in peripheral blood leukocytes and an increased susceptibility to infection related complications. HO-1 is a stress-inducible heat shock protein with potent anti-inflammatory and cytoprotective properties. A porphyrin-induced HO-1 overexpression in human monocytes correlates with decreased MHC-II expression. However, inhibition of HO-1 expression does not abrogate this effect. According to this, porphyrins must affect the antigen presentation by HO-1-independent mechanisms. While the inhibition of IFN-Gamma-induced MHC-II expression could be explained by a simultaneously decreased STAT-1 phosphorylation, the porphyrin-induced inhibition of the constitutive MHC-II expression is independent of STAT-1. Moreover, neither STAT-3 activity, nor an increased histone acetylation or PKA activation is clearly involved in porphyrin mediated inhibition of MHC-II. The results further suggest that the porphyrin-effects are not induced by an interaction with the hemoglobin scavenger receptor CD163. Nevertheless a porphyrin-treatment of monocytes in vitro results in a similar phenotype, as observed in monocytes from patients with immunodepression. Therefore, better understanding of the involved pathways could reveal new approaches for the early treatment of patients with immunodepression.

Antikörper gegen Circumsporozoite protein (CSP), ein Oberflächenantigen von Plasmodium falciparum (Pf), können sterile Immunität hervorrufen und dadurch die Entwicklung von Malaria im Tierversuch verhindern. Im Menschen werden protektive B-Zell Gedächtnisantworten gegen CSP durch natürliche Malariaerkrankung bzw. Vakzinierung jedoch nur unzureichend erzeugt. - Für die Entwicklung von Gedächtnis-B-Zellen stellt die Affinitätsreifung, welche durch somatische Immungobulin Hypermutation sowie der nachfolgenden Selektion von B-Zellen mit verbesserter Antigenaffinität charakterisiert ist, eine Schlüsselfunktion in der Generierung von protektiven Immunantworten dar. Wie Affinitätsreifung gegen CSP im Menschen stattfindet ist jedoch nicht bekannt. In dieser Arbeit wird die Affinitätsreifung von CSP Gedächtnis B-Zellen auf Einzelzellebene im Menschen über drei kontrollierte Infektionen mit Pf Sporozoiten unter Chemoprophylaxe untersucht. Durch Hochdurchsatz-Einzelzell-Sequenzierung der Immunoglobulin (Ig) gene loci und der Produktion von rekombinanten monoklonalen Antikörpern gewährt diese Arbeit Einsicht in die Selektion und Affinitätsreifung von humanen Gedächtnis-B-Zell Antworten gegen komplexe Proteinantigene und identifiziert Keimbahn kodierte Immunglobulin Charakteristika, die mit hoher CSP-Affinität und Pf-Inhibition einhergehen. Überraschenderweise zeigen die Daten, dass initiale klonale Selektion von hochaffinen B Zellen eine weitaus wichtigere Rolle als Affinitätsreifung in dieser Infektion spielt. Diese Arbeit zeigt fundamentale Eigenschaften von humanen Gedächtnisantworten in einer komplexen Parasiteninfektion und liefert die Grundlage für ein mögliches Design von neuartigen Immunogenen um hoch-affine B-Zellen gegen CSP effizienter zu induzieren. / Antibodies against the major Plasmodium falciparum (Pf) sporozoite surface protein, circumsporozoite protein (CSP), can mediate sterile immunity thereby preventing malaria disease symptoms as shown by passive transfer in animal models. However, protective anti- CSP memory antibody responses are not efficiently induced by natural Pf exposure or vaccination. Affinity maturation, i.e. the diversification of antigen-activated naïve precursor B cells by a somatic immunoglobulin (Ig) gene mutation process and the subsequent selection of B cells expressing antigen receptors with improved antigen affinity in germinal center reactions is considered key to the formation of protective memory B cell responses. However, how the anti-PfCSP memory B cell response matures in humans is not known. To address this question, the clonal evolution of the human anti-Pf CSP memory B cell response over three successive controlled Pf infections under chemoprophylaxis was assessed at single cell level by high throughput paired full-length Ig gene sequencing and recombinant monoclonal antibody production. The work provides basic insights in the longitudinal development of human memory B cell responses and identified germline-encoded Ig gene features that were associated with high anti-CSP affinity and Pf inhibitory antibody activity. The clonal selection of germline B cells expressing such antibodies, rather than affinity maturation, was associated with high quality anti-PfCSP memory B cell responses. The data provide insights into the evolution of antibody response to a complex protein antigen during infection and a strong rational for the design of novel CSP immunogens to target naïve B cell precursors expressing potent anti-CSP antibodies for the induction of protective memory B cell responses by vaccination.

Interaktionen zwischen Zellen sowie deren Aktivierung werden im Immunsystem durch verschiedene Zelloberflächenmoleküle reguliert. Inhalt dieser Arbeit war die Untersuchung des kürzlich identifizierten Rezeptor-Ligand-Paares BTLA und HVEM. Zunächst wurden diverse BTLA-spezifische monoklonale Antikörper generiert, mit deren Hilfe erstmals die Lokalisation BTLA-tragender Zellen im Gewebe gezeigt werden konnte. Bei umfassenden Expressionsanalysen fiel auf, dass BTLA auf nahezu allen Leukozytenpopulationen der lymphatischen Organe konstitutiv vorhanden ist, und mit seinem Liganden HVEM koexprimiert wird. Beide Moleküle werden auf verschiedenen Zellpopulationen differenziell exprimiert und aktivierungsabhängig reguliert. Funktionelle Analysen in vitro als auch in vivo ergaben, dass die BTLA-HVEM-Interaktion durch Suppression der T-Zellaktivierung und –proliferation wesentlich zur negativen Regulation der Immunantort beiträgt. Die negative Wirkung von BTLA zeigte sich sowohl bei der Initiation als auch bei bereits fortgeschrittener Aktivierung, unabhängig von der Beteiligung positiver kostimulatorischer Signalwege. Durch Stimulation von T Zellen mit unterschiedlicher BTLA-Oberflächenexpression (verschiedene Subpopulationen oder aus transgenen Mäusen) konnte die strikte Korrelation der negativen Funktion mit der BTLA-Menge auf den Zellen gezeigt werden. Es stellte sich heraus, dass BTLA essentiell für die HVEM-vermittelte Suppression ist und eine wesentliche Beteiligung weiterer HVEM-Interaktionspartner (z.B. CD160) nicht vorliegt. Die Beobachtung von veränderten Lymphozytenpopulationen in BTLA-transgenen Mäusen im Ruhezustand weist zudem auf einen zentralen Beitrag des negativen BTLA-Signals zur Aufrechterhaltung der Homöostase hin. Die ubiquitäre Expression von HVEM und BTLA in Kombination mit der gegenseitigen Modulation beider Interaktionspartner ermöglicht eine flexible Reaktion des Immunsystems auf äußere Einflüsse unter anderem über die negative Regulation durch BTLA / Activation of immune cells is regulated by various cell surface molecules during cell-cell interactions. The aim of this work was the characterization of the recently identified receptor-ligand-pair BTLA and HVEM. Initially, several BTLA-specific monoclonal antibodies were generated. With these antibodies, the localization of BTLA expressing cells in the tissues has been determined for the first time. Further detailed flow cytometric analysis revealed a strong constitutive expression of BTLA on nearly all leukocytes in lymphoid organs. Interestingly, all BTLA-expressing cells co-expressed its ligand HVEM. However, both molecules were differentially expressed on different cell populations in the steady state, but were also regulated in an activation-dependent way. Functional analyses in vitro and in vivo (in an antigen-specific adoptive transfer system) revealed a substantial contribution of the BTLA-HVEM interaction for negative regulation of immune responses by suppressing T cell activation and proliferation. Inhibitory signals of BTLA affect the initial and ongoing activation, irrespective of simultaneous positive signals from other co¬stimulatory pathways. Using wildtype and BTLA-transgenic primary T cells, a strictly linear relationship between the inhibitory function of BTLA and its cell surface levels was observed. The data clearly demonstrate that BTLA expression determined the strength of HVEM-mediated suppression, but also that BTLA is essential for this negative co-stimulation, whereas other HVEM-interaction partners were apparently not involved. Finally, the observed changes in lymphoid cell populations of the BTLA-transgenic mice even in the resting state indicate a prominent role for negative BTLA signals to maintain homeostasis. The ubiquitous expression of HVEM and BTLA together with the reciprocal modulation of both interaction partners supports flexible reaction and regulation of the immune system particularly via the inhibitory function of BTLA.

Apoptose und Seneszenz sind stress-responsive, genetisch verankerte „Failsafe“- Mechanismen, welche die Zelle vor maligner Transformation schützen. Onkogenes Ras induziert zelluläre Seneszenz über den p16/Retinoblastoma (Rb)-Signalweg und führt dabei zu einem permanenten Zellzyklusarrest - das tumorsuppressive Potential von Seneszenz in vivo bleibt jedoch bis heute fraglich. In seneszenten Zellen ist die Expression von S-Phase relevanten Gene durch die lokale Ausbildung von Heterochromatin, bzw. der Methylierung von Histon H3 an Lysin 9 (H3K9me) blockiert. Dies lässt vermuten, dass Seneszenz ein epigenetische kontrollierter Prozess ist und von Proteinen wie der Rb-assozierte Histonmethyltransferase Suv39h1 reguliert wird. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Eµ-N-Ras transgene Mäuse mit heterozygoten Läsionen im Suv39h1 oder p53 Lokus aggressive T-Zell Lymphome entwickeln, die gegen Suv39h1, bzw. p53-Expression selektieren. Im Gegensatz dazu entwickeln N-Ras-transgene Wildtyp-Tiere („Kontrollen“) vorrangig nicht-lymphoide Tumoren und sterben signifikant später. In primären Lymphozyten induziert onkogenes Ras einen Suv39h1-abhängigen, H3K9me-assoziierten Proliferationsarrest und kann dadurch Lymphomgenese verhindern. Suv39h1-defiziente Lymphomzellen wachsen exponentiell und sind, entgegen p53 defizienten Zellen, sensitiv gegenüber Adriamycin-induzierten Zelltod (Apoptose). Jedoch arretieren nur Kontroll-Lymphome unter Therapie in vitro wenn Apoptose blockiert ist, nicht aber Suv39h1 oder p53-defiziente Lymphomzellen. Diese Resultate identifizieren Ras-induzierte Seneszenz als einen neuen, H3K9me-abhängigen Tumorsuppressor-Mechanismus, wobei dessen Inaktivierung die Entwicklung von aggressiven, aber dennoch Apoptose-kompetenten Lymphomen herbeiführt. / Cellular “failsafe” programs like apoptosis or senescence are genetically encoded, stress-responsive mechanisms that ultimately counteract malignant transformation. Acute induction of oncogenic Ras provokes cellular senescence that involves the p16/Retinoblastoma (Rb) pathway to induce a permanent arrest, but the tumor suppressive mechanism in vivo still remains questionable. Senescent cells display heterochromatic features on S-phase relevant genes involving methylation of histone H3 on lysine 9 (H3K9me), which may depend on the Rb-associated histone methyltransferase Suv39h1. In the present thesis it was shown that Eµ-N-Ras transgenic mice harboring targeted heterozygous lesions at the Suv39h1, or the p53 locus for comparison, succumb to invasive T cell lymphomas that lack expression of Suv39h1 or p53, respectively. By contrast, most N-Ras-transgenic wildtype (“control”) animals develop a non-lymphoid neoplasia significantly later. Proliferation of primary lymphocytes is directly stalled by a Suv39h1-dependent, H3K9me-related senescent growth arrest in response to oncogenic Ras, thereby cancelling lymphomagenesis at an initial step. Suv39h1-deficient lymphoma cells grow rapidly but, unlike p53-deficient cells, remain highly susceptible to adriamycin-induced apoptosis. In contrast, only control, but not Suv39h1-deficient or p53-deficient lymphomas senesce after drug therapy when apoptosis is blocked. These results identify H3K9me-mediated senescence as a novel Suv39h1-dependent tumour suppressor mechanism whose inactivation permits the formation of aggressive but apoptosis-competent lymphomas in response to oncogenic Ras.

Neutrophile Granulocyten wirken als einer der ersten Abwehrmechanismen gegen invasive Mikroorganismen im angeborenen Immunsystem von Mammalia. Aktiviert durch inflammatorische Signale verlassen diese Granulocyten das vaskuläre System und migrieren durch das Gewebe zum Infektionsherd. Dort binden sie die Mikroorganismen, phagozytieren und eliminieren diese schließlich mit hoher Effizienz. Humane Neutrophile Elastase (NE) ist Bestandteil der neutrophilen Granula und spielt eine entscheidende Rolle im Abbau von Virulenzfaktoren enteroinvasiver Bakterien, einschließlich der Shigella Virulenzfaktoren IpaB (invasion antigen plasmid B) und IcsA (intracellular spread A). NE gehört zu der Familie der Chymotrypsin-ähnlichen Serinproteasen, die sich durch Sequenz- und Strukurähnlichkeit auszeichnen, jedoch sehr unterschiedliche biologische Funktionen aufweisen. Cathepsin G (CG) ist wie NE eine Chymotrypsin-ähnliche Serinprotease und ebenfalls in neutrophilen Granula lokalisiert. Allerdings zeigt CG keine Aktivität gegenüber Virulenzfaktoren von Shigella. Obwohl die Kristallstrukturen von CG und NE fast identisch sind, konnten einzelne oder mehrere Aminosäuren in der Substratbindungsspalte identifiziert werden, die zwischen den beiden Enzymen differieren. Dies legte die Vermutung nahe, dass die Spezifität von NE gegenüber Virulenzfaktoren in diesen Unterschieden codiert sein könnte. Daher wurden diese Aminosäuren durch die analogen CG Aminosäuren oder durch Alanin ersetzt. Der Vergleich der funktionellen Eigenschaften der NE Mutanten mit wildtyp NE zeigte, dass die Aminosäuren an den Positionen 98 und 216-224 entscheidend für die Substratspezifität von NE sind. Die NE Mutanten N98A, 216-218 und 216-224 waren nicht mehr in der Lage, die Virulenzfaktoren IcsA und IpaB sowie das NE Peptidsubstrat abzubauen. Stattdessen haben diese Mutanten die Fähigkeit erlangt, das CG Peptidsubstrat abzubauen. Zusammenfassend konnten wir Aminosäuren in NE identifizieren, die sowohl die Spezifität von NE für das Peptidsubstrat als auch für die Virulenzfaktoren von Shigella flexneri determinieren. / Neutrophil granulocytes are one of the first lines of defense of the mammalian innate immune system against invading microorganisms. In response to inflammatory stimuli, neutrophils migrate from the blood stream to infected tissues where they bind, engulf and inactivate microorganisms efficiently. Human neutrophil elastase (NE), a neutrophil granule component, is a key host defense protein that rapidly destroys virulence factors of enteroinvasive pathogens including IpaB (invasion plasmid antigen B) and IcsA (intracellular spread A) from Shigella. NE belongs to the family of chymotrypsin-like serine proteases with sequence and structural similarity but with very different biological functions. Cathepsin G (CG) is another abundant chymotrypsin-like serine protease in neutrophil granules. However, in contrast to NE, CG does not cleave virulence factors of Shigella. The crystallographic structures of NE and CG are very similar but we identified single or multiple residues in the substrate-binding cleft to differ in these two enzymes. We hypothesized that NE specificity for bacterial virulence factors resides within these structural differences. Therefore these specific residues in NE were replaced with the analogous amino acids of CG or with alanine. By comparing the functional properties of these NE mutants to wildtype NE we were able to show that the amino acids at position 98 and 216-224 are crucial for the substrate specificity of NE. The NE mutants N98A, 216-218 and 216-224 did not cleave the virulence factors IcsA and IpaB as well as the NE peptide substrate but cleaved the CG peptide substrate. In summary, we identified residues in NE that determine the specificity of NE for the peptide substrate and for the Shigella flexneri virulence factors.

Der globale Prävalenzanstieg allergischer Erkrankungen wird mit der westlichen Ernährung und einem sich ändernden Fettsäurespektrum assoziiert. Die omega-3 Fettsäure Docosahexaensäure (DHA) wurde bereits bei verschiedenen chronisch-entzündlichen Erkrankungen erfolgreich therapeutisch eingesetzt. Die dabei zugrunde liegenden Wirkmechanismen sind jedoch nicht vollständig geklärt. Deshalb wurde hier der molekulare Mechanismus der DHA-vermittelten Hemmung der IgE-Produktion in humanen B-Zellen sowie der verminderten Differenzierung IgE-produzierender Plasmazellen in vitro untersucht. Analysen der beteiligten Signaltransduktionswege offenbarten eine Reduktion der IL-4-abhängigen STAT6-Phosphorylierung und der CD40-vermittelten NFkappaB-Translokation, was zu einer Inhibition des IgE-Klassenwechsels auf dem Niveau des epsilon-Keimbahntranskriptes sowie der Aktivierungsinduzierten Desaminase führte. Weiterhin wurde in einer randomisierten, kontrollierten Doppelblindstudie die Supplementierung mit hochdosierter DHA bei Patienten mit atopischem Ekzem hinsichtlich klinischer und immunologischer Parameter geprüft. Dabei führte DHA zu einer Reduktion des Schweregrades der Erkrankung und zu einer verminderten IgE-Produktion anti-CD40/IL 4-stimulierter Blutzellen ohne Beeinflussung des Serum-IgE-Spiegels. Schließlich wurden die lokalen Prozesse nach DHA-Verabreichung in einem Mausmodell für proteininduzierte Dermatitis analysiert. Dabei war die Reduktion der klinischen Ekzemausprägung mit der verminderten Zahl dermaler CD8+ T-Zellen verbunden. Andere histologische Parameter und das Serum-IgE blieben jedoch unbeeinflusst. Durch die Fähigkeit von DHA, in den IgE-Klassenwechsel in B-Zellen einzugreifen, stellt die Supplementierung mit DHA somit eine mögliche präventive Maßnahme gegen allergische Erkrankungen dar. Ebenso ist DHA in der Lage, den Schweregrad des atopischen Ekzems durch die positive Beeinflussung lokaler inflammatorischer Prozesse signifikant zu verbessern. / The prevalence of allergic diseases has increased worldwide. Westernised diet with its changing polyunsaturated fatty acid (PUFA) proportions is considered to contribute to this development. The omega-3 PUFA Docosahexaenoic acid (DHA) has been reported to be antiinflammatory, but its way of action is not completely understood. Initially, the molecular mechanisms of DHA impact on IgE production in human B cells were examined in vitro. Thereby, DHA inhibited IgE production and the differentiation of IgE secreting cells. This was mediated through direct inhibition of the immunoglobulin isotype switching process by decreasing epsilon germline transcript and activation induced desaminase transcription. Analysis of involved signalling pathways revealed an inhibition of IL-4 driven STAT6 phosphorylation and a reduced NFkappaB translocation into nucleus upon CD40 ligation. Next, in a randomised, double bind, controlled clinical study the efficacy of high-dose DHA supplementation in atopic eczema was determined by investigating the impact on clinical and immunological parameters. In the DHA, but not in control group a clinical improvement of atopic eczema and a reduction of CD40/IL-4 mediated IgE synthesis of peripheral blood cells were observed whereas serum IgE levels remained unchanged. Finally, in a mouse model the impact of oral DHA application on allergen induced dermatitis as well as the underlying local mechanisms were investigated. Thereby, the DHA mediated reduction of clinical skin score was associated with decreased dermal CD8+ T cell numbers, whereas other histological parameters or serum IgE values were not affected. In summary the results indicate that dietary DHA may be effective in prevention of allergic diseases by interference with the IgE switching process and improve the clinical outcome of atopic eczema by its positive impact on local inflammatory processes.

Das Immunsystems muss gesunde Zellen von infizierten und Krebszellen unterscheiden können, um letztere selektiv zu bekämpfen. Dies ist die Aufgabe der CTL-Zellen, die dazu auf der Zelloberfläche präsentierte Peptide die aus intrazellulären Proteinen der jeweiligen Zelle stammen untersuchen. Diese präsentierten Peptide (Epitope) werden durch den MHC-I Antigenpräsentationsweg hergestellt. Das Ziel dieser Arbeit ist es Methoden zu entwickeln die Epitope aus der großen Zahl prinzipiell in Proteinen enthaltener Peptide heraussuchen können. Dazu wird die Selektivität dreier wichtiger Komponenten des Präsentationsweges untersucht: Die Herstellung der Peptide durch das Proteasom, der Transport in das ER durch TAP, und das Binden von Peptiden an leere MHC-I Moleküle. Zur sequenzbasierten Vorhersage der Bindung von Peptiden an MHC-I Moleküle wurde ein neuer Algorithmus entwickelt. Dieser kombiniert eine Matrix, welche die individuellen Beiträge einzelner Reste zur Bindung beschreibt, mit Paarkoeffizienten, die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Positionen im Peptid beschreiben. Dieser Ansatz macht bessere Vorhersagen als bisher publizierte Methoden, und quantifiziert erstmals den Einfluss von Wechselwirkungen innerhalb eines Peptids auf die Bindung. Die Verteilung der Werte der Paarkoeffizienten zeigt, dass sich Wechselwirkungen nicht auf benachbarte Aminosäuren beschränken. Im Vergleich zu den Matrixeinträgen sind die Werte der Paarkoeffizienten klein, was erklärt warum Vorhersagen die Wechselwirkungen komplett vernachlässigen trotzdem gut sein können. Erstmals wurde ein Algorithmus zur Vorhersage der TAP-Transportseffizienz von Peptiden beliebiger Länge entwickelt. Das ist deshalb wichtig, da viele MHC-I Epitope als N-terminal verlängerte Prekursoren in das ER transportiert werden. Für die Vorhersage der Transportfähigkeit eines potentiellen Epitopes wird deshalb über die Transporteffiziens des Epitopes selbst und seiner Prekursoren gemittelt. Mit Hilfe dieser Definition von Transportfähigkeit wird gezeigt, dass TAP einen starken selektiven Einfluss auf die Auswahl von MHC-I Epitopen hat. Indem man Peptide die als 'nicht-transportierbar' vorhergesagt werden als mögliche Epitope ausschließt, kann man die ohnehin schon hohe Qualität von MHC-I Bindungsvorhersagen weiter steigern. So eine zweistufige Vorhersage scheitert, wenn man statt des TAP Transports die Vorhersage der Generierbarkeit eines Epitopes durch das Proteasom als Filter verwenden möchte. Dieses schlechte Abschneiden der proteasomalen Schnittvorhersagen wird auf eine mangelhafte experimentelle Datenbasis zurückgeführt, da proteasomale Schnittraten schwieriger zu messen und interpretieren sind als die Affinitätsdaten für TAP und MHC-I. Um die experimentelle Datenbasis in Zukunft verbessern zu können, wurde ein neues experimentelles Protokoll entwickelt und an einer Reihe von Experimenten getestet. Dabei werden zwei Probleme behandelt: (1) Durch die Verwendung von Massenbilanzen werden MS-Signale in quantifizierte Peptidmengen umgerechnet. (2) Durch das erste kinetische Modell des Proteasomes das die Entstehung und den Abbau von Peptiden während eines Verdaus zufrieden stellend beschreiben kann, können aus den Verdaudaten Schnittraten bestimmt werden. / A major task of the immune system is to identify cells that have been infected by a virus or that have mutated, and discriminate them from healthy cells. This duty is assigned to cytotoxic T-lymphocytes (CTL), which scan epitopes presented to them on cell surfaces derived from intracellular proteins through the MHC-I antigen processing pathway. The goal of this work is to provide computational methods that allow to predict which epitopes get presented from the large pool of peptide candidates contained in intracellular proteins. This is achieved by examining the selective influence of three major steps in the pathway: peptide generation by the proteasome, peptide transport into the ER by TAP, and binding of peptides to MHC-I molecules. For peptide binding to MHC-I, a new algorithm is developed that combines a matrix-based method describing the contribution of individual residues to binding with pair coefficients describing pair-wise interactions between positions in a peptide. This approach outperforms several previously published prediction methods, and for the first time quantifies the impact of interactions in a peptide. The distribution of the pair coefficient values shows that interactions are not limited to amino acids in direct contact, but can also play a role over longer distances. Compared to the matrix entries, the pair-coefficients are rather small, explaining why methods completely ignoring interactions can nevertheless make good predictions. Next, a novel algorithm is developed to predict the TAP affinities of peptides of any length. Longer peptides are important because several MHC-I epitopes are generated by N-terminal trimming of precursor peptides transported into the ER by TAP. As the true in vivo precursors of an epitope are not known, a generalized TAP score is established which averages across the scores of all precursors up to a certain length. The ability of this TAP score to discriminate between epitopes and random peptides shows that the influence of TAP is a consistent, strong pressure on the selection of MHC-I epitopes. Using predicted TAP transport efficiencies as a filter prior to the prediction of MHC-I binding affinities, it is possible to further improve the already very high classification accuracy achieved using MHC-I affinity predictions alone. Such a 2-step prediction protocol failed when predictions of C-terminal proteasomal cleavages were combined with MHC-I affinity predictions. This disappointing result is thought to be caused by the lack of a sufficiently large set of quantitative and consistent experimental data on proteasomal cleavage rates, which are more difficult to measure and interpret than the affinity assays used to characterize peptide binding to TAP and MHC-I. Therefore, a new protocol for the evaluation of proteasomal digests is developed, which is applied to a series of experiments. This novel protocol addresses two problems: (1) Using mass-balance equations, a method is developed to quantify peptide amounts from MS-signals. (2) By introducing the first kinetic model of the 20S proteasome capable of providing a satisfactory quantitative description of the whole time course of product formation, cleavage probabilities can be extracted reliably from proteasomal in vitro digests.

Die Mechanismen der Mastzell(MZ)-Homöostase in peripheren Geweben sind weitgehend unbekannt. Die Regulation der MZ-Zahlen schließt wahrscheinlich die lokale Proliferation der Gewebe-MZ sowie die Rekrutierung und Differenzierung von MZ-Vorläuferzellen ein, wobei das Gewebe den MZ-Phänotyp beeinflusst. Fibroblasten (Fb) induzieren die Proliferation und Differenzierung unreifer Knochenmark-generierter MZ (BMCMC) zu Bindegewebs-MZ (CTMC). Da BMCMC an Fb adhärieren, wurde untersucht ob dieser direkte Zellkontakt für die Fb-induzierte Proliferation und die Differenzierung zu CTMC entscheidend ist. Cokultur-Experimente mit BMCMC und Fb zeigten, dass die verstärkte Proliferation, der erhöhte Histamingehalt und die Induktion der Expression der MZ Protease 4 (MCPT-4) mRNA (beides Marker der CTMC) vom direkten Zellkontakt abhängen. Adhäsionsversuche mit blockierenden Antikörpern demonstrierten, dass die Interaktion von alpha4beta7 Integrin auf den BMCMC mit Vascular Cell Adhesion Molecule 1 (VCAM-1), auf den Fb, an der Adhäsion beteiligt ist, die Proliferation und Differenzierung der MZ selbst jedoch nicht auslöst. Interessanterweise zeigten BMCMC die Kit, den Rezeptor für den wichtigen MZ-Wachstumsfaktor Stammzellfaktor (SCF), nicht exprimieren, ebenfalls die kontaktabhängigen Fb-induzierte Veränderungen, wenngleich im geringeren Ausmaß. Eine genomweite Expressionsanalyse wies schließlich die kontaktabhängige Hochregulation der Expression weiterer Gene, die mit dem Phänotyp der CTMC assoziiert sind, nach. Des Weiteren konnte die Verringerung der Expression bestimmter Gene gezeigt werden, die von unreifen MZ oder MZ-Vorläufern exprimiert werden. Insgesamt zeigen die Daten der hier vorliegenden Arbeit, dass für die durch Fb ausgelöste umfassenden Differenzierung und Ausreifung von unreifen MZ zu CTMC, eine teilweise durch VCAM-1/alpha4beta7 vermittelte direkte Zell-Zell-Interaktion notwendig ist, bei der sowohl Kit-abhängige, als auch Kit-unabhängige Signalwege involviert sind. / The precise mechanisms of mast cell (MC) homeostasis in peripheral tissues are largely unknown. Regulation of MC numbers is assumed to involve the proliferation of local MCs and the recruitment and subsequent differentiation of MC precursors, whereas the tissues determine the MC phenotype. Fibroblasts (Fb) induce proliferation and differentiation of bone marrow-derived cultured MCs (BMCMCs) towards connective tissue type MCs (CTMCs). Since BMCMCs exhibit adhesion to Fbs, it had been analyzed, whether this direct cell-to-cell crosstalk is mandatory for the differentiation towards CTMCs. It was found that Fb-cocultured immature MCs exhibit increased proliferation and histamine content and the induced expression of mast cell protease 4 (mcpt4) mRNA, both markers for mature CTMC, and that these changes required a directed cell-to-cell interaction. Adhesion Assays using blocking mAbs revealed that the interaction of alpha4beta7 integrin on BMCMCs with Fb-expressed Vascular Cell Adhesion Molecule 1 (VCAM-1) is largely responsible for the adhesion, which itself didn’t induce proliferation and differentiation of MCs. Most notably, MCs deficient for Kit, the receptor for the MC growth factor stem cell factor (SCF), also showed a significant Fb-induced increase in histamine content, mcpt4 expression, and proliferation, albeit to a lesser extent than wildtype BMCMCs. Whole genome expression analysis showed contact-dependently upregulated expression of several genes associated with CTMC phenotype and functions. Furthermore, downregulation of genes associated with MC progenitors had been shown. Collectively, the data show that the Fb-induced substantial differentiation of immature MCs towards CTMCs requires a partly VCAM-1/alpha4beta7-mediated cell-to-cell interaction and involves both Kit-dependent and -independent signaling pathways.

Wirtszellen verfügen über bisher unzureichend verstandene zellautonome Immunmechanismen zur Abwehr von intrazellulären Bakterien. In dieser Arbeit wurden zwei Abwehrmechanismen charakterisiert, die in Endothelzellen und Makrophagen Infektionen durch C. pneumoniae bekämpfen. Es konnte gezeigt werden, dass C. pneumoniae über einen MAVS-abhängigen Signalweg in humanen Endothelzellen erkannt wird. Diese Erkennung aktiviert die Transkriptionsfaktoren IRF3 und IRF7 und nachfolgend eine IRF3/7-abhängige Typ I-IFN-Produktion. Typ I-IFN bewirken auto- und parakrin eine Kontrolle der intrazellulären Infektion mit C. pneumoniae. Zum anderen wurde gezeigt, dass das mitochondriale Molekül NLRX1 eine zellautonome Abwehr gegen C. pneumoniae in Endothelzellen und in Makrophagen vermittelt. Diese NLRX1-abhängige intrazelluläre Abwehr ist unabhängig von verschiedenen, bisher mit NLRX1 in Verbindung gebrachten Signalwegen. Die Ergebnisse zeigen somit zum ersten Mal, dass NLRX1 eine zellautonome Abwehr gegen intrazelluläre Bakterien vermittelt. Daraus gewonnene Erkenntnisse sowie die Ergebnisse zukünftiger Arbeiten zur Klärung der NLRX1- und MAVS-aktivierenden chlamydialen Moleküle und den durch Typ-I-IFN-abhängigen intrazellulären Abwehrmechanismen könnten bei der Erforschung neuartiger antibakterieller Therapien hilfreich sein. Diese ist angesichts der weltweiten signifikanten Zunahme von mehrfach-resistenten Infektionserregern, unbedingt notwendig. / The cell autonomous defense mechanisms against intracellular bacteria in host cells are so far insufficiently understood. In the present work two defense mechanisms involved in the elimination of C. pneumoniae in endothelial cells and in macrophages were characterized. It could be shown that C. pneumoniae is recognized by a MAVS-dependent signaling pathway in human endothelial cells. This recognition activates the transcription factors IRF3 and IRF7 and subsequently an IRF3/7-dependent type I-IFN production. Type-I-IFNs induce an auto- and paracrine control mechanism against the intracellular infection with C. pneumoniae. Additionally it could be shown for the first time that the mitochondrial NLR molecule NLRX1 mediates a cell autonomous defense mechanism against C. pneumoniae and most likely other intracellular bacteria in human endothelial cells and murine macrophages. This NLRX1-dependent intracellular defense mechanism is independent of the different mechanisms which were so far linked to NLRX1. The outcome of this work and future studies to identify chlamydial molecules responsible for the activation of the MAVS- and NLRX1-dependent signaling pathways as well as the effector mechanisms responsible for Type-I-IFN-dependent control of intracellular chlamydial replication could be very helpful in the development of novel antibacterial therapies.

T-Helfer(Th)-Lymphozyten spielen aufgrund ihrer Expression von Zytokinen eine zentrale Rolle in der Regulation von Immunantworten. Durch die Zytokine fördern die Th-Zellen die Rekrutierung und Aktivierung von Zellen des angeborenen Immunsystems, den Immunglobulin-Klassenwechsel von B-Zellen und ihre Differenzierung zu antikörper-sezernierenden Plasmazellen. Welche Zytokine eine aktivierte Th-Zelle exprimiert hängt von instruktiven Signalen ab, die sie in der Regel von antigen-präsentierenden Signalen bekommt. Mit den instruktiven Signalen wird ein ganzes Differenzierungsprogramm in den Th-Zellen initiiert, welches am Ende zu einer epigenetischen Prägung des Effektorprogramms führt, sodass die Th-Zelle auch bei nachfolgenden Aktivierungen die gleichen Funktionen ausführt. In dieser Arbeit wurde untersucht wie diese Differenzierungsprogramme zur Pathogenese von chronischen Entzündungen beitragen und wie eine chronische Entzündung wiederum die Differenzierung der Th-Zellen beeinflusst. Des Weiteren haben wir molekulare Adaptationen identifiziert, die selektiv in chronisch aktivierten entzündungsfördernden Th Typ 1 (Th1)-Zellen hochgeregelt werden. Diese Adaptationen, wie die Expression von Twist1 und Hopx, fördern das Überleben der Th1-Zellen am Ort der Entzündung und könnten zur Perpetuation der Entzündung entscheidend beitragen. Zusammengenommen zeigen unsere Daten, dass Th-Zellen durch ihre pro-inflammatorische Prägung zwar gut gerüstet sind uns gegen Pathogene zu schützen, im Falle einer Autoreaktivität aber auch Immunpathologie und chronische Entzündungen auslösen können. Allerdings weisen unsere Arbeiten auch daraufhin, dass selektive Anpassungen der Th-Zellen an eine chronische Entzündung auch gleichzeitig Ansatzpunkte für ein therapeutisches Eingreifen bei chronisch-entzündlichen Krankheiten darstellen. / T helper (Th) lymhocytes play a central role in the regulation of immune responses. Through the expression of cytokines, Th cells orchestrate the recruitment and activation of cells of the innate immune system, and induce antibody class switch recombination in B lymphocytes and their differentiation into antibody-secreting plasma cells. Which cytokines an activated Th cell expresses is dependent on instructive signals, the Th cells receives from antigen-presenting cells. Such instructive signals initiate a differentiation program, which in the end leads to the epigenetic imprinting of the effector program, ensuring that the Th cell execute the same functions in subsequent activations. In this thesis, we investigated how such differentiation programs contribute to the pathogenesis of chronic inflammation and how chronic inflammation, in turn, affects the differentiation of the Th cells. Furthermore, we have identified molecular adaptations, which are selectively upregulated in chronically activated pro-inflammatory Th type 1 (Th1) cells. Such adaptations, like the upregulation of Twist1 and Hopx, promote the survival of Th1 cells in the inflamed tissue and could thereby contribute to the perpetuation of the inflammation. Taken together, our data show that Th cells with a pro-inflammatory imprint are well equipped to protect us against pathogens, in case of autoimmunity, however, cause immune pathology and chronic inflammation. At the same time, our work also shows that the selective adaptations of Th cells to chronic inflammation could also be promising targets for novel therapies for the treatment of chronic inflammatory diseases.