Die Ausbildung und der Schweregrad einer Anaphylaxie kann durch verschiedene Co-Faktoren beeinflusst werden. Zu diesen zählen die nichtsteroidalen Antiphlogistika (NSAIDs), die ihre Wirkung über die Inhibition der COX entfalten. Wie NSAIDs den Schweregrad der Anaphylaxie beeinflussen, ist bisher nicht genau bekannt. Interessanterweise zeigen Anaphylaxie-Patienten mit einer NSAID-Hypersensibilität niedrige Konzentrationen des regulatorischen Prostaglandins E2 (PGE2). Zudem zeigen ASA-tolerante und –intolerante Asthma-Patienten variable anaphylaktische Sensitivitäten. Anhand der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, ob sich eine PGE2-Dysregulation auf die Ausbildung und den Schweregrad der Anaphylaxie auswirkt und ob diese durch genetische Prädispositionen gefördert werden kann. Dazu wurden zunächst die PGE2 Konzentration im Serum von ANA-Patienten und gesunden Individuen gemessen. ANA-Patienten zeigten reduzierte PGE2 Level, die invers mit dem Schweregrad der ANA korrelierten. Unterstützend weisen zwei in der Allergieforschung häufig verwendete Mauslinien, Balb/c und C57BL/6, unterschiedliche PGE2 Level auf, die wiederum invers mit dem ANA-Schweregrad korrelierten. Eine Stabilisierung der PGE2 Konzentration mittels eines pharmakologischen Inhibitors der Hydroxyprostaglandin-Dehydrogenase (15-PGDH-I) in vivo führte zu einer Verbesserung des ANA Schweregrades. Um in diesem Zusammenhang den Einfluss von ASA und PGE2 besser zu verstehen, wurde das Model der systemisch passiven ANA im Mausmodel eingesetzt. ASA verschlimmerte den Schweregrad der ANA durch die Inhibition der COX1/2. PGE2 konnte diese Verschlimmerung über die EP Rezeptoren 2, 3 und 4 reduzieren. Um die zugrundeliegenden Mechanismen der Wirkweise von exogenem PGE2 und EP-Agonisten besser zu verstehen, wurden diese Zusammenhänge in murinen und humanen Mastzellen untersucht. PGE2 reduzierte die Schwere der ANA durch Inhibition der Mastzell-Aktivität in diesem System über die Rezeptoren EP2 und EP4. Anhand der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass bereits homöostatische PGE2 Konzentrationen die Aktivität der Mastzelle verändern und vor einer schweren ANA schützen. Zudem kann der Grad der ANA und der Einfluss des PGE2 auf die Mastzellantwort durch genetische Prädisposition beeinflusst werden. Die pharmakologische Stabilisierung des PGE2 könnte daher eine vielversprechende, therapeutische wie auch vorbeugende Strategie zur Behandlung risikoreicher ANA- Patienten sein. / The clinical outcome of anaphylaxis (ANA) can be affected by several co-factors. Non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) are well-known co-factors of ANA acting via COX-inhibition. The NSAIDs-mediated mechanisms altering the severity of ANA are not well-defined. It is reported that patients of ASA (NSAID)-hypersensitivity show low levels of the regulatory prostaglandin E2 (PGE2). Moreover, the effectiveness of PGE2 administration in such patients suggests a critical role of PGE2 in ASA hypersensitivity. In addition, patients of ASA-tolerant and ASA-intolerant asthma show variable ANA sensitivities suggesting a role of genetic variation in susceptibility. The aim of this thesis was to study whether and how PGE2 dysregulation predisposes to ANA and whether genetic pre-dispositions affect the PGE2 system and therefore ANA susceptibility. First, sera from ANA patients and healthy individuals were analyzed for PGE2 levels. ANA patients were characterized by reduced PGE2 levels which inversely correlated with the severity of ANA. This disparity was confirmed by differential PGE2 levels between Balb/c and BL/6 strains, two genetic mouse strains frequently employed in allergy research. PGE2 levels in these mice were again inversely related with the severity of ANA. Results were confirmed by in vivo PGE2 stabilization using 15-hydroxyprostaglandin dehydrogenase inhibitor (15-PGDH-I). Pharmacological PGE2 stabilization ameliorated ANA severity in mice. A passive systemic ANA (PSA) model was applied to study the impact of ASA on ANA severity and the role of PGE2 in this context. ASA aggravated ANA by inhibiting COX-1/COX-2, while PGE2 reduced the aggravation through EP receptors 2, 3 and 4. To delineate the underlying mechanisms, murine and human mast cells were used to study the impact of exogenous PGE2 and EP agonists. PGE2 attenuated ANA severity by inhibiting MC activation through EP2 and EP4 receptors and interfering with MC signaling. In summary, this thesis demonstrates that homeostatic levels of PGE2 modulate MC activation and protect against ANA severity. The impact of PGE2 on MC responses and ANA susceptibility is governed by genetic variation. Pharmacological stabilization of PGE2 may prove to be a therapeutic or preventive strategy in the management of high-risk ANA patients.

Neutrophile Granulozyten produzieren „Neutrophil Extracellular Traps“ (NETs), ein mit antimikrobiellen Molekülen bestücktes Netzwerk aus Chromatinfasern, das während eines Zelltodprogramms namens „NETosis“ von den sterbenden Neutrophilen ausgestoßen wird. Ihre netzartige Struktur erlaubt es ihnen, eine weitere Verbreitung des Infektionserregers zu verhindern; zudem erzeugen sie eine hohe lokale Konzentration an toxischen Molekülen, die Mikroorganismen töten können. Unter normalen Bedingungen werden NETs von Nukleasen zerkleinert und anschließend von Makrophagen entfernt. Wenn dieser Aufräummechanismus gestört ist, aktivieren NETs das Immunsystem und führen zur Produktion von Autoantikörpern oder entzündungsfördernden Zytokinen. NETs werden mit einer wachsenden Liste von inflammatorischen und Autoimmunerkrankungen in Verbindung gebracht. Wie genau dabei NETs durch das Immunsystem erkannt werden, ist noch nicht bekannt. In der vorliegenden Arbeit zeige ich, dass NETs durch den zytosolischen DNA Sensor „cyclic GMP-AMP synthase“ (cGAS) detektiert werden können und dass dadurch die Expression von Typ I Interferonen (TIIFN) induziert wird. Zu Beginn demonstriere ich, dass NETs durch rekombinantes cGAS erkannt werden und dass mit isolierten NETs stimulierte Immunzellen cGAS-abhängig TIIFN produzieren. Des Weiteren zeige ich, dass Neutrophile, die NETosis begehen, in Nachbarzellen ebenfalls cGAS-anhängig TIIFN induzieren können. Abschließend konnte ich diese Ergebnisse in einem in vivo Mausmodel für systemische NET-Produktion bestätigen. Die vorliegende Arbeit zeigt einen Mechanismus, wie NETs durch das Immunsystem erkannt werden und dadurch sowohl zur Entstehung als auch zur Progression von Krankheiten beitragen kann. Sie ermöglicht dementsprechend die Entwicklung neuer Interventionsstrategien, welche zur Heilung oder Linderung einer Vielzahl von Erkrankungen beitragen können. / The first line of cellular defense of the immune system are neutrophils. They are the most abundant white blood cell, which exert an array of antimicrobial effector functions. Neutrophils release neutrophil extracellular traps (NETs), a composite of chromatin and antimicrobial molecules, into the extracellular space during a form of regulated cell death called NETosis. Their net-like structure prevent further dissemination of the invader and establishes a high local concentration of toxic molecules that mediate pathogen killing. NETs provide a platform for undesired immune activation and contribute to the production of autoantibodies and pro-inflammatory cytokines. NETs are implicated in a growing list of inflammatory and autoimmune diseases, but the exact mechanism how NETs are recognized by the immune system is not fully understood. In this study, I demonstrate that the cytosolic DNA sensor cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) senses NETs and induces the production of type I interferons (TIIFN). I first showed that NETs are recognized by recombinant cGAS and that cells treated with isolated NETs produce TIIFN in a cGAS dependent mechanism. Secondly, I demonstrate that neutrophils undergoing NETosis are taken up by neighboring immune cells and induce cGAS-dependent TIIFN expression. Lastly, I confirmed our in vitro results in a mouse model of systemic NET induction. Wildtype mice injected with Concanavalin A significantly upregulate the expression of interferon stimulated genes, while cGAS-/- mice and Cybb-/- mice, which are incapable of producing NETs, fail to induce this response.

Es wird vermutet, dass das Zusammenspiel von NF-κB-Signalen und Autophagie die Entzündung in verschiedenen zellulären Kontexten und als Reaktion auf unterschiedliche Stimuli reguliert. Der molekulare Mechanismus, durch den diese beiden Signalwege bei der Regulierung der Entzündungsreaktion zusammenwirken, ist jedoch noch nicht bekannt. Mithilfe biochemischer Analysen und bildgebender Verfahren haben wir zum ersten Mal die Interaktion zwischen dem autophagischen Marker LC3 und der NF-κB/p65-Untereinheit als Reaktion auf verschiedene Stressbedingungen charakterisiert. Wir konnten zeigen, dass die Anhäufung von LC3 im Zellkern nach der NF-κB-Aktivierung mit p65 interagiert, was durch die Ubiquitinierung des p65-Proteins gefördert und durch den Cargo-Rezeptor p62 erkannt wird. Zusammengenommen weisen diese Daten auf eine neue Rolle von p62 beim Transport von im Kern ubiquitiniertem p65 zu Autophagosomen hin, wo es abgebaut wird, um die entzündungsbedingte NF-κB-Hyperaktivierung zu kontrollieren. Diese Erkenntnisse sind wichtig für die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien gegen Krankheiten, die mit einer gestörten Autophagie und einer konstitutiven NF-κB-Aktivität einhergehen. Die NF-κB-Signalübertragung spielt nicht nur eine entscheidende Rolle bei Entzündungen und der Tumorbildung, sondern ist auch für Entwicklungsprozesse wichtig. Durch die Etablierung von 3D-Organoid-Kulturen aus dem Dünndarm und unter Verwendung verschiedener Mauslinien weisen wir im zweiten Teil der Arbeit nach, dass NF-κB eine wichtige Funktion bei der Zelldifferenzierung und der Erhaltung von Stammzellen in vivo und ex-vivo spielt. Wir konnten zeigen, dass die Proliferation und das Absterben von Darmepithelzellen (IEC) bei Mäusen mit ubiquitärer Unterdrückung der NF-κB-Aktivität unverändert sind, während die Zahl der Becherzellen auf Kosten der Paneth-Zellen zunimmt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere Ergebnisse eine neue IEC-immanente Rolle von NF-κB bei Entscheidungen über das Zellschicksal und die Differenzierung aufzeigen, die über die Regulierung der Wnt-Signale und der Sox9-Expression stromabwärts von NF-κB erfolgt. Die hier beschriebenen Erkenntnisse verbessern unser Verständnis der NF-κB-Funktionen in der Stammzellbiologie, die, wenn sie dereguliert sind, auch Auswirkungen auf die Entzündung des Darms und die Tumorentstehung haben. / The interplay between NF-κB signaling and autophagy has been suggested to regulate inflammation in different cellular contexts and in response to different stimuli. However, the molecular mechanism by which these two pathways interact to regulate the inflammatory response remains elusive. By using biochemical analysis and imaging techniques, we characterized for the first time the interaction of autophagic marker LC3 and NF-κB/p65 subunit in response to different stress conditions. We demonstrated that the accumulation of LC3 within the nucleus interacts with p65 following NF-κB activation, which is promoted by ubiquitination of p65 protein and recognized by the cargo receptor p62. Together, these data identify a novel role for p62 in trafficking nuclear-ubiquitinated p65 to autophagosomes for degradation to control inflammation-driven NF-κB hyperactivation. These findings are important for developing novel therapeutic strategies against diseases involving defective autophagy and constitutive NF-κB activity. In addition to its critical role in inflammation and tumor formation, NF-κB signaling is essential in developmental processes. Establishing 3D organoid culture from the small intestine and using different mouse lines, we prove in the second part of the thesis that NF-kB plays an important function in cell differentiation and stem cell maintenance in vivo and in ex-vivo. We demonstrated that while intestinal epithelial cell (IEC) proliferation and death are unaltered in mice with ubiquitous suppression of NF-κB activity, goblet cell numbers increase at the expense of Paneth cells. In summary, our results revealed a novel IEC-intrinsic role of NF-κB in cell fate decisions and differentiation which occur via regulation of Wnt signaling and Sox9 expression downstream of NF-κB. The findings described here improve our understanding of NF-κB functions in stem cell biology which, when deregulated, also have an impact on intestinal inflammation and tumorigenesis.

T-Helfer-9-(Th9-)Zellen produzieren große Mengen Interleukin-(IL-)9 und lösen bei Wurm- und Tumorerkrankungen protektive Immunantworten aus. Sie sind aber auch maßgeblich an der Pathogenese chronisch entzündlicher Darmerkrankungen beteiligt. Im Widerspruch zu diesen entzündungsauslösenden Eigenschaften steht ihre Rolle bei der Erzeugung von Toleranz gegenüber allogenen Transplantaten. Diese gegensätzlichen inflammatorischen Eigenschaften deuten eine bisher nicht untersuchte funktionelle Heterogenität an. In vitro-differenzierte allo-reaktive Th9-Zellen zeigten sich in ihrer Gesamtheit pro-inflammatorisch. Dies äußerte sich nach Transfer in recombination activating gene-defiziente (Rag-/-) Mäuse durch einen akut einsetzenden Gewichtsverlust mit intestinaler Entzündung und durch die Abstoßung allogener Hauttransplantate. Mittels Einzelzell-Genexpressionsanalyse wurden zwei Th9-Subpopulationen identifiziert, die sich vor allem in ihrer CD96-Expression unterschieden (CD96low versus CD96high Th9-Zellen). Die differenzielle Expression von CD96 spiegelte sich auch im inflammatorischen Potenzial der Zellen wider. Während der Transfer von CD96low Th9-Zellen in Rag-/- Mäuse einen Gewichtsverlust mit Darmentzündung sowie die Transplantatzerstörung verursachte, zeigten CD96high-rekonstituierte Tiere kaum Entzündungsanzeichen im Transplantat bzw. im Darm. Dementsprechend verloren sie auch kein Gewicht. Es zeigte sich, dass CD96low Th9-Zellen ein höheres Potenzial zur Produktion von IL-4 und IL-9 sowie zur Expansion besaßen als CD96high Th9-Zellen. Eine Blockade von CD96 in vivo stellte die inflammatorischen Eigenschaften von CD96high Th9-Zellen wieder her, wodurch die funktionelle Relevanz der CD96-Expression unterstrichen wurde. Diese Daten belegen, dass es sich bei Th9-Zellen um eine funktionell heterogene Zellpopulation handelt. Weiterhin zeigen sie, dass CD96 – ein Molekül mit bislang unklarer Funktion in CD4+ T-Zellen – die Aktivität von Th9-Zellen negativ beeinflusst. / T helper 9 (Th9) cells are potent producers of interleukin(IL-)9 driving host immunity against worm infections and tumors. Furthermore, they are predominantly involved in the pathogenesis of chronic inflammatory bowel diseases. However, they also induce tolerance in allogeneic transplantation, which contrasts with their pro-inflammatory properties. These observations indicate a functional heterogeneity of Th9 cells not examined so far. Total in vitro differentiated allo-reactive Th9 cells injected into recombination activating gene-deficient (Rag-/-) mice caused weight loss, intestinal inflammation and rejection of allogenic skin grafts which proofed their inflammatory character. However, using single cell profiling, two subsets of Th9 cells mainly differing in their CD96 expression were identified (CD96low versus CD96high Th9 cells). Transfer of CD96low Th9 cells into Rag-/- mice induced severe weight loss, intestinal inflammation and graft destruction. In contrast, transfer of CD96high Th9 cells did cause neither weight loss nor resulted in graft rejection. Transcriptional profiling revealed a higher IL-9 and IL-4 expression potential as well as an increased expansion capacity in CD96low Th9 cells compared to CD96high Th9 cells. Blockade of CD96 in vivo restored the inflammatory properties of CD96high Th9 cells demonstrating, that expression of CD96 controls effector functions in Th9 cells. Thus, Th9 cells are heterogeneous in function. Moreover, this study suggests an inhibitory role for the co-signaling receptor CD96 – a molecule with so far unknown function in CD4+ T cells – in Th9 cells.

Toll-like Rezeptoren (TLRs) sind essentielle angeborene Rezeptoren, die konservierte Strukturen von Krankheitserregern oder Gefahrsignale, die von beschädigten Zellen freigesetzt werden, erkennen können. Genetische Variationen in TLRs wie Einzel-Nukleotid-Polymorphismus (SNP) können die Funktion von TLRs beeinträchtigen und erste Studien zeigen, dass dies zu einer erhöhten Anfälligkeit gegenüber Virusinfektionen oder einem erhöhten Krebsrisiko führen kann. In dieser Studie haben wir einen Multicolor-Durchflußzytometrie-Test entwickelt, um die TLR-Funktionen in verschiedenen Subpopulationen unseparierter peripherer mononukleärer Blutzellen (PBMCs) simultan analysieren zu können. Wir konnten beobachten, dass das Ausmaß der TLR-Antworten zwischen den Probanden stark variierte, jedoch über einen Zeitraum von einem Monat gut reproduzierbar war. Zunächst untersuchten wir TLR Reaktionen bei Patienten mit rezidivierenden Herpes labilalis (HL). Im Vergleich zu asymptomatischen Personen war eine HL- Anamnese mit einer signifikant verminderten TLR3-IFN-Gamma-Antwort nach Stimulation mit poly(I:C) in NK Zellen assoziiert. Weitere molekulare Untersuchungen zeigten eine mögliche Beteiligung von TLR3 L412F SNP, welcher die oberflächliche TLR3 Expression und die IFN-Gamma-Antworten in NK-Zellen reduzierte. Einige Studien zeigen, dassTLR1 I602S, ein weiterer sehr verbreiteter SNP, in der Lage ist die TNF-Alpah-Antworten von Monozyten gegen den TLR2/1-Agonisten (Pam3Cys) zu verringern. In der hier vorliegenden Arbeit konnten wir zudem nachweisen, dass TLR1 I602S SNP auch die Funktion von NK-Zellen und CD8+ T-Zellen beeinträchtigt. Wir konnten keine Assoziation zwischen TLR2/1-Defizienz und reaktivierendem HL feststellen. Jedoch konnten wir an einer großen Kohorte von über 326 Patienten zeigen, dass der TLR1 SNP sowohl ein Risikofaktor für Magenkarzinomentstehung als auch für die Metastasierung ist. Zusammenfassend weisen unsere Ergebnisse darauf hin, dass genetische Polymorphismen von TLRs die Funktion von NK-Zellen beeinträchtigen und zu einer erhöhten Anfälligkeit für HSV-1 Erkrankung und Magenkarzinom führen können. / Toll-like Receptors (TLRs) are essential innate receptors which recognize conserved structures of pathogens, or danger signals released from damaged cells. Alterations of TLR responses might result in severe viral infections or a higher risk of cancer. Therefore, development of clinical assays to evaluate TLR functions could provide personalized information about susceptibility to these diseases. Since TLRs are differentially expressed on different subsets of human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs), a multi-color flow cytometry-based assay was developed to detect TLR responses of individual cell types simultaneously. We observed that the magnitude of TLR responses largely varied between human subjects, but was highly reproducible over one month. To evaluate the potential role of differences in natural killer (NK) cell TLR response we studied the association of NK cell TLR function and TLR single nucleotide polymorphisms (SNPs) with susceptibility to recurrent herpes labialis (HL) and gastric cancer. Using our assay, impaired TLR3 response of NK cells was found in people with recurrent HL. In addition, we have identified enhanced levels of homozygous TLR3 L412F SNP in people with recurrent HL, which results in lower surface expression and reduced NK cell response to poly(I:C). TLR1 I602S, another common SNP, has been reported to decrease TNF-Alpha responses of monocytes toward TLR2/1 agonist, Pam3CSK4 (Pam3Cys), stimulation. In our study, we found that TLR1 I602S homozygosity also contributes to impaired IFN-Gamma responses of NK cells and CD8+T cells. Although we did not observe an association of TLR2/1 deficiency with recurrent HL, association of TLR1 I602S with risk for primary as well as metastatic gastric cancer was found in a cohort of 326 patients. To sum up, our results suggest that genetic polymorphisms of TLRs can impair TLR function of NK cells, which contribute to the increased susceptibility to HSV-1 diseases and gastric cancer.

In den humanen Leukozyten-Antigenen (HLA) wird die wichtigste genetische Ursache von rheumatoider Arthritis gesehen. Es wurden bisher mehrere Mechanismen beschrieben, wie diese HLA-Moleküle die Entstehung und den Verlauf der Erkrankung beeinflussen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die differentielle Expression von HLA-DRB-Genen in unterschiedlichen Antigen-präsentierenden Zellen als möglicher Mechanismus untersucht. Dabei wurden strukturelle Unterschiede zwischen den Promotoren des krankheitsassoziierten HLA-DR4-Haplotyps und den neutralen Haplotypen DR7 und DR9 eingehender betrachtet. Allen drei Haplotypen ist gemein, daß sie das DRB4-Gen als zweites funktionelles DRB-Gen tragen, wobei das DRB4-Gen entweder den DRB4A oder den -B-Promotor besitzt. Um den Einfluß einzelner Promotorelemente auf die mit dem Luziferase-Assay bestimmten Transkriptionsaktivitäten näher zu untersuchen, wurde mit Hilfe der surface plasmon resonance die Bindung der Transkriptionsfaktoren aus den Zellkernlysaten von der humanen Monozytenzellinie THP-1 und von der humanen B-Lymphom-Zellinie BJAB an die unterschiedlichen S-, X-, Y-, CCAAT- und TATA-Boxen analysiert. Es konnte gezeigt werden, daß die unterschiedliche Expression von DRB4A und DRB4B durch die ubiquitäre TATA-Box vermittelt wird. Dagegen wurde die INF-gamma-Stimulation der HLA-DR-Expression von THP-1- aber auch von BJAB-Zellen durch die für die HLA-DR-Promotoren spezifische X-Box vermittelt. Bei der Analyse von DR4-, DR7- und DR9-positiven Patienten einer bereits gut charakterisierten RA-Kohorte stellte sich heraus, daß der DRB4B-Promotor, welcher im Vergleich zu DRB4A eine höhere transkriptionelle Aktivität besitzt, mit einem schweren Krankheitsverlauf assoziiert ist, so daß eine erhöhte HLA-DR-Expression den Krankheitsverlauf negativ zu beeinflussen scheint. / Disease associated human leukocyte antigen (HLA) genes have been identified in humans where they are assumed to promote the susceptibility and/or progression of rheumatoid arthritis. Several mechanisms have been described how these HLA haplotypes impact on the disease. Among them the differential expression of HLA-DRB molecules in different types of antigen-presenting cells, which was investigated here in detail. The promoters of the disease associated HLA-DR4 to the neutral DR7 and DR9 haplotypes were analyzed for sequence polymorphisms resulting in functional differences. All three haplotypes carry as a second functional DRB gene the DRB4 gene, which is regulated by the DRB4A or -B promoter. To determine the impact of the promoter elements on the transcriptional activities measured by luciferase assay the surface plasmon resonance technology was employed. To this end, nuclear extracts from the monocytic cell line THP-1 and from the B lymphoma cell line BJAB were used to analyze their binding to the various S-, X-, Y-, CCAAT-, and TATA boxes. It could be demonstrated that the differential expression of DRB4A and -B was regulated via the ubiquitous TATA box. By contrast, the INF-gamma stimulation of HLA expression in THP-1 and BJAB was mediated via the unique X box. Analyzing the DR4, DR7 and DR9 positive patients of an RA cohort, the DRB4B promoter, which has a higher transcriptional activity than the DRB4A promoter, is associated with radiographic progression of RA. This data is thus indicative of an impact of elevated HLA-DR expression on the progression of the disease.

Dendritische Zellen (DCs) und Makrophagen sind spezialisierte antigenpräsentierende Zellen, die eigene und fremde Antigene prozessieren und mittels Haupthistokompatibilitätsmoleküle, humane Leukozytenantige (HLA) im Menschen, T-Zellen präsentieren, um Toleranzen zu induzieren oder T-Zell-vermittelte Immunantworten zu initiieren. Abhängig von ihrer Differenzierung haben sie spezifische Phänotypen und Funktionen undunterschiedliche Interaktionen mit Pathogenen, in dieser Arbeit durch Leishmania donovani (LD) repräsentiert, welche in Phagolysosomen der Makrophagen propagieren. Der Einfluss der Differenzierungszustände und von intrazelluläre Infektionen auf die Antigenprozessierung und -präsentation waren weitgehend undefiniert. Um hier Einblick zu gewinnen, haben wir die HLA-I-präsentierten Selbstpeptidome von menschlichen unreifen und reifen DCs, die aus der MUTZ3-Zelllinie generiert wurden, und LD-infizierte bzw. nicht-infizierte aus der THP1-Zelllinie generierte Makrophagen mittels Flüssigchromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS), sowie die Proteasom-Zusammensetzung per RT-PCR und die HLA-Expression und Aktivierungszustände der Zellen per Durchflusszytometrie analysiert und verglichen. Wir fanden, dass die HLA-I-Selbstpeptidome der Zellen heterogen und individualisiert waren, von Nonapeptiden dominiert wurden und ähnliche HLA-Bindungsaffinitäten und Ankerreste aufwiesen. Sie stammten aus Quellenproteinen aus fast allen subzellulären Lokalisationen und mit unterschiedlichen zellulären Funktionen in ähnlichen Anteilen und schlossen Tumor-assoziierter Antigene (TAAs) ein. Die Persistenz der LD hatte keinen Einfluß auf den Aktivierungszustand der Makrophagen, verursachte aber eine weitgehende Veränderungen des Peptidoms, der HLA-Bindungsaffinitäten und Ankerreste, der Quellproteine einschließlich TAAs und der HLA- und Proteasom-Expression. / Dendritic cells (DCs) and macrophages are specialized antigen presenting cells that process self and foreign antigens and present them to T cells via major histocompatibility complex molecules, human leukocyte antigens (HLA) in humans, for induction of tolerance or initiation of T cell-mediated immune responses. Related to differentiation state, they have specific phenotypes and functions, and varied interactions with pathogens herein exemplified by Leishmania donovani (LD) that parasitize macrophages and propagate within their phagolysosomes. The impact of the differentiation state and intracellular infection on antigen processing and presentation by HLA class I remained undefined. To gain insight, we analyzed and compared the HLA-I self peptidomes of MUTZ3 cell line-derived human immature and mature DCs, and THP1 cell line-derived LD-infected and none-infected macrophages by liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), as well as proteasome compositions by quantitative RT-PCR, and HLA expression and cell activation states by flow cytometry. We found that the HLA I-presented self-peptidomes of the cells in the different states were heterogeneous and individualized, dominated by nonapeptides with similar HLA binding affinities and anchor residues. They were sampled from source proteins of almost all subcellular locations and from proteins involved in various cellular functions in similar proportion including tumour-associated antigens (TAAs). The persistence of LD within the macrophage, did not affect macrophage activation. However, its impact was observed in self-peptidome heterogeneity, HLA binding affinities, anchor residue preferences, source protein peptide sampling (including TAAs) and HLA and proteasome expression.

Hintergrund: Die Versorgung von Immunzellen mit Energie in Form von ATP ist Grundlage eines funktionstüchtigen Immunsystems. Diese wird durch die mitochondriale OXPHOS oder durch die zytosolische Glykolyse gewährleistet. Sauerstoff und Glukose stellen die Hauptsubstrate dieser Stoffwechselprozesse dar. Fragestellung: Unter pathologischen Bedingungen wie sie in Entzündungsgebieten herrschen, konnte ein relativer Sauerstoffmangel experimentell nachgewiesen werden. Ziel dieser Arbeit war es herauszufinden, in welcher Weise die Funktionen einer definierten Lymphozytenpopulation (CD4+) durch Sauerstoffmangel beeinflusst werden. Methoden: Nach Isolation von CD4+ Zellen aus peripherem Blut gesunder Spender, wurden definierte Zellmengen stimuliert und in einem mit einer Sauerstoffelektrode ausgestatteten Gefäß unter Luftabschluß inkubiert. Zu definierten Zeitpunkten wurden Proben zur ATP-Messung entnommen, sowie Protein- und RNA-Lysate hergestellt. Die Vitalität zu Anfang und zum Ende der Inkubation wurde mittels Propidium-Jodid-Färbung im FACS bestimmt. Aus gesammelten Überständen wurden mittels Multiplex-ELISA die Konzentrationen von IL-1beta, IL-2, IL-6, IL-8, IL-10, TNF-alpha und MCAF gemessen. Als Kontrollen dienten unter Normoxie inkubierte Aliquots der Zellsuspensionen. HIF-1alpha wurde mit Immunoblotting nachgewiesen. Transkriptionsänderungen von SOD1 und HK1 wurden durch SYBR-Green Real-Time-PCR quantifiziert. Ergebnisse: Stimulierte CD4+-Zellen von Normalspendern schütten unter dem Einfluss von Hypoxie vermehrt proinflammatorische und chemotaktisch wirksame Zytokine, sowie zur Differenzierung notwendige antiinflammatorische Zytokine aus. Die Verfügbarkeit von Glukose hat hierauf einen verstärkenden Effekt. Eine hypoxische Umgebung sorgt in Abhängigkeit von der Versorgung mit Glukose für eine Anpassung der zellulären Atmungsrate. Glukose ist für die Aufrechterhaltung eines konstanten ATP-Levels verantwortlich. Die glykolytische Energiegewinnung unter Hypoxie kompensiert den Ausfall der OXPHOS. Hypoxie führt bei stimulierten CD4+-Zellen bei freier Glukoseverfügbarkeit zu einer vermehrten Transkription des Hexokinase1-Gens. Glukosemangel bewirkt dagegen in hypoxischer Umgebung eine Transkriptionssteigerung des SOD1-Gens. / Background: The energy supply of immune cells in form of ATP is the cornerstone of a functional immune system. This supply is realized by either mitochondrial OXPHOS or cytosolic glycolysis. Oxygen and glucose present the main substrates in these metabolic processes. Objective: Relative shortness of oxygen could be determined experimentally under pathological conditions present in inflamed tissues. The aim of this study was to determine the extent of hypoxic influence on the cellular function of CD4+ lymphocytes. Methods: Human CD4+ cells were isolated from peripheral blood of healthy blood donors by MACS sorting. Following a defined protocol cells were stimulated and incubated in a sealed container with a Clark type electrode. Samples were taken for measurements of ATP content. RNA- and Protein lysates were made to quantify the transcription of SOD1 and HK1 by SYBR green RT-PCR and look for the presence of HIF-1alpha by immunoblot analysis respectively. Supernatants were used to measure the expression of IL-1beta, IL-2, IL-6, IL-8, IL-10, TNF-alpha and MCAF using a multiplex ELISA assay. Aliquots of cell supspensions incubated under normoxic conditions served as controls. Results / Conclusion: Under the influence of hypoxia stimulated CD4+ lymphocytes of healthy blood donors express proinflammatory and chemotactically active as well as anti-inflammatory cytokines important for cell differentiation. The availability of glucose leads to an increase of this effect. An hypoxic environment dependant on the availability of glucose leads to an adaptation of cellular respiration. Glucose deficiency provokes an increase in cellular oxygen utilization. The availability of glucose is responsible for a constant intracellular ATP level. This proves that in CD4+ lymphocytes glycolysis is capable of compensating for hypoxically impaired oxidative phosphorylation thus providing enough ATP to enable cellular function. Hypoxia under glucose provision leads to an increase in mRNA expression for HK1, a key enzyme of glycolysis. Lack of glucose under hypoxic conditions results in an increase in mRNA expression for SOD1. Glucose therefore serves in CD4+ cells as an agent of constant energy supply that leads to cell survival and an upkeep of a proinflammatory environment through cytokine expression.

MHC Klasse II Moleküle präsentieren Peptidantigene für die Überwachung durch CD4+ T Zellen an der Zelloberfläche. Um Sicherzustellen, dass diese Peptidliganden möglichst genau die intrazelluläre Proteinzusammensetzung widerspiegeln, hat sich im Verlauf der Evolution ein komplexer Prozessierungsweg entwickelt, welcher möglichst stabile Peptid/MHC Komplexe an die Zelloberfläche liefert. MHC Moleküle, welche ihren Liganden verloren haben, konvertieren zudem spontan in einen ‚nichtrezeptiven’ Zustand, was als zusätzlicher Sicherheitsmechanismus dient. Diese Studie zeigt jedoch, dass Aminosäureseitenketten kurzer Peptide diesen Sicherheitsmechanismus umgehen können indem sie katalytisch einen reversiblen Ligandenaustausch auslösen. Die katalytische Aktivität von Dipeptiden, wie z.B. Tyr-Arg (YR), war dabei stereospezifisch und konnte durch zusätzliche Modifikationen verstärkt werden, welche das konservierte H-Brückennetzwerk der so genannten P1-Tasche des MHC Moleküls adressierten. Die Dipeptide verstärkten dabei sowohl die Antigenbeladung als auch den Ligandenaustausch, wobei deren relative Aktivität genau mit den bekanten Ankerpräferenzen der P1 Tasche korrelierte. Letzteres weist somit auf eine direkte Interaktion der katalytischen Seitenkette des Dipeptides mit dieser Tasche hin. Der Verstärkungseffekt war auch in CD4+ T Zellassays zu beobachten, bei denen der alleleselektive Einfluss der Dipeptide direkt in eine deutliche Erhöhung der Sensitivität der antigenspezifischen T Zellantwort führte. Durch weitere molekulardynamische Berechnungen konnte die Hypothese unterstützt werden, dass die Besetzung der P1 Tasche durch Aminosäureseitenketten einen Kollaps der leeren Bindungstasche zum ‚nichtrezeptiven’ Zustand verhindert. Während der Antigenpräsentation könnte P1 somit unmittelbar als ‚Sensor’ für die Beladung mit Peptiden dienen. Diese Annahme konnte experimentell durch spektroskopische Untersuchungen unter Verwendung des ANS-Farbstoffes (8-Anilino-1-Naphtalensulfonsäure) sowie durch Messung der intrinsischen Tryptophanfluoreszenz bestätigt werden. Darüber hinaus konnten konformationsspezifische Antikörper, welche bislang lediglich mit unbeladenen MHC Molekülen in Verbindung gebracht wurden, hier als spezifische Sonden für den nichtrezeptiven Zustand definiert werden. Als mögliche Risikofaktoren könnten katalytische kurze Peptide eine Rolle bei der Auslösung von Autoimmunerkrankungen spielen. In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass sie die Beladung von Glutenantigenen auf das Zöliakie-assozierte HLA-DQ2 Molekül verstärken können. Zumindest in vitro konnte ihre Anwesenheit deshalb auch die antigenspezifische Antwort von CD4+ T Zellen verstärken, welche zuvor von Zöliakiepatienten isoliert worden waren. Auf der einen Seite könnten diese Peptide als ‚MHC-loading enhancer’ (MLE) deshalb als mögliche Risikofaktoren die Ausbildung entzündlicher (Auto-) Immunerkrankungen beschleunigen. Auf der anderen Seite könnten sie jedoch auch als ‚drug-like’ Vakzinadditiv zur Verbesserung von Immuntherapien führen. / MHC class II molecules present antigenic peptides on the cell surface for the surveillance by CD4+ T cells. To ensure that these ligands accurately reflect the content of the intracellular MHC loading compartment, a complex processing pathway has evolved that delivers only stable peptide/MHC complexes to the surface. As additional safeguard mechanism, MHC molecules quickly acquire a ‘non-receptive’ state once they have lost their ligand. This study shows that amino acid side chains of short peptides can bypass these safety mechanisms by triggering the reversible ligand-exchange. The catalytic activity of dipeptides such as Tyr-Arg (YR) is stereo-specific and could be enhanced by modifications addressing the conserved H-bond network near the P1 pocket of the MHC molecule. It enhanced both antigen-loading and ligand-release and strictly correlated with reported anchor preferences of P1, the specific target site for the catalytic side chain of the dipeptide. The effect was evident also in CD4+ T cell assays, where the allele-selective influence of the dipeptides translated into increased sensitivities of the antigen-specific immune response. The hypothesis that occupation of P1 prevents the ‘closure’ of the ‘empty’ peptide binding site into the ‘non-receptive’ state was further supported by molecular dynamic calculations. During antigen processing and presentation P1 may therefore function as important ‘sensor’ for peptide-load. Spectroscopic studies using ANS dye (8-aninilino-1-napthalenesulfonic acid) and intrinsic tryptophan fluorescence data, confirm the postulate by providing direct evidence for the conformational transitions. Moreover conformation specific antibodies previously described to be specific for ‘empty’ MHC could be shown to be a ‘probe’ for ‘receptive conformation’. As potent risk factors short peptides may be involved in the induction of autoimmune diseases. It could be shown here that they could enhance the loading of gluten derived antigen on celiac disease linked-HLA-DQ2 allele. At least in vitro the effect could enhance gluten specific CD4+ T cell response on T cell clones obtained from celiac disease patients. Thus, on one hand short peptides might work as ‘MHC loading enhancer’ (MLE) in the precipitation of inflammatory-‘autoimmune’ disorder, on the other hand they might be used as drug like vaccine ‘additive’ in various therapeutic settings.

Toll-like Rezeptoren (TLR) und Nod-like Rezeptoren (NLR) sind Muster-erkennende Rezeptoren des angeborenen Immunsystems, die bakterielle Zellwandbestandteile erkennen können. Interleukin (IL)-1beta ist ein streng reguliertes Zytokin. Durch eine erste Stimulation wird der TLR-Rezeptor ausgelöst und führt zur Expression des Vorläuferproteins proIL-1beta. Durch einen zweiten Stimulus wird ein zytoplasmatischer NLR-Rezeptor zur Caspase1-Aktivierung angeregt. Dies führt zur post-translationalen Reifung von proIL-1beta zu reifem IL-1beta und zur Aktivierung weiterer Mechanismen der Pathogen-Eliminierung während einer bakteriellen Meningitis. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die synergistische Beziehung zwischen TLRs und NOD2 in Bezug auf die IL-1beta-Sekretion in Astrozyten und Mikroglia untersucht. Primäre murine WT-Astrozyten und eine humane Zelllinie, die mit Lipopolysaccharid (LPS) oder Lipopeptid sowie Muramyldipeptid (MDP) stimuliert wurden, zeigten signfikant erhöhte IL-1beta-Werte. IL-1beta war in NOD2-/- Astrozyten nicht erhöht. NOD2 trägt demnach als MDP-ausgelöster Rezeptor in Astrozyten, vermutlich zusammen mit dem Inflammasom-Komplex, zur Caspase-1-Aktivierung bei. In Mikrogliazellen lässt sich der bei Astrozyten gezeigte Effekt nicht reproduzieren. Zum ersten Mal wurde gezeigt, dass die TLR-abhängige IL-1beta-Antwort durch NOD2-Beteiligung in murinen und humanen Astrozyten synergistisch erhöht wird. In einem weiteren Versuchsteil wurde in primären murinen Peritonealmakrophagen von adulten Mäusen der TLR/NLR-Synergismus untersucht. Es stellte sich überraschenderweise heraus, dass weibliche NOD2-/- Mäuse zu einer synergistisch erhöhten IL-1beta-Sekretion fähig waren. SiRNA-Versuche mit in Östrogen vorinkubierten RAW264.7-NOD2-/- Zellen zeigten eine eindeutige Synergie der TLR4- und NOD2-Rezeptoren in der IL-1beta-Ausschüttung. Östrogen scheint weiblichen Individuen einen protektiven Vorteil vor Infektionen bei NOD2-Defizienz zu verschaffen. / Toll-like receptors (TLR) and nod-like receptors (NLR) are pattern-recognition receptors that recognize lipopolysaccharide (LPS), lipopeptides and myramyldipeptide (MDP) derived from bacterial cell wall. We focus our question on the regulation of the pro-inflammatory cytokine interleukin (IL)-1beta during bacterial meningitis in primary murine astrocytes and microglia as well as cell lines and the synergism of TLR4 or TLR2 and NOD2 to amplify IL-1beta-expression. ProIL-1beta is expressed by TLR-stimulation and activation of NF-kB signal transduction. Through the activation of Caspase-1, possibly through NOD2 and the inflammasome, proIL-1beta is cleaved on post-translational level and obtains its activated status, leading to pathogen elimination during bacterial meningitis. Primary murine WT-astrocytes and a human cell line primed with LPS or lipopeptide and stimulated with MDP show significantly increased IL-1beta levels in the supernatant. NOD2-/- astrocytes do not show elevated IL-1beta levels. After screening of cytoplasmic proCaspase-1 and activated Caspase-1 by Western blot it became clear, that stimulation of NOD2 with MDP led to Caspase-1 activation and thus to IL-1beta maturation in primary murine WT-astrocytes. We demonstrate for the first time that the synergism between TLR4 and NOD2 leads to significantly elevated IL-1beta levels and that NOD2 is capable of activating caspase-1 in primary murine astrocytes. Another part of the work was to test the TLR/NLR-synergism on primary peritoneal macrophages from adult mice. Surprisingly, female NOD2-/- mice showed significantly elevated IL-1beta levels. SiRNA- and stimulation-experiments with RAW264.7-NOD2-/- cells pre-incubated in estrogen show a clear synergy in IL-1beta secretion through TLR4 and NOD2 receptors. Estrogen seems to protect females from infection when having a NOD2 deficiency.