Parasitische Nematoden beeinflussen gezielt die Abwehrreaktionen ihres Wirtes. Dies wird besonders während der chronischen Infektionsphase durch eine herabregulierte T-Zell-Antwort auf Parasitenantigene und andere Stimuli ersichtlich. In dieser Arbeit wurde die T-Zell-Antwort gegen einen intestinalen Nematoden untersucht. Mäuse wurden mit dem Trichostrongyliden Heligmosomoides polygyrus infiziert und in der Folge Effektor- sowie regulatorische T-Zellen (Tregs) untersucht. Subpopulationen von CD4+ T-Zellen wurden aus chronisch infizierten Mäusen isoliert und in naive Empfänger transferiert, welche nachfolgend infiziert wurden. Dabei zeigte sich, dass der Transfer von CD4+ Effektor-T-Zellen zu einer verminderten Wurmlast in den Empfängertieren führte, diese Zellen also einen partiellen Schutz gegen die Primärinfektion vermitteln. Der gleichzeitige Transfer von Tregs beeinflusste diesen Effekt nicht. Tregs allein zeigten keinerlei Einfluss auf die Wurmlast der Empfänger. Die Protektion durch Transfer von Effektor-T-Zellen kann vermutlich auf eine kleine Antigen-spezifische Population von CD4+ Zellen zurückgeführt werden. Diese Zellen wurden durch die Expression von CD40-L (CD154) nach Restimulation mit Parasitenantigen in vitro charakterisiert und enthielten einen Großteil der Zytokinproduzenten unter den CD4+ Zellen. Während diese Effektorzellen ein deutliches Th2-Zytokinprofil durch Produktion von Interleukin-4 (IL-4) und IL-13 zeigten, reagierte eine Treg-Subpopulation mit der Sekretion hoher Mengen von IL-10 auf Antigenstimulation. Diese Tregs waren durch Expression des Integrins AlphaE (CD103)Beta7 sowie CD25 und Foxp3 charakterisiert und vermittelten in vitro die stärkste Suppression anderer T-Zellen, wenn sie aus chronisch infizierten Mäusen isoliert wurden. Durch Untersuchung der zellulären Zusammensetzung von mesenterialen Lymphknoten und Milz konnte gezeigt werden, dass die Frequenz solcher regulatorischer Zellen im Verlauf der Infektion dauerhaft und überproportional zunimmt. Im Gegensatz dazu wurde am Infektionsort nur eine vorübergehende Akkumulation von Tregs (Foxp3+) während der akuten Phase der Infektion nachgewiesen. Diese Ergebnisse zeigen den Einfluss einer intestinalen Nematodeninfektion auf die Aktivität von Tregs und das Potential parasitenspezifischer CD4+ Effektor-Zellen zur Vermittlung von Schutz gegen die Infektion. Ein weiteres Projekt dieser Arbeit wahr die Verabreichung eines immunmodulatorischen Parasitenproteins, des Filariencystatins Av17, in einem Mausmodell entzündlicher Darmerkrankungen. In Mäusen wurde eine kolitisartige Entzündung durch eine Chemikalie im Trinkwasser induziert. Die regelmäßige Verabreichung von rekombinant exprimiertem Cystatin verminderte die Entzündungsreaktion signifikant. Damit konnte in dieser Arbeit gezeigt werden. dass Entzündungsreaktionen, die nicht durch den Parasiten selbst hervorgerufen werden, durch die Applikation einer einzelnen Parasitenkomponente unterdrückt werden können. / Parasitic nematodes specifically modulate the immune response of their hosts. A cellular hyperreactivity, especially during the chronic phase of infection, is a distinct finding of such infections. The T cell response against an intestinal nematode was analyzed in this work. Mice were infected with the trichostrongylid Heligmosomoides polygyrus and surveyed for changes concerning effector and regulatory T cells (Tregs). Subpopulations of CD4+ T cells were isolated from chronically infected mice and adoptively transferred to naive recipients, which were subsequently infected. The Transfer of CD4+ effector cells conferred partial protection, seen as decreased worm burdens in recipients. This effect was unimpaired by simultaneous transfer of Tregs. The transfer of purified Tregs alone showed no effect on worm burdens. The protection by transfer of effector T cells was probably due to a small parasite-specific population, which was characterized by the expression of CD40-L (CD154) after antigen-restimulation. The CD154+ population contained high frequencies of cells reacting with production of the Th2 key cytokines interleukin-4 (IL-4) and IL-13. On the other hand, a subpopulation of Tregs secreted high amounts of IL-10 in response to the antigen. These Tregs were characterized by the expression of the integrin AlphaE (CD103)Beta7, as well as CD25 and Foxp3. They showed a peculiar strong suppressive efficacy on the proliferation of other T cells, especially when derived from chronically infected donors. Analyzing the cellular composition of mesenteric lymph nodes and spleens in response revealed a lasting and over-proportional increase in frequencies of these Tregs. In clear contrast, only a transient increase of Foxp3-expressing Tregs was detected at the site of infection during the acute phase. These results point out the changes Treg activity during an intestinal nematode infection and show the potential of CD4+ effector cells in mediating protection against infection. A second project of this work was the application of an immunomodulatory parasite protein, the filarial cystatin Av17, in a mouse model of inflammatory bowel disease. Mice developed an inflammatory response to a chemical applied in the drinking water. The repeated application of recombinantly expressed cystatin significantly diminished the inflammatory response. Hence, this work showed the potential of a single parasite component in suppressing inflammatory processes not caused by the parasite itself.

Der parasitische Nematode Acanthocheilonema viteae kann die Immunantwort seines Wirtes abschwächen, indem er in diesem die Produktion immun-regulatorischer Cytokine Interleukin-10 (IL10) induziert. In dieser Arbeit entwickelte ich spezifische mathematische Modelle um die Mechanismen der IL10 Regulation zu erforschen. Die Annahmen des Modells waren: 1) Av17, ein immun-modulatorisches Protein von A. viteae, zur Phosphorylierung der MAP-Kinasen ERK und p38 führt; 2) Av17 induzierte IL10 ist ERK und p38 abhängig. Beide Annahmen waren in Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen zur Aktivierung von ERK and p38. Weiter habe ich mehrere Signalregulationsmodelle getestet und eine Methode entwickelt, die theoretische und experimentelle Ansätze kombiniert. Von hier aus konnte ich ein Modell auswählen, dass unabhängige experimentelle Daten korrekt vorhersagt. Modelle selection identifizierten die Duale-Spezifizität Kinasen (DUSP) als integrale Rückkopplungsregulatoren dieses Systems. Eine Sensitivitätsanalyse zeigte, dass p38 durch DUSP, ERK beeinflusst, das Gegenteil aber nicht. Dieser Befund legt eine autokrine Rückkopplung der Signalkomponenten nahe, die auch experimentell bestätigt werden konnte. Allgemein müssen die immunoregulatorischen Mechanismen im Wirt robust gegen Störungen, z.B. durch Parasiten wie A. viteae, sein. Dies veranlasste mich mit Hilfe eines Monte-Carlo Ansatzes die Robustheit der ausgewählten Modelle gegenüber Variationen zu testen. Ich verglich das zuvor ausgewählte Modell und ein Modell mit transienter Rückkopplung. Das Resultat ließ darauf schließen, dass in diesem Fall die integrale Rückkopplung robuster gegenüber Variationen ist als eine transiente Rückkopplung. Insgesamt verbindet der systembiologische Ansatz meiner Arbeit erfolgreich theoretisches Wissen mit experimenteller Expertise um einen Mechanismus vorzuschlagen, der beschreibt, wie der Parasit A. viteae mit Makrophagen seines Wirtes interagiert, um IL10 Exprimierung zu induzieren. / The parasitic nematode Acanthocheilonema viteae can downregulate the immune response of its host by inducing immunoregulatory cytokines such as interleukin-10 (IL10). In this thesis, I developed specific mathematical models to investigate IL10 regulation mechanisms. These models assumed that Av17, an immunomodulatory protein secreted by A.viteae, leads to the Mitogen Activated Protein Kinases (MAPK) ERK and p38 phosphorylation and that IL10 transient expression was dependent on the activation of both MAP kinases. These assumptions were validated with experimental data on ERK and p38 activation. Further, I tested alternative ways of signalling regulation and developed a method of model selection that combines the theoretical predictions with experimental evidences. Model selection identified dual specificity phosphatase (DUSP) as integral feedback regulators in this system. Dedicated experiments showed that DUSP1 was responsible for regulation of ERK and p38 phosphorylation and controlled IL10 expression in this system. Furthermore, a sensitivity analysis suggested that p38 affects ERK via DUSP, but ERK does not affect p38, revealing a negative feedback between the components. This model prediction was validated experimentally. Generally, host immune regulation mechanisms should be robust against variations, e.g., by parasites like A. viteae. This prompted me to test the robustness of the selected model against noise, by comparing it with a transient feedback model. The results suggest that the integral feedback model is more robust against noise than the transient feedback model, in the case under study. In summary, based on a systems biology approach that successfully combines theoretical and experimental expertise, this thesis proposes a mechanism that describes how the parasite A. viteae interacts with its host macrophages to induce IL10 expression.

Die Infektion mit Filarien (Nematoden) ruft massive Schädigungen beim Menschen hervor. Strategien zur Bekämpfung dieser Parasitose basieren auf einer Massenbehandlung mit Ivermectin und Derivaten. Allerdings ist die Behandlung der Patienten zeitaufwändig und teuer. In diesem Zusammenhang stellt Aufklärung molekularer Mechanismen, die die parasitische Lebensform dieser Würmer ermöglichen, einen neuen Ansatzpunkt für die Entwicklung von Therapeutika und Präventivmaßnahmen dar. Die Moleküle Cystatin und Chitinase wurden, auf Grund ihrer immunodulatorischen und katalytischen Eigenschaften, bei der Nager-Filarie Acanthocheilonema viteae als essentielle Proteine identifiziert. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die detaillierte, funktionale Charakterisierung dieser beiden Proteine. Um das räumliche Expressionsmuster und damit potentielle Funktionen des Sekretionsprotein Cystatins zu ermitteln, wurde der frei lebende Nematode Caenorhabditis elegans als heterologes Expressionssystem genutzt. Unter dem Einfluss des Cystatin-Promoters konnte GFP in pharyngealen und rektalen Zellen von C. elegans exprimiert werden. Möglicherweise ist das Cystatin damit bei A. viteae in den Häutungsprozess involviert, da bei C. elegans derartige Enzyme in den pharyngealen Zellen gespeichert werden. Des Weiteren wurde der Häutungsprozess der infektiösen L3 zum Stadium der L4 durch Ausschalten des Gens mittels RNAi um drei Tage verzögert. Allerdings war der Effekt transient und die Verzögerung des Häutungsprozesses beeinflusste weder die Viabilität noch die Infektiösität der Larven. Die Analyse der Regulation von Cystatin während der Entwicklung des Parasiten mittels der Real-Time PCR zeigte, dass das Gen im Stadium der Mikrofilarien, die der Immunantwort des Wirtes voll exponiert sind, maximal exprimiert wird. Für die Chitinase von A. viteae konnte eine essentielle Rolle im Häutungsprozess nachgewiesen werden. Das Ausschalten des Gens führte zu einer Hemmung der Häutung bei 90 % der L3 und damit zu ihrem Tod. Die maximale Expression im L3 Stadium des Parasiten ist ein weiterer Hinweis darauf, dass dieses Protein in den Häutungsprozess involviert ist. Mittels RNAi bei adulten Parasiten konnte die katalytische Rolle der Chitinase beim Abbau des Chitins im Ei bestätigt werden, da hier nur ungeschlüpfte Mikrofilarien ausgeschieden wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern weitere Hinweise darauf, dass sowohl das Cystatin als auch die Chitinase von A. viteae auf Grund ihrer essentiellen endogenen Funtionen attraktive Zielmoleküle in der Bekämpfung von Filariosen darstellen. / Nematodes which cause filariasis have detrimental effect on humans. Strategies to eliminate this disease are based on mass treatment with drugs like ivermectin. However, they have several drawbacks such as long duration required for treatment and tenuous financial supports. Understanding the molecular mechanisms of genes required for parasitism will help to develop novel therapeutic and preventive strategies. The aim of this study was a detailed functional characterization of cystatin and chitinase of Acanthocheilonema viteae, a rodent filarial nematode. To this end, C. elegans was used as a heterologous system to determine the spatial expression pattern of A. viteae cystatin and chitinase and thereby their possible functions. The promoter of cystatin drove the expression of reporter, GFP, to the pharyngeal and rectal gland cells of transgenic C. elegans lines, this being compatible with the fact that cystatin is secreted in the parasites. This also suggests that cystatin in A. viteae is probably required for moulting since generally in C. elegans the enzymes required for moulting are stored in the pharyngeal gland cells. Moreover, knockdown of cystatin by RNAi delayed moulting of the infective L3 to the L4. However, the RNAi effect was transient and the delay in moulting did not affect the viability and infectivity of the larvae. Analyses of the developmental regulation of cystatin by real-time PCR showed that it is maximally expressed in the blood microfilarial stage, which are exposed to the full force of host immune responses. This is compatible to the fact that A. viteae cystatin immunomodulates the host immune responses. This study also determined that chitinase of A. viteae plays an essential role in the moulting of the L3 larvae since knockdown of chitinase inhibited moulting in 90% of the L3 larvae thereby killing them. Moreover, maximum expression of chitinase was observed by real-time PCR in the L3 stage supplementing that it is involved in moulting. RNAi of chitinase in adults led to the release of unhatched microfilariae confirming the essential catalytic role of chitinase in the degradation of the chitin egg shells. This study substantiates that cystatin and chitinase of A. viteae are attractive intervention targets due to their essential endogenous functions in the parasite.