Die Hauptaufgabe des Immunsystems ist der Schutz des Koerpers gegen den externen Angriff von Viren, Bakterien und sonstigen potentiellen Krankheitserregern, sowie die Vermeidung von weiteren Infektionen durch bereits erfahrene Pathogene, die durch die Errichtung eines immunologischen Gedaechtnisses vermieden werden. Zytotoxische T-Zellen sind die Protagonisten der spezifischen Immunantwort beim Bekaempfen von intrazellulaeren Infektionen. Das Proteasom spielt eine wichtige Rolle in der Produktion von antigenischen Peptiden dar, die, sobald sie von MHC-Molekurle praesentiert werden, furr die Aktivierung von T-Zellen in der Immunantwort verantwortlich sind. Diese Thesis praesentiert eine Studie, die belegt, dass die Laenge und Groesse von Fragmenten, die waehrend der Proteasomedegradation entstehen, sehr von der Groesse der Schranke abhaengt, die den Substratfluss durch das Proteasom steuert. Das hier vorgestellte Modell kann daher in der Quantifizierung des antigenischen Umsatzes und deren Praesentation von grossem Nutzen sein. Wir stellen die Vermutung an, dass die Ersetzung von konstitutivem Proteasom durch Immunoproteasom, die waehrend einer Immunantwort in antigenpraesentierenden Zellen stattfindet, das T-Zell-Repertoire stark veraendert und dabei hilft, eine schnelle und effektive Immunreaktion zu starten. Die Schlussfolgerungen dieser Dissertation sind: Die Kinetik der antigenischen Praesentation und ihre Quantifizierung sind wichtige Aspekte fuer das Verstehen der Instandhaltung und Funktionalitaet des T-Zell-Repertoires. Das Immunsystem nutzt die Kinetik des Proteasoms und den Wettbewerb um Ressourcen zwischen den T-Zellen zur Entwicklung von cleveren Strategien gegen Infektionen aus, ohne dabei auf die Produktion von teueren neuen Ressourcen zururckgreifen zu m"ussen. / The major tasks of the immune system are the protection of the body from undesired external pathogenic attack and the prevention of further and already experienced challenges, which are avoided by the establishment of immunological memory. The proteasome machinery plays a crucial role in the generation of antigenic peptides, which are responsible for the activation of T-cell during an immune response. In this PHD thesis the study of the T-cells dynamics and their homeostasis has been investigated. In particular we focused on the immunological function of the intracellular protein degradation. This thesis evidenced that the length and the amount of fragments generated by the proteasome degradation fairly depend on the size of the gates regulating the flux of substrate through the proteasome. This model captures the known characteristics of proteasomal degradation, and can therefore help to quantify MHC antigen processing and presentation. A model dealing with the dynamics of cytotoxic T-cells and the role of the antigen presentation in shaping the T-cell repertoire has been proposed. This model shows that the replacement of constitutive proteasome with the immunoproteasome re-shapes significantly the T-cell clone repertoire and helps to mount a fast and effective immune response. The last part of this thesis has been devoted to the population dynamics of cytotoxic T-cells over a long timescale. Stochastic models describing the maintenance of T-cell memory clones have been proposed. The conclusions are: the kinetics of the antigen presentation and its quantification are critical aspects for the understanding of the maintenance and the functionality of the T-cell repertoire. The Immune system takes advantage of the kinetics of proteasome and the competition for resources in the T-cell repertoire to develop a clever strategy to challenge infections without expensive production of new resources.

Ein neuartiger Ansatz für die Immunphänotypisierung wird vorgestellt. Die Durchflusszytometrie (FACS) ist die übliche Methode für die Charaketrisierung des Immunsystems. Jedoch ist die Verfügbarkeit von frischem Vollblut, sowie ein schnelle Probenlogistik Vorraussetzung für die Analyse. Als potentialle Alternative werden epigentische qPCR Assays vorgestellt. Für die Quantifizierung von B- und NK-Zellen wurden epigenetische qPCR Systeme etabliert. Anhand eines erweiterten epigenetischen Markerpanels wurde die klinische Anwendung in drei Kohorten getestet: a) 41 Patienten mit primären Immundefizienzen (PID); b) 19 Neugeborene mit und ohne PID und c) 28 Patienten nach einer Stammzelltransplantation (SZT). In Kohorte a) und c) konnte die Äquivalenz der Ergebnisse mit FACS bestätigt werden. Diskrepanzen bei der regulatorischen T-Zell Quantifizierung in einzelnen PID Patienten wurde festgestellt, welche durch Mutationen verursacht wurden, die die Integrität der analysierten Proteine beeinflussen. Zudem konnte die Anwendung der epigentischen Quantifizierung in Trockenblutkarten von Neugeborenen gezeigt werden. Dies würde die Anwendung auch im Neugeborenen-Screening für die Erkennung von PIDs ermöglichen. Für die Anwendung in der SZT konnte gezeigt werden, dass das epigenetische System eine frühe Analyse der Immunrekonstitution ermöglicht, welche eine prädiktive Aussage über das Überleben der Patienten erlaubt. Patienten, welche eine Immunantwort der Lymphozyten gegen eine Virusinfektion bereits am Tag 26 nach Transplantation aufwiesen, hatten eine signifikant höhere Überlebenschance als Patienten ohne Immunantwort. Zusammengefassend zeigen die Daten, dass die epigenetische Systeme für klinische Anwendungen eine zuverlässige Methode darstellt. Die Aussagekraft der Daten ist aufgrund der Studiengröße noch limitiert, und komplizierte klinische Szenarien erschweren die Evaluierung. Deshalb sind weitere Studien erforderlich, um das gezeigte Potenzial zu validieren. / A novel approach for immunophenotyping for clinical applications is presented here. Flow cytometry is currently a common method to characterize the immune system but requiring fresh whole blood and good sample logistics which is not always available. To overcome this limitations, epigenetic qPCR assays are introduced as potential alternative. New epigenetic qPCR systems to quantiy B and NK cells have been established. Using an extended epigenetic marker panel, clinical applications were tested in three patient cohorts: a) 41 patients with different primary immunodeficiencies (PID); b) 19 newborns with and without PID and c) 28 patients after stem cell transplantation (SCT). In cohort a) and c) the equivalence of the epigenetic quantification with flow cytometry was confirmed. However, discrepancies between both methods for regulatory T-cell quantification were found in individual PID patients caused by disease-associated mutations affecting the integrity of the respective protein. Furthermore, the epigenetic quantification using dried blood spots from newborns was demonstrated. This would allow the implementation of epigenetic immunophenotyping in neonatal screening for the detection of congenital immunodeficiencies. For the application in SCT, it was shown that the epigenetic system allows an early analysis of immune reconstitution, which may allow a prediction of the patients' overall survival. Patients who showed an immune response of lymphocytes against viral infections at day 26 after transplantation had a significantly higher survival rate. In summary, the available data show that epigenetic immunophenotyping is a reliable analytical method for various clinical applications. The significance of the data is still limited due to the size of the study and complicated clinical scenarios make the evaluation of individual measurements difficult. Therefore, further extensive investigations are needed to clinically validate the demonstrated potential.

Der Einzeller Eimeria tenella zählt zu den hochpathogenen Parasiten des Haushuhns und ist Verursacher der Blinddarm-Kokzidiose, eine Erkrankung, die zu hohen ökonomischen Belastungen in der Geflügelindustrie führt. Zur Zeit existiert noch kein Impfstoff, der auf Basis von einzelnen Antigenen wirksam ist. Insbesondere die Identifizierung und Charakterisierung von sekretorischen Proteinen, welche an der Parasit-Wirtszell-Interaktion beteiligt sind, könnte einen Beitrag zur Entwicklung einer Immunprophylaxe darstellen. Ziel dieser Arbeit war es, sekretorische E. tenella-Proteine zu identifizieren und ausgewählte cDNA-Sequenzen in DNA-Immunisierungsstudien zu überprüfen. Um ein DNA-Immunisierungsprotokoll für Hühner zu erarbeiten, wurden die cDNAs von drei schon bekannten E. tenella-Antigenen alleine oder in Fusion zur cDNA des stabilisierenden enhanced green fluorescence protein (EGFP) in zwei unterschiedliche DNA-Immunisierungsvektoren (pCDNA3, pVR1012) kloniert. Die Überprüfung der Serokonversion zeigte, dass nach DNA-Immunisierung von Hühnern mit beiden Vektoren bzw. mit und ohne EGFP-Fusion vergleichbare Immunantworten induziert wurden. D.h. mit dem etablierten DNA-Immunisierungsprotokoll konnte eine Expression heterologer (Eimerien) Gene im Huhn erzielt werden. Um neue sekretorische E. tenella-Proteine zu identifizieren wurden bioinformatische und experimentelle Methoden eingesetzt. Über die bioinformatischen Analysen wurden aus E. tenella-expressed sequence tag (EST)-Datenbanken 54 putativ sekretierte E. tenella-Sequenzen extrahiert für die aufgrund ihrer beschriebenen Funktion und Lokalisierung eine Beteiligung an der Wirts-Parasit-Interaktion abgeleitet wurde. Mittels funktioneller Komplementierung in Hefen konnten aus einer E. tenella-Sporozoiten-cDNA-Bank 25 sekretorische Sequenzen identifiziert werden. Die cDNA-Sequenzen von 13 neu identifizierten sekretorischen Proteinen wurden in DNA-Immunisierungsstudien überprüft. Die Ergebnisse zeigten, dass beide Methoden geeignet sind, um sekretorische Proteine von E. tenella zu identifizieren. Aufgrund der Erkenntnisse dieser Arbeit, sollten jedoch weitere verbesserte Immunisierungsprotokolle erarbeitet werden, um die immunprotektive Wirkung der isolierten Kandidaten-Antigene von E. tenella in Hühnern zu überprüfen. Wie die vorliegende Arbeit bestätigt, eignet sich die Methode der DNA-Immunisierung vermutlich als Grundlage solcher Verfahren, wobei zukünftig die Induktion der essentiellen intestinalen Immunantwort im Vordergrund stehen sollte. / The protozoan parasite Eimeria tenella is highly pathogenic in chickens and causes caecal coccidosis that contribute to high economic losses in poultry farming. At the moment no vaccine based on a single antigen is available. The identification and characterization of proteins that are involved in host parasite interaction could particularly contribute to the development of immunoprophylactic control strategies. In order to establish a DNA immunisation protocol, cDNA of three already known E. tenella antigens were subcloned alone or in fusion to the stabilising fusion partner enhanced green flurescence protein (EGFP) into two different DNA immunisation vectors (pCDNA3, pVR1012). Following DNA immunisation of chickens using both vectors with or without EGFP fusion, respectively, the induction of comparable immune responses were shown by serum conversion. This implies it was possible to achieve heterologous (Eimeria) gene expression in chickens with the established immunisation protocol. In order to identify new E. tenella secretory proteins bioinformatic and experimental approaches were used. Following bioinformatic analysis 54 putatively secretory E. tenella sequences were identified for which roles in host parasite interaction were surmised, due to their localisation and function. The identification of secreted proteins from a E. tenella sporozoite cDNA library using a functional complementation assay in yeast resulted in 25 unique sequences. The cDNA of 13 newly identified secretory proteins were tested in DNA immunisation studies. The results showed that both methods are capable of identifying secretory proteins of E. tenella. Owing to the results presented here, new immunisation protocols should be established to test the immune protective capacity of candidate antigens of E. tenella in chickens. The present study confirmed the method of DNA immunisation as a basic tool for such new protocols. In future, however, DNA immunisation protocols should focus on the induction of essential intestinal immune responses.