Das Humane Immundefizienz-Virus 1 (HIV-1) rekrutiert Wirtszellproteine und -Signalwege für seinen eigenen Lebenszyklus und beeinträchtigt viele Funktionen von Immunzellen, darunter die Phagozytose von Pathogenen durch Makrophagen. Diese Schwächung der Immunabwehr verursacht das acquired immunodeficiency syndrome (AIDS).Der Zusammenbau von HIV-1 geschieht sowohl an der Plasmamembran als auch in endosomalen Kompartimenten und wird durch das Struktur-Polyprotein Gag kontrolliert, das auch für die Freisetzung virusähnlicher Partikel (VLPs) aus der Wirtszelle sorgt. Vorangegangene Studie haben gezeigt, dass durch hohe induzierte Calciumkonzentrationen im Zytoplasma die Anzahl an VLPs in endolysosomalen Kompartimenten steigt und die VLP-freisetzung drastisch zunimmt. Der verantwortliche Mechanismus ist jedoch bisher unbekannt. Die vorliegende Arbeit zeigt zunächst, dass Calciumausschüttung aus Lysosomen die Fusion von Endosomen und Lysosomen - und damit die Exozytose der in Lysosomen enthaltenen VLPs - auslöst. Dieser Prozess wird durch Synaptotagmin VII reguliert und verhindert den Abbau eines Teils der in späten Endosomen und Lysosomen eingschlossenen VLPs. Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt die Entwicklung eines nanobiotechnologischen Systems zur Eliminierung von Env/Gag-VLPs (HIV-VLPs) mit Hilfe von Makrophagen. Dieses basiert auf Immunoliposomen, die HIV-VLPs über anti-Env-Antikörper binden und von Makrophagen dank membranständigem Phosphatidylserin (PS), einem apoptotischen Signal, phagozytiert werden. Die Lipososmen imitieren apoptotische Zellen und induzieren ihre Internalisierung und die lysosomale Aufnahme von HIV-VLPs. Das System nutzt einen effizienten Internalisierungsweg, der während der HIV-1-Infektion nicht beeinträchtigt ist. Diese Ergebnisse bieten neue Einblicke in die intrazellulären Prozesse der HIV-1 Freisetzung und präsentieren PS-Immunoliposomen als neuen potentiellen nanomedizinischen Ansatz zur Virusbeseitigung und HIV-Antigenpräsentation. / Human immunodeficiency virus 1 (HIV-1) hijacks proteins and signaling pathways of the host cell for its own life cycle, thereby impairing many functions of immune cells, including pathogen-phagocytosis by macrophages. The overall weakening of immune functions eventually results in the development of acquired immunodeficiency syndrome (AIDS). HIV-1 assembly takes place at the plasma membrane as well as in endosomal compartments and is governed by the structural polyprotein Gag, which is also sufficient for the release of virus-like particles (VLPs) from the host cell. It was shown that an induced high cytoplasmic calcium concentration increases the amount of VLPs in endo-lysosomal compartments and results in a dramatic enhancement of VLP release [1,2]. However, the mechanism by which calcium can promote the release of VLPs remains to be determined. The first part of this work shows that release of calcium from lysosomes causes fusion between endosomes and lysosomes as well as exocytosis of lysosomeentrapped VLPs. This mechanism is regulated by Synaptotagmin VII and prevents degradation of a part of the late endosome- and lysosome-entrapped VLPs. The second part focuses on the development of a nanobiotechnological system for the clearance of Env/Gag-VLPs (HIV-VLPs) by macrophages. This system is based on immunoliposomes that (1) bind HIV-VLPs via anti-Env antibodies and (2) are phagocytosed by macrophages due to the presence of phosphatidylserine (PS), an apoptotic signal. Essentially, the PS-liposomes mimic apoptotic cells thereby inducing internalization and lysosomal delivery of bound HIV-VLPs. These immunoliposomes exploit an efficient internalization pathway not impaired upon HIV-1 infection. The results of this thesis provide new insights into the intracellular pathways controlling HIV-1 release and demonstrate that PS-immunoliposomes can represent a novel nanomedical approach for viral clearance and HIV antigen presentation.

Die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii ist ein vielseitiger Modellorganismus sowohl in der Grundlagenforschung als auch für biotechnologische Anwendung. Für die genetische Veränderung wurden verschiedene Methoden entwickelt, jedoch ist die gezielte Modifikation kerncodierter Gene immernoch sehr schwierig. In dieser Arbeit wird eine Strategie vorgestellt, die es ermöglicht, kerncodierte Gene in Chlamydomonas gezielt mit sequenzspezifischen Zinkfinger-Nukleasen zu verändern. Das COP3-Gen, welches den lichtaktivierbaren Ionenkanal Kanalrhodopsin-1 codiert, diente hierbei als Zielsequenz der für die Deletion hergestellten Zinkfinger-Nukleasen. Um eine Charakterisierung der ZFNs zu ermöglichen, wurde ein Modelstamm generiert, der ein inaktiviertes Markergen enthält. Die Inaktiverung erfolgte hierbei durch Insertion der COP3-ZFN Zielsequenz. Die Transformation dieses Modellstamms mit ZFN codierender Plasmid-DNA und einem Reparatur-Template ermöglichte die Wiederherstellung der Markeraktivität und eine Selektion Antibiotika-resistenter Kolonien. Wenn in diesen Experimenten zusätzlich ein COP3 veränderndes Template benutzt wurde, enthielt 1% der analysierten Klone ein mutiertes COP3-Gen. Der Chlamydomonas Augenfleck ist ein lichtsensitives Organell mit entscheidender Funktion für die phototaktische Orientierung der Alge. Eine Deletionsmutante des Blaulicht-Photorezeptors Phototropin zeigte in Experimenten eine veränderte Regulation der lichtabhängigen Augenfleckgröße. Durch Komplementierung der Phototropin-Dysfunktion konnte der lichtabhängige Regulationsprozess wiederhergestellt werden. Die Expression der Phototropin-Kinasedomäne führte zu einer lichtunabhängigen Reduktion der Augenfleckfläche. Interessanterweise führte auch die Expression der N-terminalen LOV-Domänen zu einer geänderten Regulation des Augenflecks und der Phototaxis. Dies deutet, zusätzlich zur Lichtregulation der Kinasedomäne, auf eine zelluläre Signalfunktion der LOV-Domänen hin. / The unicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii is a versatile model for fundamental and biotechnological research. A wide toolset for genetic manipulation has been developed for this alga, but specific modification of nuclear genes is still not routinely possible. Here we present a nuclear gene targeting strategy for Chlamydomonas that is based on the application of zinc-finger nucleases (ZFNs). Initially, we designed a set of ZFNs for targeting the COP3 gene that encodes the light-activated ion channel channelrhodopsin-1. To evaluate the designed ZFNs, we constructed a model strain by inserting a non-functional selection marker interspaced with a short COP3 target sequence into the nuclear genome. Upon co-transformation of this recipient strain with the engineered ZFNs and a DNA repair template, we were able to restore marker activity and select antibiotic resistant clones with active nucleases. In cases where cells were co-transformed with a modified COP3 template, 1% of these clones contained a modified COP3 locus as well. The eyespot of Chlamydomonas is a light-sensitive organelle important for phototactic orientation of the alga. Here we found that eyespot size is downregulated in light. In a strain in which the blue light photoreceptor phototropin was deleted, the light regulation of the eyespot size was affected. We restored this dysfunction in different phototropin complementation experiments. Complementation with the phototropin kinase fragment reduced the eyespot size, independent of light. Interestingly, overexpression of the N-terminal LOV-domains alone also affected eyespot size and phototaxis, suggesting that aside from activation of the kinase domain, they fulfill an independent signaling function in the cell. We propose that phototropin is a light regulator of phototaxis that desensitizes the eyespot when blue light intensities increase.

Malaria ist die Erkrankung, die durch Infektion eines Säugetiers mit dem eukaryotischen Parasiten Plasmodium entsteht. Die Symptome dieser Erkrankungen reichen von Fieber und Gelenkschmerzen bis zu schweren Organschäden in Hirn, Lunge, Niere und Leber bei einem geringen Teil der Erkrankten. Diese klinischen Symptome treten nur auf, während der Parasit sich asexuell in roten Blutzellen vermehrt. Die Zerstörung von Erythrozyten und die daraus resultierende Freisetzung von Zytokinen sind die Verursacher der malariatypischen wiederkehrenden Fieberzyklen. Der Mechanismus, der zur Entstehung von Gewebsschäden führt, ist hingegen nur unzureichend bekannt. Eine notwendige Bedingung für das Auftreten von Gewebeschäden ist, dass infizierte rote Blutzellen an das Endothel der Mikrovaskulatur bin. Die Schwere der Erkrankung ist direkt mit dem extrazellulären Auftreten von Stoffen verbunden, die normalerweise von neutrophilen Granulozyten im Zellinnern gespeichert werden. Neutrophile sind dafür bekannt sind, ein ganzes Arsenal an Waffen bereitwillig durch Degranulierung oder programmierten Zelltod einzusetzen. In dieser Studie berichten wir von einem direkten kausalen Zusammenhang zwischen dem aktiven inflammatorischen Zelltod (NETose) von Neutrophilen und der Entstehung von Organschäden bei einer Plasmodium-Infektion. Wir zeigen, dass NETs in Zirkulation freigesetzt und von extrazellulären DNase verdaut werden. Dadurch werden systemisch Aktivierungssignale für eine weitere Immunantwort zur Verfügung gestellt und es kommt zur Freisetzung von Zytokinen, Notfallgranulopoese und der Hochregulierung von zellulären Adhäsionsmarkern auf Endothelzellen. Dies erlaubt das Binden von infizierten Erythrozyten und Immunzellen an die Mikrovaskulatur bestimmter Organe. Wir zeigen außerdem, dass eine Intervention mit der Entstehung von NETs oder der Freisetzung neuer Neutrophiler diesen Prozess unterbindet und einen vielversprechenden therapeutischen Ansatz darstellt. / Malaria is the disease caused by an infection of a mammalian host by the mosquito borne eukaryotic parasite Plasmodium. The symptoms of the disease are diverse, ranging from fever and rigor in most patients to severe damage in solid organs such as brain, lung, kidney and liver in a small fraction of the afflicted. Clinical symptoms of the disease only occur when the parasite undergoes asexual replication within the red blood cells of the host. Destruction of these cells and subsequent release of cytokines are responsible for the recurring fever cycles of mild malaria. The mechanism underlying the occurrence of tissue damage however, remain mostly elusive. The adhesion of infected red blood cells to the endothelial wall of the microvasculature in the affected organs is a necessary requirement and pathology is associated with the activation of specific immune cells residing within the blood stream. Severity of disease is linked to extracellular accumulation of neutrophil proteins. Neutrophils are abundant white blood cells, known to readily deploy an arsenal of weaponry either by degranulation or by externalization of chromatin. In this study we report a direct causal relationship between the active inflammatory neutrophil cell death (NETosis) and the development of organ damage during a Plasmodium infection. We show that NETs are released in circulation, digested by extracellular DNase and thereby supply immune activation signals that drive inflammation. The systemic dissemination of these factors leads to the release of cytokines, emergency granulopoiesis and upregulation of cellular adhesion markers on endothelial cells thereby allowing for the binding of both infected red blood cells and immune cells to the microvasculature of specific organs. Furthermore we supply evidence, that repression of NETosis or inhibition of granulopoiesis abrogate these processes and present promising therapeutic strategies.

Die Verpackung und Spaltung konkatemerer DNA ist ein essentieller Prozeß bei der Reifung von Virionen. Die an diesem Prozess maßgeblich beteiligten Proteine werden als Terminase bezeichnet. Die Inhibition der HCMV Terminase bietet einen attraktiven alternativen Ansatzpunkt für die antivirale Therapie. Zur Inhibition der Terminase Aktivität wurden die neuen Benzimidazol D-Ribonukleosid Derivate BTCRB und Cl4RB auf ihre antivirale Wirkung analysiert. Die neuen Benzimidazol D-Ribonukleosid Derivate BTCRB und Cl4RB zeigten sowohl gegen den HCMV Laborstamm AD169 als auch gegen klinische HCMV-Isolaten eine Wirkung. Weiterhin wurde die Wirksamkeit der Substanzen auf anderen Herpesviren getestet. Interessanterweise zeigten BTCRB und Cl4RB sowohl einen Effekt gegen Varicella-Zoster-Virus (VZV) als auch Ratten-Cytomegalovirus (RCMV), wohingegen der Effekt gegen Herpes-simplex-Virus Typ-1 (HSV-1) und Maus-Cytomegalovirus (MCMV) gering war. Infolgedessen eignen sich beide Substanzen BTCRB und Cl4RB als attraktive alternative Inhibitoren für die weitere Entwicklung einer antiviralen Therapie. / DNA packaging is the key step in viral maturation and involves binding and cleavage of viral DNA containing specific DNA-packaging motifs. This process is mediated by a group of specific enzymes called terminase. The development for an inhibitor of HCMV terminase would be of great value, because it would act subsequent to DNA synthesis and block the first steps in viral maturation. Therefore we characterized two inhibitors targeting the HCMV terminase, 2-bromo-4,5,6-trichloro-1-(2,3,5-tri-O-acetly-ß-D-ribofuranosyl) benzimidazole (BTCRB) and 2,4,5,6-tetrachloro-1-(2,3,5-tri-O-acetly-ß-D-ribofuranosyl) benzimidazole (Cl4RB). By using viral plaque formation, viral yield, viral growth kinetics and electron microscopy, we demonstrated that two compounds BTCRB und Cl4RB are highly active against HCMV AD 169 and HCMV clinical isolates. In addition, the antiviral effect on other herpesviruses was determined. Interestingly BTCRB was active all tested herpesviruses. The best effects were observed on VZV-and RCMV-infected cells. Therefore new compounds might be promising attractive compounds for antiviral therapy in the future.

Multidrug Resistenz (MDR), die simultane Resistenz gegenüber strukturell und funktionell nicht-verwandten Zytostatika, stellt eine wesentliche Ursache für unzureichende Behandlungserfolge maligner Erkrankungen dar. Die inherente Resistenz bzw. Resistenzentwicklung gegenüber chemotherapeutischen Substanzen ist vor allem die Folge der Präsens und Regulation unterschiedlicher Transportproteine wie MDR1, MRP1, BCRP und MVP. In der Konsequenz kommt es zu alteriertem Influx und/oder Efflux von Zytostatika, verminderter Akkumulation und Effektivität von Chemotherapeutika. Sowohl Zytostatika als auch Zytokine zeigten modulierende Einflüsse auf die Expression der MDR-Gene MDR1, MRP1 und MVP (Kapitel 2-9). Zytostatika wie Adriamycin resultierten vorwiegend in induzierten MDR1-Expressionen, dem hauptsächlichen Interventionstarget zur Überwindung des klassischen MDR-Phänotyps. Zytokine wie TNFa führten, extern appliziert als auch durch Gentransfer, zur Chemosensitivierung der Tumorzellen, verbunden mit Down-Regulationen von MDR1 und MVP. Die Zytokin-vermittelte Überwindung des klassischen MDR-Phänotyps weist auf die Inklusion definierter Zytokine in etablierte Chemotherapieprotokolle hin, wie bereits angewendet bei der hyperthermen isolierten Extremitätenperfusion mit TNFa (Kapitel 13). Die Verwendung BCRP-spezifischer Ribozyme demonstrierte deren Potential zur Überwindung des BCRP-bedingten, atypischen MDR-Phänotyps. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Expression der ABC-Transporter als auch des MVP durch Hyperthermie temperatur- und zeitabhängig induzierbar ist (Kapitel 10-13). Diese Hyperthermie-Induktion wird für MDR1 und MRP1 über den Transkriptionsfaktor YB-1 zeitnah zum Stressereignis vermittelt. In der klinischen Situation konnte anhand verfügbarer Biopsien von Kolonkarzinomen, Sarkomen und Melanomen, jeweils mittels Hyperthermie im Kontext multimodaler Behandlungsregime behandelt, kein direktes, generelles Risiko einer MDR1- oder MRP1-vermittelten, Hyperthermie-bedingten Induktion/Verstärkung einer MDR beobachtet werden. Die Analyse der Promotoren MDR-assoziierter Gene wie MDR1 und MVP zeigte deren Induzierbarkeit durch unterschiedliche Therapie-relevante Faktoren wie Zytostatika und Hyperthermie in verschiedenen in vitro- und in vivo-Modellen (Kapitel 10,14-20). Spezifische Sequenzmotive sind für die Stressfaktor-induzierte Bindung von Transkriptionsfaktoren wie YB-1 verantwortlich; Mutationen in diesen Sequenzbereichen modulierten die Induzierbarkeit (Kapitel 14,15,20). Der Einsatz Therapie-induzierbarer Promotoren unterschiedlicher MDR-Gene wie MDR1 (Kapitel 14-18) und MVP (Kapitel 19,20) erlaubt somit generell die Anpassung an etablierte Behandlungsprotokolle verschiedener Tumorentitäten. In fortführenden Arbeiten bleibt die erfolgreiche Anwendung von Therapie-induzierbaren MDR-Promotorsequenzen zur Expression therapeutisch relevanter Gene im Kontext einer Gentherapie maligner Erkrankungen zu prüfen. / Multidrug resistance, the simultaneous resistance towards structurally and functionally unrelated cytostatic drugs, still represents a major cause of cancer treatment failure. Inherent or acquired resistance against a wide variety of chemotherapeutic drugs depends mainly on the presence and regulation of different transporter proteins, such as MDR1, MRP1, BCRP, and MVP. Thus, decreased uptake and/or increased efflux, lowered net accumulation, and in consequence, less efficiency of anti-cancer drugs is the clinical hurdle to struggle with. Cytostatics as well as cytokines showed modulating effects on the expression of the MDR-associated genes MDR1, MRP1, and MVP (chapter 2-9). Cytostatics such as adriamycin resulted mainly in increased expression of the MDR1 gene, the most prominent intervention target for the reversal of the classical MDR phenotype. Cytokines such as TNFa, externally applied or by gene transfer, led to chemosensitization of tumor cells, and to down regulation of MDR1 and MVP. This cytokine-mediated reversal of the classical MDR phenoype refer to the inclusion of defined cytokines into established chemotherapy protocols, as already realized by the hyperthermic isolated limb perfusion with TNFa (chapter 13). The employment of BCRP-specific ribozymes demonstrated their potential to reverse the BCRP-mediated atypical MDR phenotype. Furthermore it was shown, that the expression of the ABC transporters as well as of MVP was inducible by hyperthermia in a temperature and time-dependet manner (chapter 10-13). This hyperthermia-caused induction of MDR1 and MRP1 is mediated by the transcription factor YB-1 timely close to the stress event. However, no direct, general risk of a MDR1- or MRP1-mediated hyperthermia-caused induction/enhancement of the MDR phenotype was observed in clinical settings, analyzed by using biopsies available from colon carcinomas, sarcomas, and melanomas, which were treated with hyperthermia in the context of multimodal regimes. The analyses of promoters of the MDR-associated genes MDR1 and MVP revealed their inducibility by different therapy-related factors such as cytostatics and hyperthermia in several in vitro- and in vivo models (chapter 10,14-20). Specific sequence motifs were found to be responsible for the stress-induced binding of transcription factors; mutations within these sequence regions modulated their inducibility (chapter 14,15,20). Thus, the employment of therapy-inducible promoters of different MDR genes such as MDR1 (chapter 14-18) and MVP (chapter 19,20) allows the improvement of established treatment protocols for different tumor localizations. Based on this, the succesful use of therapy-inducible MDR promoter sequences for the expression of therapeutically relevant genes in the context of a gene therapy of cancer represents an ambitious goal for the future.

Um die Wirkung herpesviral-kodierter FcgammaRezeptoren auf wirtskodierte zelluläre FcgammaRezeptoren und IgG-vermittelten Effektorfunktionen untersuchen zu können, einen methodisch neuen Ansatz wurde entwickelt, der die Detektion FcgammaR-aktivierender Antikörper ermöglicht. Dieses neuartige Assay beinhaltet die Kokultivierung virusinfizierter Zellen, die mit virusspezifischen IgG-Antikörpern opsoniert sind, mit FcgammaR-zeta BW5147-Transfektanten als Reporterzellen. Diese stabilen Transfektanten exprimieren chimäre Rezeptoren, die aus der extrazellulären Domäne der zellulären FcgammaRezeptoren bestehen, welche mit der TM und intrazellulären Domäne der murinen CD3zeta-Kette fusioniert wurden. Die Aktivierung der CD3zeta-Kette führt zu einer IgG-dosisabhängigen mIL-2 Sekretion, die im ELISA gemessen werden kann. Die FcgammaR-spezifische immune IgG könnte eine wichtige biologische Rolle in der antiviralen Immunabwehr spielen. Herpesviren exprimieren auf der Oberfläche infizierter Zellen viral-kodierte Fc-bindende Glykoproteine. Um zu bestimmen, ob virale FcgammaRezeptoren die IgG-abhängige Aktivierung von wirtskodierten FcgammaRezeptoren beeinflussen können, wurde das oben beschriebene Assay angewandt. Es wurde festgestellt, dass der HCMV-kodierte FcgammaR gp68 die Aktivierung und die nachfolgende Signalkaskade von CD16>CD32=CD64 inhibiert, während der HCMV-kodierte FcgammaR gp34 die Aktivierung von CD16>CD64>CD32 inhibiert. In klarem Kontrast dazu wirkt der HSV-kodierte FcgammaR gE, der CD16 Aktivierung vermindert, CD32 hingegen nur sehr schwach und CD64 gar nicht beeinflußt. Der MCMV-kodierte FcgammaR m138/fcr-1 vermindert die Aktivierung des murinenCD16. Zusammenfassend betrachtet zeigen die ermittelten Daten, dass es sich bei den herpesviral-kodierten FcgammaRezeptoren um hierarchische und redundante Antagonisten der wirtskodierten zellulären FcgammaRezeptoren handelt. Herpesviral-kodierte FcgammaRezeptoren wirken somit der Aktivierung des Immunsystems entgegen. / To study the possible interference of the herpesviral vFcgammaRs with the host FcgammaRs and IgG-mediated effector functions, a new methodological approach to detect FcgammaR activating antibodies was developed. The novel assay comprises the co-cultivation of virus infected cells upon opsonization with immune IgG antibodies and the stably transfected FcgammaR-zeta BW5147 transfectants as responder cells. The transfectants express chimeric receptors bearing the extracellular domain of the host FcgammaRs fused to the transmembrane and tail domains of the murine CD3zeta chain. Triggering the CD3zeta chain is sufficient to elicit IL-2 secretion in a dose dependent manner which is measured in an ELISA. The setup of the new assay provides a defined effector cell population bearing one Fcgamma receptor on the surface, which becomes activated in the presence of immune IgG antibodies bound to the native viral antigens displayed on the surface of infected cells. The assay system allows us to detect and quantify Fc gamma receptor-activating immune IgG in an FcgammaR-specific way, which is thought to have an important biological function in antiviral defense. Several alpha- and beta- herpesviruses express on the surface of infected cells virally encoded Fc binding glycoproteins. The assay described above was applied to determine if the viral FcgammaRs are able to impair IgG-mediated activation of host FcgammaRs. In a systematic approach, the effect on each host FcgammaR by each of the herpesviral FcgammaR was investigated. It was found that HCMV FcgammaR gp68 affects activation and downstream signaling of CD16 > CD32 = CD64, while gp34 attenuates CD16 > CD64 > CD32. In clear contrast, HSV gE impairs CD16 activation and weakly CD32, but has no effect on CD64. Furthemore, MCMV m138/fcr-1 diminishes activation of mouse CD16. Taken together, this data uncover herpesviral FcgammaRs as hierarchical and redundant antagonists precluding host FcgammaRs from triggering immune responses.

Humane NK Zellen können in CD56br und CD56dim NK Zellen unterteilt werden. In dieser Arbeit wurde untersucht, in welchem Zusammenhang die verschiedenen NK Zell Populationen stehen und wie funktional kompetente NK Zellen generiert werden. Des Weiteren wurde die Heterogenität der CD56dim NK Zell Population in Bezug auf Funktionalität und Differenzierungsstadien analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass CD56br NK Zellen in CD56dim NK Zellen differenzieren. Währenddessen werden u.a. MHC-I spezifische inhibierende Rezeptoren (KIR) erworben. Diese sind essentiell für die Unterscheidung zwischen “Selbst” und “Nicht-Selbst”, wobei nur NK Zellen, die Selbst-MHC-spezifische KIRs tragen, funktional kompetent sind. In der vor-liegenden Arbeit konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass zuvor anerge NK Zellen nach Zytokin-induzierter Expression eines Selbst-MHC-spezifischen KIRs kompetent werden. Ex vivo Analysen humaner Gewebe lassen vermuten, dass diese Prozesse während einer Entzündung in sekundären lymphatischen Organen (SLO) stattfinden könnten. Auch CD56dim NK Zellen selbst sind nicht homogen, hingegen können anhand der Expression von KIRs oder CD62L, welches für die Migration in SLO wichtig ist, weitere Subpopulationen unterschieden werden. Eine umfassende Analyse bezüglich KIR und CD62L Expression führte zur Identifizierung einer zuvor nicht charakterisierten CD56dimCD62L+ NK Zell Population, welche die Fähigkeiten von CD56br, Zytokine zu produzieren und zu proliferieren, mit einem hohen zytotoxischen Potenzial, vereinigt. Weitere ex vivo Untersuchungen des Phänotyps, der Telomerlängen und der Verteilung in Relation zum Alter lassen vermuten, dass die Differenzierung humaner NK Zellen von CD56br über CD56dimCD62L+ zu CD56dimCD62L- verläuft, wobei die Zellen mit fortschreitender Dif-ferenzierung ihre Fähigkeit auf Zytokine zu antworten verlieren und dafür die Fähigkeit er-langen, über aktivierende Rezeptoren stimuliert zu werden. / Human NK cells comprise two main subsets, CD56br and CD56dim cells. In this study, an extensive analysis of human NK cell phenotype and functional characteristics has been performed in order to investigate the developmental relation between NK cell subsets, to elucidate how NK cell competence is acquired and to further dissect the heterogeneity of the CD56dim subset with regard to functions and differentiation history of human NK cells. It could be shown that upon cytokine activation, CD56br differentiate into CD56dim NK cells and that this process might take place in inflamed secondary lymphoid organs (SLO). One of the crucial markers acquired during this process is KIR, the main MHC-specific inhibitory receptors responsible for self versus non self recognition. Previously, it has been shown that only cells expressing self-MHC specific KIRs are responsive to activating stimuli. In this study, it was demonstrated that induction of self-MHC specific KIR by cytokines leads to acquisition of functional competence. Ex vivo analysis of human tissues suggests that acquisition of KIR and consequently of cytotoxic competence may occur in inflamed SLO. Finally, it was demonstrated that CD56dim NK cells do not represent a homogenous population. When dissected for CD62L and KIR expression, a new subset of NK cells could be identified, namely CD56dimCD62L+, which uniquely combines properties of CD56br NK cells, particularly high IFN-g production upon cytokine stimulation, proliferation and potential to migrate into SLO, with the capacity of CD56dim to kill, produce cytokines upon activating receptor stimulation and to migrate into inflamed tissues. Ex vivo analysis of the function, phenotype, telomere length and frequencies during ageing of CD56br, CD56dimCD62L+ and CD56dimCD62L- NK cells suggest that CD56dimCD62L+ cells represent an intermediate stage of NK cell maturation between the more immature CD56br and the terminally differentiated CD56dim CD62L- NK cells.

Tumorzellen entwickeln häufig Resistenzen gegen verschiedene strukturell und funktionell unabhängige Zytostatika, was als Multidrug-Resistenz (MDR) bezeichnet wird und die Hauptursache für das Scheitern einer Chemotherapie ist. Mit Hilfe von in vitro-Untersuchungen wurden erhöhte Genexpressionen der ABC-Transporter MDR1, MRP2 und BCRP als maßgebliche Resistenzfaktoren identifiziert, wie z.B. in den Magenkarzinomzellinien EPG85-257RDB (MDR1) und EPG85-257RNOV (BCRP) sowie in der Ovarialkarzinomzellinie A2780RCIS (MRP2). Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines auf Ribozym-Technologie basierenden Therapieansatzes, welcher die Expressionen der oben genannten ABC-Transporter simultan inhibiert und dessen Anwendung zur Reversion der zellulären MDR führt. Dazu wurde ein Multitargetmultiribozym (MTMR) entwickelt, das aus in trans-aktiven Ribozymen besteht, die gegen die ABC-Transporter mRNAs gerichtet sind sowie aus in cis-spaltenden Ribozymen und aus Spacer-RNA-Sequenzen. Durch autokatalytische Spaltung in cis konnten die in trans-aktiven Ribozyme aus dem Gesamt-MTMR freigesetzt werden. Die Analyse der kinetischen Parameter des MTMRs ergab, daß die autokatalytisch entstandenen MTMR-Fragmente ihre Substrat-RNAs im Vergleich zu den korrespondierenden Monoribozymen ohne Einbuße an Effizienz spalten können. Darüber hinaus wurde die MTMR-Sequenz stabil in den drei eingangs genannten MDR-Zellinien exprimiert, was in einer signifikanten Reduktion der jeweiligen Ziel-mRNAs (97 % MDR1-, 80 % BCRP-, 96 % MRP2-mRNA) und der entsprechenden Proteine resultierte. Die Multidrug-Resistenz konnte aufgrund der MTMR-Expression um 70% (A2780RCIS), 95% (257RNOV), 100% (257RDB) und die Zytostatikumsakkumulation um 90% (257RNOV-Zellen) sowie 100% (257RDB-Zellen) revertiert werden. Das MTMR stellt erstmalig ein RNA-Konstrukt dar, welches in der Lage ist, simultan mehrere unabhängige Gene funktionell auszuschalten. Es besitzt daher ein großes Potential für zukünftige gentherapeutische Ansätze. / Cancer cells are often insensible against structurally and functionally unrelated drugs that is known as multiple drug resistance (MDR) and the main cause for treatment failure. Overexpression of the ABC-transporters P-gp (ABCB1), MRP2 (ABCC2), and BCRP (ABCG2) is associated with MDR in several cancer cell lines, e.g. in the stomach carcinoma cell lines EPG85-257RDB (P-gp), EPG85-257RNOV (BCRP), and in the ovarian carcinoma cell line A2780RCIS (MRP2). We aimed the development of a novel hammerhead ribozyme-based therapeutic approach capable of simultaneous silencing of the prementioned ABC-transporters, and consequently of reversing MDR phenotypes. We designed a so-called multitarget multiribozyme (MTMR) consisting of trans-acting hammerhead ribozymes directed against the MDR1, MRP2, and BCRP transcripts, of MDR1 homologous spacer sequences, and of cis-acting ribozymes against the spacer sequences. Autocatalytic cleavage in cis excised the full-length MTMR, and released trans-acting hammerhead ribozymes. We also evaluated the catalytic features of the MTMR using large RNA target molecules. Comparison of the kinetic values of the autocatalytically derived MTMR fragments with those of corresponding mono-ribozymes demonstrated an MTMR-mediated substrate cleavage without distinct loss in catalytic efficiency. Moreover, the MTMR was stably expressed in the prementioned multidrug-resistant cancer cell lines, and decreased the targeted transcripts about 97% (MDR1), 80% (MRP2), and 96% (BCRP) as well as the corresponding protein levels, respectively. Cellular MDR could be reverted about 70% (A2780RCIS), 95% (257RNOV), and 100% (257RDB). Additionally, the MTMR reversed mitoxantrone accumulation entirely, and daunorubicin accumulation about 90% in stomach carcinoma cells, respectively. Taken together, the MTMRs capability of simultaneous silencing of multiple genes provides an effective instrument to knockdown genes of interest.

Die Tomate ist weltweit eines der am meist konsumierten Gemüse, doch der hohe Verzehr erhöht auch das Risiko einer allergischen Reaktion. Zu den Allergenen zählen viele Proteine der Pflanzenabwehr, welche durch verschiedenste biotische und abiotische Stressoren induziert werden. Allerdings ist bis heute der Einfluss biotischer Faktoren auf die Allergenität von Obst und Gemüse weitestgehend unbekannt. Diese Dissertation befasst sich mit den Auswirkungen der symbiontischen Mykorrhiza und des pathogenen Pepino Mosaikvirus auf die Allergenität von Tomaten. Früchte von mykorrhizierten Tomatenpflanzen wiesen eine höhere Expression allergenkodierender Gene auf als die nicht mykorrhizierten Kontrollen, allerdings übertrug sich dies nicht auf die Allergenität der Tomaten. Pepino Mosaikvirus-infizierte Tomatenpflanzen zeigten keine generelle Aktivierung der Allergenexpression und auch keine erhöhte Allergenität. Aufgrund großer individueller Reaktionsunterschiede der Probanden in den klinischen Allergietests konnten einzeln auftretende Unterschiede nicht über die Gesamtheit der getesteten Allergiker abgesichert werden. Die individuellen Reaktionen der Probanden konnten wiederum nicht auf die Anzahl und Identität der Allergene von Tomatenpflanzen mit unterschiedlichen genetischen Hintergründen oder aus verschiedenen Anbauweisen zurückgeführt werden. Während der Experimente wurden 13 neue putative Tomatenallergene identifiziert unter denen das Cyclophilin rekombinant in Escherichia coli hergestellt und seine allergene Aktivität bestätigt wurde. Schlussfolgernd nahmen biotische Faktoren keinen nennenswerten Einfluss auf die Allergenität von kommerziell angebauten Tomaten. Über dies hinaus wurden neue Erkenntnisse über persistente Virus-Pflanzen Interaktionen gewonnen. Schließlich konnte die Liste der putativen Tomatenallergene um einige Kandidaten erweitert werden, von denen das Cyclophilin als Allergen bestätigt wurde. / Tomatoes are now among most consumed vegetables worldwide; unfortunately accompanied by an increasing risk of allergic reactions. Pathogenesis-related proteins can act as allergens and are induced by various biotic and abiotic stresses. Up to now nearly nothing is known about the impact of biotic factors on allergenic potentials. This thesis investigates the allergenicity of symbiotically mycorrhized and Pepino mosaic virus-infected tomato fruits. Although induced allergen-encoding gene expression was detected in the fruits of mycorrhizal tomato plants, there was no impact on allergenicity. In contrast, general induction of defence-related allergens in Pepino mosaic virus-infected tomato fruits was not observed. Consequently, clinical allergy tests did not reveal any generally increased allergenic potential of Pepino mosaic virus-infected tomato fruits. High inter-individual differences in clinical allergy tests made it difficult to make statistically confirmed statements about the allergenicity of colonised tomato fruits. However, the hypothesis that such individual variability is based on differential reactions of individual subjects to particular allergens in tomato fruits, from plants with certain genetic backgrounds or cultivated under distinct conditions, had to be rejected. During these investigations, 13 new putative tomato allergens were identified. One of the candidates, cyclophilin, was recombinantly produced in Escherichia coli and its allergenic activity was confirmed in different clinical allergy tests with tomato-allergic subjects. In conclusion, this study demonstrates that biotic factors are only of minor importance for the allergenic potential of commercially produced tomatoes. Moreover, the experiments revealed new insights into persistent plant-virus interactions. In particular, these extended the list of putative tomato allergens to include new candidates, and confirmed the allergenic activity of one of these, namely cyclophilin.

Das Auftreten des pandemischen H1N1-Influenzavirus 2009 und die kontinuierliche Übertragung hochpathogener H5N1-Viren (HPAIV) auf den Menschen verdeutlichen die Wichtigkeit zoonotischer Übertragungen. Bis heute sind die Restriktion tierpathogener Influenzaviren und die hohe Virulenz der HPAIV im Menschen nicht vollständig geklärt. Verschiedene Modelle wurden zur Studie von Influenzaviren verwendet, u. a. Zelllinien, die jedoch die Komplexität und Zelltypen der humanen Lunge nur unzureichend wiedergeben. Daher wurde ein humanes ex vivo Lungenkulturmodell etabliert in welchem die komplexe Struktur und die verschiedenen Zelltypen der humanen Lunge erhalten bleiben. Mit Hilfe dieses Modells und primären und permanenten humanen Zellen wurden saisonale, pandemische, porzine, HPAIV und niedrigpathogene aviäre Influenzaviren (LPAIV) systematisch hinsichtlich Replikation, Cytokininduktion und Zelltropismus verglichen. HPAIV replizierten wie auch saisonale und pandemische Viren zu hohen Titern, während sich LPAIV und ein porzines Virus kaum vermehrten. Einhergehend mit dem Vorhandensein aviärer Rezeptoren waren LPAIV dennoch fähig Lungenkulturen und Zellen zu infizieren und es fanden sich keine Unterschiede im Vorhandensein und in der Lokalisation viraler Proteine. Die Infektion mit HPAIV und LPAIV führten im Lungenmodell zu einer erhöhten Induktion von IP10, MIP1β, IFNβ und IL1β, während saisonale und pandemische H1N1-Viren nur geringe Cytokinspiegel hervorriefen. Trotz der hier beobachteten Unterschiede in der Replikation und Cytokininduktion infizierten alle Viren überwiegend Typ II Pneumozyten. Dies impliziert, dass sich die gezeigten Unterschiede zwischen saisonalen und aviären Viren nicht durch Unterschiede im Zelltropismus erklären lassen. Die im Rahmen dieser Studie erzielten Ergebnisse korrelieren gut mit klinischen Beobachtungen. Dies verdeutlicht den Wert humaner ex vivo Kulturen um weitere Einblicke in das pathophysiologische Verhalten von Pathogenen zu bekommen. / The emergence of the pandemic H1N1 influenza A virus in 2009 and the continuous threat by highly pathogenic avian H5N1 human infections underlines the importance of zoonotic transmissions. The inability of most animal influenza viruses to replicate efficiently in the human respiratory tract and the high virulence of highly pathogenic avian H5N1 viruses (HPAIV) are still not fully understood. Several models have been used to study influenza virus infections including human cell lines that lack the complexity and cell diversity of the human lung. Therefore, a human lung explant model in which the three-dimensional structure of the human lung is preserved along with the different cell-cell interactions was established. Using this model and commonly used primary and permanent respiratory cells, replication, cytokine induction and cell tropism of human, avian, swine and pandemic 2009 virus was systematically compared. It was shown that HPAIV as well as seasonal and pandemic 2009 viruses replicated to high titers while a low pathogenic avian (LPAIV) or a classical swine virus only replicated inefficiently. However, along with the presence of avian receptors, LPAIV was able to infect human lung explants and cells and there were no differences in abundance and localization of proteins. Infection of human lung explants with the HPAIV and LPAIV lead to a pronounced induction of IP10, MIP1β, IFNβ and IL1β while seasonal and pandemic 2009 viruses caused only a low cytokine response. Despite their differences in replication and cytokine induction, LPAIV and the seasonal virus both primarily targeted type II pneumocytes suggesting that the observed differences between the two viruses are not due to differences in cell tropism in the human lower respiratory tract. The experimental findings obtained in this study are compatible with clinical observations highlighting the value of ex vivo human lung explants to provide insights into viral pathophysiological behavior in humans.