Human cytomegalovirus (HCMV) infection causes clinical symptoms in immunocompromised individuals such as transplantant recipients and AIDS patients. The virus is also responsible for severe complications in unborn children and young infants. The species specificity of HCMV prevents the direct study of mechanisms controlling the infection in animal models. Instead, the murine cytomegalovirus (MCMV) is used as a model system. Human and murine CMVs have large double-stranded DNA genomes, encoding nearly 170 genes. About 30% of the genes are committed to essential tasks of the virus. The remaining genes are involved in virus pathogenesis or host interaction and are dispensable for virus replication. The CMV genes are classified in gene families, based on sequence homology. In the present work, the function of two genes of the US22 gene family was analyzed. The MCMV genes m142 and m143 are the only members of this family that are essential for virus replication. These genes also differ from the remaining ten US22 gene family members in that they lack 1 of 4 conserved sequence motifs that are characteristic of this family. The same conserved motif is missing in the HCMV US22 family members TRS1 and IRS1, suggesting a possible functional homology. To demonstrate an essential role of m142 and m143, the genes were deleted from the MCMV genome, and the mutants were reconstituted on complementing cells. Infection of non-complementing cells with the deletion mutants did not result in virus replication. Virus growth was rescued by reinsertion of the corresponding genes. Cells infected with the viral deletion mutants synthesized reduced amounts of viral DNA, and viral late genes were not expressed. However, RNA analyses showed that late transcripts were present, excluding a role of m142 and m143 in regulation of gene transcription. Metabolic labelling experiments showed that total protein synthesis at late times postinfection was impaired in cells infected with deletion mutants. Moreover, the dsRNA-dependent protein kinase R (PKR) and its target protein, the translation initiation factor 2α (eIF2α) were phosphorylated in these cells. This suggested that the m142 and m143 are required for blocking the PKR-mediated shut-down of protein synthesis. Expression of the HCMV gene TRS1, a known inhibitor of PKR activation, rescued the replication of the deletion mutants, supporting the observation that m142 and m143 are required to inhibit this innate immune response of the host cell. / Die Infektion mit dem humanen Cytomegalovirus (HCMV) kann bei immunsupprimierten Personen wie Transplantatempfängern oder AIDS Patienten, aber auch bei Neugeborenen klinische Symptome hervorrufen. Die Spezies-Spezifität des humanen CMV lässt keine Untersuchung viraler Mechanismen im Tiermodell zu, jedoch steht mit dem murinen CMV (MCMV) ein geeignetes und verbreitetes Modell zur Verfügung. Beide CMVs besitzen große doppelsträngige DNA Genome, die ca. 170 Gene beinhalten. Hiervon sind ca. 30% essentiell für die virale Replikation. Die anderen Gene sind für die Pathogenesse und Interaktion mit den Wirtszellen von Bedeutung. Die Gene des CMV werden auf Grund von Sequenzhomologien in Familien gruppiert. In der vorliegenden Arbeit wird die Funktion der Gene m142 und m143 des MCMV analysiert. Beide Gene sind die einzigen für die Virusreplikation essentiellen Mitglieder der US22 Genfamilie. Darüber hinaus unterscheiden sie sich von den anderen 10 US22 Mitgliedern darin, daß ihnen eine von vier konservierten Sequenzmotiven fehlt. Dieses fehlende Motiv kommt auch bei den HCMV US22 Mitgliedern TRS1 und IRS1 nicht vor, was einen möglichen Hinweis auf eine funktionelle Homologie gibt. Um die essentielle Rolle der m142 und m143 Gene zu belegen, wurden letztere aus dem MCMV Genom entfernt und die Virusmutanten auf komplimentierenden Zellen rekonstituiert. Die Infektion nicht komplimentierender Zellen mit den Virusmutanten erzeugte keine Infektion, konnte jedoch mit der Reinsertion der Gene wieder hergestellt werden. Infizierte Zellen, die mit den Virusmutanten infiziert wurden, produzierten geringere Mengen viraler DNA. Obwohl die Expression später viraler Gene nicht stattfand, konnten späte virale Transkripte nachgewiesen und somit eine Rolle von m142 und m143 bei der Regulation der viralen Transkription ausgeschlossen werden. In Experimenten, in denen Zellen metabolisch markiert wurden, wurde gezeigt, daß die Gesamtproteinsynthese zu späten Zeitpunkten nach Infektion mit den Virusmutanten gehemmt war. Des weiteren wurde eine Phosphorylierung der dsRNA-abhängigen Proteinkinase R (PKR) sowie des Zielproteins, des Translations Initiationsfaktors 2α (eIF2α), nachgewiesen. Dies läßt vermuten, daß m142 und m143 die PKR-vermittelte Stillegung der Proteinsynthese verhindern. Durch Expression des HCMV TRS1 Gens, einem bekannten Inhibitor der PKR-Aktivierung, konnte die Replikation der Virusmutanten wieder hergestellt werden. Dies unterstützt die Ansicht, daß m142 und m143 für die Inhibition der Angeborenen Immunanwort der infizierten Wirtszelle erforderlich sind.

Universiẗat, Diss., 2007--Frankfurt (Main). / Zsfassung in dt. und engl. Sprache.

Zugl.: Heidelberg, Univ., Diss., 2007

Tübingen, Univ., Diss., 2006.

Gene expression in eukaryotic cells is regulated by the combinatorial action of numerous gene-regulatory factors, among which microRNAs (miRNAs) play a fundamental role at the post-transcriptional level. miRNAs are single-stranded, small non-coding RNA molecules that emerge in a cascade-like fashion via the generation of primary and precursor miRNAs. Mature miRNAs become functional when incorporated into the RNA induced silencing complex (RISC). miRNAs guide RISCs to target mRNAs in a sequence-specific fashion. To this end, base-pairs are usually formed between the miRNA seed region, spanning nucleotide positions 2 to 8 (from the 5' end) and the 3'UTR of the target mRNA. Once miRNA-mRNA interaction is established, RISC represses translation and occasionally induces direct or indirect target mRNA degradation. Interestingly, miRNAs are expressed not only in every multicellular organism but are also encoded by several viruses, predominately by herpesviruses. By controlling both, cellular as well as viral mRNA transcripts, virus-encoded miRNAs confer many beneficial effects on viral growth and persistence. Murine cytomegalovirus (MCMV) is a ß-herpesvirus and so far, 29 mature MCMV-encoded miRNAs have been identified during lytic infection. Computational analysis of previously conducted photoactivated ribonucleotide-enhanced individual nucleotide resolution crosslinking immunoprecipitation (PAR-iCLIP) experiments identified a read cluster within the 3' untranslated region (3'UTR) of the immediate early 3 (IE3) transcript in MCMV. Based on miRNA target predictions, two highly abundant MCMV miRNAs, namely miR-m01-2-3p and miR-M23-2-3p were found to potentially bind to two closely positioned target sites within the IE3 PAR-iCLIP peak. To confirm this hypothesis, we performed luciferase assays and showed that activity values of a luciferase fused with the 3'UTR of IE3 were downregulated in the presence of miR-m01- 2 and miR-M23-2. In a second step, we investigated the effect of pre-expression of miR-m01-2 and miR-M23-2 on the induction of virus replication. After optimizing the transfection procedure by comparing different reagents and conditions, plaque formation was monitored. We could demonstrate that the replication cycle of the wild-type but not of our MCMV mutant that harbored point mutations in both miRNA binding sites within the IE3-3'UTR, was significantly delayed in the presence of miR-m01-2 and miR-M23-2. This confirmed that miR-m01-2 and miR-M23-2 functionally target the major transcription factor IE3 which acts as an indispensable regulator of viral gene expression during MCMV lytic infection. Repression of the major immediate early genes by viral miRNAs is a conserved feature of cytomegaloviruses. The functional role of this type of regulation can now be studied in the MCMV mouse model. / In eukaryotischen Zellen wird die Expression von Genen durch das Zusammenspiel vieler verschiedener biologischer Regulatoren, wie microRNAs (miRNAs), kontrolliert. MiRNAs sind einzelsträngige, kurze, nicht-kodierende RNA-Moleküle, die aus sogenannten primären miRNAs und Vorläufer-miRNAs entstehen und die Genexpression auf Ebene der Posttranskription beeinflussen. Um ihre Funktion ausüben zu können, werden reife miRNAs in RNA-induzierte Silencing-Komplexe (RISCs) eingebaut und zu ihren Ziel-mRNAs geführt. Durch Wechselwirkungen zwischen der miRNA "seed-Region , die die Nukleotide 2 bis 8 vom 5'-Ende überspannt und der 3'UTR (3' untranslatierte Region) der Ziel-mRNA, unterdrückt RISC die Translation der Ziel-mRNA und kann deren Abbau durch direkte sowie indirekte Mechanismen induzieren. Die Expression von miRNAs wurde nicht nur in multizellulären Organismen, sondern in bereits zahlreichen Viren, insbesondere in der Virusfamilie der Herpesviridae, nachgew- iesen. Viruskodierte miRNAs kontrollieren dabei zelluläre wie auch virale mRNA-Transkripte und verleihen dem Virus einen Selektionsvorteil bzgl. Wachstum und Persistenz. Das mur- ine Cytomegalievirus (MCMV) ist ein β-Herpesvirus, das nach aktuellem Wissensstand 29 reife miRNAs kodiert, die allesamt während der lytischen Infektion identifziert wurden. Bioinformatische Analysen eines vor dieser Arbeit durchgeführten PAR-iCLIP-Experiments (photoactivated ribonucleotide-enhanced individual nucleotide resolution crosslinking and immunoprecipitation), zeigten einen PAR-iCLIP Peak in der 3'UTR (3' untranslatierte Region) des immediate early 3-Transkripts (IE3) von MCMV. Unter Verwendung von RNAhbybrid, einem miRNA target prediction tool, fanden sich zwei virale miRNAs, näm- lich miR-m01-2-3p und miR-M23-2-3p mit potentiellen Bindestellen innerhalb der 3'UTR des MCMV IE3 Transkripts. Unsere konsekutiv durchgeführten Luciferase-Assays be- stätigten, dass sowohl miR-m01-2 als auch miR-M23-2 an die 3'UTR von IE3 binden. Beide viralen miRNAs führten zu einer verminderten Luciferaseaktivität unter Verwendung von Reportern, in denen die 3'UTR des IE3-Gens mit dem Luciferase-Transkript fusioniert war. xxiv Summary Das IE3 Protein gilt während des lytischen Zykluses als einer der wichtigsten Transkrip- tionsfaktoren von MCMV. Ebenfalls wurde der Einfluss der beiden viralen miRNAs auf die virale Reproduktion von uns untersucht. Hierfür wurden murine Zelllinien vor Infektion mit miR-m01-2 und miR- M23-2 transziert. Das Transfektionsverfahren optimierten wir zunächst durch Testung verschiedener Reagenzien und experimenteller Bedingungen. Schließlich zeigten wir mittels Plaqueassays, dass eine vor Infektion durchgeführte Transfektion mit miR-m01-2 und miR- M23-2 die Replikation von MCMV signifikant verzögerte. Unter Verwendung einer MCMV- Mutante, die durch Punktmutationen in beiden miRNA-Bindungsstellen innerhalb der IE3- 3'UTR charakterisiert war, ließ sich dieser Effekt aufheben. Unsere Experimente weisen somit stark darauf hin, dass miR-m01-2 und miR-M23-2 die Expression des IE3 Proteins regulieren und damit indirekt Einfluss auf die Genexpression während der lytischen Phase des Replikationszykluses von MCMV nehmen. Die miRNA-mediierte Repression der immediate early Genexpression stellt ein evolutionär konserviertes Merkmal von Zytomegalieviren dar. Für eine weitere Einordnung der Rolle dieser Genexpressionskontrolle bedarf es zukünftige Untersuchungen im MCMV-Tiermodell

Die AML stellt mit einem Anteil von 80 % an den akuten Leukämien bei Erwachsenen eine bedeutende Erkrankung für die Gesellschaft dar. Aufgrund fehlender durchbrechender Erfolge in der Therapieentwicklung liegt die durchschnittliche Fünfjahresüberlebensrate dennoch nur bei etwa 25 %. Der Blick auf die Kraft des Graft-versus-Leukämie-Effekts nach allogener Stammzelltransplantation, eine Langzeitremission der AML erzielen zu können, weist jedoch auf die Immunogenität und Eignung der Erkrankung für neue immuntherapeutische Ansätze hin. Anhand der Kartierung der in-vivo präsentierten MHC-Klasse-I-Peptidome auf AML-Blasten sollten in dieser Arbeit potenziell geeignete Therapietargets identifiziert werden, um eine breitere Anwendung immuntherapeutischer Strategien bei AML-Patienten zu ermöglichen. Auf primären Patientenmaterialien, Zelllinien und benignen Zellen wurden hierzu über eine Immunoaffinitätschromatographie mit nachfolgenden Purifizierungsschritten die MHC-präsentierten Peptide massenspekrometrisch-basiert identifiziert. Zusätzlich erfolgte eine Quantifizierung der Oberflächen- und intrazellulären MHC-Klasse-I-Moleküle der verwendeten Proben durch einen indirekten Immunfluoreszenz-Assay. Unter der Gesamtheit von 17.750 identifizierten nicht-redundanten MHC-Klasse- I-präsentierten Peptiden konnte eine Vielzahl von 5.626 Peptiden mit Präsentationsfrequenzen bis zu 72 % als AML-exklusiv beschrieben werden. Hierunter wurden 240 kryptische Peptide vermeintlich nicht-codierenden Ursprungs identifiziert. Zudem wurden mehrere potenziell CMV-kreuzreaktive AML-Peptide erfasst, die zu der reduzierten Rezidivrate bei CMV-Infektion nach allogener Stammzelltransplantation führen könnten. Bei der MHC-Quantifizierung wiesen die AML-Blasten keine verminderte MHC-Expression auf und stellten sich somit als geeignete Target-Zellen für eine T-Zell-Immuntherapie dar. / AML is a disease with huge society impacts since it represents 80 % of all acute leukemia in adults. However, due to the lack of breakthroughs in the development of new therapies, the average five-year survival rate is only around 25%. The Graft-versus-Leukemia-Effect after allogeneic stem cell transplantation, which can achieve long-term remission in AML-patients, provides evidence for the immunogenicity and therefore suitability of the disease for new immunotherapeutic approaches. The aim of this these is to enable a broader application of immunotherapeutic strategies in AML patients by mapping the in-vivo presented peptidomes of the MHC-class-I-pathway. For this purpose, primary patient materials, cell lines and benign cells were analyzed using immunoaffinity chromatography with several subsequential purification steps and mass-spectrometric-based identification. In addition, the surface and intracellular MHC-class-I-molecules of the samples used were quantified by an indirect immunofluorescence assay. Among the total of 17,750 identified non-redundant MHC-class-I-presented peptides, a large number of 5,626 peptides with presentation frequencies of up to 72% could be described as AML-exclusive. Among them, 240 cryptic peptides of supposedly non-coding origin were identified. In addition, several potentially CMV-cross-reactive AML-peptides were identified. Such a cross reactivity could explain the reduced recurrence rate through CMV infection after allogeneic stem cell transplantation. The MHC-class-I-quantification of the AML-blasts did not show any reduced MHC-expression and would therefore be suitable target cells for T-cell-immunotherapy.

The human cytomegalovirus (HCMV) is a ubiquitous pathogen that establishes a life- long infection upon primary infection. While primary infection is mostly asymptomatic, HCMV is responsible for significant morbidity and mortality in immunocompromised patients and neonates. There is currently no vaccine. The strict species specificity of this large double-stranded DNA virus poses a major challenge in understanding cytomegalovirus (CMV) pathogenesis. Murine cytomegalovirus (MCMV) exhibits significant similarity to HCMV and represents a widely used model to study CMV pathogenesis. The genomes of both human cytomegalovirus (HCMV) and murine cytomegalovirus (MCMV) were first sequenced over 20 years ago. Similar to HCMV, the MCMV genome had initially been proposed to harbour ~ 170 open reading frames (ORFs). More recently, RNA-seq based omics approaches revealed HCMV gene expression to be substantially more complex, comprising several hundred viral ORFs, similarly observed for other herpesviruses including KSHV, EBV and our own work on HSV-1, where an integrative analysis was further extended to provide a unified nomenclature for all gene products. The aim of my PhD project was to generate and utilize available multi-omics datasets to provide a state-of-the-art reannotation of lytic MCMV gene expression based on integrative analysis of a large set of omics data. By developing a novel nomenclature strategy, I annotated 365 viral transcription start sites (TiSS) giving rise to 380 and 454 viral transcripts and ORFs, respectively. The latter included >200 small ORFs, some of which represented the most highly expressed MCMV gene products. I further developed a novel time-resolved TiSS profiling approach (dSLAM-seq) to accurately annotate TiSS and determine the temporal kinetics of viral TiSS usage by metabolic labelling of newly-synthesized RNA. This not only resulted in the identification of a novel MCMV immediate early transcript encoding the m166.5 ORF, which we termed ie4, but also revealed three classes of viral early genes that differ in the onset of transcriptional activity. Furthermore, we identified a class of well-expressed viral transcripts (termed: ‘delayed late genes’) that are induced later than canonical true late genes and contain an initiator element (Inr) but no TATA- or TATT-box in their core promoters. For interesting candidate viral uORFs, I demonstrated their regulatory effects on their downstream ORFs (in cis) through elaborate reporter assays. As a proof-of-concept, I validated two novel ORFs in MCMV infection, including the truncated isoforms of the viral NK-cell immune evasin m145 expressed from a viral TiSS downstream of the canonical m145 mRNA. Despite being ≈5-fold more abundantly expressed than the canonical m145 protein it was not required for downregulating the NK cell ligand, MULT-I, but nevertheless provided evidence for additional unknown glycosylated protein isoforms expressed from the same genomic locus. Furthermore, I validated a novel MCMV protein overlapping the viral polymerase (M54), m54.5. Funded by a seed grant from the DFG research unit FOR2830, I characterized the interactome of the m54.5 protein revealing interactions with three exciting protein complexes for future functional studies. Finally, I tested the hypothesis that viral small ORFs represent a novel class of CD8+ T-cell antigens that are subject to direct but not cross-presentation due to their inherent instability of their encoded microproteins. By expressing model epitopes at the C-terminus of either the M35 uORF or ORF, I could demonstrate that sORF-derived epitopes can be efficiently presented to naïve CD8+ T-cells by MHC-I, and mediate CD8+ T-cell control of infection, but are poor in priming naïve CD8+ T cells in mice. In summary, my work unravel exciting new aspects of an important animal infection model and will pave the way for future mechanistic studies on previously unknown cytomegalovirus gene. / Das humane Cytomegalovirus (HCMV) ist ein ubiquitäres Pathogen, das nach einer Primärinfektion eine lebenslange Infektion verursacht. Während die Primärinfektion meist asymptomatisch verläuft, ist das HCMV für eine erhebliche Morbidität und Mortalität bei immungeschwächten Patienten und Neugeborenen verantwortlich. Derzeit gibt es keinen Impfstoff. Die strenge Speziesspezifität dieses großen Doppelstrang-DNA-Virus stellt eine große Herausforderung für das Verständnis der Pathogenese des Cytomegalovirus (CMV) dar. Das murine Cytomegalovirus (MCMV) weist eine erhebliche Ähnlichkeit mit dem HCMV auf und ist ein weit verbreitetes Modell zur Untersuchung der CMV-Pathogenese. Die Genome sowohl des humanen Cytomegalovirus (HCMV) als auch des murinen Cytomegalovirus (MCMV) wurden erstmals vor über 20 Jahren sequenziert. Ähnlich wie beim HCMV wurde zunächst angenommen, dass das MCMV-Genom etwa 170 offene Leserahmen (ORFs) enthält. In jüngerer Zeit haben RNA-seq-basierte Omics-Ansätze gezeigt, dass die HCMV- Genexpression wesentlich komplexer ist und mehrere hundert virale ORFs umfasst. Ähnliches wurde auch bei anderen Herpesviren beobachtet, darunter KSHV, EBV und unsere eigene Arbeit zu HSV-1, bei der eine integrative Analyse weiter ausgebaut wurde, um eine einheitliche Nomenklatur für alle Genprodukte zu erstellen. Ziel meines Promotionsprojekts war es, verfügbare Multi-omics-Datensätze zu generieren und zu nutzen, um eine hochmoderne Reannotation der lytischen MCMV- Genexpression auf der Grundlage einer integrativen Analyse eines großen Satzes von Omics-Daten zu erstellen. Durch die Entwicklung einer neuen Nomenklaturstrategie habe ich 365 virale Transkriptionsstartstellen (TiSS) annotiert, die zu 380 bzw. 454 viralen Transkripten und ORFs führen. Zu letzteren gehörten >200 kleine ORFs, von denen einige die am stärksten exprimierten MCMV-Genprodukte darstellten. Darüber hinaus entwickelte ich ein neuartiges zeitaufgelöstes TiSS-Profiling-Verfahren (dSLAM-seq), um TiSS genau zu annotieren und die zeitliche Kinetik der viralen TiSS- Nutzung durch metabolische Markierung von neu synthetisierter RNA zu bestimmen. Dies führte nicht nur zur Identifizierung eines neuartigen frühen MCMV-Transkripts, das für den m166.5 ORF kodiert und das wir als ie4 bezeichnet haben, sondern zeigte auch drei Klassen von frühen viralen Genen, die sich im Beginn der Transkriptionsaktivität unterscheiden. Darüber hinaus identifizierten wir eine Klasse von gut exprimierten viralen Transkripten (als "verzögerte späte Gene" bezeichnet), die später als die kanonischen echten späten Gene induziert werden und ein Initiatorelement (Inr), aber keine TATA- oder TATT-Box in ihren Kernpromotoren enthalten. Für interessante virale uORF-Kandidaten habe ich ihre regulatorischen Auswirkungen auf ihre nachgeschalteten ORFs (in cis) durch aufwendige Reporter- Assays nachgewiesen. Zum Nachweis des Konzepts habe ich zwei neue ORFs bei MCMV-Infektionen validiert, darunter die verkürzten Isoformen des viralen NK-Zell- Immunevasins m145, die von einem viralen TiSS stromabwärts der kanonischen m145 mRNA exprimiert werden. Obwohl es ≈5-mal häufiger exprimiert wird als das kanonische m145-Protein, war es für die Herabregulierung des NK-Zell-Liganden MULT-I nicht erforderlich, lieferte aber dennoch Beweise für weitere unbekannte glykosylierte Protein-Isoformen, die von demselben genomischen Locus exprimiert werden. Darüber hinaus habe ich ein neues MCMV-Protein validiert, das die virale Polymerase (M54) überlagert, m54.5. Finanziert durch eine Anschubfinanzierung der DFG-Forschergruppe FOR2830 habe ich das Interaktom des m54.5-Proteins charakterisiert und dabei Interaktionen mit drei interessanten Proteinkomplexen für zukünftige Funktionsstudien aufgedeckt. Schließlich testete ich die Hypothese, dass kleine virale ORFs eine neue Klasse von CD8+-T-Zell-Antigenen darstellen, die aufgrund der inhärenten Instabilität ihrer kodierten Mikroproteine zwar direkt, aber nicht kreuzweise präsentiert werden können. Durch die Expression von Modellepitopen am C-Terminus des M35 uORF oder ORF konnte ich zeigen, dass sORF-abgeleitete Epitope naiven CD8+ T-Zellen durch MHC-I effizient präsentiert werden können und die Kontrolle der Infektion durch CD8+ T-Zellen vermitteln, aber beim Priming von naiven CD8+ T-Zellen in Mäusen schlecht funktionieren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass meine Arbeit aufregende neue Aspekte eines wichtigen Tierinfektionsmodells aufdeckt und den Weg für künftige mechanistische Studien über bisher unbekannte Cytomegalovirus-Gene ebnen wird.

Immunsupprimierte Patienten besitzen ein erhöhtes Risiko für opportunistische Infektionen, die hauptsächlich durch das humane Cytomegalievirus (HCMV) und den Schimmelpilz Aspergillus fumigatus verursacht werden. Aufgrund ihrer Lokalisation in den Geweben unterhalb von Lungenepithelien und des Gastrointestinaltraktes werden dendritische Zellen (DCs) als diejenigen Zellen betrachtet, die während der frühen Phase einer Infektion in Kontakt mit HCMV und A. fumigatus kommen und eine Aktivierung von angeborenen und adaptiven Abwehrmechanismen vermitteln. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde die Bedeutung von humanen DCs bei der Bekämpfung von HCMV und A. fumigatus näher untersucht. Um mit dem klinisch relevanten HCMV Stamm TB40E arbeiten zu können, musste zuerst ein geeignetes Zellkultursystem zur Anzucht von HCMV etabliert werden. Die aus Fibroblasten aufgereinigten Viren eigneten sich zur erfolgreichen Infektion von DCs, was durch verschiedene Färbemethoden nachgewiesen werden konnte. Aus diesem Grund war es möglich, in Abhängigkeit der Zeit ein Expressionsprofil von Klasse I Interferonen (IFN-alpha, IFN-beta), ausgesuchten Cytokinen (CXCL10, CXCL11, Rantes) und den wichtigen Immunrezeptoren Toll-like Rezeptor 3 (TLR3) und dendritic cell-specific ICAM3-grabbing nonintegrin (DC-SIGN) zu erstellen. Nachdem ein RNA Interferenz (RNAi) System zur erfolgreichen Transfektion von DCs mit small interfering RNA (siRNA) etabliert werden konnte, gelang es die Expression von TLR3 signifikant herunterzuregulieren. Stimulationsexperimente mit dem synthetisch hergestellten Polymer poly I:C identifizierten TLR3 als den Rezeptor, der die Expression von IFN-beta vermittelt. Ferner konnte nachgewiesen werden, dass TLR9 bei ex vivo generierten DCs keine Funktion besitzt. Eine direkte Aktivierung von TLR3 durch HCMV konnte mittels siRNA nicht nachgewiesen werden. Durch den Einsatz von genomweiten Microarray-Analysen konnten eine Vielzahl an Genen gefunden werden, die nach Co-Kultivierung von DCs und lebenden A. fumigatus Keimschläuchen (KS) differentiell exprimiert waren. Dabei wurde ein breites Spektrum an Cytokinen (TNF-alpha, IL-6, IL-10, IL-12), Chemokinen (IL-8, CCL20, CXCL10), Co-stimulatorischen Molekülen (CD40, CD80, CD83, CD86), Prostaglandin Synthese Genen (PTGS2) und Immunrezeptoren (PTX-3, TLR2, TLR4) gefunden, deren zeitabhängiges Expressionsprofil mittels qRT-PCR eindeutig bestätigt wurde. Als Wachen des Immunsystems müssen DCs Krankheitserreger zu einem frühen Zeitpunkt der Infektion erkennen. Die Erkennung von Pilzen wird durch die unterschiedlichen Rezeptoren vermittelt, die TLRs, C-Typ Lektine und Pentraxine umfassen, wobei ihre Bedeutung für humane DCs bisher nur unzureichend geklärt ist. Durch den Einsatz von siRNA konnte die Expression von TLR2, TLR4, myeloid differentiation primary response gene 88 (MyD88), DC-SIGN, Pentraxin-3 (PTX-3) und caspase recruitment domain family member 9 (Card-9) signifikant verringert werden. Für TLR2, TLR4, PTX-3 und DC-SIGN konnte durch den Einsatz der RNAi aufgezeigt werden, dass diese Rezeptoren nicht an der Induktion einer pro-inflammatorischen Immunantwort von DCs nach Infektion mit A. fumigatus beteiligt sind. Sowohl die Stimulierung mit den TLR Liganden Zymosan und LPS, als auch mit A. fumigatus, führte zu einer erhöhten Expression von TNF-alpha und IL-12 (Light Cycler), die sich in einer vermehrten Cytokinfreisetzung (ELISA) bemerkbar machte. Im Gegensatz zur TLR4 siRNA Transfektion und LPS-Stimulation war keine Reduktion der Expression von TNF-alpha und IL-12 nach TLR2 und TLR4 siRNA Transfektion und anschließender Pilzinfektion zu beobachten. Auch der Einsatz von gegen TLRs gerichteten Antikörpern konnte eine mögliche Signaltransduktion bei DCs nicht unterbinden. Anstelle von TLR2 und TLR4 wurde Dectin-1 als DC-Immunrezeptor für A. fumigatus KS identifiziert. Mit Hilfe eines spezifischen Antikörpers gegen Dectin-1 war es möglich, die Freisetzung von TNF-alpha und IL-12 nach Pilzinfektion zu blockieren. In einem unabhängigen Experiment mit siRNA wurde Dectin-1 als Rezeptor für A. fumigatus bestätigt. Wie fortführende Experimente mit Candida albicans KS und Zymosan gezeigt haben, handelt es sich bei Dectin-1 auf humanen DCs um einen generellen Rezeptor für Pilze. Die durchgeführten SNP-Analysen (single nucleotide polymorphism) zur Ermittlung eines Zusammenhanges mit einem erhöhten Virus- und Pilzinfektionsrisiko für Patienten nach Stammzelltransplantation erbrachten die Erkenntnis darüber, dass zwei Marker (rs735240, rs2287886) in DC-SIGN mit einer erhöhten Empfänglichkeit für HCMV, und drei Marker (rs1554013, rs3921, rs4257674) in CXCL10 mit einem vergrößerten Riskio für eine invasive Aspergillose assoziiert waren. Ein Screening von Patienten auf das Vorhandensein dieser definierten SNPs könnte helfen, die individuelle Gefahr für HCMV und A. fumigatus nach nach allogener Stammzelltransplantation abzuschätzen. / Patients after allogenic stem cell transplantation (alloSCT) have an increased risk to suffer from viral and fungal infections, which are mainly caused by the human cytomegalovirus (HCMV) and the mold Aspergillus fumigatus. Due to their localization in tissues under lung epithelia and the gastrointestinal tract, dendritic cells (DCs) are considered to be the first cells coming into close contact with HCMV and A. fumigatus for the activation of innate and adaptive immune mechanisms. Within the scope of this dissertation, the role of human monocyte-derived DCs in the abatement of HCMV and A. fumgatus was analyzed. In order to work with HCMV, a cell culture system for effective culturing of the clinical relevant HCMV strain TB40E had to be established first. The viral particles up-cleaned from lung fibroblasts were used for infection of DCs and successful infection was approved by different staining methods. For this reason, it was possible to determine a time-dependent expression profile of class I interferons (IFN-alpha, IFN-beta), selected cytokines (CXCL10, CXCL11, Rantes) and immunoreceptors (TLR3, DC-SIGN). A RNA interference (RNAi) system for human DCs was established to significantly knock-down expression of TLR3 without the induction of an unwanted pro-inflammatory cytokine response. Stimulation experiments with the synthetic polymer poly I:C (which resembles dsRNA of infectious viruses) identified TLR3 as a receptor for triggering expression of IFN-beta. However, whether there is a direct activation of TLR3 through dsRNA intermediates, possibly emerging during replication of HCMV, can not be answered to date definitively, because TLR3 small interfering RNA (siRNA) transfection prior to HCMV infection did not result in minor expression of IFN-beta. Gene expression pattern of DCs after co-cultivation with living A. fumigatus germ tubes was studied by whole genome microarray analysis and real-time PCR, demonstrating an upregulation of a broad spectrum of cytokines (TNF-alpha, IL-6, IL-10, IL-12), chemokines (IL-8, CCL20, CXCL10), co-stimulatory molecules (CD40, CD80, CD83, CD86), prostaglandin synthesis genes (PTGS2), as well as genes involved in fungal recognition (PTX-3, TLR2, TLR4) and cytoskeleton organization / phagocytosis. As the sentries of the immune system, DCs must recognize fungi at an early step of infection. Pathogen detection is mediated by different receptors comprising TLRs, C-type lectins and Pentraxines (PTX), but only little is known about their relevance for DCs. Using specific siRNAs, expression of TLR2, TLR4, myeloid differentiation primary response gene 88 (MyD88), dendritic cell-specific ICAM3-grabbing nonintegrin (DC-SIGN), Pentraxin-3 (PTX-3) and caspase recruitment domain family member 9 (Card-9) was significantly diminished, respectively. In contrast to control experiments with TLR4 siRNA and LPS stimulation, A. fumigatus induced expression of pro-inflammatory cytokines (TNF-alpha, IL-12) was not reduced when TLR2 and TLR4 expression was knocked-down by specific siRNAs prior to infection. However, using siRNAs directed against Dectin-1 allowed demonstration of an interaction between Dectin-1 and A. fumigatus germlings, Candida albicans germ tubes and Zymosan. In an independent approach, cytokine secretion could be blocked by anti-Dectin-1 antibody treatement prior to fungal exposure. In conclusion, Dectin-1 was identified as an important fungal receptor on DCs whereas TLR2 and TLR4 seemed to play a negligible role. Single nucleotide polymorphisms (SNPs) in various cellular receptor genes are associated with the susceptibility to and severity of infectious diseases. In this study, genetic polymorphisms in genes encoding for virus entry receptors have been analyzed for their association to HCMV reactivation and disease in patients after allogeneic stem cell transplantation. A comparison of different genotyping methods highlighted the advantages of the Light Cycler system, the cycle-suequencing and the matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry (MALDI-MS) when using small quantities of patients’ DNA. Two markers (rs735240, rs2287886) in the promoter region of DC-SIGN were found to be significantly associated with an increased susceptibility to HCMV. In addition, three SNPs (rs1554013, rs3921, rs4257674) in CXCL10 elevated the risk for the development of invasive aspergillosis. Screening of patients after alloSCT for the presence of these defined genetic polymorphisms may help to predict the individual risk to suffer from HCMV and A. fumigatus after alloSCT.

Eine Infektion mit dem humanen Cytomegalievirus ist immer noch eine der häufigsten und bedrohlichsten Komplikationen nach einer allogenen Stammzelltransplantation (SCT), welche eine hohe Morbidität und Mortalität verursacht. Die prophylaktische oder preämptive antivirale Chemotherapie konnte den frühen Ausbruch einer CMV-Erkrankung während der ersten 100 Tage nach SCT signifikant reduzieren, jedoch kommt es dadurch häufig zu einem späten Ausbruch der CMV-Erkrankung und schwerwiegenden Nebenwirkungen wie Myelotoxizität und Nephrotoxizität. Zur Bekämpfung und Langzeitkontrolle einer CMV-Infektion ist eine effiziente zellvermittelte CMV-spezifische Immunität unabdingbar. Im Rahmen dieser Dissertation, wurden deshalb drei CMV-Vakzinkandidaten basierend auf dem hoch attenuierten Modifizierten Vaccinia Ankara Virus (MVA), welche stabil pp65 und/oder IE1 (MVA-IE1, MVA-pp65, and MVA-IE1-pp65) exprimieren und zugleich frei von Selektionsmarkern sind, auf ihre Fähigkeit hin untersucht CMV-spezifische T-Zellantworten zu induzieren. Als erstes wurden humane mononukleäre Zellen des periphären Blutes (PBMCs) und Leukozytensubpopulationen (aus Monozyten generierte dendritische Zellen (DCs), Monozyten und B-Zellen) mit MVA infiziert um deren Infektionsrate, Veränderungen in der Expression der Oberflächenmarker und der Zytokinexpression sowie deren Apoptoserate zu untersuchen. Monozyten, DCs und B-Zellen waren besonders empfänglich für eine MVA-Infektion, gefolgt von NK-Zellen. Monozyten wurden stark aktiviert, was sich durch eine erhöhte Expression der kostimulatorischen Moleküle, MHC-Komplexe und CCR7 zeigte, wohingegen DCs eine inkomplette Aktivierung vorwiesen und B-Zellen gehemmt wurden. Des Weiteren wurde die Expression von CXCL10, TNFa, IL-6 und IL-12 signifikant in den Antigen-präsentierenden Zellen (APCs) erhöht, aber die von IL-1b und IL-10 blieb unverändert oder wurde sogar signifikant reduziert. MVA induzierte also eine Th1-polarisierenden Zytokinexpression in den APCs. Allerdings konnten CMV-spezifische T-Zellen nicht mit direkter Antigenpräsentation durch DCs expandiert werden, da die DCs nach Infektion mit MVA schnell durch Apoptose starben und eine unzureichende Expression der kostimulatorischen Moleküle und MHC-Komplexe aufwiesen. Vielmehr konnte gezeigt werden, dass die erfolgreiche Expansion CMV-spezifischer T-Zellen mittels Kreuzpräsentation von Antigenen MVA-infizierter Leukozyten durch DCs erfolgte. Die Phagozytose von apoptotischen Material von MVA-infizierten Leukozyten mit anschließender Antigenprozessierung induzierte eine vollständige Ausreifung der DCs in vitro einhergehend mit erhöhter IL-12-Expression, was erheblich zu einer erfolgreiche T-Zell-Stimulation und –Expansion beitrug. Neben pp65-spezifischen T-Zellen wurden auch IE1-spezifische T-Zellen expandiert, wenn auch in einem geringeren Ausmaß. Der größte Teil der expandierten T-Zellen wies einen Effektor-Gedächtnis-(EM)-Phänotyp auf. Ein kleinerer Anteil besaß jedoch einen zentralen Gedächtnis-(CM)-Phänotyp, welcher bekannt ist für eine Langzeitpersistenz und eine erfolgreiche Etablierung eines T-Zell-Gedächtnis-Pools. Darüber hinaus wurden keine Vaccinia-spezifischen T-Zellen der pockengeimpften Spender expandiert. Wodurch ist die Immunogenität der CMV-Antigene nicht beeinträchtigt ist. Die drei untersuchten MVA-CMV-Vakzinkandidaten erfüllen alle Stabilitäts-, Immunogenitäts- und Sicherheitsbestimmungen der Europäischen Arzneimittelbehörde (EMEA) für virale Vektorimpfstoffe und sind deshalb bereit für die cGMP-Produktion und anschließende klinische Prüfung. / Infection with human Cytomegalovirus (CMV) remains one of the most frequent and life threatening complications after allogenic stem cell transplantation (SCT) causing serious morbidity and mortality. Prophylactic or preemptive antiviral chemotherapy could significantly reduce the early onset of CMV disease during the first 100 days after SCT but at the expense of an increasing late onset CMV disease and severe side effects like myelotoxicity and nephrotoxicity. An efficient cell mediated CMV specific immunity is crucial to eradicate CMV for long-term control of CMV infection. In the scope of this dissertation, three CMV vaccine candidates based on the highly attenuated modified vaccinia Ankara Virus (MVA) with stable expression of pp65 and/or IE1 (MVA-IE1, MVA-pp65, and MVA-IE1-pp65) without any selection marker were examined for the induction of CMV-specific T cell responses. At first, Human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) and leukocyte subpopulations (monocyte derived dendritic cells (DCs), monocytes and B cells) were infected with MVA in order to evaluate their infection rate, changes in surface markers, cytokine expression and apoptosis. Monocytes, DCs and B cells were most susceptible to MVA infection followed by NK cells. Monocytes were activated strongly with upregulation of costimulatory molecules, MHC-complexes and CCR7 while DCs showed an incomplete activation and B cells were inhibited. Furthermore, expression of CXCL10, TNFa, IL-6 and IL-12 were enhanced in antigen presenting cells (APCs) but IL-1b and IL-10 were stable or even downregulated. Thus, MVA seems to induce a Th1-polarizing cytokine expression in APCs. However, successful expansion of CMV specific T cells could not be achieved via direct antigen presentation by DCs, as the DCs died fast after infection with MVA by apoptosis and displayed an insufficient expression of costimulatory molecules and MHC-complexes. Rather, it could be shown that successful expansion of CMV specific T cells is achieved via cross presentation of antigens from MVA infected leukocytes by bystander DCs. Phagocytosis of apoptotic material from MVA infected leukocytes and subsequent antigen processing induced a full maturation of DCs in vitro with upregulation of IL-12 expression and hence, makes a considerable contribution to a successful T cell stimulation and expansion. In addition to pp65 specific T cells, also IE1 specific T cell could be expanded but to a lower extend. The major part of expanded T cells displayed an effector memory (EM) phenotype. However, the minor part of expanded T cells displayed a central memory (CM) phenotype, which is known for long-term persistence and successful establishment of a memory T cell pool. Moreover, vaccinia specific T cells of smallpox vaccinated donors could not be expanded. Thus, the immunogenicity to the CMV antigens is not impaired. The MVA-CMV vaccine candidates fulfill all terms of stability, immunogenicity, and safety of the European Medicines Agency (EMEA) for viral vector vaccines. Therefore, the MVA-CMV vaccine candidates are ready for cGMP production and subsequent clinical trials.

Universiẗat, Diss., 2002--Jena.