Tübingen, Univ., Diss., 2007.

In this study, murine ES cells and DT40 B cells were used in parallel to disrupt the Nfatc1 gene and to study the function of individual 6 Nfatc1 isoforms, especially the function of highly inducible NFATc1/aA.We found that the short isoform NFATc1/aA protects DT40 B cells against apoptosis while the long isoform NFATc1/aC appears to enforce apoptosis. DNA microarray studies have shown that in NFATc1" DT40 B cells expressing ectopically human NFATc1/aA, the pkc-theta gene is several fold stronger expressed as in wild type cells. Our results of EMSA (Electrophoretic Mobility Shift Assays) and ChIP (chromatin immuno-precipitation) experiments demonstrated the binding of NFATc1/aA to the pkc-theta promoter in vitro and in vivo. NF-kappa B was also found to bind to the NFATc1 P1-promoter in vitro and in vivo. These data suggest and further prove that NF-kappa B contributes to the induction of the NFATc1 P1 promoter upon activation of T cells. So, NFATc1/aA and NF-kappa B were found to cross-talk in the transcriptional upregulation of their target genes, such as the IL-2 gene and the Nfatc1 gene itself, at multiple steps upon induction of apoptosis. While the pro-apoptotic mechanism of NFATc1s long isoform(s) remains unclear, its corresponding “death partners” are worth further studies. The elucidation of functional roles of NFATc1s short or long isoforms in the control of apoptosis of lymphocytes helps to understand apoptosis regulation, and thereby, the fate of lymphocytes. / In der vorliegenden Studie wurden ES Zellen von der Maus und DT40 B Zellen vom Huhn verwendet, um paralell das Nfatc1 auszuknocken und die Rolle der einzelnen 6 Nfatc1 Isoformen zu studieren, insbesorndere die Funktion des stark induzierbaren NFATc1/aA.Wir konnten feststellen, daß die kurze Isoform NFATc1/aA" DT40 B Zellen gegen Apoptose schützt, während die lange Isoform NFATc1/aC scheinbar die Apoptose verstärkt. DNA Microarray Studien haben gezeigt, daß NFATc1-/-/aA DT40 B Zellen, die humanes NFATc1/aA ektopisch exprimieren, das pkc-theta Gen deutlich stärker exprimieren als in Wildtyp Zellen. Unsere Ergebnisse von EMSA und ChIP Experimenten demonstrieren die Bindung von NFATc1/aA an den pkc-theta Promoter in vitro und in vivo. Für NF-kappa B wurde eine Bindung am Nfatc1 P1 Promoter in vitro und in vivo gezeigt. Dies lässt vermuten, daß NF-kappa B eine Rolle bei der Induktion am Nfatc1 P1 Promoter nach der Aktivierung der T Zelle spielt.Es wurde herausgefunden, daß nach Induktion der Apoptose, NFATc1/aA und NF-kappa B „cross-talk“ an unterschiedlichen Stellen in der transkriptionellen Hochregulierung ihrer Zielgene, wie z.b. dem IL-2 Gen und dem Nfatc1 Gen selbst. Weil die pro-apoptotischen Mechanismen der lange(n) Isoform(en) von NFATc1 unklar bleiben, sollten die korrespondierenden „death partners“ in weiteren Studien untersucht werden. Eine Klärung der funktionellen Rollen der NFATc1 Isoformen in der Kontrolle der Apotose in Lymphozyten wird helfen,die Regulation der Apotose, und damit auch das Schicksal der Lymphozyten, zu verstehen.

Die Transkriptionsfaktoren der NFAT-Proteinfamilie (Nuclear Factor of Activated T cells, NFATc1-4) sind an entscheidender Stelle in die Regulation des Zellzyklus, des programmierten Zelltodes und der Kanzerogenese involviert. NFATc1 nimmt innerhalb dieser Familie eine Sonderrolle ein, da dessen Aktivität auch durch eine stark induzierbare Expression gesteigert werden kann. Dies ist insbesondere für die Differenzierung und Funktion von T- und B-Lymphozyten von Bedeutung. Weiterhin ist NFATc1 für die Muskel- oder Herzentwicklung notwendig. Eine Reihe von Arbeiten belegen darüber hinaus eine Beteiligung dieses Transkriptionsfaktors an der Entstehung von Leukämien und Lymphomen. Während klassische Hodgkin-Lymphome allerdings durch eine abgeschaltete NFATc1-Expression gekennzeichnet sind, wird für T-ALL (Akute Lymphatische Leukämie der T-Zelle) eine Überexpression beschrieben. Die Kernlokalisation dieses Transkriptionsfaktors erfolgt nach Dephosphorylierung des zytoplasmatischen Proteins durch die Phosphatase Calcineurin. Deren Phosphataseaktivität wird durch einen Anstieg des intrazellulären Ca++-Spiegels aktiviert. Inwiefern die Calcineurin-abhängige Kerntranslokalisation den einzigen Aktivierungsmechanismus für NFAT-Faktoren darstellt, ist noch nicht eindeutig geklärt. Nach optimaler Aktivierung von T- bzw. B-Zellen ist die kurze, induzierbare Isoform NFATc1/A das Hauptprodukt des NFATc1-Gens. In dieser Arbeit wurden für die gezielte Deletion des NFATc1-Gens in der Maus zwei verschiedene konditionelle Systeme verwandt. Hierzu wurden Tiere, die ein mit „flox“-Sequenzen versehenes drittes Exon des NFATc1-Gens in der Keimbahn tragen, mit verschiedenen Cre-Rekombinase expremierenden Linien verkreuzt. Der Verlust funktionellen NFATc1-Proteins erfolgt dann früh in der B-Zell-Differenzierung im Knochenmark (Cd79a/mb-1-cre x Nfatc1flx/fl) bzw. in reifen B-Zellen (Cd23-cre x Nfatc1flx/flx). Während in keiner dieser Linien signifikante Defekte in der Differenzierung “konventioneller B2” B-Lymphozyten beobachtet wurden, hatte die frühe Inaktivierung des NFATc1-Gens im Knochenmark den Verlust der B1a-Zell-Population im Peritoneum zur Folge. In vitro zeigten NFATc1-/--B-Zellen aus der Milz nach Aktivierung über den B-Zell-Rezeptor deutliche Defekte in der Zellteilung bei einer gleichzeitigen Zunahme des aktivierungsinduzierten Zelltodes (AICD, activation induced cell death). Die vergleichende Transkriptomanalyse identifizierte wichtige Gene des Ca++/Calcineurin-Signalweges als NFATc1-Zielgene und mitverantwortlich für die Proliferationsdefekte. In NFATc1-defizienten B-Zellen konnte Re-Expression von NFATc1 in geringer Konzentration den aktivierten Zelltod inhibieren, wohingegen hohe Konzentrationen diesen noch weiter förderten. Zusammengenommen lässt sich daher schließen, dass NFATc1 entscheidend an der Kontrolle von Proliferation und Zelltod peripherer B-Lymphozyten beteiligt ist. Eine weitere wichtige Funktion kommt NFATc1 beim Klassenwechsel im Immunglobulin-Lokus zu. In den untersuchten Mäusen war die IgG3-Produktion nach Immunisierung mit NP-Ficoll (einem T-Zell-unabhängigen Antigen des Typs II) deutlich reduziert, wenn das NFATc1-Gen in den B-Lymphozyten funktionslos war. Auch die Bildung von IgG3+-Plasmablasten war gehemmt. Zu ähnlichen Ergebnissen führten Untersuchungen an isolierten B-Lymphozyten in einem in vitro Klassenwechsel-Modell. Demgegenüber zeigten Immunisierungen der Tiere mit NP-KLH (einem T-Zell-abhängigen Antigen) keine signifikanten Abweichungen im Klassenwechsel. Zusammengefasst zeigen diese Daten die große Bedeutung des Transkriptionsfaktors NFATc1 für das Überleben und die Funktion peripherer B-Lymphozyten. / The Nuclear Factors of Activated T cells (NFATs) are critical transcription factors playing major roles in the control of the cell cycle, apoptosis and, probably, also cancerogenesis. Of all the four genuine NFATc family members, NFATc1 has the unique induction property which appears to be essential for T and B cell development, along with its considerable role in cytokine gene expression and function in non-lymphoid tissues and during organ development (such as in the development of muscle and heart cells). A number of studies have proved the potential role of NFATc1 protein in development of lymphomas and leukemias and provided evidence of differential expression of the same gene in different tumours (Suppression in classical Hodgkin lymphomas but overexpression in T-ALLs). Although the most commonly accepted pathway is the dephosphorylation of NFAT by calcineurin upon a rise in intracellular Ca++ leading to nuclear translocation followed by transcription of Il2 gene and related cytokines, it is quite possible that signaling mechanisms other than (or in addition to) calcineurin activation lead to NFATc1 induction as well. One of the major isoforms of NFATc1, NFATc1/αA, is the short inducible factor, produced upon full T and B cell activation. Here we used two different conditional knock-out mice as our study model. Inactivation of the murine Nfatc1 gene in bone marrow (of Cd79a/mb-1-cre x Nfatc1flx/flx mice) and spleen (of Cd23-cre x Nfatc1flx/flx mice) resulted in complete ablation of NFATc1 expression in splenic B cells. Although no severe developmental defects were found for the generation of ‘conventional’ B2 cells, NFATc1 inactivation in bone marrow B-cells led to a strong decrease in the peritoneal B1a cell population. In-vitro studies showed a clear-cut decrease in proliferation and an increase in Activation Induced Cell Death (AICD) of NFATc1-/- splenic B cells upon BCR stimulation. While NFATc1 appears to control directly the AICD of peripheral B cells, further studies revealed an effect of NFATc1 on proliferation by a sustained differentiation program controlling Ca++ flux and calcineurin activity which are needed to maintain transcription and proliferation of primary B cells. Re-expression of NFATc1 at a low dose could protect cells against AICD, whereas at a higher dose it initiated AICD. These data suggest an important dual role of NFATc1 in controlling proliferation and apoptosis of peripheral B lymphocytes. NFATc1 ablation also impaired the Ig class switch to IgG3 by T cell-independent (TI) type II antigens and impaired IgG3+ plasmablast formation when studied in-vivo by NP-Ficoll immunization or in-vitro using an in-vitro class-switch model. Contrary to the immunizations with TI-type II antigen, no significant differences were documented in Ig class switch upon immunization with NP-KLH, a T-cell dependent (TD) antigen. Taken together, the data indicate NFATc1/αA as a crucial player in the activation and function of splenic B cells upon BCR stimulation. Missing or incomplete NFATc1/αA induction appears to be one reason for the generation of B cell unresponsiveness, whereas uncontrolled NFATc1/αA expression could lead to unbalanced immune reactions and autoimmune diseases.

Univ., Diss., 2009--Marburg.

Erlangen, Nürnberg, Univ., Diss., 2010.

Universiẗat, Diss., 2004--Würzburg.

Würzburg, Universiẗat, Diss., 2005.

Die Multiple Sklerose und die entzündlichen Muskelerkrankungen Polymyositis und Einschlusskörperchenmyositis sind Autoimmunerkrankungen, in denen T-Lymphozyten in das Gehirn bzw. den Muskel eindringen und dort körpereigenes Gewebe zerstören. Die Pathogenese dieser Krankheiten ist bis jetzt noch nicht bekannt. Ziel dieser Arbeit war es, die ins Zielgewebe eingedrungenen autoaggressiven T-Lymphozyten aus gefrorenem Biopsiegewebe zu isolieren, ihren ab-T-Zell-Rezeptor zu analysieren und diesen rekombinant zu exprimieren. Folgeversuche mit den TZR-Transfektanten sollten erste Hinweise auf ein mögliches Antigen liefern. Um autoaggressive T-Zellen von irrelevanten zu unterscheiden, konzentrierten wir uns auf Zellen, die zum einen im Zielgewebe klonal expandiert vorlagen, zum anderen einen direkten morphologischen Kontakt mit der Zielzelle aufwiesen. Wir untersuchten das T-Zell-Repertoire verschiedener Patienten auf klonal expandierte Populationen durch CDR3-Spektratyping und isolierten positiv gefärbte Kandidatenzellen durch Lasermikrodissektion aus dem Gewebe. Anschließend wurden die T-Zell-Rezeptoren mit einer speziellen, im Rahmen der Arbeit entwickelten Einzelzell-Muliplex-RT-PCR analysiert. Bisher war es nicht möglich, die a- und b-Kette desselben T-Zell-Rezeptors aus Biopsiematerial zu identifizieren. Dies lag an der geringen Anzahl verfügbarer anti-a-Ketten-Antikörper sowie an der wesentlich höheren Variabilität der a-Ketten-Gene. Aus dem Biopsiegewebe eines Patienten isolierten wir 23 ab-TZR-Pärchen, welche alle die identische expandierte TZR-b-Kette zeigten. 20 der 23 Zellen wiesen eine identische a-Kette auf. Die Dominanz des TZR ist ein Hinweis auf die pathogene Relevanz dieses T-Zell-Klons. Die anderen drei Zellen zeigten drei unterschiedliche funktionelle a-Ketten. Aus der Biopsie eines zweiten Patienten isolierten wir zwei weitere ab-TZR-Pärchen. Die vier Rezeptoren des ersten Patienten wurden in einer T-Zell Hybridom Zellinie exprimiert. Vorläufige Versuche, ein mögliches Antigen zu detektieren, zeigten, dass es sich wahrscheinlich weder um ein muskelspezifisches Antigen noch um ein ubiquitär exprimiertes Selbst-Antigen handelt. Die hier beschriebene Methode der Isolierung und Analyse von autoaggressiven T-Lymphozyten kann man nicht nur zur Untersuchung des TZR-ab-Repertoires von Myositis- oder MS-Patienten einsetzen. Sie ist ebenfalls geeignet, andere Autoimmunerkrankungen sowie Tumor- oder Infektionserkrankungen zu untersuchen. / Multiple sclerosis and the inflammatory muscle diseases polymyositis and inclusion body myositis are autoimmune diseases. T cells invade and destroy brain tissue or muscle fibers, respectively. The pathogenesis of these diseases is still unknown. The aim of this thesis was to isolate tissue invading autoaggressive T-lymphocytes from frozen biopsy specimens, to analyse their T cell receptor a-and b-chains and to express the receptors in a recombinant expression system. This may provide a tool to search for possible antigens. To distinguish pathogenic from irrelevant bystander cells we used two criteria: the clonal expansion in the target tissue triggered by antigen induced proliferation and the direct morphological contact with a target cell. We analysed the T cell repertoire of different patients by CDR3-spectratyping to find clonal expanded populations and isolated immunohistochemically stained candidate cells by laser microdissection. Then we identified coexpressed pairs of a- and b-chains by a newly developed multiplex PCR protocol. The detection of matching a- and b-chains in histological sections has not been achieved until now. The a-chain analysis has been a great problem because of the paucity of available a-chain antibodies and the great variability of the a-chain genes. From the tissue of one patient we isolated 23 ab-T cell receptor pairs which expressed the same expanded T cell receptor b-chain. 20 of these 23 a-chains were identical, suggesting a pathogenic relevance of this T cell clone. The a-chains of the three other T cells were different. We characterized two further clones from another patient. The receptors from the first patient were expressed in a T hybridoma cell line. Initial studies to identify possible antigens revealed that the T cell receptors did not recognize a muscle specific antigen nor a widely expressed self-antigen. This method for the analysis and reconstruction of tissue-infiltrating ab-T cells can be applied to many other autoimmune diseases as well as tumors or infectious diseases.

B Zellen sind die zellulären Träger einer gegen Infektionserreger gerichteten, humoralen und protektiven Immunität. In der Entstehung von Autoimmunerkrankungen und in der Aufrechterhaltung von chronischen Entzündungen scheint diesen Zellen eine entscheidende Rolle zuzukommen. In dieser Arbeit wurden in B Zellen von Patienten mit rheumatischen Erkrankungen molekulare Mechanismen untersucht, die es der B Zelle außerhalb des Knochenmarkes erlauben, ihre Rezeptorspezifität zu verändern. Ein solcher Vorgang könnte Verschiebungen des Immunglobulinrepertoires in Richtung Autoreaktivität erklären. / B cells represent the cellular basis for humoral protective immunity. These cells seem to play an important role in the induction of autoimmune diseases as well as in the amplification of chronic inflammation. This work analysed molecular mechanisms in B cells of patients with rheumatic diseases, which might enable these cells to alter their B cell receptor specificity outside the bone marrow. This process might explain changes in the immunoglobulin repertoire towards autoreactivity.

In radiation accidents biological methods are used in dosimetry, if the radiation dose could not be measured by physical methods. The knowledge of individual dose is a prerequisite for planning a medical treatment and for health risk evaluations. In the present work two biodosimetrical assays were calibrated in young patients who were treated with radioiodine for thyroid cancer. Patients were from Belarus. They suffered from radiation induced thyroid cancer as a consequence of the Chernobyl reactor accident. In radioiodine therapy (RIT) bone marrow and lymphatic organs are exposed to ionizing radiation at doses of 0.1 to 0.75 Sv within about 2 days. Since several RIT have to be applied with interval between each of them from 6 months up to approximately 1 year, total dose can be up to 2 Sv within 2 to 3 years. The dose for thyroid tissue is approximately 1000 times higher. The dose-response relationship was measured by the T-cell receptor test (TCR test) in T4 lymphocytes with and without in vitro incubation or by the micronucleus assay in transferrin receptor positive reticulocytes (MN-Tf-Ret test). In all these assays, the frequency of radiation-induced mutants of blood cells is measured using flow cytometry. The TCR test is a cumulative biodosimeter, which measures the total radiation dose within the last 5 to 10 years, whereas the result of the MN-Tf-Ret test reflects the radiation dose of approximately 24 hours interval. It takes 8 hours and 3 days to perform TCR and MN-Tf-Ret tests respectively. Calibration curves based on radioiodine treated patients can be used for dose estimation in humans, if the radiation conditions correspond to those in RIT. This limits their applicability to low dose-rate β- and γ-irradiation and to doses per session not higher than about 0.5 Sv. If higher doses or dose-rates as well as the other types of ionizing radiation are involved, calibration curves in animals are indispensable. In the case MN-Tf-Ret test mouse models are established and may be used. The TCR assay was performed in 72 thyroid cancer patients aged between 14 and 25. T-cell mutant frequency (Mf) reaches its maximum only after half a year following the RIT. Then it declines exponentially. This decline could be described by the 3 parameter single exponential decay function. Based on this equation, the radiation dose could be calculated when the Mf and the time interval since exposure are known. Furthermore, the experimentally measured Mf value, which significantly exceeds the corresponding calculated Mf value would indicate an individual with higher radiosensitivity. However, among our patients there were none. The reticulocytes micronuclei test (MN-Tf-Ret) was performed in 46 radioiodine treated patients. When measuring the MN frequency (f(MN-Tf-Ret)) the measured cell fraction should be limited only to the youngest cohort of reticulocytes, because all the micronucleated erythrocytes are quickly removed from the peripheral blood by spleen. Thus, the MN test was performed only in CD71 positive (having transferring receptor) reticulocytes. These reticulocytes just entered the peripheral blood flow from red marrow. The MN frequency was measured before the therapy and then every day after the irradiation until day 7. MN frequency curve has typical shape with latent period for days 0 to 3. Then there is a sharp increase in MN frequency which lasts for 24 hours and could start between days 3 and 4. In the following days the MN frequency is dropping to its base level that equals the one before the treatment. The decay of MN frequency is depending on the half-life of radioiodine in the patient organism. If the half-life is low, then the increased f(MN-Tf-Ret) lasts shorter and vice versa. It was shown that the MN frequency curve could be described by the model where all the micronuclei arise only through the last mitosis of erythroblasts in the red marrow and the MN frequency is proportional to the radiation dose in the last cell cycle. The shape of this curve depends on the cell kinetics of erythropoiesis on one side and the exponential decay of radioiodine activity on the other. To the best of our knowledge, the MN-Tf-Ret test was applied in the present study for the first time in biological dosimetry.