T-Zellrezeptor (TZR)-Gentherapie zeigte erste Erfolge in klinischen Studien, jedoch wurden gleichzeitig Risikofaktoren deutlich. Ein Risikofaktor ist das falsche Paaren der transferierten TZR-Ketten mit den endogenen, was zu TZR-Molekülen von unbekannter Spezifität führt und die Oberflächenexpression und somit auch die Funktionalität des transgenen TZR reduziert. Dieser Aspekt wurde in generierten T-Zellklonen mit einer konstitutiven/endogenen TZR-Expression sowie einer zweiten induzierbaren/transgenen TZR-Expression untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass nach Induktion der transgenen TZR-Expression der endogene TZR seine Funktionalität verlor, obwohl er noch auf der Oberfläche detektierbar war. Als Ursachen wurden neben einer reduzierten Oberflächenexpression des endogenen TZR auch falsch gepaarte TZR-Moleküle, die mit Hilfe der Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer-Methode detektiert wurden, gefunden. Die Modifikation des TZR durch den Einbau einer zweiten Cystein-Brücke, was das Paaren der korrespondierenden TZR-Ketten stabilisieren soll, führte in den T-Zellklonen zu keiner Reduktion der falsch-paarenden TZR-Moleküle. In primären Wildtyp-T-Zellen verbesserte sich das richtige Paaren des transgenen TZR leicht und konnte durch Codon-Optimierung der TZR-Gene weiter verbessert werden. Der zweite untersuchte Risikofaktor ist die Insertionsmutagenese durch den retroviralen Vektor. Die sichere Verwendbarkeit von differenzierten T-Zellen für die TZR-Gentherapie wurde in einem Tiermodel mit wiederholter T-Zellstimulierung, um weitere Mutationen während der Zellteilung zu provozieren, analysiert. Im Laufe der Zeit reicherten sich die transferierten T-Zellen in den Tieren dramatisch an, aber entwickelten sich nicht zu T-Zelllymphomen. Die Proliferationskapazität und die Funktionalität der transferierten T-Zellen wurden bestätigt. Die Polyklonalität der TZR-gen-modifizierten T-Zellen wurde mit Hilfe der linear-amplifizierten Polymerasekettenreaktion nachgewiesen. / T cell receptor (TCR) gene therapy is a new therapy for cancer which showed first clinical success but at the same time risk factors evolved. One risk factor is the mispairing of the TCR chains with the endogenous TCR chains which leads to TCRs with unknown specificities and to a reduced expression and functionality of the transferred TCR. This aspect was analyzed in dual TCR T cell clones which had one constitutive/endogenous TCR expression as well as a second inducible/transgenic TCR expression. It could be shown that the endogenous TCR lost its functionality after induction of the transgenic TCR expression although it was still detectable on the cell surface. The reason was found in the lower surface expression level of the endogenous TCR as well as in mispaired TCR dimers detected by fluorescence resonance energy transfer (FRET) technique. Modification of the TCR by insertion of a second cysteine bridge which should stabilize the pairing of the corresponding TCR chains did not reduce the TCR mispairing in the T cell clones. In primary wild-type cells, the pairing of the transgenic TCR improved slightly and could be further improved by codon-optimization of the TCR genes. The second analyzed possible side effect of TCR gene therapy is the insertional mutagenesis by the retroviral vector. The safety of differentiated T cells for TCR gene therapy was analyzed in an animal model with a repetitive T cell stimulation to provide the opportunity for mutations to occur during cell division. Over time, transferred T cells increased dramatically in the recipient mice, but did not lead to T cell lymphomas. The proliferative capacity and the functionality of transferred T cells were confirmed. The polyclonality of the TCR gene-modified T cells could be confirmed by linear amplification-mediated polymerase-chain reaction.

Adoptiver Transfer EBV-spezifischer, polyklonaler T-Zelllinien findet Anwendung bei Prophylaxe und Therapie EBV-assoziierter Erkrankungen. Der Ansatz hat den Nachteil der aufwändigen Herstellung der T-Zelllinien, welche aufgrund der Stimulation mit EBV transformierten B-Zelllinien oft nicht die gewünschten EBV Antigene, sondern immundominante EBV Antigene erkennen. Eine Alternative zum polyklonalen T Zelltransfer stellt die Übertragung EBV-spezifischer T-Zellrezeptoren (TCRs) dar. Dadurch können subdominante EBV Antigene angegangen werden, die von Tumorzellen tatsächlich exprimiert werden. In den hier beschriebenen Arbeiten, verwendeten wir peptidbeladene dendritische Zellen (DCs), um selektiv CD4+ T-Zellen gegen ein Epitop aus dem EBV Protein EBNA2 anzureichern. Es gibt Hinweise darauf, dass DCs sich besonders zur Stimulation von T-Zellen eignen, die subdominante EBV Antigene erkennen. Die TCR Gene eines solchen CD4+ T-Zellklons, sowie zweier CD8+ Klone, wurden in Vektoren kloniert, mit denen die EBV Spezifität der Klone auf andere T-Zellen übertragen werden sollte. Wie bereits zuvor in anderen Laboren beobachtet, waren auch unsere TCR modifizierten T-Zellen zunächst nicht in der Lage, EBV infizierte Zielzellen effektiv zu attackieren. Erst durch Modifikation der Vektorstrategie (2A Peptidlinker als Ersatz für das IRES Element (internal ribosomal entry site)) sowie der TCR Gene (Codon-Optimierung) konnte eine deutlich verbesserte Expression und Funktion der modifizierten T-Zellen erreicht werden. Außerdem hing die Effektivität der modifizierten T-Zellen essentiell von der als Zielzelle verwendeten LCL ab. Die hier beschriebenen Arbeiten zeigen die erfolgreiche Übertragung von TCRs gegen EBV Antigene auf T-Zellen. Die so modifizierten T-Zellen erlangten anti-EBV Aktivität und sprechen daher für die prinzipielle Anwendbarkeit TCR-modifizierter T-Zellen zur Behandlung EBV-assoziierter Erkrankungen. / Adoptive transfer of polyclonal Epstein-Barr-virus (EBV)-specific T cell lines has been used as prophylaxis and therapy in patients with EBV-associated malignancies. This approach, however, is limited by the difficult expansion of polyclonal T cells directed mainly against dominant EBV antigens presented on EBV-transformed B cell lines (LCLs). Isolating EBV-specific T cell receptors (TCRs) for transduction of T cells is an alternative strategy to confer T cell immunity against EBV antigens including subdominant EBV antigens. In this study, we have used peptide-pulsed DCs to selectively expand EBV-specific CD4+ T cell clones against an EBNA2-derived epitope. Data suggested that peptide-pulsed DCs are particularly effective in stimulating T cells specific for subdominant EBV antigens. TCR genes from one of these clones as well as from two CD8+ T cell clones were identified by RACE PCR. TCR alpha and beta chains where then cloned into retroviral vectors for transduction of T cells to equip them with anti-EBV specificity. The TCR-modified T cells where then tested for their function towards LCLs to assess the chances for the use of EBV-redirected T cells in adoptive immunotherapy of EBV-associated disease. Like in previous reports, our EBV-specific TCRs at first did not confer effective activity against LCLs. Instead, we had to apply modifications to the TCR vectors to improve expression and function of the introduced TCRs. Codon optimization as well as replacement of the IRES site by a 2A peptide linker was required to significantly increase expression and function of transduced TCRs. Also, we found that the effectiveness of TCR transduced T cells is dependent on the target cell chosen. Our data show successful transfer of functionally active EBV-specific TCRs into T cells to render them effective against LCLs, representing the basis for the development of TCR-transgenic T cells for adoptive T cell transfer in EBV-associated disease.

Sleeping Beauty (SB) Transposon-basierte Vektoren werden als Alternative zu viralen Vektoren für T-Zell-Gentherapie erforscht und ermöglichen eine schnelle und kostengünstige Genmanipulation von T-Zellen. Die Verwendung von Transposon-Vektoren erfordert jedoch die DNA-Elektroporation von T-Zellen, die sich schädlich auf T-Zellen auswirkt. DNA-elektroporierte T-Zellen weisen eine verringerte Lebensfähigkeit und eine verzögerte Aktivierung nach Stimulation des T-Zell-Rezeptors (TCR) auf. Um die Nachteile der Transposon-basierten T-Zell-Genmanipulation zu überwinden, haben wir neuartige SB-Vektoren entwickelt. Durch die Kombination von SB Transposon-basierten Minicircle-Vektoren mit SB100X Transposase-mRNA konnten T-Zellen effizient genmodifiziert werden. Unser Ansatz reduzierte die T-Zell-Mortalität und steigerte gleichzeitig die Transfektionseffizienz. Mit diesen neuartigen Vektoren wurde die stabile Expression verschiedener TCRs und CARs in über 50% der eingesetzten T-Zellen erreicht. Gentechnisch manipulierte T-Zellen konnten Antigen-spezifisch stimuliert werden und zeigten effiziente Zytokin-Sekretion und Tumorzell-Lyse. Weiterhin haben wir miRNAs entwickelt, die die Expression der endogenen TCR-Ketten unterdrücken. Der Einbau dieser miRNAs in die TCR-Expressionskassette erhöhte die Oberflächenexpression des therapeutischen TCRs, verringerte die Fehlpaarung mit endogenen TCR-Ketten und erhöhte die T-Zell-Funktionalität. Ein direkter Vergleich von SB- und Virus-modifizierten T-Zellen zeigte sowohl in vitro als auch in vivo eine vergleichbare Wirksamkeit der modifizierten T-Zellen hinsichtlich Zytokin-Sekretion, Tumorzell-Lyse und Tumorkontrolle. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass SB Minicircle-Vektoren die Herstellung von genetisch modifizierten T-Zellen ermöglichen und diese Tumor-spezifische Wirksamkeit aufweisen. Dieser Ansatz könnte die Herstellung therapeutischer T-Zellen für die personalisierte T-Zell-Gentherapie vereinfachen und beschleunigen. / Sleeping Beauty (SB) transposon-based vectors have entered clinical trials as an alternative to viral vectors for T cell gene therapy, offering time- and cost-efficient engineering of therapeutic T cells. However, transposon vectors require DNA electroporation into T cells, which we found to cause adverse effects. T cell viability was decreased, and DNA-transfected T cells showed delayed activation upon T cell receptor (TCR) stimulation regarding blast formation and proliferation. To overcome the limitations of transposon-based T cell engineering, we investigated the effect of DNA electroporation on T cells and developed novel SB vectors. T cells could efficiently be engineered with Sleeping Beauty vectors by combining SB transposon minicircles and SB100X transposase mRNA. Our approach reduced T cell mortality and substantially enhanced transfection efficiency. We achieved stable expression of several TCRs and CARs in more than 50% of the transfected T cells compared to 15% when conventional plasmids were used. T cells engineered to express a tumor-specific TCR mediated effective tumor cell lysis and cytokine secretion upon antigen-specific stimulation. Furthermore, we developed miRNAs to silence the expression of the endogenous TCR chains. Incorporation of these miRNAs into the TCR expression cassette increased surface expression of the therapeutic TCR, diminished mispairing with endogenous TCR chains, and enhanced T cell functionality. Importantly, a direct comparison of SB minicircle- and RV-engineered T cells in vitro as well as in vivo demonstrated equal T cell efficacy with regards to cytokine release, tumor cell lysis and tumor control. We demonstrated that SB minicircles enable the generation of gene-modified T cells with tumor-specific reactivity. Our approach facilitates the manufacturing of therapeutic T cells with superior biosafety and accelerates the generation of patient-specific T cell products for personalized T cell gene therapy.

Durch den Transfer der Gene des heterodimeren T-Zellrezeptors (TZR) mithilfe viraler Vektoren können T-Zellen programmiert werden, ein ausgewähltes Antigen spezifisch zu erkennen. In klinischen Studien wurden solche T-Zellen bereits mit Erfolg zur Immuntherapie von Krebs und viralen Infektionen eingesetzt. Genmodifizierte T-Zellen unterscheiden sich jedoch von normalen T-Zellen, weil sie neben den beiden zelleigenen auch die zwei übertragenen TZR-Gene exprimieren. Diese Situation erlaubt die Bildung vier verschiedener TZR-Heterodimere: der zelleigene TZR, der übertragene TZR und zwei gemischte TZR, bestehend aus je einer übertragenen und einer zelleigenen TZR-Kette. Gemischte TZR bergen das Risiko von Nebenwirkungen, weil sie durch Zufall gesundes Körpergewebe erkennen und so Autoimmunität auslösen könnten. In dieser Arbeit wurden deshalb virale Vektoren entwickelt, die gleichzeitig mit der Übertragung von neuen TZR-Genen den zelleigenen TZR durch RNA Interferenz (RNAi) unterdrücken. Mikro-RNA (miRNA), die in den Vektor MP71 eingefügt wurden, reduzierten den zelleigenen TZR in Maus-T-Zellen um mehr als 85%. Dies hatte zur Folge, dass beide Ketten des übertragenen P14-TZR in gleicher Menge auf der Zelloberfläche exprimiert wurden und die Bildung von gemischten TZR reduziert wurde. In einem Mausmodell der adoptiven T-Zelltherapie verhinderte die Unterdrückung des zelleigenen TZR die Entstehung von Autoimmunität, die andernfalls durch gemischte TZR verursacht wurde. Im Gegensatz dazu führte die Anwendung von gentechnisch optimierten P14-TZR-Genen weder zur angeglichenen Oberflächenexpression der P14-TZR Ketten noch zu weniger Autoimmunität im Mausmodell. Ein anderes Tierexperiment zeigte, dass die miRNA die Funktion der genmodifizierten T-Zellen nicht beeinträchtigte. Schließlich wurde ein viraler Vektor entwickelt und getestet, der die Expression des zelleigenen TZR in menschlichen T-Zellen effektiv unterdrückte und die Bildung von gemischten TZR reduzieren konnte. / T cells can be genetically modified using viral vectors. The transfer of genes encoding both chains of the heterodimeric T cell receptor (TCR) programs T cells to specifically react towards an antigen of choice. Such TCR gene-modified T cells were already successfully applied in clinical studies to treat cancer and viral infections. However, in contrast to nonmanipulated T cells these cells express the transferred TCR in addition to the endogenous TCR and this situation allows the assembly of four different TCR heterodimers: the endogenous TCR, the transferred TCR, and two mixed TCR dimers, composed of one endogenous and one transferred TCR chain. The formation of mixed TCR dimers represents a safety issue because they may by chance recognize self-antigens and thereby cause autoimmune side effects. To overcome this problem, an RNAi-TCR replacement vector was developed that simultaneously silences the endogenous TCR and expresses an RNAi-resistant therapeutic TCR. The expression of miRNA encoded by a retroviral MP71 vector in transduced mouse T cells reduced the surface levels of the endogenous TCR by more than 85%. The knockdown of the endogenous TCR in turn resulted in equal surface expression levels of both transferred P14 TCR chains and prevented the formation of mixed TCR dimers. Accordingly, the development of lethal mixed TCR dimer-dependent autoimmunity (TI-GVHD) in a mouse model of adoptive T cell therapy was dramatically reduced by the knockdown of the endogenous TCR. In contrast, the usage of genetically optimized TCR genes neither resulted in equal surface levels of both P14 TCR chains nor in reduced autoimmunity. A second mouse model demonstrated that the in vivo functionality of the transduced T cells was not negatively influenced by the expression of the miRNA. Finally, an RNAi-TCR replacement vector for human T cells was developed that effectively reduced the expression of the endogenous TCR and prevented the formation of mixed TCR dimers.

The ability to adapt to changing environments is a key feature of living cells which is usually mediated by signal transduction pathways. One of these pathways in Saccharomyces cerevisiae maintains the proper cell wall composition under cell wall remodeling and stress conditions which ensures cell shape and integrity. The pathway is hence commonly referred to as cell wall integrity (CWI) pathway. Five plasma membrane sensors detect surface stress and activate a conserved MAPK cascade through Rom2, Rho1 and Pkc1. Downstream of the cascade, Slt2 activates the transcription factors Rlm1 and SBF. These regulate the expression of genes which are involved in cell wall synthesis and cell cycle control, respectively. The sensors can be grouped into two protein families with Wsc1, Wsc2 and Wsc3 on the one hand and Mid2 and Mtl1 on the other hand. They all contain a highly mannosylated extracellular serine/threonine-rich region (STR), a single transmembrane domain and a cytoplasmic tail. Whereas Wsc-family sensors carry an additional cysteine-rich domain (CRD) headgroup, Mid2 and Mtl1 are N-glycosylated at an asparagine (Kock et al., 2015). A strain deleted in all five sensor genes is not viable and WSC1, WSC2 and MID2 are the main sensor genes to mediate the stress response. Wsc1 and Mid2 show non-overlapping spot-like and network-like localization patterns in the plasma membrane, respectively, whose formation is not governed by their transmembrane domains. Colocalization studies with marker proteins of the known yeast plasma membrane domains “membrane compartment occupied by Can1” (MCC), “membrane compartment occupied by Pma1” (MCP) and the “membrane compartment of the TOR2 complex” (MCT) revealed that Wsc1 forms a distinct plasma membrane domain which is here introduced as “membrane compartment occupied by Wsc1“ (MCW). This microcompartment depends on the cysteine-rich domain (CRD) as sensors mutated in this headgroup accumulate in the vacuole. Blocking endocytosis either by an end3 deletion or by mutation of the NPFDD endocytosis signal in the cytoplasmic tail of Wsc1 restores its signaling function but displays an altered pattern of membrane distribution, changing from spot-like in wild-type to network-like in the mutants. This indicated that clustering may protect the sensor from endocytosis. In addition, Wsc1 has amyloid-like properties suggesting a role in clustering. Accordingly, protein aggregation (clustering) is lost in a mutant of a predicted amyloid motif within the CRD, which also impairs Wsc1 signaling.