OPUS 4 | Georg-Speyer-Haus

A motif unique to the human DEAD-box protein DDX3 is important for nucleic acid binding, ATP hydrolysis, RNA/DNA unwinding and HIV-1 replication (2011)

Anna Garbelli Sandra Beermann Giulia Di Cicco Ursula Dietrich Giovanni Maga

DEAD-box proteins are enzymes endowed with nucleic acid-dependent ATPase, RNA translocase and unwinding activities. The human DEAD-box protein DDX3 has been shown to play important roles in tumor proliferation and viral infections. In particular, DDX3 has been identified as an essential cofactor for HIV-1 replication. Here we characterized a set of DDX3 mutants biochemically with respect to nucleic acid binding, ATPase and helicase activity. In particular, we addressed the functional role of a unique insertion between motifs I and Ia of DDX3 and provide evidence for its implication in nucleic acid binding and HIV-1 replication. We show that human DDX3 lacking this domain binds HIV-1 RNA with lower affinity. Furthermore, a specific peptide ligand for this insertion selected by phage display interferes with HIV-1 replication after transduction into HelaP4 cells. Besides broadening our understanding of the structure-function relationships of this important protein, our results identify a specific domain of DDX3 which may be suited as target for antiviral drugs designed to inhibit cellular cofactors for HIV-1 replication.

AIF- und Granzym B-Antikörperfusionsproteine zur gezielten Induktion von Apoptose in ErbB2-HER2-exprimierenden Tumorzellen (2009)

Hayat Mahmud

Die maligne Transformation von Zellen beruht auf der Mutation von Genen, die entartete Zellen der regulierenden Wachstumskontrolle entziehen, ihre Versorgung sicher stellen und sie unempfindlich gegen apoptoseinduzierende Signale machen (Hanahan und Weinberg, 2000). Klassische Behandlungsmethoden wie Strahlen- und Chemotherapie wirken häufig über die Aktivierung apoptotischer Signalwege, die jedoch in behandlungsresistenten Tumorzellen blockiert sein können. Das selektive Einbringen proapoptotischer Proteine in Tumorzellen stellt daher eine vielversprechende Strategie zur Umgehung solcher Blockaden dar. In dieser Arbeit wurden tumorspezifische Antikörperfusionsproteine generiert, die humane Zelltod auslösende Proteine als Effektorfunktion enthalten. Das mitochondriale Protein „apoptosis inducing factor“ (AIF) wird durch diverse Apoptosesignale in das Zytoplasma freigesetzt. AIF leitet nach der Translokation in den Zellkern Chromatinkondensation und Degradation der nukleären DNA ein (Cande et al., 2004b). Zur selektiven Einschleusung von zytoplasmatischem AIF (AIF!100) in ErbB2 exprimierende Tumorzellen wurde es an das ErbB2-spezifische „single chain“ Antikörperfragment scFv(FRP5) fusioniert, welches von dem monoklonalen Antikörper FRP5 abgeleitet ist (Wels et al., 1992b). Daneben enthält ein zunächst generiertes AIF!100-DT183-378-5 Fusionsprotein eine Translokationsdomäne aus Diphtherietoxin (AA 183-378) als mögliche „endosome escape“ Aktivität. Diese Domäne sollte der Effektordomäne nach rezeptorvermittelter Aufnahme den Übergang in das Zytoplasma erlauben. Die Expression dieses Moleküls in E. coli und der Hefe Pichia pastoris führte jedoch nicht zu funktionellen AIF!100-DT183-378-5 Proteinen. Daher wurde für nachfolgende Arbeiten ein ähnliches AIF-Fusionsprotein (5-E-AIF!100) aus früheren Arbeiten unserer Gruppe eingesetzt und sein Wirkmechanismus eingehend untersucht. Im Gegensatz zu AIF!100-DT183-378-5 enthält 5-E-AIF!100 die Translokationsdomäne aus Pseudomonas Exotoxin A. Bakteriell exprimiertes, gereinigtes und renaturiertes 5-E-AIF!100 zeigte eine hohe Spezifität für ErbB2 exprimierende Tumorzellen. Im Gegensatz zu unfusioniertem AIF!100 induzierte 5-E-AIF!100 nach Mikroinjektion in das Zytoplasma der Zielzellen keine Apoptose. Dies deutet darauf hin, dass möglicherweise die N-terminale Antikörperdomäne die proapoptotische Aktivität der AIF-Domäne blockiert. Erst die rezeptorvermittelte Aufnahme von 5-E-AIF!100 in Anwesenheit von Chloroquin resultierte in einer hohen Zytotoxizität. Auf diesem Weg wird sehr wahrscheinlich durch proteolytische Spaltung der innerhalb der Translokationsdomäne vorhandenen Furin-Schnittstelle der N-terminale Bereich des Fusionsproteins entfernt. Die eigentliche Translokation der AIF-Domäne findet jedoch ohne die Zugabe endosomolytischer Reagenzien nicht statt, was für eine unzureichende Aktivität der Translokationsdomäne spricht. Die vollständige Entfernung der Translokationsdomäne führte dennoch zu einem AIF-Fusionsprotein, das weder in Abwesenheit noch in Gegenwart von Chloroquin zytotoxisch aktiv ist (Dälken, 2005). Somit ist die in der Translokationsdomäne enthaltene Furin- Schnittstelle sehr wahrscheinlich für die Aktivierung von 5-E-AIF!100 von entscheidender Bedeutung. Im Fall des natürlichen Exotoxin A ist zusätzlich zu der in 5-E-AIF!100 verwendeten Translokationsdomäne ein C-terminales ER-Retentionssignal für einen effizienten Übertritt der katalytisch aktiven Toxindomäne ins Zytoplasma notwendig (Jackson et al., 1999). Das Anfügen eines KDEL-Signals an den C-Terminus von 5-E-AIF!100 führte jedoch nicht zur Erhöhung der „endosome escape“ Aktivität der Translokationsdomäne. Die ladungsabhängige DNA-Bindungsaktivität von AIF ist für die proapoptotische Funktion des Proteins essentiell. Bindung an DNA wurde auch für 5-E-AIF!100 nachgewiesen, und konnte durch Vorinkubation mit negativ geladenem Heparin inhibiert werden. Die Komplexierung mit Heparin führte zu einer erheblichen Reduktion der zytotoxischen Aktivität von 5-E-AIF!100. Mit großer Wahrscheinlichkeit ist die Abschwächung der Zytotoxizität auf die intrazelluläre Inhibition der AIF/DNA-Interaktion zurückzuführen. Dies bestätigt, dass diese Wechselwirkung für die zelltodinduzierende Eigenschaft von 5-E-AIF!100 von Bedeutung ist. Die Freisetzung Immuntoxin-ähnlicher Proteine, die sich nach rezeptorvermittelter Aufnahme in endosomalen Kompartimenten finden, erfordert häufig die Zugabe endosomolytischer Reagenzien. Um eine von endosomolytischen Reagenzien unabhängige Zytotoxizität der Antikörperfusionsproteine zu erreichen, wurden in dieser Arbeit Möglichkeiten zur Umgehung dieser Abhängigkeit untersucht. Hierzu wurde die Natürliche Killerzelllinie NK-92 eingesetzt. Die Eliminierung von infizierten und transformierten Zellen durch NK-Zellen geschieht hauptsächlich über die Ausschüttung von zytotoxischen Granula, die das porenbildende Protein Perforin und verschiedene Serinproteasen wie Granzym B (GrB) enthalten (Atkinson et al., 1990; Smyth et al., 2001). Dabei ist Perforin für die zytosolische Translokation der Proteasen verantwortlich (Browne et al., 1999). Anhand des Modellproteins Granzym B-scFv(FRP5) (GrB-5) wurde untersucht, ob Antikörperfusionsproteine mit Hilfe von Perforin in das Zytoplasma der Zielzellen gelangen können. GrB-5 wurde in NK-92 Zellen unter Beibehaltung der Spezifität und enzymatischen Aktivität exprimiert. GrB-5 ist wie Wildtyp GrB in zytotoxischen Granula lokalisiert und wird nach der Degranulation sehr wahrscheinlich zusammen mit Perforin sekretiert. Freigesetztes GrB-5 zeigte Bindung an ErbB2 exprimierende Zellen. Zudem wiesen Überstände von aktivierten NK-92 Zellen, die GrB-5 und Perforin enthielten, im Vergleich zu Überständen von Kontrollzellen eine höhere Zytotoxizität gegenüber ErbB2-positiven Tumorzellen auf. Dies lässt darauf schließen, dass GrB-5 in Abwesenheit exogener endosomolytischer Reagenzien durch einen Perforin-vermittelten Mechanismus in die Zielzellen gelangen konnte. Weiterhin wurden NK-92 Zellen generiert, die den GrB-Inhibitor Protease Inhibitor-9 (PI-9) exprimieren. Diese Zellen zeigten im Vergleich zu parentalen Zellen eine höhere Zytotoxizität, die sich auf eine verbesserte Inaktivierung fehlgeleiteter, zytoplasmatischer GrB-Moleküle durch das ektopisch exprimierte PI-9 zurückführen lässt. NK-92-PI-9 Zellen könnten genutzt werden, um größere Mengen von GrB-Fusionsproteinen zu exprimieren, ohne dabei die Zellen durch die Erhöhung der zytoplasmatischen GrB-Konzentration zu gefährden. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass AIF für den Einsatz als Effektorfunktion in Immuntoxin-ähnlichen Fusionsproteinen geeignet ist. Die Anwendung von NK-Zellen zur Expression und Sekretion tumorspezifischer Antikörperfusionsproteinen zusammen mit Perforin zeigt einen möglichen Lösungsweg für das generelle Aufnahmeproblem von Immuntoxin-ähnlichen Proteinen. Die erzielten Ergebnisse können nun für die weitere Optimierung humanisierter Antikörperfusionsproteine genutzt werden.

Analysis of knockout/knockin mice that express a mutant FasL lacking the intracellular domain (2009)

Katharina Maria Lückerath Vladimir Kirkin Martin Zörnig

Fas ligand (FasL; CD178; CD95L) is a type II transmembrane protein belonging to the tumour necrosis factor family; its binding to the Fas receptor (CD95; APO-1) triggers apoptosis in the receptor-bearing cell. Signalling through this pathway plays a pivotal role during the immune response and in immune system homeostasis. Similar to other TNF family members, the intracellular domain has been reported to transmit signals to the inside of the FasL-bearing cell (reverse signalling). Recently, we identified the proteases ADAM10 and SPPL2a as molecules important for the processing of FasL. Protease cleavage releases the intracellular domain, which then is able to translocate to the nucleus and to repress reporter gene activity. To study the physiological importance of FasL reverse signalling in vivo, we established knockout/knockin mice with a FasL deletion mutant that lacks the intracellular portion (FasLDeltaIntra). Co-culture experiments confirmed that the truncated FasL protein is still capable of inducing apoptosis in Fas-sensitive cells. Preliminary immune histochemistry data suggest that, in contrast to published data, the absence of the intracellular FasL domain does not alter the intracellular FasL localization in activated T cells. We are currently investigating signalling and proliferative capacities of T cells derived from homozygous FasLDeltaIntra mice to validate a co-stimulatory role of FasL reverse signalling.

Assessment of HIV-1 entry inhibitors by MLV/HIV-1 pseudotyped vectors (2005)

Sandra Siegert Sonja Thaler Ralf Wagner Barbara S. Schnierle

Background: Murine leukemia virus (MLV) vector particles can be pseudotyped with a truncated variant of the human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) envelope protein (Env) and selectively target gene transfer to human cells expressing both CD4 and an appropriate co-receptor. Vector transduction mimics the HIV-1 entry process and is therefore a safe tool to study HIV-1 entry. Results: Using FLY cells, which express the MLV gag and pol genes, we generated stable producer cell lines that express the HIV-1 envelope gene and a retroviral vector genome encoding the green fluorescent protein (GFP). The BH10 or 89.6 P HIV-1 Env was expressed from a bicistronic vector which allowed the rapid selection of stable cell lines. A codon-usage-optimized synthetic env gene permitted high, Rev-independent Env expression. Vectors generated by these producer cells displayed different sensitivity to entry inhibitors. Conclusion: These data illustrate that MLV/HIV-1 vectors are a valuable screening system for entry inhibitors or neutralizing antisera generated by vaccines.

Bispecific costimulatory molecules for activation of tumor-killing lymphocytes (2004)

Robert Weth Markus Biburger Winfried S. Wels

The receptor tyrosine kinase ErbB2 (HER2) is overexpressed in multiple human tumors of epithelial origin. High ErbB2 expression is functionally involved in tumorigenesis and correlates with poor clinical prognosis. For immunotherapy of ErbB2 expressing tumors, we developed a strategy to supply the tumor cells with costimulatory activity. A bispecific fusion protein was constructed (BIg5), containing the IgV-like domain of huCD86, the CH2/CH3 domain of huIgG1 and the ErbB2-specific single chain antibody fragment scFv(FRP5). A similar fusion protein lacking the CD86 domain (Ig5) was used as a control. Upon binding of BIg5 to ErbB2 on tumor cells, these cells display CD86 on their surface and thus can deliver costimulatory signals for T-cell activation. In addition, NK cells could be activated by CD86 binding to CD28. BIg5 is secreted by eukaryotic cells as a homodimer with increased stability compared to monomers and possibly enhanced costimulatory activity due to crosslinking of CD28 on effector cells. By FACS analysis, specific binding of the scFv(FRP5) domain to ErbB2 as well as CD86 IgV binding to CTLA-4 could be demonstrated. Together with anti-CD3 antibody, BIg5 stimulates proliferation of human CD2-purified lymphocytes in vitro. After binding to ErbB2 on murine Renca-lacZ/ErbB2 tumor cells, about 50% of initially bound BIg5 is still present on the cell surface after 4 hours. For delivery of chimeric fusion proteins in vivo, we used syngeneic, stably transfected HC11 mammary epithelial cells continuously secreting the proteins. Inoculation of these bystander cells close to subcutaneously growing Renca-lacZ/ErbB2 tumors should provide a long-lasting source to achieve high local concentrations of BIg5 at the tumor site. In vivo HC11-BIg5 cells proved to be non-tumorigenic and secreted BIg5 for several weeks, causing a strong anti-BIg5 antibody response. Treatment of established Renca-lacZ/ErbB2 or ErbB2-negative Renca-lacZ tumors by peritumoral inoculation of either HC11-BIg5 or HC11-Ig5 cells led to rejection of all Renca-lacZ/ErbB2, but none of the Renca-lacZ tumors. HC11neo control cells had no effect on tumor growth. Rejection of ErbB2+ tumors led to long-term protection also against subsequent challenge with intravenously injected ErbB2- tumor cells. Intraperitoneal injection of bystander cells secreting the fusion proteins did not lead to tumor regression suggesting that high local concentrations at the tumor site are necessary to target ErbB2 on tumor cells and to overcome elimination of BIg5 or Ig5 by neutralizing antibodies. The CD86 IgV domain of BIg5 did not play a major role in the observed antitumoral immune response suggesting NK-cell mediated ADCC as the initial effector mechanism followed by activation of tumor specific T cells. Targeting of ErbB2 on tumor cells with antibody fusion proteins that interact specifically with the host immune system could be an efficient and specific approach for therapy of solid ErbB2+ tumors.

Charakterisierung des zellulären Co-Faktors DDX3 für die HIV-1-Replikation im Hinblick auf biochemische Eigenschaften und Inhibition durch Peptidliganden (2011)

Sandra Beermann

Die aktuellen HIV Medikamente basieren sich zum größten Teil auf Substanzen, die gegen virale Proteine gerichtet sind. Ein großer Nachteil dieser Medikamente besteht darin, dass das HI-Virus durch Mutationen Resistenzen gegen diese Substanzen entwickeln kann. Zelluläre Co-Faktoren als antivirales Ziel in der HIV-Therapie zu nutzen, könnte ein neuer Lösungsansatz sein, da das menschliche Genom stabiler ist als das virale. Der Schwerpunkt dieser Arbeit konzentriert sich auf die RNA Helikase DDX3, welche als zellulärer Co-Faktor für die HIV-1 Replikation identifiziert wurde. Im Rahmen der Dissertation wurde die RNA-Helikase DDX3 durch biochemische Untersuchungen von DDX3Wt und DDX3-Mutanten näher charakterisiert. Die Versuche zeigten, dass die konservierten Motive V und VI bei DDX3Wt für die Bindung und Hydrolyse von ATP essentiell sind. Die spezifische DDX3 Insertion wies ebenfalls eine mutmaßliche Rolle bei der ATP-Bindung und bei Ausbildung der ATP-Bindestelle auf. Ferner konnte für die spezifische Insertion von DDX3 eine Funktion bei der Bindung von viraler RNA Bindungsnachweise nachgewiesen werden. Daher bietet diese Insertion von DDX3 ein mögliches Ziel für die spezifische Modulation bzw. Manipulation der Interaktion von DDX3Wt und viralen Interaktionspartnern sein, ohne weitere RNA Helikasen zu beeinflussen. Zusätzlich wurden weitere Eigenschaften von DDX3Wt entdeckt. Die ATPase-Aktivität von DDX3Wt konnte durch die Zugabe von ssDNA deutlicher stimuliert werden, als durch die Zugabe ssRNA. Das DDX3Wt eine höhere katalytische Effizienz durch DNA aufweist ist neu, da die meisten DEAD-box Helikasen eine Präferenz für RNA als Co-Faktor für die ATPase-Aktivität besitzen. Des Weiteren konnte erstmalig nachgewiesen werden, dass DDX3 neben der ATPase-Aktivität auch eine Exonuklease-Aktivität besitzt. Die Versuche zeigten, dass DDX3Wt in der Lage war, ssDNA und dsDNA effizient zu spalten. In der DDX3Wt AS-Sequenz wurden fünf Aminosäuresequenz-Motive, sogenannte Exonuklease-Boxen identifiziert, die mit der Exonukleaseaktivität in Verbindung gebracht werden. Die Untersuchung der Bindungseigenschaften von DDX3Wt zeigte auf, dass DDX3Wt auch ohne den zellulären Co-Faktor XPO1 in der Lage ist, virale HIV-1 RNA und DNA direkt zu binden. Diese Erkenntnisse tragen dazu bei, die Funktionen von DDX3Wt im zellulären System besser zu verstehen. Eine genaue Analyse ist Voraussetzung für die Entwicklung von spezifischen Inhibitoren, die die Interaktion von HIV-1 und DDX3Wt hemmen sollen ohne dabei zelluläre Prozesse negativ zu beeinflussen. Durch Lokalisationsstudien konnte ein neuer relevanter Angriffspunkt für die Inhibition der HIV-1 Replikation identifiziert werden. Denn entgegen den Literaturangaben spielt das putative Leucin-reiche Exportsignal im N-Terminus von DDX3Wt eine wichtige Rolle beim Export aus dem Zellkern und somit auch für die Interaktion mit XPO1. Mithilfe der Phagen-Display-Technologie konnte im Rahmen dieser Arbeit ein Sequenz-spezifischer Peptid-Ligand für die Insertion von DDX3 identifiziert werden, der eine Aminosäurehomologie zu dem zellulären Co-Faktor XPO1 zeigt. Das identifizierte Peptid DDX3-INS1 wurde für weitere Untersuchungen in Verbindung mit einer Proteintransduktionsdomäne synthetisiert. Das Peptid DDX3-INS1 ist in HIV-1 infizierten Zellen funktionell aktiv und inhibiert die Produktion von HI-Viren ab einer Konzentration von 20 µM ohne dabei toxische oder virolytische Effekte auszuüben. Weitere funktionelle Untersuchungen werden zeigen, ob das selektionierte Peptid DDX3-INS1 als therapeutisches Medikament für die Inhibition von HIV-1 geeignet ist.

Chemical Chaperones Improve Protein Secretion and Rescue Mutant Factor VIII in Mice with Hemophilia A. (2012)

Stefanie D. Roth Jörg Schüttrumpf Peter Milanov Daniela Abriss Christopher Ungerer Patricia Quade-Lyssy Jeremy C. Simpson Rainer Pepperkok Erhard Seifried Torsten Tonn

nefficient intracellular protein trafficking is a critical issue in the pathogenesis of a variety of diseases and in recombinant protein production. Here we investigated the trafficking of factor VIII (FVIII), which is affected in the coagulation disorder hemophilia A. We hypothesized that chemical chaperones may be useful to enhance folding and processing of FVIII in recombinant protein production, and as a therapeutic approach in patients with impaired FVIII secretion. A tagged B-domain-deleted version of human FVIII was expressed in cultured Chinese Hamster Ovary cells to mimic the industrial production of this important protein. Of several chemical chaperones tested, the addition of betaine resulted in increased secretion of FVIII, by increasing solubility of intracellular FVIII aggregates and improving transport from endoplasmic reticulum to Golgi. Similar results were obtained in experiments monitoring recombinant full-length FVIII. Oral betaine administration also increased FVIII and factor IX (FIX) plasma levels in FVIII or FIX knockout mice following gene transfer. Moreover, in vitro and in vivo applications of betaine were also able to rescue a trafficking-defective FVIII mutant (FVIIIQ305P). We conclude that chemical chaperones such as betaine might represent a useful treatment concept for hemophilia and other diseases caused by deficient intracellular protein trafficking.

Chimeric carrier proteins for targeted delivery of tumor antigens to professional antigen presenting cells (2004)

Florian Rohrbach Robert Weth Mischo Kursar Hans-Willi Mittrücker Winfried S. Wels

Tumor-specific T lymphocytes can be regarded as a highly effective mechanism for tumor rejection. A substantial number of T-cell defined tumor antigens including mutated oncoproteins and differentiation antigens have been identified. However, while most spontaneous tumors appear to be antigenic, few are immunogenic. Activation of tumor-specific cytotoxic T cells (CTL) requires presentation of tumor antigens by professional antigen presenting cells (APCs) via MHC I molecules. Due to their crucial role in T-cell activation, APCs are being exploited for active cancer immunotherapy. Present experimental strategies include the incubation of dendritic cells with synthetic, tumor specific peptides to achieve uptake of tumor antigens and presentation in the context of MHC molecules. Alternatively, gene therapeutic approaches are aimed at the endogenous expression of tumor antigens in APCs upon transfer of suitable vector constructs. Our strategy for the presentation of tumor antigens by APCs is based on the intracellular delivery of tumor antigens as part of a fusion protein specifically targeted to APC cell surface receptors. We have constructed prototype molecules that contain a soluble fragment of CTLA-4 for cell binding via interaction with B7 molecules, genetically fused to a protein fragment derived from the tumor-associated antigen ErbB2. To improve uptake and direct the antigenic determinant preferentially to the MHC class I pathway, in one of these protein vaccines also the translocation domain of the bacterial Pseudomonas exotoxin A has been included. In the parental toxin this protein domain facilitates escape from the endosomal compartment to the cytosol upon receptor mediated endocytosis. Here we have investigated the in vitro cell binding activity of such reagents and their antitumoral activity in immunocompetent murine model systems. Specific binding to B7 molecules and uptake of bacterially expressed protein vaccines could be demonstrated. Ex vivo restimulation with an ErbB2-derived peptide of splenocytes from Balb/c mice injected with the fusion proteins resulted in enhanced IFN-gamma production by T cells. Protective and therapeutic effects of ErbB2 protein vaccines were also investigated. Vaccinated animals were protected against subsequent challenge with syngeneic ErbB2 expressing tumor cells. Likewise, s.c. injection of ErbB2 protein vaccines in the vicinity of established tumors resulted in tumor rejection and long lasting protection indicating that immunological memory was induced. Our results suggest that chimeric proteins combining a tumor antigen and specific recognition of APCs in a single molecule are suitable for targeted delivery of antigens to professional APCs and might become valuable tools for cancer immunotherapy.

Chimäre Antikörperfusionsproteine zur selektiven Induktion von Apoptose in Tumorzellen (2005)

Benjamin Dälken

Tumorerkrankungen, insbesondere solche im metastasierenden Stadium, erfordern effiziente Therapien. Krebstherapien wie Bestrahlung oder Chemotherapie wirken über die Induktion von Apoptose. Resistenz gegen diese Behandlungsansätze geht einher mit der Blockierung relevanter apoptotischer Signalwege. Dennoch haben Tumorzellen nicht grundsätzlich die Fähigkeit verloren, apoptotischen Zelltod zu sterben, d. h. mit einem geeigneten Stimulus kann in jeder Tumorzelle Apoptose induziert werden. In dieser Arbeit wurden Proteine entwickelt, die Enzyme apoptotischer Signalkaskaden selektiv in Tumorzellen einschleusen. Um Spezifität für transformierte Zellen zu erlangen, wurden diese Proteine mit Zellbindungsdomänen gekoppelt, die an tumorassoziierte Antigene binden. Als Zielstrukturen auf der Oberfläche von Krebszellen dienten die Rezeptoren der ErbB Familie „epidermal growth factor receptor“ (EGFR) und ErbB2. Überexpression dieser Rezeptoren wird auf einer Vielzahl von Tumoren epithelialen Ursprungs beobachtet und ist ursächlich beteiligt an der malignen Transformation. Als Apoptoseinduktoren wurden die Serinprotease Granzym B (GrB) sowie das Protein „apoptosis inducing factor“ (AIF) eingesetzt. GrB induziert Apoptose durch direkte Aktivierung von Caspasen und Spaltung zentraler Caspasen-Substrate. Damit greift die Protease am unteren Effektorende apoptotischer Signalwege ein und umgeht so die meisten Resistenzmechanismen transformierter Zellen. Um GrB in Tumorzellen einzuschleusen, wurde die Protease mit dem ErbB2 spezifischen Antikörperfragment scFv(FRP5) gekoppelt. Zunächst wurde eine biotinylierte Variante der Protease (bGrB) über die hochaffine Streptavidin/ Biotin Interaktion mit einem Fusionsprotein komplexiert, das aus dem scFv(FRP5) und Streptavidin besteht (SA-5). Komplexe aus enzymatisch aktivem bGrB und SA-5 wiesen selektive cytotoxische Aktivität gegenüber ErbB2 exprimierenden Zellen auf, die allerdings von der Präsenz des endosomolytischen Reagenz Chloroquin abhing. Dies zeigt die Notwendigkeit einer Translokation vom endosomalen Kompartiment, um internalisiertem GrB Zugang zu seinen cytosolischen Substraten zu ermöglichen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen, die grundsätzlich nachweisen, daß das Einbringen von GrB in Tumorzellen ausreichend ist, um in diesen Zellen Apoptose zu induzieren, wurden Fusionsproteine abgeleitet, in denen GrB direkt mit Zellbindungsdomänen fusioniert ist. Neben dem scFv(FRP5) wurde auch der EGFR-Ligand TGFalpha eingesetzt. Fusionsproteine bestehend aus reifem GrB und scFv(FRP5) (GrB-5) bzw. TGFalpha (GrB-T) wurden in der Hefe Pichia pastoris exprimiert und mit hohen Ausbeuten gereinigt. GrB-5 und GrB-T zeigten enzymatische Aktivität und wiesen Affinität zu ErbB2 bzw. EGFR auf. In Gegenwart von Chloroquin zeigten GrB-5 und GrB-T selektive cytotoxische Aktivität gegenüber Zellen, die den jeweiligen Zielrezeptor exprimieren. Die IC50 Werte der Proteine lagen im pico- bis nanomolaren Bereich und sind damit vergleichbar mit denen rekombinanter Immun- bzw. Wachstumsfaktortoxine, die Exotoxin A (ETA) aus Pseudomonas aeruginosa als Effektor nutzen. Induktion von Apoptose erfolgte durch GrB-5 und GrB-T allerdings deutlich schneller (3 h) als durch ETA Fusionsproteine (72 h), da GrB im Gegensatz zu ETA direkt in apoptotische Signalkaskaden eingreift. Um die weitere Charakterisierung von GrB-5 und GrB-T zu erleichtern, wurden in der vorliegenden Arbeit Möglichkeiten für eine Optimierung der Expression dieser Fusionsproteine in Hefe untersucht. Dazu wurde eine Strategie entwickelt, die auf der Beobachtung beruht, daß die Löslichkeit und Stabilität von Proteinen durch Fusion mit solchen Domänen erhöht werden kann, die selbst eine hohe Löslichkeit und Stabilität besitzen. Ein Protein mit diesen Eigenschaften ist das Maltose Bindungsprotein (MBP) aus E. coli. In dieser Arbeit wurde MBP bei der Expression rekombinanter Proteine in P. pastoris eingesetzt, um die Ausbeute löslicher Proteine zu steigern. Es wurde eine Strategie entwickelt, die es erlaubt, MBP posttranslational in vivo vom Fusionspartner zu trennen. Hierzu wurde eine Erkennungssequenz der Protease Furin (furS) zwischen MBP und Fusionspartner eingefügt. Zunächst wurde untersucht, ob GrB als MBP Fusionsprotein in enzymatisch aktiver Form exprimiert werden kann, was eine Grundvoraussetzung für die Expression tumorspezifischer GrB Fusionsproteine in diesem System darstellt. Die Ausbeute von GrB konnte durch diese Strategie erheblich gesteigert werden. Daneben war eine vollständige Prozessierung der Fusionsproteine innerhalb der Furin-Erkennungssequenz nachweisbar. Als MBP Fusionsprotein exprimiertes GrB wies allerdings keine enzymatische Aktivität auf. Weitere Untersuchungen zeigten, daß das terminale Serin der furS-Sequenz, das nach Spaltung durch Furin am N-Terminus von GrB zurückbleibt, die enzymatische Aktivität der Serinprotease inhibiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher nicht weiter versucht, die Ausbeute an tumorspezifischen GrB Fusionsproteinen durch Fusion mit löslichen Proteindomänen zu erhöhen. Für Proteine, die ein N-terminales Serin tolerieren, stellt das hier entwickelte System allerdings eine neuartige Strategie dar, um die Ausbeute in P. pastoris um ein Vielfaches zu steigern. Dies wurde anhand von rekombinantem ErbB2 als Modellprotein bestätigt. Als alternativer Effektor in tumorspezifischen Fusionsproteinen wurde AIF als caspasenunabhängig agierendes proapoptotisches Signalmolekül eingesetzt. In apoptotischen Zellen bewirkt die Freisetzung von AIF aus dem mitochondrialen Intermembranraum die nachfolgende Translokation des Proteins in den Zellkern, woraufhin DNA-Fragmentierung induziert wird. Zum Einschleusen von AIF in Tumorzellen wurde das Flavoprotein mit dem scFv(FRP5) fusioniert (5-AIF). Um eine cytosolische Translokation von AIF zu erreichen, wurde ein Konstrukt abgeleitet, das zusätzlich die Translokationsdomäne von Exotoxin A enthält (5-E-AIF). Diese Domäne ist beim Wildtyp-Toxin notwendig für dessen retrograden Transport vom Endosom über den Golgi Apparat und das ER in das Cytosol. Innerhalb der Translokationsdomäne findet zudem eine Prozessierung durch die endosomale Protease Furin statt. AIF Fusionsproteine wurden in E. coli exprimiert, gereinigt und renaturiert. Die Proteine wiesen Affinität für ErbB2 auf und interagierten mit DNA, eine Eigenschaft, die essentiell für die proapoptotische Aktivität von AIF ist. 5-E-AIF zeigte gegenüber ErbB2 exprimierenden Zellen cytotoxische Aktivität, die vergleichbar mit der des Immuntoxins scFv(FRP5)-ETA war. Diese Aktivität war allerdings nur in Gegenwart von Chloroquin gegeben. Das Protein 5-AIF, in dem die Translokationsdomäne fehlt, zeigte auch in Kombination mit Chloroquin keine Cytotoxizität. Eine mögliche Folgerung hieraus ist, daß die N-terminale Antikörperdomäne der Fusionsproteine die proapoptotische Aktivität der AIF Domäne blockiert. 5-E-A wird sehr wahrscheinlich durch die endosomale Protease Furin „aktiviert“, die den scFv(FRP5) durch proteolytische Spaltung innerhalb der ETA-Domäne entfernt haben könnte. Für die eigentliche Translokation reicht der ETA-Anteil allerdings nicht aus, wahrscheinlich, weil in dem hier abgeleiteten Konstrukt ein für die Funktionsweise des Wildtyp-Toxins essentielles ER Retentionssignal fehlte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, daß durch Einsatz apoptotischer Signalmoleküle in tumorzellspezifischen Fusionsproteinen hohe und selektive cytotoxische Aktivitäten erzielt werden können. Eine weitere Entwicklung dieser Proteine als mögliche Tumortherapeutika erscheint daher sinnvoll.

Correction: Phase I clinical study of the recombinant antibody-toxin scFv(FRP5)-ETA specific for the ErbB2/HER2 receptor in patients with advanced solid malignomas (2006)

Gunter von Minckwitz Sebastian Harder Sascha Hövelmann Elke Jäger Salah-Eddin Al-Batran Sibylle Loibl Akin Atmaca Christian Cimpoiasu Antje Neumann Aklil Abera Alexander Knuth Manfred Kaufmann Dirk Jäger Alexander B. Maurer Winfried S. Wels

Following publication of the data presented by von Minckwitz and colleagues [1] it has been brought to our attention that some patients should be scored differently. Stable disease was seen in three of the eighteen patients instead of two of the eighteen patients: one patient with transitional cell carcinoma treated at 4 micro g/kg scFv(FRP5)-ETA per day, and two breast cancer patients treated at 4 and 12.5 micro g/kg scFv(FRP5)-ETA per day. Disease progression occured in 9 of the eighteen patients evaluated (see corrected Table 2 overleaf). This does not affect the conclusions of our study. In addition we would like to correct the following errors: patient IDs for patients U01 and U02 in the original Table 2 were interchanged. In addition, patient N03 had a grade 3 elevation of gamma-glutamyl transferase, and not grade 2 (see corrected Table 2 overleaf). http://publikationen.ub.uni-frankfurt.de/volltexte/2005/1156/

Georg-Speyer-Haus

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