Immundiversität

Team “Desaminasen und Lymphozytenschicksalbestimmung”

Teamleiter: Dr. Elias Amro

Teammitglieder: Christos Gkougkousis, Nina Lemmen

Beschreibung der Forschung

Die Differenzierung in spezifische Zellen und die Aufrechterhaltung der Zellidentität erfordern molekulare Programme, die von Transkriptionsfaktoren gesteuert werden, die nicht nur zellspezifische Identitäten aufrechterhalten, sondern auch alternative Zelldifferenzierungswege unterdrücken. Unsere jüngsten Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Erforschung welche Rolle APOBEC2 bei der Spezifizierung der lymphoiden Abstammungslinien spielt. APOBEC2 gehört zur hochkonservierten Familie der Apolipoprotein B mRNA-editing enzyme catalytic polypeptide-like (APOBEC), die für ihre zinkabhängige Deaminase-Aktivität bekannt ist (Pecori et al., 2022; Wedekind et al., 2003; Harris et al., 2002; Powell et al., 2014). Während die meisten Mitglieder dieser Familie die Umwandlung von Cytidin in Uridin innerhalb der DNA oder RNA katalysieren, fehlt APOBEC2 diese enzymatische Funktion. Trotzdem spielt APOBEC2 eine unkonventionelle Rolle bei der Regulierung biologischer Funktionen sowohl in vitro als auch in vivo. Bei Mäusen führt die Deletion von Apobec2 zu Muskelschwäche, reduzierter Muskelmasse und einer Verschiebung von schnell zu langsam zuckender Muskelfaserbildung (Sato et al., 2010; Mikl et al., 2005; Sato et al., 2018). Apobec2 wurde durch Mutationen und veränderte Genexpression auch mit der Krebsentwicklung in Verbindung gebracht (Okuyama et al., 2012; Wei et al., 2024; Li et al., 2019). Jüngste Forschungsarbeiten unseres Labors (Lorenzo, Molla, Amro et al., 2024) haben eine neue Rolle für APOBEC2 als Transkriptionsfaktor aufgedeckt, der die Muskelidentität aufrechterhält, indem er Nicht-Muskel-Gene unterdrückt. Über die Muskelbiologie hinaus zeigt unsere aktuelle Arbeit, dass ein APOBEC2-Mangel bei Mäusen und Menschen zu Defekten bei der Spezifizierung der lymphatischen Zelllinien führt. Menschliche Individuen mit homozygoten APOBEC2-Mutationen zeigen geschwächte Immunantworten auf Impfungen und eine erhöhte Anfälligkeit für Immunstörungen (Amro, Gkougkousis et al., unveröffentlicht). Um die Rolle und Funktion von APOBEC2 in Gesundheit und Krankheit weiter zu entschlüsseln, konzentriert sich die Forschung unseres Teams auf zwei Hauptziele:

• das Verständnis der molekularen Mechanismen, durch die Apobec2 die Spezifizierung der lymphoiden Abstammung reguliert;
• die Aufklärung der Auswirkungen von Apobec2-Mutationen auf die Funktionen des menschlichen Immunsystems.

Partnerschaften

• Dr. Charles Imbusch (Uni Mainz)
• Prof. Dr. Christoph Dieterich (Uni Heidelberg)
• Prof. Dr. Lennart Hammarström (Karolinska Institutet)
• Prof. Dr. Qian Pan Hammarström (Karolinska Institutet)
• Prof. Dr. Fowzan AlKuraya (King Faisal Hospital, Riyadh)

Publikationen

• Lorenzo, Molla, Amro, et al. APOBEC2 safeguards skeletal muscle cell fate through binding chromatin and regulating transcription of non-muscle genes during myoblast differentiation. Proceedings of the National Academy of Science, 2024.
• Pecori, et al. Functions and consequences of AID/APOBEC-mediated DNA and RNA deamination. Nature Reviews Genetics, 2022.

Team “T. brucei-abgeleitete Instrumente: NanoVAST”

Teamleiter: Dr. Katerina Spyridopoulou

Teammitglieder: Laura Pezzella, Niklas Veocic

Beschreibung der Forschung

Die gezielte Verabreichung von therapeutischen Wirkstoffen an bestimmte Zelltypen ist nach wie vor eine große Herausforderung in sich entwickelnden Forschungs-bereichen wie der Gentherapie, der RNA-Modifikation und der Verabreichung von Medikamenten. Technologien wie CRISPR/Cas bergen zwar ein immenses therapeutisches Potenzial, ihre klinische Umsetzung wird jedoch vor allem durch den Mangel an sicheren, effizienten und zielgerichteten Verabreichungssystemen behindert. Die derzeitigen Verabreichungsmethoden, einschließlich Elektroporation und virale Vektoren, leiden unter Einschränkungen wie Toxizität und Immunogenität.

Um das Problem zu lösen, setzt unser Team nanoVAST ein, eine neuartige Plattform, die von unseren Kollegen der Panosome GmbH entwickelt wurde. NanoVAST besteht aus einer patentierten vesikulären Phospholipid-Doppelschicht, die auf der skalierbaren Produktion von extrazellulären Nanovesikeln, gewonnenaus afrikanischen Trypanosomen, basiert. Da nanoVAST biogen ist, weist es keine Toxizität auf, während seine fusogenen Eigenschaften die zytoplasmatische Anlieferung seiner Ladung ermöglichen. Entscheidend ist, dass es sehr zielgerichtet ist, da seine Oberfläche mit einer spezifischen, auf Sortase basierenden Chemie - genannt VAST - modifiziert werden kann, um zielgerichtete Komponenten anzubringen.

Wir optimieren nanoVAST für die In-vitro-, Ex-vivo- und In-vivo-Verabreichung von therapeutischen Ladungen und erforschen seine biochemischen Eigenschaften, um hochspezifische Strategien für die Ausrichtung auf Zellen zu entwickeln. Unsere Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung von ladungsspezifischen Beladungsmethoden und zellspezifischen Targeting-Ansätzen für Krebs- und Immunzellen (wie T-Zellen und NK-Zellen). Zu den Frachttypen, die derzeit untersucht werden, gehören TCR-mRNA, CAR-mRNA, siRNA, Leit-RNAs für RNA-Editierung und DNA-Vektoren. Wir entwickeln und verwenden auch modernste Technologien, um die optimierte Produktion von nanoVAST, die Beladung mit Ladung und die effektive und funktionelle Verabreichung an die Zellen zu bewerten.

Durch die Verbesserung der gezielten Verabreichung von Arzneimitteln und Gentherapiesystemen hat diese Technologie das Potenzial, neue therapeutische Wege für zahlreiche Krankheiten zu eröffnen, für die es derzeit keine wirksamen Behandlungen gibt.

Förderungen

• European Research Council 2022 Proof of Concept Grant (nanoVAST)
• DKFZ seed funding program 2024: Kick-start DreamTeam Grant

Partnerschaften

• Prof. Dr. med. Michael Platten (DKFZ)         
• Prof. Dr. Joachim Spatz (MPI for Medical Research)
• Synthetic Immunology Research Network

Publikationen

• Hempelmann, et al. Nanobody-mediated macromolecular crowding induces membrane fission and remodeling in the African trypanosome. Cell Reports, 2021.

Team “T. brucei-abgeleitete Instrumente: VAST und die Entwicklung von Antikörpern als Therapeutika”

Teamleiter: Dr. Joseph (Joey) Peter Verdi

Teammitglieder: Dr. Monica Chandra, Dr. Anastasia Gkeka, Dr. Nataliia Kashpur, Seneca Kinn-Gurzo, Eblina Kelmendi, Dr. Jose Paulo Lorenzo, Dr. Colin Miller, Eleftheria Papamanoglu, Sandra Ruf, Dr. Eirini Sidiropoulou, Dr. Katharina Urban

Beschreibung der Forschung

Keytruda, Humira, Herceptin… Die Behandlung zahlreicher menschlicher Krankheiten mit antikörperbasierten Therapien ist heute eine Erfolgsgeschichte. Unser Team hat es sich zum Ziel gesetzt, das Spektrum der mit Antikörpern adressierbaren Erkrankungen mithilfe unserer intern entwickelten Technologieplattform zur Antikörpergenerierung zu erweitern. Während hochqualitative Antikörper gegen Proteinantigene mittlerweile vergleichsweise einfach herzustellen sind, bleibt die reproduzierbare Erzeugung gleichwertiger Antikörper gegen kleine Moleküle und Kohlenhydrate eine ungelöste Herausforderung. Dabei sind diese kleinen Moleküle genauso eng mit Krankheiten verknüpft oder sogar deren Ursache wie Proteine – dennoch wurde dieses Feld bislang nicht überzeugend erschlossen. Genau hier setzen wir an: Wir fokussieren uns gezielt auf diese „schwierigen Targets“ mit dem Ziel, innovative Therapien zu entwickeln.

Um diese Herausforderungen zu meistern, haben wir eine Plattformtechnologie entwickelt, die auf der einzigartigen Oberflächenarchitektur des afrikanischen Trypanosoms basiert. Die Oberfläche von Trypanosoma brucei ist extrem dicht mit 10 Millionen Kopien eines Proteins – dem variablen Oberflächenglykoprotein (VSG) – besetzt. Diese außergewöhnlich dichte und präzise ausgerichtete Anordnung von Antigenen stimuliert das Immunsystem auf bemerkenswerte Weise, indem sie die krankheitsrelevante Antikörperreaktion gezielt auf Epitope lenkt, die ausschließlich an der Spitze des VSG-Proteins liegen. Dieser sogenannte „Epitopfokussierungseffekt“ gilt als einer der stärksten seiner Art in der Natur. Unser Team hat sich diesen Mechanismus zunutze gemacht, indem es schwer zugängliche Zielstrukturen auf der Oberfläche von VSG fusionierte – und so das VSG Immunogen Array by Sortase Tagging (VAST) entwickelte.

Die Anwendbarkeit der VAST-Technologie konnte bereits eindrucksvoll demonstriert werden: So wurden Antikörper mit pico- und femtomolarer Affinität gegen die Opioide Fentanyl und Carfentanil generiert, die in Tiermodellen eine vollständige Prävention der Opioid-Toxizität ermöglichen. Ebenso gelang die Herstellung hochwertiger Antikörper gegen Kohlenhydrate auf Mucin 1 (MUC1), einem vielversprechenden Ziel bei soliden Tumoren.

Diese bahnbrechende Technologie, ihre innovativen Antikörperprodukte und jedes außergewöhnlich talentierte Mitglied unseres Teams bilden das Fundament der Panosome GmbH, einem Biotechnologie-Start-up mit Sitz in der Nähe von Heidelberg.

Förderungen

• 2024, KMU-innovativ (BMBF) project “CarboVAST” awarded to Panosome GmbH with DKFZ as a collaborating institution (Dr. Verdi and Prof. Papavasiliou as project leaders)
• 2024, KMU-innovativ (BMBF) project “GliomAb” awarded to Panosome GmbH with DKFZ as a collaborating institution (Dr. Verdi and Prof. Papavasiliou as project leaders)
• European Research Council 2020 Proof of Concept Grant (EpiMODkit)

Partnerschaften

• Prof. Dr. Rienk Offringa (DKFZ)
• Prof. Dr. med. Michael Platten (DKFZ)
• Dr. Aubry Miller (DKFZ)
• Dr. Erec Stebbins (DKFZ)

Publikationen

• Urban and Gkeka et al., The fentanyl-specific antibody FenAb024 can shield against carfentanil effects. Toxicology Letters, 2024.
• Triller et al., A trypanosome-derived immunotherapeutics platform elicits potent high-affinity antibodies, negating the effects of the synthetic opioid fentanyl. Cell Reports, 2023.
• Gkeka and Aresta-Branco et al., Immunodominant surface epitopes power immune evasion in the African trypanosome. Cell Reports, 2023.
• Triller et al., Immunization with Genetically Modified Trypanosomes Provides Protection against Transmissible Spongiform Encephalopathies. International Journal of Molecular Sciences, 2022.