Das humane endogene Retrovirus-K: Grundlagenforschung und Nutzen als Tumor-assoziiertes Antigen

Fast die Hälfte des humanen Genoms besteht aus Retroelementen, die während der evolutiven Entwicklung des Menschen im Genom fixiert wurden. Im Wesentlichen kann man diese Retroelemente in DNA-Transposons, LINEs, SINEs und humane endogene Retroviren unterteilen, dabei nehmen die humanen endogenen Retroviren (HERV) 8% des humanen Genoms ein. Bei einer Unterfamilie, der HERV-K Familie, sind bis heute alle offenen Leserahmen erhalten geblieben. Nach heutigem Erkenntnisstand wird eine Expression dieser Elemente in somatischen Zellen jedoch strikt unterdrückt, denn eine Expression von Retroelementen könnte zu Insertionsmutagenesen führen und letztlich dem Organismus erheblichen Schaden zufügen. Im Gegensatz dazu wird eine reaktivierte Expression von HERV-K häufig in einigen Tumorarten beobachtet: allen voran Keimzelltumore, Melanome und Brustkrebs. Außerdem können in Patienten, die an solchen Tumoren erkranken, häufig HERV-K spezifische Antikörper und mitunter auch gegen HERV-K-gerichtete T-Zellen nachgewiesen werden. Die strikte Unterdrückung der HERV-K Expression in gesunden, somatischen und eine reaktivierte Expression in entarteten Zellen machen HERV-K Proteine daher zu idealen Tumor-assoziierten Antigenen. Auf Grundlage dieser Untersuchungen wurden, in dieser Arbeit, zwei potentielle Tumorvakzine, basierend auf dem hoch attenuierten Modifizierten Vacciniavirus Ankara (MVA) hergestellt. Durch homologe Rekombination wurde ein HERV-K gag-pro-pol transgenes MVAHKcon und ein HERV-K env transgenes MVAHKEnv hergestellt und charakterisiert. Darüber hinaus wurden die rekombinanten Viren in einem neu etablierten, syngenen Maus-Tumor-Modell untersucht. MVAHKcon immunisierte Mäuse zeigten eine starke humorale Immunantwort und waren in der Lage subkutane, HERV-K Gag positive Tumore fast vollständig zu eliminieren. MVAHKEnv immunisierte Mäuse zeigten dagegen eine moderate humorale Immunantwort und eine starke T-Zellantwort. Nach therapeutischer Immunisierung mit MVAHKEnv konnte im Mausmodell eine signifikante Reduktion an HERV-K Env positiven Lungenmetasten beobachtet werden. Außerdem konnte durch eine prophylaktische Immunisierung mit MVAHKEnv ein vollständiger Schutz der Mäuse vor der Ansiedlung HERV-K Env-exprimierender Tumore erreicht werden. Die hier vorgestellten HERV-K rekombinanten MVA könnten daher der erste Schritt zu einer Immuntherapie gegen reaktivierte Retroelemente in malignen Tumoren darstellen. MVAHKcon infizierte Zellen produzieren und sekretieren große Mengen HERV-K Virus-ähnlicher Partikel (VLP) somit konnten auch grundlegende Fragestellungen der HERV-K Biologie geklärt Zusammenfassung 123 werden. Durch die Kombination massenspektrometrischer Analysen und N-terminaler Sequenzierungen konnten, die noch nicht bekannten Schnittstellen der retroviralen Protease im HERV-K Gag Protein identifiziert werden. Zudem wurde eine späte Domäne von HERV-K identifiziert und darüber hinaus Wechselwirkungen von HERV-K VLPs mit zellulären Restriktionsfaktoren wie APOBEC3G und CD317 studiert.Almost half of the human genome consists of retroelements resulting from integrational events earlier in evolution. These retroelements can be grouped in DNA-Transposons, LINEs, SINEs and human endogenous retroviruses. Human endogenous retroviruses (HERV) constitute 8% of the human genome. One particular family of HERVs still retained all open reading frames necessary to form retroviral particles, the HERV-K family. Today it is believed that HERV-K and also all other retroelements are strictly silenced in somatic cells to avoid insertional mutagenesis and alterations in the transcriptome which can ultimately lead to malignant transformation. Therefore these elements needed to be highly regulated shortly after they entered the organism which evolved into a modern human. On the other hand a reactivation of HERV-K is frequently reported in the setting of malignant transformation, most notably germ-cell tumors, melanomas and breast cancer. Furthermore in patients suffering from these diseases, humoral and cellular immune responses against HERV-K have been reported. Given the strict suppression of HERV-K in healthy, somatic cells and a reactivation in cancer settings makes HERV-K an ideal tumor associated antigen which can be targeted for therapy. Based on these findings two potential tumor vaccines based on the highly attenuated modified Vaccinia Virus Ankara (MVA) were established. By the use of homologus recombination a HERV-K gag-pro-pol transgenic MVAHKcon and a HERV-K env transgenic MVAHKEnv were generated and characterized. Furthermore, the recombinant viruses were evaluated in a newly established syngenic mouse-tumor model. After immunization of mice with MVAHKcon a strong humoral immune response has been observed. Moreover subcutaneous, HERV-K Gag positive tumors were almost completely diminished in a therapeutic vaccination approach. In contrast, MVAHKEnv immunized mice only showed moderate humoral immune response but induction of a strong cellular immune response. In addition, MVAHKEnv immunized mice showed significant decrease of lung metastases in a therapeutic and complete protection from tumor colonization in a prophylactic setting. Thus, the work presented here, might be a first step towards an immuno therapy targeting reactivated retroelements in the setting of malignant transformation. MVAHKcon infected cells released HERV-K virus like particles (VLP) providing an expression system able to answer basic questions of HERV-K biology. In a combinatorial approach of mass spectrometric analysis paired with N-terminal sequencing, proteolytic cleavage sites in the HERV-K gag protein were determined. Furthermore one L-domain motif could be identified and the interaction of HERV-K VLPs with APOBEC3G and CD317 was identified and characterized