Characterization of the longitudinal HIV-1 quasispecies evolution in HIV-1 infected individuals co-infected with Mycobacterium tuberculosis

One of the earliest and most striking observations made about HIV is the extensive genetic variation that the virus has within individual hosts, particularly in the hypervariable regions of the env gene which is divided into 5 variable regions (V1-V5) and 5 more constant (C1-C5) regions. HIV evolves at any time over the course of an individual’s infection and infected individuals harbours a population of genetically related but non-identical viruses that are under constant change and ready to adapt to changes in their environment. These genetically heterogeneous populations of closely related genomes are called quasispecies [65]. Tuberculosis or tubercle forming disease is an acute and/or chronic bacterial infection that primarily attacks the lungs, but which may also affect the kidneys, bones, lymph nodes, and brain. The disease is caused by Mycobacterium tuberculosis (MTB), a slow growing rod-shaped, acid fast bacterium. It is transmitted from person to person through inhalation of bacteria-carrying air droplets. Worldwide, one person out of three is infected with Mycobacterium tuberculosis – two billion people in total. TB currently holds the seventh place in the global ranking of causes of death [73]. In 2008, there were an estimated 9.4 (range, 8.9–9.9 million) million incident cases (equivalent to 139 cases per 100 000 population) of TB globally [75]. A complex biological interplay occurs between M. tuberculosis and HIV in coinfected host that results in the worsening of both pathologies. HIV promotes progression of M. tuberculosis either by endogenous reactivation or exogenous reinfection [77, 78] and, the course of HIV-1 infection is accelerated subsequent to the development of TB [80]. Active TB is associated with an increase in intra-patient HIV-1 diversity both systemically and at the infected lung sites [64,122]. The sustainability or reversal of the HIV-1 quasispecies heterogeneity after TB treatment is not known. Tetanus toxoid vaccinated HIV-1 infected patients developed a transient increase in HIV-1 heterogeneity which was reversed after few weeks [121]. Emergence of a heterogeneous HIV-1 population within a patient may be one of the mechanisms to escape strong immune or drug pressure [65,128]. The existence of better fitting and/or immune escape HIV-variants can lead to an increase in HIV-1 replication [129,130]. It might be that TB favourably selected HIV-1 variants which are sources for consistent HIV-1 replication. Understanding the mechanisms underlying the impacts of TB on HIV-1 is essential for the development of effective measures to reduce TB related morbidity and mortality in HIV-1 infected individuals. In the present study we studied whether the increase in HIV-1 quasispecies diversity during active TB is reversed or preserved throughout the course of antituberculous chemotherapy. For this purpose Two time point HIV-1 quasispecies were evaluated by comparing HIV-1 infected patients with active tuberculosis (HIV-1/TB) and HIV-1 infected patients without tuberculosis (HIV-1/non TB). Plasma samples were obtained from the Frankfurt HIV cohort and HIV-1 RNA was isolated. C2V5 env was amplified by PCR and molecular cloning was performed. Eight to twenty five clones were sequenced from each patient. Various phylogenetic analyses were performed including tree inferences, intra-patient viral diversity and divergence, selective pressure, co-receptor usage prediction and two time point identity of quasispecies comparison using Mantel’s test. We found out from this study that: 1) Active TB sustains HIV-1 quasispecies diversity for longer period 2. Active TB increases the rate of HIV-1 divergence 3) TB might slow down evolution of X4 variants And we concluded that active TB has an impact on HIV-1 viral diversity and divergence over time. The influence of active TB on longitudinal evolution of HIV- 1 may be predominant for R5 viruses. The use of CCR5-coreceptor inhibitors for HIV-1/TB patients as therapeutic approach needs further investigation.Eine der ersten und überraschenden Beobachtungen, welche bei der Analyse des HI-Virus gemacht wurden ist seine ausgeprägte Genetische Variabilität besonders die hypervariable Region des env Genes betreffen. Dieses wird in 5 variable Regionen (V1-V5) sowie 5 stärker konservierte Regionen (C1-C5) unterteilt. HIV wandelt sich zu jedem Zeitpunkt im Verlauf der Infektion und jedes infizierte Individuum ist Träger einer Population von genetisch verwandten jedoch nicht identischen Viren, welche sich kontinuierlich verändern und an die Erfordernisse innerhalb der Umgebung anpassen. Diese genetisch heterogenen, jedoch eng verwandten Populationen werden Quasispecies genannt. Tuberkulose ist eine mykobakterielle Infektion, welche sowohl akute als auch chronische Verläufe zeigt. Neben den Lungen als primärem Manifestationsort können auch die Nieren, Knochen und andere Organe befallen sein. Eine von drei Personen weltweit ist mit Mycobacterium tuberculosis infiziert, insgesamt 2 Milliarden Menschen. In HIV/TB Co-Inifzierten Menschen entsteht ein komplexes Zusammenspiel zwischen HIV und M. tuberculosis, welches zu einer Verschlechterung beider Krankheitsbilder führt. HIV führt durch endogene Rekativierung oder exogene Re-Infektion zu einer Progression der Tuberkulose, welche im weiteren Verlauf die Krankheitsprogression von HIV beschleunigt. Sowohl Morbidität als auch Mortalität sind in HIV-1/TB Co-Infizierten Menschen erhöht. Aktive Lungentuberkulose und Miliartuberkulose gehen mit dem Anstieg der Diversifität der HIV Viren innerhalb eines Wirtes einher. Wie lange diese erhöhte Heterogenität der HIV Quasispecies nach der erfolgreichen Behandlung einer Tuberkulose bestehen bleibt ist bisher noch unklar. Das Verständnis des dem Zusammenspiel von HIV und TB zugrundeliegenden Mechanismus ist essentiell für die Entwicklung von effektiven Massnahmen zur Senkung der Morbidität und Mortalität in HIV/TB Co-infizierten Menschen. Die gegenwärtige Forschungsarbeit folgte daher der Frage, ob wärend einer aktiven TB Infektion eine Zunahme der Diversität der HIV-1 Quasispecies zu beobachten ist und ob diese Diversität während einer TB Therapie erhalten bleibt oder sich zurück bildet. Hierfür wurden die HIV-1 Quasispecies zu zwei Zeitpunkten untersucht, wobei Proben von HIV-1 infizierten Patienten mit aktiver Tuberkulose (HIV-1/TB) und HIV infizierte Patienten ohne Tuberkulose (HIV-1/non TB) verglichen wurden. Aus Plasmaproben der Frankfurter HIV Cohorte wurde HIV-1 RNA isoliert. C2V5 env wurde durch PCR amplifiziert und molekular cloniert. Acht bis fünfundzwanzig Clone wurden für jeden Patienten sequenziert. Mehrere phylogenetische Analysen wurden durchgeführt, welche tree inferences, Intra-Patienten- und virale Diversität und Divergenz, Selektionsdruckanalysen, Vorhersage der Co-Rezeptornutzung sowie Zweipunktanalysen der Identität von Quasispecies mit Hilfe des Mantel’s Test miteinschlossen. Die Analysen ergaben die folgenden Ergebnisse: 1) Eine aktive TB erhält die Diversität von HIV-1 Quasispecies über einen längeren Zeitraum. 2. Eine aktive TB verstärkt die HIV -1 Divergenz 3) TB könnte zu einer langsameren Evolution von X4 Varianten führen. Schlussfolgerung: eine aktive TB beeinflusst die Entwicklung der viralen Diversität und Divergenz von HIV-1 im Verlauf der Krankheit. Der Einfluss der aktiven TB auf die longitudinale Evolution von HIV-1 könnte insbesondere R5 Viren betreffen. Der Einsatz von CCR5-Corezeptor Inhibitoren in HIV-1/TB coinifizerten Patienten sollte daher in Langzeitstudien untersucht werden

Security and trust in cloud computing and IoT through applying obfuscation, diversification, and trusted computing technologies

Cloud computing and Internet of Things (IoT) are very widely spread and commonly used technologies nowadays. The advanced services offered by cloud computing have made it a highly demanded technology. Enterprises and businesses are more and more relying on the cloud to deliver services to their customers. The prevalent use of cloud means that more data is stored outside the organization’s premises, which raises concerns about the security and privacy of the stored and processed data. This highlights the significance of effective security practices to secure the cloud infrastructure. The number of IoT devices is growing rapidly and the technology is being employed in a wide range of sectors including smart healthcare, industry automation, and smart environments. These devices collect and exchange a great deal of information, some of which may contain critical and personal data of the users of the device. Hence, it is highly significant to protect the collected and shared data over the network; notwithstanding, the studies signify that attacks on these devices are increasing, while a high percentage of IoT devices lack proper security measures to protect the devices, the data, and the privacy of the users. In this dissertation, we study the security of cloud computing and IoT and propose software-based security approaches supported by the hardware-based technologies to provide robust measures for enhancing the security of these environments. To achieve this goal, we use obfuscation and diversification as the potential software security techniques. Code obfuscation protects the software from malicious reverse engineering and diversification mitigates the risk of large-scale exploits. We study trusted computing and Trusted Execution Environments (TEE) as the hardware-based security solutions. Trusted Platform Module (TPM) provides security and trust through a hardware root of trust, and assures the integrity of a platform. We also study Intel SGX which is a TEE solution that guarantees the integrity and confidentiality of the code and data loaded onto its protected container, enclave. More precisely, through obfuscation and diversification of the operating systems and APIs of the IoT devices, we secure them at the application level, and by obfuscation and diversification of the communication protocols, we protect the communication of data between them at the network level. For securing the cloud computing, we employ obfuscation and diversification techniques for securing the cloud computing software at the client-side. For an enhanced level of security, we employ hardware-based security solutions, TPM and SGX. These solutions, in addition to security, ensure layered trust in various layers from hardware to the application. As the result of this PhD research, this dissertation addresses a number of security risks targeting IoT and cloud computing through the delivered publications and presents a brief outlook on the future research directions.Pilvilaskenta ja esineiden internet ovat nykyään hyvin tavallisia ja laajasti sovellettuja tekniikkoja. Pilvilaskennan pitkälle kehittyneet palvelut ovat tehneet siitä hyvin kysytyn teknologian. Yritykset enenevässä määrin nojaavat pilviteknologiaan toteuttaessaan palveluita asiakkailleen. Vallitsevassa pilviteknologian soveltamistilanteessa yritykset ulkoistavat tietojensa käsittelyä yrityksen ulkopuolelle, minkä voidaan nähdä nostavan esiin huolia taltioitavan ja käsiteltävän tiedon turvallisuudesta ja yksityisyydestä. Tämä korostaa tehokkaiden turvallisuusratkaisujen merkitystä osana pilvi-infrastruktuurin turvaamista. Esineiden internet -laitteiden lukumäärä on nopeasti kasvanut. Teknologiana sitä sovelletaan laajasti monilla sektoreilla, kuten älykkäässä terveydenhuollossa, teollisuusautomaatiossa ja älytiloissa. Sellaiset laitteet keräävät ja välittävät suuria määriä informaatiota, joka voi sisältää laitteiden käyttäjien kannalta kriittistä ja yksityistä tietoa. Tästä syystä johtuen on erittäin merkityksellistä suojata verkon yli kerättävää ja jaettavaa tietoa. Monet tutkimukset osoittavat esineiden internet -laitteisiin kohdistuvien tietoturvahyökkäysten määrän olevan nousussa, ja samaan aikaan suuri osuus näistä laitteista ei omaa kunnollisia teknisiä ominaisuuksia itse laitteiden tai niiden käyttäjien yksityisen tiedon suojaamiseksi. Tässä väitöskirjassa tutkitaan pilvilaskennan sekä esineiden internetin tietoturvaa ja esitetään ohjelmistopohjaisia tietoturvalähestymistapoja turvautumalla osittain laitteistopohjaisiin teknologioihin. Esitetyt lähestymistavat tarjoavat vankkoja keinoja tietoturvallisuuden kohentamiseksi näissä konteksteissa. Tämän saavuttamiseksi työssä sovelletaan obfuskaatiota ja diversifiointia potentiaalisiana ohjelmistopohjaisina tietoturvatekniikkoina. Suoritettavan koodin obfuskointi suojaa pahantahtoiselta ohjelmiston takaisinmallinnukselta ja diversifiointi torjuu tietoturva-aukkojen laaja-alaisen hyödyntämisen riskiä. Väitöskirjatyössä tutkitaan luotettua laskentaa ja luotettavan laskennan suoritusalustoja laitteistopohjaisina tietoturvaratkaisuina. TPM (Trusted Platform Module) tarjoaa turvallisuutta ja luottamuksellisuutta rakentuen laitteistopohjaiseen luottamukseen. Pyrkimyksenä on taata suoritusalustan eheys. Työssä tutkitaan myös Intel SGX:ää yhtenä luotettavan suorituksen suoritusalustana, joka takaa suoritettavan koodin ja datan eheyden sekä luottamuksellisuuden pohjautuen suojatun säiliön, saarekkeen, tekniseen toteutukseen. Tarkemmin ilmaistuna työssä turvataan käyttöjärjestelmä- ja sovellusrajapintatasojen obfuskaation ja diversifioinnin kautta esineiden internet -laitteiden ohjelmistokerrosta. Soveltamalla samoja tekniikoita protokollakerrokseen, työssä suojataan laitteiden välistä tiedonvaihtoa verkkotasolla. Pilvilaskennan turvaamiseksi työssä sovelletaan obfuskaatio ja diversifiointitekniikoita asiakaspuolen ohjelmistoratkaisuihin. Vankemman tietoturvallisuuden saavuttamiseksi työssä hyödynnetään laitteistopohjaisia TPM- ja SGX-ratkaisuja. Tietoturvallisuuden lisäksi nämä ratkaisut tarjoavat monikerroksisen luottamuksen rakentuen laitteistotasolta ohjelmistokerrokseen asti. Tämän väitöskirjatutkimustyön tuloksena, osajulkaisuiden kautta, vastataan moniin esineiden internet -laitteisiin ja pilvilaskentaan kohdistuviin tietoturvauhkiin. Työssä esitetään myös näkemyksiä jatkotutkimusaiheista

Regulation of Immunoglobulin Gene Diversification By Noncoding RNA\u27s

Small regulatory RNAs supplement the canonical pathways of gene regulation through diverse mechanisms of transcriptional, post-transcriptional, and post-translational silencing. These mechanisms range from “classical†RNA interference (RNAi), to gene repression by microRNAs (miRNAs), to maintenance of genomic stability by repeatassociated small RNAs. Here, I describe the contribution of miRNA-mediated regulation to a specific case of gene expression that requires significant somatic alteration of the genetic code. B lymphocytes perform somatic hypermutation (SHM) and class switch recombination (CSR) of the immunoglobulin locus to generate an antibody repertoire diverse in both affinity and function. These somatic diversification processes are catalyzed by activation-induced cytidine deaminase (AID), a potent DNA mutator whose expression and function are highly regulated. I show that AID is regulated posttranscriptionally by a lymphocyte-specific microRNA, miR-155. I find that miR-155 is upregulated in murine B lymphocytes undergoing CSR, and targets a conserved site in the 3’untranslated region of the AID mRNA. Disruption of this target site in vivo results in quantitative and temporal deregulation of AID expression, accompanied by functional consequences for CSR and affinity maturation. Thus, miR-155, which is known to play important roles in regulating the germinal center reaction, does so in part by directly downmodulating AID expression. Using a novel transgenic approach, I have characterized a single miRNA – target pair that has functional implications in adaptive immunity and maintenance of genome integrity. The regulation of AID by miR-155 serves as a striking example of two distinct regulatory mechanisms – small RNA regulation and somatic gene diversification – converging to generate a physiologically beneficial response

Accurate reconstruction of bacterial pan- and core genomes with PEPPAN

Bacterial genomes can contain traces of a complex evolutionary history, including extensive homologous recombination, gene loss, gene duplications and horizontal gene transfer. In order to reconstruct the phylogenetic and population history of a set of multiple bacteria, it is necessary to examine their pangenome, the composite of all the genes in the set. Here we introduce PEPPAN, a novel pipeline that can reliably construct pangenomes from thousands of genetically diverse bacterial genomes that represent the diversity of an entire genus. PEPPAN outperforms existing pangenome methods by providing consistent gene and pseudogene annotations extended by similarity-based gene predictions, and identifying and excluding paralogs by combining tree- and synteny-based approaches. The PEPPAN package additionally includes PEPPAN_parser, which implements additional downstream analyses including the calculation of trees based on accessory gene content or allelic differences between core genes. In order to test the accuracy of PEPPAN, we implemented SimPan, a novel pipeline for simulating the evolution of bacterial pangenomes. We compared the accuracy and speed of PEPPAN with four state-of-the-art pangenome pipelines using both empirical and simulated datasets. PEPPAN was more accurate and more specific than any of the other pipelines and was almost as fast as any of them. As a case study, we used PEPPAN to construct a pangenome of ~40,000 genes from 3052 representative genomes spanning at least 80 species of Streptococcus. The resulting gene and allelic trees provide an unprecedented overview of the genomic diversity of the entire Streptococcus genus

High-Performance approaches for Phylogenetic Placement, and its application to species and diversity quantification

In den letzten Jahren haben Fortschritte in der Hochdurchsatz-Genesequenzierung, in Verbindung mit dem anhaltenden exponentiellen Wachstum und der Verfügbarkeit von Rechenressourcen, zu fundamental neuen analytischen Ansätzen in der Biologie geführt. Es ist nun möglich den genetischen Inhalt ganzer Organismengemeinschaften anhand einzelner Umweltproben umfassend zu sequenzieren. Solche Methoden sind besonders für die Mikrobiologie relevant. Die Mikrobiologie war zuvor weitgehend auf die Untersuchung jener Mikroben beschränkt, welche im Labor (d.h., in vitro) kultiviert werden konnten, was jedoch lediglich einen kleinen Teil der in der Natur vorkommenden Diversität abdeckt. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Hochdurchsatzsequenzierung nun die direkte Erfassung der genetischen Sequenzen eines Mikrobioms, wie es in seiner natürlichen Umgebung vorkommt (d.h., in situ). Ein typisches Ziel von Mikrobiomstudien besteht in der taxonomischen Klassifizierung der in einer Probe enthaltenen Sequenzen (Querysequenzen). Üblicherweise werden phylogenetische Methoden eingesetzt, um detaillierte taxonomische Beziehungen zwischen Querysequenzen und vertrauenswürdigen Referenzsequenzen, die von bereits klassifizierten Organismen stammen, zu bestimmen. Aufgrund des hohen Volumens ($10 ^ 6$ bis $10 ^ 9$) von Querysequenzen, die aus einer Mikrobiom-Probe mittels Hochdurchsatzsequenzierung generiert werden können, ist eine akkurate phylogenetische Baumrekonstruktion rechnerisch nicht mehr möglich. Darüber hinaus erzeugen derzeit üblicherweise verwendete Sequenzierungstechnologien vergleichsweise kurze Sequenzen, die ein begrenztes phylogenetisches Signal aufweisen, was zu einer Instabilität bei der Inferenz der Phylogenien aus diesen Sequenzen führt. Ein weiteres typisches Ziel von Mikrobiomstudien besteht in der Quantifizierung der Diversität innerhalb einer Probe, bzw. zwischen mehreren Proben. Auch hierfür werden üblicherweise phylogenetische Methoden verwendet. Oftmals setzen diese Methoden die Inferenz eines phylogenetischen Baumes voraus, welcher entweder alle Sequenzen, oder eine geclusterte Teilmenge dieser Sequenzen, umfasst. Wie bei der taxonomischen Identifizierung können Analysen, die auf dieser Art von Bauminferenz basieren, zu ungenauen Ergebnissen führen und/oder rechnerisch nicht durchführbar sein. Im Gegensatz zu einer umfassenden phylogenetischen Inferenz ist die phylogenetische Platzierung eine Methode, die den phylogenetischen Kontext einer Querysequenz innerhalb eines etablierten Referenzbaumes bestimmt. Dieses Verfahren betrachtet den Referenzbaum typischerweise als unveränderlich, d.h. der Referenzbaum wird vor, während oder nach der Platzierung einer Sequenz nicht geändert. Dies erlaubt die phylogenetische Platzierung einer Sequenz in linearer Zeit in Bezug auf die Größe des Referenzbaums durchzuführen. In Kombination mit taxonomischen Informationen über die Referenzsequenzen ermöglicht die phylogenetische Platzierung somit die taxonomische Identifizierung einer Sequenz. Darüber hinaus erlaubt eine phylogenetische Platzierung die Anwendung einer Vielzahl zusätzlicher Analyseverfahren, die beispielsweise die Zuordnung der Zusammensetzungen humaner Mikrobiome zu klinisch-diagnostischen Eigenschaften ermöglicht. In dieser Dissertation präsentiere ich meine Arbeit bezüglich des Entwurfs, der Implementierung, und Verbesserung von EPA-ng, einer Hochleistungsimplementierung der phylogenetischen Platzierung anhand des Maximum-Likelihood Modells. EPA-ng wurde entwickelt um auf Milliarden von Querysequenzen zu skalieren und auf Tausenden von Kernen in Systemen mit gemeinsamem und verteiltem Speicher ausgeführt zu werden. EPA-ng beschleunigt auch die Verarbeitungsgeschwindigkeit auf einzelnen Kernen um das bis zu $30$-fache, im Vergleich zu dessen direkten Konkurrenzprogrammen. Vor kurzem haben wir eine zusätzliche Methode für EPA-ng eingeführt, welche die Platzierung in wesentlich größeren Referenzbäumen ermöglicht. Hierfür verwenden wir einen aktiven Speicherverwaltungsansatz, bei dem reduzierter Speicherverbrauch gegen größere Ausführungszeiten eingetauscht wird. Zusätzlich präsentiere ich einen massiv-parallelen Ansatz um die Diversität einer Probe zu quantifizieren, welcher auf den Ergebnissen phylogenetischer Platzierungen basiert. Diese Software, genannt \toolname{SCRAPP}, kombiniert aktuelle Methoden für die Maximum-Likelihood basierte phylogenetische Inferenz mit Methoden zur Abgrenzung molekularer Spezien. Daraus resultiert eine Verteilung der Artenanzahl auf den Kanten eines Referenzbaums für eine gegebene Probe. Darüber hinaus beschreibe ich einen neuartigen Ansatz zum Clustering von Platzierungsergebnissen, anhand dessen der Benutzer den Rechenaufwand reduzieren kann

Autoantibodies as biomarkers in autoimmune diseases

The immune system plays a critical role in the homeostasis and protection of our body, but its dysregulation is often associated with the pathogenesis of autoimmune diseases. The cellular and molecular components of the immune system have been explored as therapeutic targets or biomarkers with the aim of curing autoimmunity. Although studied since decades, autoantibodies’ use as biomarker in clinical trials is still limited to a handful of well-known markers. The aim of the thesis was to test autoantibody profiling as an exploratory tool to identify new biomarkers in the context of clinical trials conducted in three autoimmune diseases. In the first part of the PhD, I tested a large set of autoantibodies on baseline serum samples from a phase III anti-IL17 clinical trial of Psoriatic Arthritis, with the aim of identifying a group of biomarkers that could discriminate between responders and non-responders to the treatment. Numerous autoantibodies of either IgG, IgM and IgA isotype were found more expressed in clinical non-responders when compared to responders. Such autoantibodies were directed against molecules related to IL17 pathway, a commensal bacterium (Lachnospiraceae) and antigens linked to Rheumatoid Arthritis. Overall, these markers allowed a discrimination of 40% of non-responders from responders population, which was judged as a too low sensitivity in order to start the development of a companion diagnostic. However, the technical knowledge acquired during this first project was fundamental for the rest of the PhD. In the second part of the PhD, I applied autoantibody profiling, using a targeted set of antigens, on serum samples from a phase II anti-IL17 treatment clinical trial of Hidradenitis Suppurativa (HS). The aim of this project was to demonstrate the presence of autoantibodies that could support the hypothesis of an autoimmune component of HS pathogenesis. We found IgG anti-Carboxyethyl-lysine (CEL) autoantibodies with specific high levels in HS when compared to healthy volunteers and other comorbidities such as Crohn’s disease and Ulcerative Colitis. B-cells producing anti-CEL antibodies were detected in HS lesional skin as well. Sera with high levels of anti-CEL autoantibodies activated macrophages and complement pathway in presence of CEL-BSA. The majority of IgG anti-CEL antibodies was of IgG2 subclass and no cross-reactivity with similar molecules such as Carboxymethyl-lysine and Octopine was found. Overall, these results suggested a role for oxidative stress and advanced glycation events in the pathogenesis of HS. In the third part of the PhD, I detected anti-FceR1a autoantibodies in serum from Chronic Spontaneous Urticaria (CSU) from a phase II clinical trial of anti-IgE treatment. It was hypothesized that patients expressing anti-FceR1a autoantibodies may activate mast cells degranulation in an IgE-free manner, which would make them resistant to anti-IgE treatment. The results showed no correlation between the presence of anti-FceR1a autoantibodies and clinical response to IgE treatment. The detection of the soluble form of FceR1a (sFceR1a) at different time-points throughout the treatment showed a dose-dependent decrease of sFceR1a concentration, similarly to what already published for FceR1a expression on basophils surface. The data showed in this thesis suggested that sFceR1a might be a substitute mechanistic marker of cell-bound FceR1a. In conclusion, although autoantibody profiling did not allow identifying specific markers for anti-IL17 treatment response in PsA, the knowledge acquired during this project was critically important. Indeed, the same approach allowed the finding of anti-CEL autoantibodies abundance and specificity in HS and the testing of anti-FceR1a autoantibodies and sFceR1a in CSU, which gave new insights in these diseases. The results presented in this thesis show the potential and limitations of autoantibodies profiling when applied to clinical trials of autoimmune diseases

Statistische Analyse von Sequenzpopulationen in der Virologie und Immunologie

In this thesis I have examined various topics regarding the relationship between viruses and the human immune system. I expanded and refined a tool (which can now be found as R-package SeqFeatR on C-RAN) for the analysis of sequence data and features of this sequences like HLA type or tropism (see chapter 4) and checked with this tool if there are differences between some multiple correction approaches for sequence data, and how Bayesian inference could be used in this context (see chapter 5). It could be shown that Bayesian inference is superior to the frequentistic methods for this kind of problem, because multiple correction approaches ignore the fact that different positions in a sequence alignment may be connected in the protein product of this sequence and are therefor not independent. Furthermore, I have examined sequences from HCV with a form of bootstrap algorithm to find sequence areas which can be used in unknown transmission cases in court. Two areas were found, one in the hypervariable region and the other at the end of the non-structural protein NS5B (see chapter 9). Proteasomal cleavage of alien amino acid sequences inside human cells leads to a presentation of fragments of these sequences on the surface of the cell as epitopes. To present such a fragment, not only must it bind to the MHC, but also needs to be in the correct length to be presented. Therefore viral evolution should favor those viruses, which cannot be cut into presentable epitopes. With epitope data from IEDB and predicted viral sequences which bind the MHC, I searched for amino acids inside the flanking regions around the epitope that may indicate a possible escape mutation against the proteasomal cleavage processes. Fourteen such amino acids and positions were found (see chapter 7). I created a model of HBV reverse transcriptase to check if mutations in certain positions could influence binding with the nucleotide analogue reverse transcriptase inhibitor Tenofovir. Mutations which were inside the binding pocket for Tenofovir showed, in an experimental design by the group of Mengji Lu, a decreased affinity towards the drug (see chapter 10). Together with Ralf Küppers group I examined NGS from different types of B cells to search for almost identical sequences between those. We found similar to identical sequences from two, three and even four kinds of cells in the blood samples of both donors (see chapter 6).In dieser Dissertation bearbeitete ich verschiedene Themen aus dem Bereich der humanpatho-genen Viren und des menschlichen Immunsystems. Zu diesem Zweck entwarf ich ein Programm (welches auf dem R-Archiv C-RAN unter dem Namen SeqFeatR zu finden ist) mit dem sich der Zusammenhang zwischen Sequenzdaten und spezifischen Eigenschaften, wie etwa HLA Typ oder Tropismus, analysieren läßt (s.h Kapitel 4). Mit diesem Programm untersuchte ich ob ein Unterschied zwischen den Verfahren zur Korrektur von Alphafehler-Kumulierung bei Sequenzdaten besteht und in welchem Maße die Verfahren der Bayesschen Statistik besser für diese geeignet sind (s.h. Kapitel 5). Dabei stellte sich heraus, dass letztere für diese Klasse von Problemen eher verwendet werden sollten, da Alphafehler-Kumulierungskorrekturen möglichen Abhängigkeite zwischen verschiedenen Sequen-zpositionen, welche sich unter Umständen erst im fertigen Protein offenbaren, ignorieren. Weiterhin untersuchte ich HCV Sequenzen mittels einer Variante des Bootstrap-Algorithmus um jene Sequenz-Bereiche zu finden, die im Falle von ungeklärten Übertragungswegen zur Identifizierung dieser genutzt werden können. Dabei stellten sich zwei Bereiche als besonders geeignet heraus: Die hypervariable Region sowie ein Bereich am Ende des Nicht-Struktur Protein NS5B (s.h. Kapitel 9). Die Spaltung von fremden Aminosäuresequenzen innerhalb von menschlichen Zellen durch das Proteasom kann zu einer Präsentation dieser Fragmente auf der Zelloberfläche als Epitope führen. Um solche Fragmente präsentieren zu können, müssen diese nicht nur an das spezifische MHC Molekül binden, sondern auch eine optimale Länge besitzen. Daher sollte der evolutionäre Prozess solche Viren fördern, deren Sequenzen sich nicht in entsprechende Stücke zerteilen lassen. Durch eine Kombination von Epitopdaten aus der IEDB und vorhergesagten viralen Sequenzen, welche sicher an MHC Moleküle binden, untersuchte ich, ob innerhalb der flankierenden Regionen um das jeweilige Epitop Sequenzpositionen existieren, welche auf eine Mutation hinweisen, die den Schnittmechanismus der Zelle verhindert. Ich fand vierzehn Aminosäuren und Positionen, die einen solchen Zusammenhang besitzen können (s.h. Kapitel 7). Um heraus zu finden ob es in der reversen Transkriptase von HBV Positionen gibt, welche die Bindung mit dem nukleotidischen Reverse-Transkriptase-Inhibitor Tenofovir beeinflussen, erstellte ich ein Modell dieses Enzyms. Mutationen, die innerhalb der Bindetasche für Tenofovir lagen, führten in einer Versuchsreihe von der Gruppe von Mengji Lu zu einer verringerten Affinität zw ischen Enzym und Medikament (s.h. Kapitel 10). Zusammen mit der Gruppe von Ralf Küppers untersuchte ich Hoch-Durchsatz-Sequenzdaten von verschiedenen Arten von B Zellen um ähnliche Sequenzen zu finden. Wir fanden ähnliche und sogar identische Sequenzen zwischen zwei, drei und sogar allen vier Arten von Zellen jeweils innerhalb der Blutproben jedes der beiden Spender (s.h Kapitel 6)