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Molecular concepts for pandemic viruses : membrane fusion assays and targeting of reservoir cells
(2024)
In den letzten Jahren haben verschiedene pandemische Viren zu beträchtlichen Krankheits- und Todesfällen geführt. Um dieser ständigen Bedrohung entgegenzuwirken, ist es wichtig diagnostische Testsysteme und Therapien anzupassen oder neu zu etablieren. Diese Arbeit konzentriert sich auf die pandemischen Viren SARS-CoV-2 und HIV.
Der Zelleintritt von SARS-CoV-2 wird durch das Spike-Protein (S) ausgelöst, welches die Fusion der Virushülle mit der zellulären Membran bewirkt. Erste Studien haben gezeigt, dass das S-Protein eine hohe Fusionsaktivität aufweist. Aus diesem Grund sollten in dieser Arbeit neue Fusionstests etabliert werden, um potenzielle Inhibitoren der Zellfusion zu evaluieren. Im ersten Teil dieser Thesis wird die Etablierung von quantitativen Tests zur Evaluierung der Zell-Zell und Partikel-Zell Fusionsaktivität, welche durch S bewirkt wird, demonstriert.
Trotz jahrelanger Forschung können HIV-Patienten nicht geheilt werden und Virusinfektionen treten weiterhin weltweit auf. Das größte Problem bei der Entwicklung eines Heilmittels ist die frühe Bildung von Reservoirzellen während einer Infektion. Um diese Reservoirzellen zu identifizieren, wurde der Oberflächenmarker CD32a vorgeschlagen. Die Nutzung von Cas9-Nukleasen zur Inaktivierung von HIV ist in vitro erfolgreich, aber der effiziente Transfer in Reservoirzellen bleibt weiterhin herausfordernd. Im zweiten Teil dieser Thesis werden Rezeptor-gerichtete Adeno-assoziierte Vektoren (AAVs) für die HIV-Gentherapie präsentiert, die CD4 und CD32a für den Zelleintritt nutzen.
Zur Charakterisierung der Fusionsaktivität von SARS-CoV-2 wurden drei quantitative Fusionstests etabliert, welche Partikel- und Zell-Zell Fusionen berücksichtigen. Für den Partikel-Zell Fusionstest wurden lentivirale Vektoren (LV) verwendet, welche das S-Protein auf ihrer Oberfläche präsentierten. Die Transduktionseffizienz von S-LV erreichte auf Zellen, die den SARS-CoV-2 Rezeptor ACE2 exprimieren, ein Signal-zu-Hintergrund Verhältnis von über 2000. Durch die Präsentation von S auf leeren LV-Partikeln konnte die Fusion von benachbarten Zellen detektiert und quantifiziert werden („fusion-from-without“ (FFWO)). Für die Quantifizierung wurde ein Reporter-Komplementationstest etabliert. Hierbei wurden die Alpha- und Omega-Fragmente der β-Galaktosidase getrennt in zwei Zielzellpopulationen exprimiert, die beide ACE2 exprimierten. Durch die Zugabe von S-Partikeln kam es zur Fusion der Zielzellen und zur Komplementation der Alpha- und Omega-Fragmente. Die resultierende β-Galaktosidase-Aktivität konnte anschließend quantifiziert werden. Unter optimalen Versuchsbedingungen erreichte dieser Assay ein Signal-zu-Hintergrund Verhältnis von 2,7 Größenordnungen. Anschließend wurde der Komplementationstest für die Messung der Zell-Zell Fusion verwendet. In diesem Test exprimierten Effektorzellen S und das Alpha-Fragment, Zielzellen ACE2 und das Omega-Fragment. Obwohl die S-Expression auf den Effektorzellen sehr gering war, konnte dennoch eine signifikante Fusion nachgewiesen werden. Auch hier konnte unter optimalen Versuchsbedingungen ein hohes Signal-zu-Hintergrund Verhältnis von 2,9 Größenordnungen festgestellt werden. Nach der Etablierung der Testsysteme wurden S-spezifische Inhibitoren verwendet. Im Gegensatz zu Partikel-Zell-Fusionen wurde die Fusionsaktivität von S auf Zellen nur mäßig inhibiert. Dies deutet daraufhin, dass das Eindringen von Partikeln in Zellen wirksamer verhindert werden kann als die Ausbreitung durch Zell-Zell Fusionen.
Um AAVs spezifisch an HIV-Reservoirzellen zu binden, wurden CD4- und CD32a-spezifische DARPins („designed ankyrin repeat proteins“) in Rezeptor-verblindete AAVs eingebaut. Ebenso wurden beide DARPins gleichzeitig auf dem Kapsid präsentiert, um eine höhere Spezifität für doppelt-positive Zellen zu erreichen. Wenn diese Partikel einer Zellmischung aus CD4-, CD32a- und CD4/CD32a-exprimierenden Zellen zugesetzt wurden, transduzierten die bispezifischen Vektoren vorzugsweise doppelt-positive Zellen. Diese Präferenz war am höchsten in Zellkulturen, die stark unterrepräsentierte CD4/CD32a-exprimierende Zellen enthielten. Unter diesen Voraussetzungen erreichten bispezifische Vektoren eine bis zu 66-fach höhere Transduktionseffizienz auf CD4/CD32a-positive Zellen im Vergleich zu CD32a-exprimierenden Zellen. Darüber hinaus zeigten bispezifische AAV eine präferentielle Bindung und Transduktion von isolierten Primärzellen und Zellen in Vollblut. Selbst nach systemischer Injektion in humanisierte Mäuse wurden doppelt-positive Zellen effizienter von bispezifischen als von monospezifischen AAVs transduziert. Schließlich zeigten die generierten Vektoren, welche die Cas9 Nuklease transferierten, eine effiziente Inhibition der HIV-Replikation.
Chronische Entzündungen und die daraus resultierenden Morbiditäten gehören zu den häufigsten Ursachen für einen frühen Tod beim Menschen. Einer der Hauptfaktoren für die Verschlechterung des Gesundheitszustands bei Patienten mit chronischen-entzündlichen Erkrankungen ist die pathologische Infiltration von Leukozyten in gesundes Gewebe, die zu Gewebeschäden und dem Fortschreiten der Krankheit führt. Das vaskuläre Endothel, das die Innenseite der Blutgefäße auskleidet, spielt eine entscheidende Rolle bei der Entzündungsreaktion, da es als Schnittstelle für die Interaktion mit Leukozyten fungiert, um die Extravasation von Leukozyten aus dem Blutstrom in das Gewebe zu ermöglichen. Die Adhäsion von Leukozyten an die Zellen des Endothels wird dabei hauptsächlich durch die von Zytokinen ausgelösten pro-inflammatorischen NFκB- und AP-1-Signalkaskaden ermöglicht, die die Hochregulierung der wichtigsten endothelialen Adhäsionsmoleküle – ICAM-1, VCAM-1 und E-Selektin – bewirken. Eine Klasse von Wirkstoffen, die für ihre entzündungshemmenden Eigenschaften und ihren Nutzen bei der Behandlung chronischer Entzündungskrankheiten bekannt sind, sind die Mikrotubuli-bindenden-Substanzen (microtubule-targeting-agents; MTAs), die nachweislich auch den Entzündungszustand in den Zellen des Endothels und die Leukozyten-Adhäsionskaskade beeinflussen können. MTAs lassen sich in Mikrotubuli-Destabilisatoren, die eine Depolymerisation des Mikrotubuli-Zytoskeletts bewirken, und Mikrotubuli-Stabilisatoren, die die Depolymerisation der Mikrotubuli verhindern, unterteilen. Die zugrundeliegenden biomolekularen Vorgänge und Wirkungen, die die MTAs auf die Zellen des Gefäßendothels haben, und wie sie die Adhäsionskaskade der Leukozyten beeinflussen, sind jedoch weitgehend unbekannt.
Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen des neuartigen Mikrotubuli-Destabilisators Prätubulysin, eines Vorläufers der Tubulysine, die ursprünglich in Stämmen des Myxobakteriums Angiococcus disciformis entdeckt wurden, auf die entzündlichen Prozesse zu untersuchen, die die Leukozyten-adhäsion in TNF-aktivierten primären Endothelzellen aus der menschlichen Nabelschnurvene (HUVECs) ermöglichen. Zusätzlich wurden auch die Auswirkungen der bereits klinisch etablierten Mikrotubuli-Destabilisatoren Colchicin und Vincristin sowie des Mikrotubuli-Stabilisators Paclitaxel untersucht.
Das entzündungshemmende Potenzial von Prätubulysin wurde daher zunächst in vivo in einem Imiquimod-induzierten psoriasiformen Dermatitis-Mausmodell getestet, wobei sich zeigte, dass Prätubulysin den Entzündungszustand deutlich verringert. Um zu beweisen, dass der entzündungshemmende Effekt mit einer verringerten Interaktion von Leukozyten mit dem Endothel zusammenhängt, wurde die Wirkung von Prätubulysin in vivo mittels Intravitalmikroskopie des TNF-aktivierten Kremaster-Muskels der Maus untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Behandlung mit Prätubulysin zu einer signifikant verringerten Adhäsion von Leukozyten an die Zellen des Gefäßendothels führte. Die verringerte Adhäsion von Leukozyten an Endothelzellen wurde auch in der in vitro Umgebung bestätigt, indem die Adhäsion von Leukozyten unter Flussbedingungen getestet wurde. Mittels Durchflusszytometrie, Western-Blot-Analyse, sowie qRT-PCR-Analyse der jeweiligen mRNA-Level konnte gezeigt werden, dass die verringerten Leukozyten-Interaktionen auf der verringerten Expression der Zelladhäsionsmoleküle ICAM-1 und VCAM-1 sowie teilweise von E-Selektin nach Behandlung mit Prätubulysin, Vincristin und Colchicin beruhen, wobei Paclitaxel keine signifikanten hemmenden Auswirkungen hatte. Weitere Untersuchungen des Einflusses von Prätubulysin auf die NFκB- und AP-1-Signalübertragung zeigten, dass diese intrazellulären Signalkaskaden durch Prätubulysin nicht behindert werden, wobei NFκB und AP-1 weitgehend in den Promotoren der Zelladhäsionsmoleküle angereichert waren, wie durch Chromatin-Immunpräzipitation nachgewiesen wurde. Darüber hinaus induzierte die Behandlung mit Prätubulysin die Aktivität der NFκB-induzierenden Kinase IKK und führte zu einem signifikanten Anstieg der Aktivität der AP-1 Upstream-Kinase JNK, wie eine Western Blot Analyse ergab. Die Prüfung der Transkriptionsaktivität von NFκB und AP-1 in Reportergen Assays zeigte, dass insbesondere die Mikrotubuli-Destabilisatoren die Promotoraktivität dieser Transkriptionsfaktoren in einer konzentrationsabhängigen Weise verringerten. Weitere Tests zur Abhängigkeit der durch Prätubulysin induzierten Hemmung der Zelladhäsionsmoleküle von der Aktivität der JNK zeigten, dass die Hemmung empfindlich auf die Aktivität dieser Kinase reagiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Inhibition der Aktivität der JNK die Expression der Zelladhäsionsmoleküle durch die Behandlung mit Prätubulysin auf mRNA und Proteinebene wiederherstellt. Mit Hilfe der Chromatin-Immunpräzipitation konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Behandlung mit Prätubulysin zunächst die Assoziation des Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 mit den Promotoren/Genen von ICAM-1 und VCAM-1 erhöhte, aber zu einem behandlungszeitabhängigen Rückgang der Anreicherung führte. Darüber hinaus wurde durch die Behandlung mit Prätubulysin auch der Abbau dieses Proteins leicht erhöht. Durch den Einsatz eines JNK Inhibitors konnte gezeigt werden, dass die Verdrängung des Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 von icam-1 und vcam-1, sowie der erhöhte Abbau dieses Faktors auch von der Aktivität der JNK abhängig sind. Die Verdrängung des Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 induzierte auch das Vorhandensein von repressiven Chromatinmarkierungen in den Genen von ICAM-1 und VCAM-1. Die Prüfung der Anreicherung der RNA-Polymerase II an den Promotoren/Genen von ICAM-1 und VCAM-1 zeigte jedoch auch eine behandlungszeitabhängige differentielle Anreicherung dieser Polymerase, wobei die Anreicherung nach kurzen Behandlungszeiten reduziert war, sich nach mittleren Behandlungszeiten erholte und nach längeren Behandlungszeiten wieder stark reduziert war. Die anschließende Prüfung der Bedeutung des Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 für die Expression von ICAM-1 und VCAM-1 durch Knock-down-Experimente ergab, dass das vcam-1 Gen durch Knock-down dieses Proteins unterdrückt, das icam-1 Gen jedoch induziert wird. Dies deutet auf das Vorhandensein zusätzlicher Faktoren hin, die auch auf die Aktivität der JNK reagieren und neben dem Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 die Transkriptionsverlängerung des icam-1 Gens bewirken.
Der Natrium-abhängige Kaliumkanal Slack (KNa1.1, Slo2.2, KCNT1) nimmt eine Schlüsselrolle in der Regulation neuronaler Erregbarkeit ein, indem er die Ausbildung und Feuerungsfrequenz von Aktionspotentialen kontrolliert. Sowohl in Mäusen als auch in Menschen wird Slack besonders hoch in nicht-peptidergen C-Faser-Neuronen exprimiert. Wissenschaftliche Erkenntnisse der letzten Jahre konnten die Beteiligung von Slack-Kanälen in der Signalverarbeitung neuropathischer Schmerzen, aber auch in verschiedenen Arten von Pruritus, feststellen. Dabei zeigen Slack-defiziente Mäuse ein verstärktes mechanisches Schmerzverhalten nach einer peripheren Nervenverletzung und ein erhöhtes Kratzverhalten in akuten Juckreiz-Modellen. Das als Slack-Aktivator identifizierte trizyklische Neuroleptikum Loxapin zeigt sowohl analgetische als auch antipruritische Effekte in Mäusen, jedoch ist sein klinischer Einsatz auf Grund schwerwiegender antipsychotischer Nebenwirkungen limitiert. Basierend auf Loxapins Leitstruktur wurden daher in dieser Arbeit neue Slack-Aktivatoren mit einem verbesserten pharmakologischen Profil designed und ihr Potential für die Therapie von Schmerzen sowie akutem und chronischem Pruritus in vivo untersucht.
Der Hirntumor Glioblastom (GBM) ist aufgrund seines infiltrativen Wachstums, der hohen intra- und intertumoralen Heterogenität, der hohen Therapieresistenz als auch aufgrund der sogenannten gliomartigen Stammzellen sehr schwer zu behandeln und führt fast immer zu Rezidiven. Da es in den letzten Jahrzehnten kaum Fortschritte in der Behandlung des GBMs gab, bis auf die Therapie mit Tumortherapiefeldern, wird weiterhin nach alternativen Zelltodtherapien geforscht, wie zum Beispiel dem Autophagie-abhängigen Zelltod. Der Autophagie-abhängige Zelltod ist durch einen erhöhten autophagischen Flux gekennzeichnet und obwohl die Autophagie, als auch selektive Formen wie die Lysophagie und Mitophagie, normalerweise als überlebensfördernde Mechanismen gelten, konnten viele Studien eine duale Rolle in der Tumorentstehung, -progression und -behandlung aufzeigen, die vor allem vom Tumortyp und stadium abhängt. Um die zugrunde liegenden Mechanismen des durch Medikamente induzierten Autophagie-abhängigen Zelltods im GBM weiter zu entschlüsseln, habe ich in meiner Dissertation verschiedene Substanzen untersucht, die einen Autophagie-abhängigen Zelltod induzieren.
In einer zuvor in unserem Labor durchgeführten Studie konnte gezeigt werden, dass das Antipsychotikum Pimozid (PIMO) und der Opioidrezeptor-Antagonist Loperamid (LOP) einen Autophagie-abhängigen Zelltod in GBM Zellen induzieren können. Darauf aufbauend habe ich die Fähigkeit zur Induktion des Autophagie-abhängigen Zelltods in weiteren Zellmodellen validiert. Dies bestätigte einen erhöhten autophagischen Flux nach PIMO und LOP Behandlung, während der Zelltod als auch der autophagische Flux in Autophagie-defizienten Zellen reduziert war. In weiteren Versuchen konnte ich die Involvierung der LC3-assoziierten Phagozytose (LAP), ein Signalweg der auf die Funktion einiger autophagischer Proteine angewiesen ist, ausschließen. Weiterhin konnte ich eine massive Störung des Cholesterin- und Lipidstoffwechsels beobachten. Unter anderem akkumulierte Cholesterin in den Lysosomen gefolgt von massiven Schäden des lysosomalen Kompartiments und der Permeabiliserung der lysosomalen Membran. Dies trug einerseits zur Aktivierung überlebensfördernder Lysophagie als auch der Zell-schädigenden „Bulk“-Autophagie bei. Letztendlich konnte aber die erhöhte Lysophagie die Zellen nicht vor dem Zelltod retten und die Zellen starben einen Autophagie-abhängigen lysosomalen Zelltod. Da die Eignung von LOP als Therapie für das GBM aufgrund der fehlenden Blut-Hirn-Schranken Permeabilität und von dem Antipsychotikum PIMO aufgrund teils schwerer Nebenwirkungen eingeschränkt ist, habe ich mich im weiteren Verlauf meiner Dissertation mit einer Substanz mit einem anderen Wirkmechanismus beschäftigt.
Der Eisenchelator und oxidative Phosphorylierungs (OXPHOS) Inhibitor VLX600 wurde zuvor berichtet mitochondriale Dysfunktion und Zelltod in Kolonkarzinomzellen zu induzieren. Allerdings hat meines Wissens nach bisher noch keine Studie die therapeutische Eignung von VLX600 für das GBM untersucht. Hier zeige ich eine neuartige Autophagie-abhängige Zelltod-induzierende Fähigkeit von VLX600 für GBM Zellen, da der Zelltod signifikant in Autophagie-defizienten Zellen aber nicht durch Caspase-Inhibitoren gehemmt wurde und der autophagische Flux erhöht war. Darüber hinaus konnte ich die Hemmung der OXPHOS und die Induktion von mitochondrialem Stress in GBM Zellen bestätigen und weiterhin aufzeigen, dass VLX600 nicht nur die mitochondriale Homöostase stört, sondern auch zu einer BNIP3-BNIP3L-abhängigen Mitophagie führt, die wahrscheinlich durch HIF1A reguliert wird aber keinen erkennbaren Nettoeffekt auf den von VLX600 induzierten Zelltod hat. Demnach induziert VLX600 letale „Bulk“-Autophagie in den hier verwendeten Zellmodellen. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass die Eisenchelatierung durch VLX600 eine große Rolle für den von VLX600-induzierten Zelltod spielt aber auch für die Mitophagie Induktion, Histon Lysin Methylierung und den ribosomalen Stress. Letztendlich ist es wahrscheinlich ein Zusammenspiel all dieser Faktoren, die zur Zelltodinduktion durch VLX600 führen und interessanterweise werden Eisenchelatoren bereits in präklinischen und klinischen Studien für Krebstherapien untersucht. Dabei könnten gewisse metabolische Eigenschaften verschiedener Tumorzellen die Sensitivität von Wirkstoffen, die auf den Metabolismus wirken wie VLX600, beeinflussen was in zukünftigen Studien beachtet werden sollte um den bestmöglichsten Therapieerfolg zu erzielen. Zusammenfassend unterstützt meine Dissertation die duale Rolle der Autophagie, die stark vom jeweiligen Kontext abhängt und befürwortet die weitere Forschung von Substanzen, die einen Autophagie-abhängigen Zelltod induzieren, für das GBM.
Die Verwendung von Photoschaltern zur gezielten Kontrolle von Systemen birgt ein hohes Potential hinsichtlich biologischer Fragestellungen, bis hin zu optoelektronischen Anwendungen. Infolge einer Photoanregung kommt es zu Geometrieänderungen, die einen erheblichen Einfluss auf ihr photophysikalisches Verhalten haben. Die Änderungen der photochemischen, wie photophysikalischen Eigenschaften, beruht entweder auf der Isomerisierung von Doppelbindungen oder auf perizyklischen Reaktionen. Durch sorgfältige Modifikationen, wie beispielsweise die Änderung der Konjugation durch unterschiedlich große π-Elektronensysteme, der Molekülgeometrie oder der Veränderung des Dipolmoments, lassen sich intrinsische Funktionen variieren.
Die Kombination dieser Eigenschaften stellt eine komplexe Herausforderung dar, da diese Änderungen einen direkten Einfluss auf wichtige Charakteristika wie die Adressierbarkeit, die Effizienz und die Stabilität der Moleküle haben. Darüber hinaus spielt die thermische Stabilität eine erhebliche Rolle im Hinblick auf die Speicherung von Energie oder Informationen für Anwendungsbereiche in der Energiegewinnung und Datenverarbeitung.
Für die Anwendung solcher photochromen Moleküle ist hinsichtlich der oben genannten Eigenschaften auch das Wissen über den photoinduzierten Reaktionsmechanismus unabdingbar.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss auf die Isomerisierungsdynamik organischer Photoschalter durch unterschiedliche Modifikationen mittels stationärer und zeitaufgelöster Spektroskopie untersucht. Im Bereich der Merocyanine konnte ein Derivat vorgestellt werden, das ausschließlich zwischen zwei MC-Formen (trans/cis) isomerisiert. Die interne Methylierung am Phenolatsauerstoff der Chromeneinheit verhindert die Ringschlussreaktion zum SP und somit seinen zwitterionischen Charakter. Die stabilen Grundzustandsisomere TTT und CCT weisen durch den Methylsubstituenten eine hypsochrome Verschiebung ihrer Absorptionsmaxima auf, während TTT das thermodynamisch stabilste Isomer darstellt. Das MeMC wies eine erstaunlich hohe Effizienz seiner Schaltamplituden, insbesondere der TTT → CCT Photoisomerisierung auf, sowie eine überaus hohe Quantenausbeute.
Das MeMC wies zudem eine signifikante Lösungsmittelabhängigkeit auf, die sich insbesondere in der Photostabilität bemerkbar macht. Während das MeMC in MeCN und EtOH photodegradiert, konnte in EtOH/H2O eine konstante Reliabilität festgestellt werden. Diese Zuverlässigkeit impliziert nicht nur eine Stabilisierung durch das Wasser, sondern auch eine Resistenz gegenüber Hydrolysereaktionen. Darüber hinaus konnten kinetische Studien eine hohe thermische Rückkonversion von CCT zu TTT bei Raumtemperatur nachweisen, womit auf schädliche UV-Bestrahlung verzichtet werden könnte.
Die Untersuchung der Kurzzeitdynamiken beider Grundzustandsisomere gab Aufschluss über die Beteiligung anderer möglicher MC-Intermediate und den Einfluss der Methylgruppe auf das System. Mittels quantenchemischer Berechnungen konnte eine erste Initiierung um die zentrale Doppelbindung beider Isomere bestimmt werden, die jeweils zu einem heißen Grundzustandsintermediat führt, bis nach einer zweiten Isomerisierung der endgültige Grundzustand der Photoprodukte populiert wird. Dies bedeutet, dass die trans/cis-Isomerisierung über TTT-TCT-CCT und die Rückkonversion über CCT-CTT-TTT erfolgt.
Im Bereich der Hydrazon-Photoschalter konnten unterschiedlich substituierte Derivate mittels statischer und zeitaufgelösten UV/Vis-Studien untersucht werden. Da ESIPT Prozesse eine wichtige Funktion bei der Kontrolle von biologischen Systemen spielen, wurden verschiedene Hydrazonderivate hinsichtlich ihrer Reaktionsmechanismen untersucht. Als Rotoreinheit diente zum einen eine Benzothiazolkomponente, die die interne H-Bindung des angeregten Z-Hydrazons schwächen sollte und zum anderen wurde ein Chinolinsubstituent eingesetzt, der als Elektronenakzeptor diente und den H-Transfer begünstigt. Der Einsatz der Benzothiazolkomponente bewirkte die gewünschte Vergrößerung der bathochromen Verschiebung des E-Isomers, sowie eine deutliche Erhöhung der thermischen Stabilität des metastabilen
Zustands. Dies bestätigten die zeitaufgelösten Studien der Z zu E Isomerisierung, bei denen die Isomere im Vergleich zum Chinolinhydrazonderivat, in beiden ausgewählten Lösungsmitteln metastabile Z-Intermediate zeigten und eine Lebenszeit bis in den µs-Zeitbereich aufwiesen. Die Rückreaktion beider Derivate (HCN) und (HBN) hingegen zeigte eine barrierelose Umwandlung in die beteiligten Photoprodukte. Trotz der Verwendung des Chinolinsubstituenten zusammen mit Naphthalin als Rotoreinheit (HCN), konnte kein ESIPT Prozess beobachtet werden. HCB mit einer Kombination aus einem Chinolinrotor und eines Benzothiazolsubstituenten, wies eine Hydrazon-Azobenzol-Tautomerie auf, die ein prototropes Gleichgewicht zwischen dem E-Hydrazon und der E-Azobenzolform (E-AB) ausbildete. Die Reaktionsdynamiken des Z-Hydrazons zum E-AB wiesen eine ultraschnelle Bildung des Photoproduktes auf, während die Rückreaktion über einen ESIPT im sub-ps-Bereich erfolgte. Dieser H-Transfer hat die Bildung des angeregten E-Hydrazons zur Folge. Interessanterweise wurde kein Rückprotonentransfer nachgewiesen, sondern die mögliche Formation eines Z-AB gefunden. Damit unterscheidet sich dieser Reaktionsmechanismus erheblich von den typischen ESIPT Prozessen, die normalerweise zu ihrem Ausgangsmolekül zurückrelaxieren. Des Weiteren konnte ein Pyridinoxid und Benzoylpyridin-substituiertes Hydrazon charakterisiert werden, bei denen die stationären Studien kein Schaltverhalten, sondern Photodegradation aufwiesen. Die zeitaufgelösten Daten ergaben ebenfalls keine Photoproduktbildung, was die These der Photozersetzung unterstützt. Die Verwendung von zusätzlich substituierten Rotoreinheiten, wie beispielsweise Pyridinoxid und Benzoylpyridin, die aufgrund fehlender Protonenakzeptormöglichkeit keine interne H-Bindung ausbilden, erlaubt keine Bildung des Z-Hydrazon Isomers.
The hepatitis B virus is one of the most common causes of virus-related chronic liver disease and remains a major global health problem affecting 296 million people worldwide. Despite an available and highly effective vaccination, hepatitis B infections lead to an annual mortality rate of approximately 0.8 million people. The global prevalence is heterogeneously distributed and reflects a high infections and chronicity, particularly in low-income countries, due to a lack of vaccination strategies, underdiagnosis and low treatment rates. A complete cure remains undiscovered to this day. Based on their genetic makeup, the virus is categorized into nine genotypes with a genetic difference of more than 8% within the sequence. In addition to their geographical distribution, hepatitis B virus genotypes also differ in terms of their clinical outcome, pathogenesis and treatment response.
The viral protein HBx is known to interact with several cellular signaling pathways and is thereby accounted as the driving force in the development of hepatitis B virus-associated pathogenesis and progression of hepatocellular carcinoma. In particular, HBx interacts with mitochondria and induces profound alterations in the mitochondrial morphology and function with a severe impact on the liver’s physiology and with an emerging role in liver-related disease progression.
This study aims to investigate the genotype-related impact of HBx with regard to their interaction with cellular signaling pathways. A particular focus was placed on mitochondria-dependent interactions and signaling pathways in order to broaden the understanding of the genetic diversity of the genotypes.
Differences between genotypes of HBx were examined and compared through in vitro experiments based on a cell culture-based system. Plasmid DNA encoding the HBx protein of the different genotypes was transiently transfected into Huh7 or HepG2 cells and examined for molecular and protein-biochemical effects on the host cell, usually 72 hours after transfection. This study focused on the most common genotypes A, B, C, D, E and G worldwide.
Based on initial kinome profiling analyses, it was found that HBx differs greatly within their genetic variants and suggests different effects on overall cell function and in particular on mitochondrial kinases. Furthermore, confocal laser scanning microscopy reveals profound HBx-mediated changes in the mitochondrial network structure, however with major differences among the different genotypes. In particular, HBx of genotypes A and G causes enormous fragmentation of mitochondrial structures, accompanied by emergent changes in mitochondrial function. Due to an increased interaction with the voltage-dependent anion channel 3, a significant loss of mitochondrial membrane potential was also observed, together with an increased radial oxygen stress level and an induction of central mitochondria-dependent inflammatory mediators. In contrast, the contribution of HBx-genotype B and E reveals only moderate effects in these regards. Using a pH-sensitive reporter system, HBx genotypes which previously indicated a strong distribution in the mitochondrial morphology and function, also showed an elevated mitophagy through the PINK1/Parkin-mediated pathway. This study provides direct evidence that HBx-mediated changes in host cell signaling pathways, especially in mitochondrial-associated pathways, fundamentally dependent on the different genotypes. In addition, the results also indicate an important role of HBx in the process of genotype-dependent liver pathogenesis and provide insight into the underlying cellular mechanisms and signaling pathways.
Autophagy is an important degradation pathway mediating the engulfment of cellular material (cargo) into autophagosomes followed by degradation in autophagosomes.
Different stress stimuli, e.g. nutrient deprivation, oxidative stress or organelle damage, engage autophagy to maintain cellular homeostasis, recycle nutrients or remove damaged cell organelles. Autophagy not only degrades bulk cytoplasmic material but also selective autophagic cargo, for example lysosomes (lysophagy), mitochondria (mitophagy), ER (ER-phagy), lipid droplets (lipophagy), protein aggregates (aggrephagy) or pathogens (xenophagy). Selective autophagy pathways are regulated by selective autophagy receptors which bind to ubiquitinated cargo proteins and link them to LC3 on the autophagosomal membrane.
Ubiquitination is an essential post-translational modification controlling different cellular processes such as proteasomal and lysosomal degradation or innate immune signaling.
M1-linked (linear) poly-Ubiquitin (poly-Ub) chains are exclusively assembled by the E3 ligase linear ubiquitin chain assembly complex (LUBAC) and removed by the M1 poly-Ub-specific OTU domain-containing deubiquitinase with linear linkage specificity (OTULIN). In addition to key functions in innate immune signaling and nuclear factor-κB (NF-κB) activation, M1 ubiquitination is also implicated in the regulation of autophagy.
LUBAC and OTULIN control autophagy initiation and maturation and the autophagic clearance of invading bacteria via xenophagy. However, additional functions of LUBAC- and OTULIN-regulated M1 ubiquitination in autophagy are largely unknown and it also remains unexplored if LUBAC and OTULIN control other selective autophagy pathways in addition to xenophagy. This study aimed to unravel the role of LUBAC- and OTULIN-controlled M1 ubiquitination in bulk and selective autophagy in more detail.
In this study, characterization of OTULIN-depleted MZ-54 glioblastoma (GBM) cells revealed that OTULIN deficiency results in enhanced LC3 lipidation in response to autophagy induction and upon blockade of late stage autophagy with Bafilomycin A1 (BafA1). Furthermore, electron microscopy analysis showed that OTULIN-deficient cells have an increased number of degradative compartments (DGCs), confirming enhanced autophagy activity upon loss of OTULIN. APEX2-based autophagosome content profiling identified various OTULIN-dependent autophagy cargo proteins. Among these were the autophagy receptor TAX1BP1 which regulates different forms of selective autophagy (e.g. lysophagy, aggrephagy) and the glycan-binding protein galectin-3 which serves key functions in lysophagy, suggesting a role of OTULIN and M1 poly-Ub in the regulation of aggrephagy and lysophagy.
Abstract 2
To study aggrephagy, protein aggregation was induced with puromycin which causes premature termination of translation and accumulation of defective ribosomal products (DRiPs). Loss of OTULIN increased the number of M1 poly-Ub-positive foci and insoluble proteins and reduced the levels of soluble TAX1BP1 and p62 in response to puromycin-induced proteotoxic stress.
Intriguingly, upon induction of lysosomal membrane permeabilization (LMP) with the lysosomotropic drug L-Leucyl-L-Leucine methyl ester (LLOMe), M1 poly-Ub strongly accumulated at damaged lysosomes and colocalized with TAX1BP1- and galectin-3-positive puncta. M1 poly-Ub-modified lysosomes formed a platform for NF-κB essential modulator (NEMO) and inhibitor of κB (IκB) kinase (IKK) complex recruitment and local NF-κB activation in a K63 poly-Ub- and OTULIN-dependent manner. Furthermore, inhibition of lysosomal degradation enhanced LLOMe-induced cell death, suggesting pro-survival functions of lysophagy following LMP. Enrichment of M1 poly-Ub at damaged lysosomes was also observed in human dopaminergic neurons and in primary mouse embryonic cortical neurons, confirming the importance of M1 poly-Ub in the response to lysosomal damage.
Together, these results identify OTULIN as a negative regulator of autophagy induction and the autophagic flux and reveal OTULIN-dependent autophagy cargo proteins.
Furthermore, this study uncovers novel and important roles of M1 poly-Ub in the response to lysosomal damage and local NF-κB activation at damaged lysosomes.
Fluorescence microscopy has significantly impacted our understanding of cell biology. The extension of diffraction-unlimited super-resolution microscopy opened an observation window that allows for the scrutiny of cellular organization at a molecular level. The non-invasive nature of visible light in super-resolution microscopy methods renders them suitable for observations in living cells and organisms. Building upon these advancements, a promising synergy between super-resolution fluorescence microscopy and deep learning becomes evident, extending the capabilities of the imaging methods. Tasks such as image modality translation, restoration, single-molecule fitting, virtual labeling, spectral demixing, and molecular counting, are enabled with high precision. The techniques explored in this thesis address three critical facets in advanced microscopy, namely the reduction in image acquisition time, saving photon budget during measurement, and increasing the multiplexing capability. Furthermore, descriptors of protein distributions and their motion on cell membranes were developed.
Nanoarzneimittel haben in den letzten Jahren in der Therapie verschiedener Erkrankungen immer mehr an Bedeutung gewonnen. Dadurch hat auch die Anzahl zugelassener Arzneimittel mit an Arzneistoffträgern wie Liposomen gebundenen Wirkstoffen zugenommen. Weil für die Zulassung, neben der Wirksamkeit und Unbedenklichkeit, auch die Qualität der neuen Arzneimittel gewährleistet sein muss, spielen die verschiedenen Eigenschaften der Arzneistoffträger eine wichtige Rolle in der Qualitätskontrolle. Neben der Partikelgröße, der Partikelgrößenverteilung und der Oberflächenladung spielt die (Rest-)Kristallinität des Wirkstoffs und die Wirkstofffreisetzung eine wesentliche Rolle für die erfolgreiche in vivo-Performance von Nanoarzneimitteln. Zur Bestimmung der Wirkstofffreisetzung aus kolloidalen Arzneistoffträgern wie Liposomen, Nanopartikeln oder Mizellen gibt es bis heute keine Standardmethoden. In der Forschung und der pharmazeutischen Industrie werden folglich verschiedene Methoden wie Filtration, Zentrifugation oder Dialyse verwendet, um den freigesetzten Wirkstoff zu bestimmen. Dabei ist die Wahl der Separationsmethode auf die Eigenschaften der Arzneistoffträger abzustimmen.
In der vorliegenden Arbeit wurde eine dialysebasierte Apparatur, der Dispersion Releaser (DR), zur Untersuchung der in vitro Wirkstofffreisetzung aus kolloidalen Trägersystemen eingesetzt. Diese kann direkt mit den Apparaturen I/II der Arzneibücher der Europäischen Union (Ph. Eur.) und der Vereinigten Staaten (USP) gekoppelt werden. Zur Untersuchung der Wirkstofffreisetzung wird die Formulierung in das Donorkompartiment gegeben, sodass der freigesetzte Wirkstoff infolge über die Dialysemembran in das Akzeptorkompartiment permeiert. Dort kann dieser mittels HPLC analysiert werden. Besonders hervorzuheben ist das synchrone Rühren in beiden Kompartimenten des DR, worüber andere dialysebasierte Apparaturen nicht verfügen.
Die Entwicklung und Patentierung eines funktionsfähigen Prototyps des DR erfolgte an der Goethe Universität, Frankfurt am Main und wurde im Rahmen dieser Arbeit gemeinsam mit der Pharma Test Apparatebau AG (Hainburg, Deutschland) zu einer kommerziell erwerbbaren Apparatur (Pharma Test Dispersion Releaser, PTDR) weiterentwickelt. Innerhalb dieser Kollaboration wurde der Prototyp des DR unter Einbezug der Anforderungen der pharmazeutischen Industrie rekonstruiert. Eine erleichterte Anwendung für den Nutzer wurde dabei mitberücksichtigt.
Die finale Apparatur wurde zuletzt einer ausgiebigen Validierung unterzogen, bei der Diclofenac und Hydrocortison als Modellarzneistoffe dienten. Neben Untersuchungen zur Hydrodynamik und dem Einfluss der Umdrehungszahl auf die Membranpermeationsrate kM wurde eine Methode mit Gold-Nanopartikeln zur Bestimmung der Dichtigkeit des Systems entwickelt. Hierbei wurden Messungen mit einer UV/Vis-Methode und mit dynamischer Lichtstreuung durchgeführt, um die Abwesenheit der Goldpartikel im Akzeptorkompartiment nachzuweisen. Der Einfluss von Proteinen im Freisetzungsmedium auf die Membran-permeation wurde ebenfalls untersucht.
Der DR wurde ursprünglich zur Untersuchung von parenteralen Nanoformulierungen entwickelt. Aufgrund der bisher noch nicht erfolgten Untersuchung von halbfesten Zubereitungen im DR, wurde die Apparatur im Rahmen dieser Forschungsarbeit für zwei verschiedene Diclofenac-Gele (Voltaren® Emulgel, Olfen® Gel) unter verschiedenen Bedingungen evaluiert. Dabei konnte unter non-sink-Bedingungen der Einfluss der lipophilen Phase des Voltaren® Emulgels (GlaxoSmithKline Consumer Healthcare GmbH & Co. KG, München, Deutschland) gezeigt werden. Im Vergleich zum fettfreien Olfen® Gel (Mepha Pharma AG, Basel, Schweiz) zeigte Voltaren® Emulgel eine vollständige Freisetzung unter den erschwerten Löslichkeitsbedingungen.
Mit Hydrocortison als Modellsubstanz wurden vier verschiedene Proliposomen zur vaginalen An¬wendung formuliert. Neben der Charakterisierung der Partikelgröße und der Verkapselungs¬effizienz wurden Messungen mit dynamischer Differenzkalorimetrie durch-geführt und Aufnahmen zur morphologischen Charakterisierung mittels Transmissions-elektronen¬mikroskopie der Liposomen erstellt. Die Wirkstofffreisetzung des Hydrocortisons aus dem rekonstituierten liposomalen Gel sowie die Permeabilität über eine Zellmonoschicht wurde vergleichend untersucht. Dabei wurden Zelllinien aus humanem Cervixkarzinom beziehungsweise Endometriumkarzinom eingesetzt. Die Unterschiede der Formulierungen konnten vom DR sensitiver erfasst werden und die Verkapselungseffizienz als relevanter Faktor für die in vivo-Performance festgelegt werden.
Weil die tatsächliche Wirkstofffreisetzung durch die Permeation über die Dialysemembran überlagert werden kann, wurde neben der Standardisierung der Konstruktion die Auswertung mit Hilfe eines neuen mathematischen Modells, das auf dem Fick’schen Diffusionsgesetz basiert, verbessert. Das Normalisieren des Freisetzungsprofils mit Hilfe des mathematischen Modells dient dazu, die tatsächliche Wirkstofffreisetzung zu berechnen und den Vergleich verschiedener Freisetzungen ohne den Einfluss der Membranpermeation zu ermöglichen. Im Zuge der Validierung des DR wurde das mathematische Modell ebenfalls erfolgreich validiert.
In der vorliegenden Forschungsarbeit wurde eine neue Konstruktion des DR für die kommerzielle Anwendung entwickelt und validiert. Nebenbei wurde der Auswerteprozess zur Berechnung der diffusionsbereinigten Wirkstofffreisetzung vereinheitlicht und validiert. Zuletzt wurde das Anwendungsgebiet des DR von parenteralen Nanoformulierungen auf halbfeste Arzneiformen erweitert.
Structure-function relationships in substrate binding protein dependent secondary transporters
(2023)
This work provides new insights into the relevance of SBP dependent secondary transport systems, especially in the thus far under-researched subgroup of TAXI transporters. Importantly, we identified and characterized the TAXI transport system TAXIPm-PQM from Proteus mirabilis. We demonstrated that, in contrast to previously characterized SBP dependent secondary transport systems, TAXIPm-PQM is a proton coupled system and transports the C5-dicarboxylate α- ketoglutarate. Since initially the transport of α-ketoglutarate could only be demonstrated in vivo but not in vitro using established protocols (Mulligan et al. 2009), we investigated in detail the differences between the in vivo and in vitro assay. This resulted in a bioinformatic analysis of TRAP and TAXI signal peptides, which strongly implied that TAXIPm-P requires a transmembrane anchor to allow for transport. We then provided TAXIPm-P surface tethered to the membrane in in vitro transport assays and confirmed the prediction of our bioinformatic analysis that TAXIPm-PQM deploys a membrane-anchored instead of a soluble SBP. Furthermore, the TAXI transport system TAXIMh-PQM from Marinobacter hydrocarbonoclasticus transports fumarate only if both membrane domains Q and M are present. For further characterization, Michaelis-Menten kinetics and affinities were determined for both TAXI transport systems TAXIPm-PQM from Proteus mirabilis and TAXIMh-PQM from Marinobacter hydrocarbonoclasticus. In addition, nanobodies were selected for the membrane domain TAXIPm-QM from Proteus mirabilis to stabilize different conformations which can serve in subsequent structural elucidation studies. Furthermore, the TRAP SBP TRAPHi-SiaP from Haemophilus influenzae was shown to interact not only with its corresponding membrane domain TRAPHi-SiaQM but with at least one additional transporter. It was thereby excluded that TRAPHi- SiaP transfers N-acetylneuraminic acid to the only native E. coli TRAP transporter TRAPEc-YiaMNO and suggested to rather interact with a SBP dependent ABC transport system as this protein family represents the largest SBP dependent protein group in E. coli (Moussatova et al. 2008).