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Nuclear pore complexes (NPCs) constitute giant channels within the nuclear envelope that mediate nucleocytoplasmic exchange. NPC diameter is thought to be regulated by nuclear envelope tension, but how such diameter changes are physiologically linked to cell differentiation, where mechanical properties of nuclei are remodeled and nuclear mechanosensing occurs, remains unstudied. Here we used cryo-electron tomography to show that NPCs dilate during differentiation of mouse embryonic stem cells into neural progenitors. In Nup133-deficient cells, which are known to display impaired neural differentiation, NPCs however fail to dilate. By analyzing the architectures of individual NPCs with template matching, we revealed that the Nup133-deficient NPCs are structurally heterogeneous and frequently disintegrate, resulting in the formation of large nuclear envelope openings. We propose that the elasticity of the NPC scaffold mechanically safeguards the nuclear envelope. Our studies provide a molecular explanation for how genetic perturbation of scaffolding components of macromolecular complexes causes tissue-specific phenotypes.
Upon infection, human immunodeficiency virus (HIV-1) releases its cone-shaped capsid into the cytoplasm of infected T-cells and macrophages. As its largest known cargo, the capsid enters the nuclear pore complex (NPC), driven by interactions with numerous FG-repeat nucleoporins (FG-Nups). Whether NPCs structurally adapt to capsid passage and whether capsids are modified during passage remains unknown, however. Here, we combined super-resolution and correlative microscopy with cryo electron tomography and molecular simulations to study nuclear entry of HIV-1 capsids in primary human macrophages. We found that cytosolically bound cyclophilin A is stripped off capsids entering the NPC, and the capsid hexagonal lattice remains largely intact inside and beyond the central channel. Strikingly, the NPC scaffold rings frequently crack during capsid passage, consistent with computer simulations indicating the need for NPC widening. The unique cone shape of the HIV-1 capsid facilitates its entry into NPCs and helps to crack their rings.
Tree-related microhabitats (TreMs) describe the microhabitats that a tree can provide for a multitude of other taxonomic groups and have been proposed as an important indicator for forest biodiversity (Asbeck et al., 2021). So far, the focus of TreM studies has been on temperate forests, although many trees in the tropics harbour exceptionally high numbers of TreMs. In this study, TreMs in the lowland tropical forests of the Choco (Ecuador) and in the mountain tropical forests of Mount Kilimanjaro (Tanzania) were surveyed. Our results extend the existing typology of TreMs of Larrieu et al. (2018) to include tropical forests and enabled a comparison of the relative recordings and diversity of TreMs between tropical and temperate forests. A new TreM form, Root formations, and three new TreM groups, concavities build by fruits or leaves, dendrotelms, and root formations, were established. In total, 15 new TreM types in five different TreM groups were specified. The relative recordings of most TreMs were similar between tropical and temperate forests. However, ivy and lianas, and ferns were more common in the lowland rainforest than in temperate forests, and bark microsoil, limb breakage, and foliose and fruticose lichens in tropical montane forest than in lowland rainforest. Mountain tropical forests hosted the highest diversity for common and dominant TreM types, and lowland tropical forest the highest diversity for rare TreMs. Our extended typology of tree-related microhabitats can support studies of forest-dwelling biodiversity in tropical forests. Specifically, given the ongoing threat to tropical forests, TreMs can serve as an additional tool allowing rapid assessments of biodiversity in these hyperdiverse ecosystems.
Sentence repetition tasks (SRTs) have been extensively used as measures of bilinguals’ language abilities. Most studies relied on SRTs in which the target sentences were not connected to each other. However, participants’ performance may differ if these sentences are embedded in discourse, since discourse provides participants with additional cues for sentence comprehension and interpretation. For the present study, we designed a discourse-based SRT, whereby the target sentences were connected to each other in a story. We examined the effect of discourse on bilinguals’ performance in the SRT and investigated whether this effect varied based on the language of administration, bilinguals’ dominance score and type of target structure. We tested 32 Italian-German bilingual children (7–12 years) living in Germany with two SRTs in each language, one with discourse and one without discourse. Participants showed a better performance in the SRTs with discourse, especially in the heritage language (Italian). The effect of discourse was visible across the board with all target structures. On the whole, SRTs with discourse seem to reduce the processing costs associated with lexical retrieval and shifts in scenarios, thus tapping more directly into children's processing abilities, compared to more traditional SRTs. The results are discussed in terms of ecological validity of different assessment instruments.
Most studies on bilingual children's metalinguistic awareness assess metalinguistic awareness using monolingual tasks. This may not reflect how a bilingual's languages dynamically interact with each other in creating metalinguistic representations. We tested 33 Greek–Italian bilingual children (8–11 years) for metalinguistic awareness using acceptability-rating tasks in which they had to judge and explain grammatical errors. The tasks were in monolingual and bilingual modes in order to show how far metalinguistic awareness in Italian benefited from the activation of Greek. The participants exhibited better metalinguistic awareness abilities in Italian in the bilingual acceptability-rating task in which Greek was activated. The benefits of the bilingual mode were visible in the judgment and explanation of errors and were modulated by syntactic processing abilities in Italian, length of exposure to Italian, type of structure, and age. The results show that metalinguistic awareness can be shared across languages. We discuss the pedagogical implications of our findings.
There has been a growing awareness of the need for scientific research to focus on somatic and mental comorbidities in recent years due to the emerging evidence showing their substantial overlap at numerous levels. In this special issue, initiated by members of the EU-funded PRIME consortium (“Prevention and Remediation of Insulin Multimorbidity in Europe; www.prime-study.eu), the focus is on the comorbidities of metabolic disturbances, especially related to insulin signalling dysregulation and mental and neurological disorders. Thus, while obesity, type 2 diabetes, and metabolic syndrome are commonly known to be insulin-related disorders, the last decades have shown that neurodegenerative disorders, such as Alzheimer’s disease, as well as neurodevelopment disorders, such as obsessive-compulsive disorder (OCD), autism spectrum disorders (ASDs) and attention deficit / hyperactivity disorder (ADHD) also fall into this category. The special issue draws together a series of basic and clinical review articles that describe the current knowledge and future perspectives regarding insulin comorbidities across a multidisciplinary group of experts
CFTR ist ein Chloridkanal, der bei der rezessiven Erbkrankheit Mukoviszidose defekt ist. Es ist bekannt, dass CFTR durch Proteinkinasen aktiviert und seine Aktivität durch Nukleotide reguliert wird. Die Regulation von CFTR wurde unter zwei verschiedenen Gesichtspunkten untersucht. Zum einen wurden Experimente durchgeführt, die Aufschluss über die Beteiligung der Nukleotidbindedomänen beim Öffnen und Schließen des Kanals und über die Notwendigkeit einer ATP-Hydrolyse geben sollten. Zum anderen wurde untersucht, ob neben der durch Proteinkinasen vermittelten Aktivierung von CFTR ein alternativer Prozess existiert. Hierbei wurde ein Regulationsmechanismus entdeckt, der eine Proteinkinase-unabhängige Aktivierung von CFTR durch Phosphatidylinositolphosphate ermöglicht.
Humaner CFTR wurde in Oozyten des Krallenfrosches Xenopus laevis heterolog exprimiert und mit der Patch-Clamp-Methode untersucht. Stationäre und zeitaufgelöste Ströme des CFTR-Wildtyps wurden mit mutierten CFTR-Kanälen verglichen. Das Lysin im Walker AMotiv ist an der Koordinierung des γ-Phosphats von MgATP bei der Hydrolyse beteiligt, so dass Walker A-Mutationen die ATP-Bindung und –Hydrolyse von ATPasen beeinflussen. In dieser Arbeit wurden Walker A-Mutanten untersucht, die eine Substitution des konservierten Lysins innerhalb der Walker A-Sequenz der NBD1 (K464A) oder beider Nukleotidbindedomänen (K464A/K1250A) aufwiesen. Da die Öffnungsgeschwindigkeit der Mutante K464A kaum einen Unterschied zu der des Wildtyps aufzeigte, die Mutante K1250A jedoch das Öffnen stark verlangsamte, wurde gefolgert, dass keine Hydrolyse von ATP an der NBD1 für die Öffnung nötig ist. Während Wildtyp-Kanäle auf eine gleichzeitige Applikation von ATP und AMP-PNP, einem nichthydrolysierbaren ATP-Analogon, mit einem verlängerten Offenhalten der Kanäle („locked open“–Effekt) reagierten, das sich in einem langsamen Schließen der Kanäle äußerte, konnte bei K464A-Mutanten dieser Effekt nicht beobachtet werden. Außerdem erfolgte das Schließen der Doppelmutante K464A/K1250A im Vergleich zur Einzelmutante K1250A nach MgATP-Entzug schneller. Daraus wurde geschlossen, dass die NBD1 auf das durch die NBD2 vermittelte Offenhalten des Kanals, möglicherweise durch eine direkte Interaktion, regulierend einwirkt, bevor letztere den Kanal wieder schließt. Da auch ein Öffnen und Schließen des CFTR-Kanals unter Mg2+-freien Bedingungen zu beobachten war, unter denen keine ATP-Hydrolyse erfolgen kann, konnte die Notwendigkeit einer ATP-Hydrolyse bezüglich des Kanalgatings ausgeschlossen werden. Ein Einwirken der NBD1 auf das Offenhalten der Kanäle durch die NBD2 war unter nicht-hydrolytischen Bedingungen anhand des Vergleichs der Schließkinetiken von WT und Mutante K464A nicht feststellbar, so dass eine direkte Interaktion beider Nukleotidbindedomänen wahrscheinlich ausgeschlossen werden kann.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der Effekt des Phospholipids Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) auf CFTR-Kanäle untersucht. Die Applikation von PIP2 und MgATP zu unphosphorylierten CFTR-Kanälen zeigte einen deutlichen Stromanstieg, der einem Chloridstrom entsprach. Einzelkanaluntersuchungen ergaben, dass durch PKA induzierte Kanäle und Einzelkanäle, die durch PIP2 aktiviert wurden, dieselbe Leitfähigkeit von ~5 pS besaßen. Somit konnte eine PIP2-induzierte Aktivität endogener Chloridkanäle ausgeschlossen und ein Einfluss des Phospholipids auf CFTR-Chloridkanäle bewiesen werden, der zudem ATP-abhängig war.
Neben PIP2, welches den stärksten Effekt auf die CFTR-Aktivität zeigte, konnten auch Phosphatidylinositol (PI) und Phosphatidylinositol-4-monophosphat (PIP), sowie Arachidonsäure unphosphorylierte CFTR-Kanäle aktivieren. Damit wurde gezeigt, dass der Effekt des Signalanstiegs durch Phosphatidylinositole abhängig von der Struktur des Moleküls war, also von der Anzahl der Phosphatgruppen am Inositolring und der Fettsäurezusammensetzung des Phospholipids.
Experimente, die unter Mg 2+-freien Bedingungen durchgeführt wurden, so dass eine Phosphorylierungsreaktion durch Kinasen ausgeschlossen werden konnte, zeigten dennoch eine PIP2-vermittelte Aktivierung von unphosphorylierten CFTR-Kanälen. Auch eine Substitution des nicht-hydrolysierbaren ATP-Analogons AMP-PNP anstelle von ATP erlaubte die Öffnung unphosphorylierter CFTR-Kanäle. Mit diesen beiden Ergebnissen wurde gezeigt, dass eine PIP2-vermittelte Aktivierung von unphosphorylierten CFTR-Kanälen unabhängig von einer Proteinphosphorylierung ist.
Physiologisch betrachtet könnte man sich vorstellen, dass über die Aktivierung von Lipidkinasen die Synthese von PIP2 über PI und PIP stimuliert wird, so dass das Phospholipid, wie für viele Ionenkanäle und Transporter gezeigt, eine direkte Interaktion mit dem Protein eingeht. Eine ATP-abhängige Synthese von PIP2 in Makropatches an Xenopus-Oozyten durch endogene Lipidkinasen könnte eine mögliche Erklärung für den gezeigten ATP-abhängigen Anstieg des CFTR-Signals sein.
In dieser Arbeit wurde bei CFTR-Kanälen zum ersten Mal ein alternativer Regulationsmechanismus über Phosphatidylinositolphosphate identifiziert, der Proteinkinaseunabhängig ist und der möglicherweise über eine direkte Interaktion zwischen dem Phospholipid und dem Protein vermittelt wird.
Die HIV-Infizierung von Zellkulturen in vitro ist essentiell für das Verstehen der Kinetik der Virusreplikation, für die Aufdeckung von Resistenzentwicklungen gegenüber antiretroviraler Medikamente und für die Entwicklung neuer antiretroviraler Therapiestrategien. Voraussetzung hierfür ist ein geeignetes Monitoring der HIV-Infektion von in vitro infizierten Zellen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Monitoring der HIV-Replikation von in vitro infizierten Zellen mittels der Real-Time TaqMan™ PCR. Die Ergebnisse der Real-Time TaqMan™ PCR wurden mit denen eines p24 ELISAs verglichen. Der p24 ELISA diente als etablierte Standardmethode zum Monitoring einer in vitro HIV-Infektion. HUT 78-Zellen wurden in vitro mit vier unterschiedlichen HIV-1 IIIb Infektionsdosen (MOI 0,05; MOI 0,01; MOI 0,002; MOI 0,0005) infiziert. Mittels der Real-Time TaqMan™ PCR wurde die HIV-1 gag cDNA quantifiziert. Mittels ELISA erfolgte die Quantifizierung des HIV-p24. Zusätzlich dazu wurde die Anzahl an proviralen HIV-1 Transkripten in den Zellkulturen mittels der TaqMan™ PCR quantifiziert. Die Quantifizierung der HIV-1 gag cDNA und des p24 ergaben nahezu identische Kurvenverläufe der Infektionskinetiken. Beide Nachweismethoden zeigten vergleichbare Daten bezüglich des exponentiellen Ansteigens und der sich daran anschließenden Plateauphase der HIV-Replikation. Die Sensitivität beider Nachweismethoden war ebenfalls vergleichbar. Ein großer Unterschied lag in den Messbereichen beider Methoden. Bei der Real-Time TaqMan™ PCR konnte eine Linearität über 7 log-Stufen
demonstriert werden. Dies hatte den Vorteil, dass die Zellkulturproben vor der Quantifizierung der HIV-1 gag cDNA nicht verdünnt werden mussten. Im Gegensatz dazu war der Messbereich des HIV-p24 ELISAs sehr eng und erforderte in den meisten Fällen eine Verdünnung der Messproben. Bezüglich des Arbeitsaufwandes und der aufkommenden Kosten ergaben sich für die Quantifizierung der HIV-1 gag cDNA mittels der Real-Time TaqMan ™ und für die Quantifizierung des p24 mittels ELISA nahezu identische Werte. Der Verlauf der Werte an proviralen HIV-1 Transkripten ähnelt dem der HIV-1 gag cDNA Kinetik. Mittels der Quantifizierung der proviralen HIV-1 Kopien kann jedoch keine Aussage über die HIV-Replikation getroffen werden. Abschließend ist zu sagen, dass die Real-Time TaqMan™ PCR eine zuverlässige und sensitive Methode ist, eine HIV-1 Replikation von in vitro infizierten Zellen zu quantifizieren und den Replikationsverlauf zu beschreiben. Die Real-Time TaqMan™ PCR stellt eine alternative Methode zum HIV-p24 ELISA dar, um eine in vitro HIV-Replikation zu dokumentieren.
NAD(P)H oxidase, the main source of reactive oxygen species in vascular cells, is known to be regulated by redox processes and thiols. However, the nature of thiol-dependent regulation has not been established. Protein disulfide isomerase (PDI) is a dithiol/disulfide oxidoreductase chaperone of the thioredoxin superfamily involved in protein processing and translocation. We postulated that PDI regulates NAD(P)H oxidase activity of rabbit aortic smooth muscle cells (VSMCs). Western blotting confirmed robust PDI expression and shift to membrane fraction after incubation with angiotensin II (AII, 100 nm, 6 h). In VSMC membrane fraction, PDI antagonism with bacitracin, scrambled RNase, or neutralizing antibody led to 26-83% inhibition (p < 0.05) of oxidase activity. AII incubation led to significant increase in oxidase activity, accompanied by a 6-fold increase in PDI refolding isomerase activity. AII-induced NAD(P)H oxidase activation was inhibited by 57-71% with antisense oligonucleotide against PDI (PDIasODN). Dihydroethidium fluorescence showed decreased superoxide generation due to PDIasODN. Confocal microscopy showed co-localization between PDI and the oxidase subunits p22(phox), Nox1, and Nox4. Co-immunoprecipitation assays supported spatial association between PDI and oxidase subunits p22(phox), Nox1, and Nox4 in VSMCs. Moreover, in HEK293 cells transfected with green fluorescent protein constructs for Nox1, Nox2, and Nox4, each of these subunits co-immunoprecipitated with PDI. Akt phosphorylation, a known downstream pathway of AII-driven oxidase activation, was significantly reduced by PDIasODN. These results suggest that PDI closely associates with NAD(P)H oxidase and acts as a novel redox-sensitive regulatory protein of such enzyme complex, potentially affecting subunit traffic/assembling.
Die Transkription vieler Gene wird über den Acetylierungsgrad der Histone reguliert. Entsprechend erweiterte die Entdeckung von Histondeacetylase-Inhibitoren das Verständnis um Transkriptions-Repressoren und ihre Rolle in der Pathogenese beträchtlich. Zur Zeit stehen die Modifikationen der Histondeacetylasen (HDACs) sowie die biologischen Rollen der verschiedenen HDAC-Isoenzyme im Zentrum intensiver Forschungsarbeiten.
In der vorliegenden Arbeit wurde anhand verschiedener Zelllinien und mit murinem Primärmaterial nachgewiesen, dass das gut verträgliche Antiepileptikum Valproinsäure (VPA) ein potenter HDAC-Inhibitor ist. Dies zeigt sich daran, dass VPA in vivo die durch HDACs vermittelte transkriptionelle Repression aufhebt und zur Akkumulation hyperacetylierter Histone führt. In vitro Enzymassays weisen darauf hin, dass VPA selbst und nicht ein hypothetischer Metabolit die Histondeacetylasen hemmt. Darüber hinaus wurde mit Bindungs- und Kompetitionsstudien festgestellt, dass eine Interaktion von VPA mit dem katalytischen Zentrum der HDACs stattfindet.
Weitere Analysen zeigten, dass VPA bevorzugt Klasse I HDACs hemmt. Durch dieses Merkmal einer erhöhten Spezifität bei gleichzeitig guter Bioverfügbarkeit definiert VPA eine neue Klasse von HDAC-Inhibitoren. Hieraus ergeben sich Hinweise auf strukturelle Anforderungen, die ein HDAC-Inhibitor erfüllen muß, um spezifischer und weniger toxisch als konventionelle Chemotherapeutika zu wirken. Außerdem eröffnete das neu entdeckte pharmakologische Wirkungsspektrum von VPA auf HDACs Erkenntnisse um zusätzliche therapeutische Einsatzmöglichkeiten dieses etablierten Arzneimittels. Bereits jetzt wird VPA in klinischen Studien an Patienten mit Krebs verabreicht.
HDAC-Inhibitoren gelten als potentielle Medikamente für die Therapie maligner Neoplasien. Deshalb besteht großes Interesse an den molekularen Mechanismen, mit denen Substanzen dieser Wirkstoffklasse das Wachstum transformierter Zellen in vitro und in vivo hemmen. In den humanen Melanomzelllinien SK-Mel-37 und Mz-Mel-19 bewirken klinisch relevante VPA-Dosen eine zeit- und dosisabhängige Akkumulation von Zellzyklusinhibitoren und hyperacetylierten Histonen, morphologische Veränderungen und eine verringerte Proliferationsrate. Die verminderte Proliferation wird von einem veränderten Zellzyklusprofil und Apoptose unter Beteiligung sowohl der extrinsisch als auch der intrinsisch bedingten Caspase-Kaskade begleitet. Dies manifestiert sich in der Spaltung der Caspasen 3, 8 und 9, einer Schädigung der Mitochondrien, der apoptotischen PARP-Spaltung, einem Abbau der genomischen DNA und einer Inaktivierung des GFP-Proteins.
Diese Analysen in Melanomzellen sprechen dafür, dass die weitgehend selektive Wirkung von VPA auf Klasse I HDACs der Mechanismus ist, mit dem diese Substanz das Wachstum bestimmter Tumorzellen hemmt. Durch Genexpressions-Analysen konnten außerdem neue Modelle zum Einfluss von VPA auf solide Tumoren postuliert werden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Expression und Induzierbarkeit der Zellzyklusregulatoren p21WAF/CIP1 und p27Kip1 und des latent cytoplasmatischen Transkriptionsfaktors Stat1 Biomarker für die Sensitivität von Melanomzellen gegenüber HDAC-Inhibitoren sind. Im Einklang hiermit wird die proapoptotische Wirkung von VPA durch das Cytokin Interferon α und den S-Phase-Inhibitor Hydroxyharnstoff deutlich gesteigert. Diese Ergebnisse sprechen für den Einsatz von VPA in tierexperimentellen und klinischen Studien.
Aufgrund der Schlüsselrolle der HDACs für die physiologische und aberrante Genexpression ist es wichtig, die Mechanismen ihrer Regulation zu kennen. In der vorliegenden Arbeit wurde anhand zahlreicher kultivierter Zelllinien und mittels eines Mausmodells gezeigt, dass therapeutisch einsetzbare VPA-Dosen neben der Hemmung enzymatischer Aktivität auch zu einer isoenzymspezifischen Verringerung der Klasse I Histondeacetylase HDAC2 führen. Als Ursache hierfür konnten eine verstärkte Poly-Ubiquitinylierung und ein proteasomaler Abbau ermittelt werden. Gleichzeitig wurden die Beteiligung etlicher Proteasen und eine veränderte Synthese oder Prozessierung der HDAC2-mRNA als Mechanismen ausgeschlossen.
Expressionsanalysen identifizierten die E2 Ubiquitinkonjugase Ubc8 als von HDAC-Inhibitoren induziertes Gen. Mittels transienter Überexpression („Gain-of-Function“) und siRNA-Experimenten („Loss-of-Function“) konnte dieses Gen als limitierender Faktor des HDAC2-Umsatzes in vivo erkannt werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass die E3 Ubiquitinligase RLIM spezifisch mit HDAC2 interagiert. Die Expression von RLIM beziehungsweise seine enzymatische Funktion beeinflusst die HDAC2-Konzentration in vivo. Hierbei kann VPA klar von dem HDACInhibitor Trichostatin A (TSA) abgegrenzt werden. Dieser hemmt ein breites Spektrum an HDACs und induziert Ubc8, führt aber gleichzeitig zu einem proteasomal vermittelten Abbau des RLIM-Proteins. Analysen mit überexprimiertem RLIM zeigten, dass TSA aufgrund dieses Mechanismus nicht in der Lage ist, den Abbau von HDAC2 zu induzieren. Somit ist im Rahmen dieser Arbeit die Ubiquitinylierungs-Maschinerie für HDAC2 charakterisiert worden. Hierdurch sind neue Aspekte zum Zusammenspiel zwischen dem Ubiquitin-Proteasom-System und der Transkriptionsrepression nachgewiesen worden.
Isoenzymspezifische HDAC-Inhibitoren können zur Aufklärung der Funktion einzelner Histondeacetylasen beitragen, insbesondere wenn Knock-Out-Studien zu aufwendig oder aufgrund embryonaler Letalität nicht durchführbar sind. Die Wichtigkeit dieser Analysen wird gerade bei HDAC2 deutlich, da diese Histondeacetylase in vielen soliden und hämatologischen Tumoren überexprimiert ist, und ihre Deregulation möglicherweise zur Krebsentstehung beiträgt. Die in der vorliegenden Arbeit identifizierte Regulation dieses HDAC-Isoenzyms könnte Hinweise auf den Ablauf eines malignen Transformationsprozesses geben. Darüber hinaus zeigt der nachgewiesene Regulationsmechanismus Erfordernisse und potentielle Zielstrukturen einer pharmakologischen Intervention auf. Schließlich könnten die Selektivität von VPA für Klasse I HDACs zusammen mit der Spezifität für HDAC2 die Gründe für die geringen Nebenwirkungen der VPA-Behandlung bei gleichzeitigem Auftreten antitumoraler Effekte sein.