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The transporter associated with antigen processing (TAP) plays a key role in adaptive immunity by translocating proteasomal degradation products from the cytosol into the endoplasmic reticulum lumen for subsequent loading onto major histocompatibility (MHC) class I molecules. For functional and structural analysis of this ATP-binding cassette complex, we established the overexpression of TAP in the methylotrophic yeast Pichia pastoris. Screening of optimal solubilization and purification conditions allowed the isolation of the heterodimeric transport complex, yielding 30 mg of TAP/liter of culture. Detailed analysis of TAP function in the membrane, solubilized, purified, and reconstituted states revealed a direct influence of the native lipid environment on activity. TAP-associated phospholipids, essential for function, were profiled by liquid chromatography Fourier transform mass spectrometry. The antigen translocation activity is stimulated by phosphatidylinositol and -ethanolamine, whereas cholesterol has a negative effect on TAP activity.
Dichlorido(3-phenylindenylidene)bis(triphenylphosphane)ruthenium(II) tetrahydrofuran disolvate
(2011)
The RuII atom in the title compound, [RuCl2(C15H10)(C18H15P)2]·2C4H8O, has a distorted square-pyramidal conformation. The P and Cl atoms are at the base of the pyramid and the Ru-Cindenylidene bond is in the axial position. The two Cl ligands and the two phosphane ligands are in trans positions. The Cl-Ru-Cl and P-Ru-P angles are 157.71 (2) and 166.83 (2)°, respectively. The two independent tetrahydrofuran (THF) solvent molecules are disordered. One THF molecule was refined using a split-atom model. The second THF molecule was accounted for by using program PLATON/SQUEEZE [Spek (2009). Acta Cryst. D65, 148-155]. The molecular conformation shows three intramolecular C-H...Cl contacts and two C-H...[pi] interactions while the crystal packing features an intermolecular C-H...Cl contact and two very weak intermolecular C-H...[pi] contacts.
The title compound, C30H16N4O4, reveals \overline1 crystallographic and molecular symmetry and accordingly the asymmetric unit comprises one half-molecule. The dihedral angle between the planes of the two geminal benzoxazole rings is 74.39 (5)°. The packing features weak C-H...N and [pi]-[pi] interactions [centroid-centroid distance = 3.652 (1) Å].
To examine their luminescence behavior, two air-stable BN addition compounds were synthesized by the reaction of 5-fluoro-2-(2′-pyridyl)indole with 1,4- and 1,3-bis(bromo(methyl)boryl)benzene, respectively. Both BN adducts are luminescent. Their emission maxima (1,3-substituted BN adduct: 495 nm; 1,4-substituted BN adduct: 497 nm) are comparable with the value (490 nm) of the related mono-borylated benzene species, which is composed of a BPh2 fragment and a 5-fluoro-2-(2′-pyridyl) indole unit. The starting materials 1,4- and 1,3-bis(bromo(methyl)boryl)benzene were accessible by treatment of 1,4- or 1,3-bis(dibromoboryl)benzene with two equivalents of SnMe4. In addition, the results of the X-ray structure analyses of the B,B′-bis-5-fluoro-2-(2′-pyridyl)indolyl-complexed meta-bismethylborylbenzene fragment (9, triclinic, P1̅) as well as of 5-chloro-2-(2′-pyridyl)indole (2, monoclinic, P21/c) and 5-fluoro-2-(2′-pyridyl)indole (1, orthorhombic, Pca21) are reported. The pyridylindole derivatives of this approach were synthesized by an optimized two-step procedure from 2-acetylpyridine and 4-fluoro- or 4-chlorophenylhydrazine hydrochloride.
Single crystals suitable for X-ray diffraction of (tBu2P)3Ga (monoclinic, space group Cc) were obtained from GaCl3 and two equivalents of Li[PtBu2] at room temperature in benzene. The phosphanylgallane (tBu2P)3Ga was also produced via a one-pot approach by reaction of GaCl3 with three or more than three equivalents of Li[PtBu2]. However, treatment of one equivalent of GaCl3 with one equivalent of Li[PtBu2] and subsequent protolysis yielded [tBu2PH2][tBu2P(GaCl3)2 - Li(Cl3Ga)2PtBu2]. Single crystals of this phosphonium salt (monoclinic, space group Cc) were obtained from benzene at room temperature.
Identifizierung und Charakterisierung neuer Inhibitoren der C2-ähnlichen Domäne der 5-Lipoxygenase
(2011)
Die 5-Lipoxygenase (5-LO) katalysiert die ersten beiden Schritte der Leukotrien (LT)-Biosynthese (Samuelsson et al., 1987). Das Substrat Arachidonsäure (AA) wird im ersten Schritt zu einem Fettsäurehydroperoxid, der 5(S)-Hydroperoxy-6-trans-8,11,14-cis-Eikosatetraensäure (5-HpETE) oxidiert. Durch Dehydrierung entsteht im zweiten Reaktionsschritt das instabile Epoxid LTA4. Weiter wandeln zwei Synthasen das LTA4 zum einen in LTB4 oder zum anderen in die Cysteinyl-LTs C4, D4 und E4 um (Samuelsson et al., 1987). Die 5-LO wird in Zellen myeloiden Ursprungs exprimiert und kommt vor allem in reifen Leukozyten vor.
LTs spielen eine wichtige Rolle bei der angeborenen Immunantwort und vermitteln vor allem entzündliche und allergische Reaktionen (Funk 2001; Peters-Golden & Henderson, 2007). Asthma bronchiale, kardiovaskuläre Erkrankungen wie Atherosklerose, Osteoporose oder verschiedene Krebsarten werden im Zusammenhang mit der 5-LO untersucht (Werz & Steinhilber, 2006). Die Inhibition der LT-Biosynthese oder die Senkung der LT-Spiegel stellt eine Möglichkeit dar, den entzündungsfördernden Eigenschaften entgegenzuwirken. Inhibitoren der LT-Biosynthese lassen sich in indirekte und direkte 5-LO-Inhibitoren gliedern. Zu den indirekten 5-LO-Inhibitoren zählen FLAP-Antagonisten (Young, 1991; Evans et al., 2008) sowie CysLT1-Rezeptorantagonisten (Darzen, 1998). Von den vier Gruppen der direkten 5-LO-Inhibitoren (redoxaktive, Eisenligand-, nichtredox- sowie diverse Inhibitoren (Pergola & Werz, 2010)) ist bisher nur Zileuton (Carter et al., 1991), ein Eisenligand-Inhibitor, als Wirkstoff zur Behandlung von Asthma bronchiale in den USA zugelassen.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die neuartige Klasse der Imidazo[1,2-a]pyridine hinsichtlich ihrer 5-LO-Inhibition, ihrer Löslichkeit sowie ihrer Effekte auf die Zellviabilität zu evaluieren und zu optimieren. Dabei stand das Verständnis der Rezeptor-Ligand-Wechselwirkung im Fokus. Ausgehend von Substanz A14, der potentesten Substanz eines virtuellen Screenings nach dualen COX/5-LO-Inhibitoren (Hofmann et al., 2008), wurden 78 Substanzen in ionophor-stimulierten intakten polymorphkernigen Leukozyten (PMNL) sowie im zellfreien System, dem Überstand nach 100.000 × g Zentrifugation (S100) von homogenisierten PMNL, bezüglich ihrer inhibitorischen Aktivität untersucht. Die Effekte auf die Zellviabilität nach Inkubation mit den Substanzen für 48 h auf die humane leukämische Monozytenvorläufer Zelllinie U937 wurden mit Hilfe eines WST-Assays, der die mitochondriale Aktivität misst, sowie eines LDH-Assays, zur Bestimmung der Freisetzung von LDH als Folge von Nekrose, evaluiert.
Innerhalb der Struktur-Aktivitäts-Beziehung (SAR) der 78 Derivate konnte kein eindeutiges Substitutionsmuster, das sowohl in intakten PMNL als auch in zellfreiem S100 zu den gleichen Schlüssen führt, festgestellt werden. Ausgehend von Substanz A14 konnte die inhibitorische Aktivität verbessert werden, wobei Substanzen mit nanomolaren IC50-Werten in beiden Assaysystemen resultierten. Die Substanzen lassen sich in drei strukturelle Teile gliedern: Einen oberen Teil am sekundären Amin, ein bizyklisches N-fusioniertes Imidazopyridin (Teil A) sowie einen Teil B am aromatischen Kern. Nur für den oberen Teil ließ sich ein allgemein-gültiges Substitutionsmuster feststellen. Am sekundären Amin führen in intakten PMNL größere Substituenten zu einer Verbesserung der inhibitorischen Aktivität, wobei dies bis zu einer Cyclohexylgruppe gilt und eine Adamantyl-Substitution eine Ausnahme bildet. Allgemein lässt sich feststellen, dass bei einer Cyclohexylgruppe am sekundären Amin und einer Methylgruppe an Position 6 in Teil A, die Substituenten in Teil B stark variieren können, ohne an inhibitorischer Aktivität zu verlieren. Werden innerhalb des oberen Teils oder in Teil A die Substituenten polarer, sind in Teil B weniger Variationen möglich. Es werden insbesondere lipophile Reste toleriert. Beim Versuch, die Löslichkeit zu verbessern, zeigte sich, dass ein Gleichgewicht zwischen polaren und unpolaren Substituenten vorliegen muss. Auch die Einflüsse der Substituenten auf die Zellviabilität konnten nicht einem allgemein-gültigen Muster unterworfen werden. Mit Substanz 15 konnte ein Derivat identifiziert werden, das verglichen mit der Ausgangssubstanz A14 eine verbesserte inhibitorische Aktivität aufweist (IC50-Werte von 0,16 µM (PMNL) und 0,1 µM (S100)), löslicher ist (clogP-Wert von 4,6) und keine Nekrose auslöst. Weiter zeigten auch die Substanzen 31 und 50 eine Verbesserung der inhibitorischen Aktivität (IC50-Werte von 0,26 µM bzw. 0,58 µM (PMNL) und 0,8 µM bzw. 0,16 µM (S100)) ohne Nekrose auszulösen, wobei Substanz 50 zusätzlich eine verringerte Lipophilie (clogP-Wert von 4,2) aufweist. Substanz 76 ist mit einem IC50-Wert von 6 nM die im zellfreien System aktivste Substanz unter den 78 getesteten Derivaten.
Ein vielversprechender Vertreter dieser neuartigen Klasse der Imidazo[1,2-a]pyridine, Substanz 15 (EP6), wurde in verschiedenen Assaysystemen charakterisiert. EP6 ist ein hochwirksamer Inhibitor der 5-LO mit einem IC50-Wert von 0,16 µM in intakten PMNL und weist im zellfreien S100 von PMNL einen IC50-Wert von 0,1 µM, am partiell gereinigten Enzym einen IC50-Wert von 0,05 µM auf. Die vergleichbare inhibitorische Aktivität in intakten Zellen sowie im zellfreien System lässt auf eine direkte Inhibition der 5-LO schließen. Die Zugabe der allosterischen Faktoren ATP oder Calcium hat keinen Einfluss auf die Potenz von EP6. Auch ist die Inhibition nicht vom Redoxzustand der Zelle abhängig, wie im Falle bekannter nichtredox-Inhibitoren (Werz et al., 1998). Die Zugabe von steigenden Mengen an exogenem Substrat AA zu S100 von PMNL führt zu keiner Beeinträchtigung der Potenz von EP6, was im Vergleich zu den nichtredox-Inhibitoren einen Vorteil bei entzündlichen Prozessen mit erhöhten Lipidhydroperoxid-Spiegeln darstellt. Bei ionophor-stimulierten PMNL ohne die Zugabe von exogenem Substrat resultiert ein sechsfach höherer IC50-Wert von 1,2 µM, der auf eine allosterische Inhibition durch EP6 hinweist, bei der Substrat in ausreichenden Mengen vorliegen muss, damit EP6 mit dem 5-LO-AA-Komplex interagieren kann. Darüber hinaus inhibiert EP6 die LT-Bildung unabhängig von der Art der 5-LO-Stimulation bei einer Zugabe von 20 µM exogener AA. Der physiologische Stimulus in PMNL über N-Formylmethionyl-Leucyl-Phenylalanin (fMLP) führt zu einem höheren IC50-Wert von 0,76 µM mit Zugabe von 20 µM AA und bestätigt die Ergebnisse von ionophor-stimulierten PMNL ohne Zugabe von exogenem Substrat. Für EP6 konnte weiterhin eine allosterische Bindestelle an der C2-ähnlichen Domäne der 5-LO postuliert werden. Die Zugabe von Phosphatidylcholin führte zu einer verminderten inhibitorischen Aktivität. Durch Experimente mit einer Mutante der 5-LO, bei der die Tryptophane, welche die Membranbindung vermitteln, ausgetauscht sind (3W-Mutante), konnte die Interaktion dieser Aminosäuren mit EP6 gezeigt werden. Über einen Kompetitionsassay mit der C2-ähnlichen Domäne, Mutations- und Docking-Studien, wurden die Aminosäuren Y81, Y100 und Y383 des Interfaces der beiden Domänen der 5-LO als essentiell für die Bindung identifiziert. Somit zählt EP6 als Vertreter der Klasse der Imidazo[1,2-a]pyridine neben Hyperforin und AKBA zu den einzigen mit der C2-ähnlichen Domäne interagierenden 5-LO-Inhibitoren.
EP6 ist ein selektiver Inhibitor der 5-LO, der die 15-LO1, 15-LO2 und 12-LO nicht inhibiert. Weiterhin werden drei weitere Enzyme der AA-Kaskade, die Cyclooxygenase-1 und -2 sowie die mikrosomale Prostaglandin E2 Synthase-1 nicht durch EP6 beeinflusst. Neben der humanen 5-LO wird auch die murine 5-LO, in intakten RAW 264.7 Zellen und deren S100 getestet, mit niedrig mikromolarem bzw. nanomolarem IC50-Wert inhibiert, was die erste Voraussetzung für potentielle in vivo Studien darstellt.
Die Inhibition der 5-LO-Produktbildung in humanem Vollblut konnte jedoch bis zu einer Konzentration von 30 µM EP6 nicht gehemmt werden. EP6 ist lipophil (clogP-Wert von 4,6) und weist eine hohe Plasmaproteinbindung (Bindung an humanes Serumalbumin von 97,5 ± 0,7% bei 10 µg/ml EP6) auf, was die Unwirksamkeit in humanem Vollblut erklären könnte.
Abschließend wurden die Effekte von EP6 auf die Zellviabilität untersucht. Die Experimente wurden zunächst in U937 bei einer Inkubationszeit von 48 h mit einer maximalen Konzentration von 30 µM EP6 durchgeführt. EP6 führt zu keinen unmittelbaren zytotoxischen Effekten innerhalb der Inkubationszeit der in dieser Arbeit durchgeführten Aktivitätsassays (gezeigt in PMNL). Weiter wurde jedoch gezeigt, dass die mitochondriale Aktivität nach Inkubation für 48 h mit einem EC50-Wert von 14 µM beeinträchtigt wird (WST-Assay). Dieser Effekt ist jedoch nicht auf Nekrose zurückzuführen, da die gemessene Konzentration an freigesetztem LDH gering bleibt. Über ein Langzeitexperiment wurde die Abnahme der Lebendzellzahl nach Inkubation mit 30 µM EP6 nach 24 h festgestellt. Über Detektion von PARP-Spaltung, einem Marker für späte Apoptose, stellte sich heraus, dass EP6 in U937 Apoptose induziert. Zusätzlich zu den Untersuchungen der leukämischen Zelllinie wurden humane nicht-tumor Zellen (RPE) im Langzeitexperiment sowie im BrdU-Assay untersucht. EP6 beeinträchtigt die Lebendzellzahl der nicht-tumor Zelllinie RPE nicht und führt nur zu geringen antiproliferativen Effekten.
DNA damage in oocytes induces a switch of the quality control factor TAp63α from dimer to tetramer
(2011)
TAp63a, a homolog of the p53 tumor suppressor, is a quality control factor in the female germline. Remarkably, already undamaged oocytes express high levels of the protein, suggesting that TAp63a’s activity is under tight control of an inhibitory mechanism. Biochemical studies have proposed that inhibition requires the C-terminal transactivation inhibitory domain. However, the structural mechanism of TAp63a inhibition remains unknown. Here, we show that TAp63a is kept in an inactive dimeric state. We reveal that relief of inhibition leads to tetramer formation with ~20-fold higher DNA affinity. In vivo, phosphorylation-triggered tetramerization of TAp63a is not reversible by dephosphorylation. Furthermore, we show that a helix in the oligomerization domain of p63 is crucial for tetramer stabilization and competes with the transactivation domain for the same binding site. Our results demonstrate how TAp63a is inhibited by complex domain-domain interactions that provide the basis for regulating quality control in oocytes.
We review fluorescent probes that can be photoswitched or photoactivated and are suited for single-molecule localization based super-resolution microscopy. We exploit the underlying photochemical mechanisms that allow photoswitching of many synthetic organic fluorophores in the presence of reducing agents, and study the impact of these on the photoswitching properties of various photoactivatable or photoconvertible fluorescent proteins. We have identified mEos2 as a fluorescent protein that exhibits reversible photoswitching under various imaging buffer conditions and present strategies to characterize reversible photoswitching. Finally, we discuss opportunities to combine fluorescent proteins with organic fluorophores for dual-color photoswitching microscopy.
In Nervensystemen werden zahlreiche Informationen wahrgenommen und verarbeitet um ein adäquates Verhalten hervorzurufen. Für die Untersuchung der funktionellen Zusammenhänge hierbei wurden verschiedene Methoden entwickelt, die eine gezielte Manipulation neuronaler Prozesse ermöglichen. Durch Analyse der resultierenden Effekte können dabei synaptische Proteine, einzelne Neuronen oder neuronale Netzwerke funktionell charakterisiert werden. Bisherige Ansätze verfügen jedoch nur über eine geringe zeitliche und räumliche Auflösung oder erlauben lediglich eine eingeschränkte Anwendung im frei beweglichen Tier.
Diese Nachteile können durch die heterologe Expression von lichtgesteuerten, mikrobiellen Rhodopsinen zur gezielten Manipulation des Membranpotentials umgangen werden. So induziert die Photoaktivierung des Kationenkanals Channelrhodopsin 2 (ChR2; (Nagel et al., Curr Biol 2005)) eine Depolarisation, während die Chloridpumpe Halorhodopsin (NpHR; (Zhang et al., Nature 2007)) für die Hyperpolarisation verwendet werden kann. Dabei ermöglichen die schnellen Kinetiken der Rhodopsine eine zeitlich präzise Steuerung des Membranpotentials. Durch Auswahl geeigneter Promotoren ist zudem oftmals eine zell spezifische Expression möglich. Dieser Ansatz wird daher allgemein als Optogenetik bezeichnet.
In der vorliegenden Arbeit wurden zunächst konventionelle Techniken genutzt, um die Funktion von zwei assoziierten Proteinen eines Acetylcholin Rezeptors in C. elegans zu untersuchen. Des Weiteren wurden verschiedene Methoden für den Fadenwurm entwickelt und angewendet, die die Vorteile optogenetischer Techniken für die funktionelle Charakterisierung synaptischer Proteine und neuronaler Netzwerke nutzbar machen. Hierbei erlaubt die Transparenz von C. elegans die optogenetische Stimulation im lebenden Organismus unter nicht invasiven Bedingungen. Weitere Vorteile von C. elegans als neurobiologischem Modellorganismus liegen in seiner einfachen Handhabung (Hope, 1999) und der stereotypen Entwicklung seines Nervensystems mit bekannten anatomischen Ausprägungen (Sulston and Horvitz, Dev Biol 1977; Varshney et al., PLoS Comput Biol 2011; White et al., Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 1986). Durch ihre Häufigkeit und die experimentelle Zugänglichkeit wird hierbei die neuromuskuläre Synapse oftmals zur Erforschung der synaptischen Reizweiterleitung genutzt (Von Stetina et al., Int Rev Neurobiol 2006). Durch pharmakologische (Lewis et al., Neuroscience 1980; McIntire et al., Nature 1993; Miller et al., Proc Natl Acad Sci U S A 1996; Richmond and Jorgensen, Nat Neurosci 1999) und elektrische Stimulation (Richmond and Jorgensen, Nat Neurosci 1999) können dabei Defekte der Transmission hervorgehoben werden, während Verhaltensexperimente oder elektrophysiologische Messungen der post synaptischen Ströme in Muskelzellen eine quantitative Analyse ermöglichen (Richmond and Jorgensen, Nat Neurosci 1999).
Diese Methoden wurden für die funktionelle Charakterisierung von NRA 2 und NRA 4 verwendet, die beide als akzessorische Proteine zusammen mit dem Levamisol sensitiven Acetylcholin Rezeptor der Körperwandmuskelzellen aufgereinigt wurden (Gottschalk et al., EMBO J 2005). Dabei konnte gezeigt werden, dass NRA 2 und NRA 4 im Endoplasmatischen Retikulum (ER) der Muskelzellen einen Komplex bilden, der die Sensitivität von beiden nikotinischen Acetylcholin Rezeptoren gegenüber verschiedenen cholinergen Agonisten verändert. In diesem Zusammenhang wurde auch nachgewiesen, dass die Oberflächenexpression einzelner Untereinheiten der beiden Rezeptoren durch NRA 2/4 beeinflusst wird. Diese Resultate legen die Vermutung nahe, dass beide Proteine die Zusammensetzung der Rezeptoren und somit ihre pharmakologischen Eigenschaften modulieren. Denkbar ist dabei eine regulatorische Funktion bei der Assemblierung verschiedener Untereinheiten zu einem funktionellen Rezeptor oder bei der Kontrolle des ER Austritts von Rezeptoren mit bestimmter Zusammensetzung. In dieser Hinsicht konnte jedoch keine Interaktion von NRA 2/4 mit der Notch Signalkaskade nachgewiesen werden, wie sie für die homologen Proteine nicalin und NOMO in Vertebraten gezeigt wurde (Haffner et al., J Biol Chem 2007; Haffner et al., EMBO J 2004).
Für die Untersuchung synaptischer Proteine durch optogenetische Techniken wurde ChR2(H134R) selektiv in cholinergen oder GABAergen Motorneuronen exprimiert, um die akute und lichtgesteuerte Freisetzung des jeweiligen Neurotransmitters zu ermöglichen. Die resultierende Stimulation bzw. Inhibition von Muskelzellen wurde hierbei durch elektrophysiologische Messungen der post synaptischen Ströme und durch Analyse von Kontraktionen respektive Relaxationen untersucht. Dabei wurde gezeigt, dass Störungen der synaptischen Reizweiterleitung die Ausprägung und Dynamik dieser lichtinduzierten Effekte beeinflussen und dadurch charakterisiert werden können. So zeigten beispielsweise Mutanten von Synaptojanin und Endophilin nachlassende Effekte bei anhaltender oder wiederholter Stimulation, was durch die gestörte Regeneration synaptischer Vesikel erklärt werden kann (Harris et al., J Cell Biol 2000; Schuske et al., Neuron 2003; Verstreken et al., Neuron 2003).
Die hohe Sensitivität dieser Methode wurde im Nachfolgenden dazu verwendet, die Inhibition cholinerger Motorneuronen durch den metabotropen GABAB Rezeptor zu untersuchen, der in C. elegans aus den beiden Untereinheiten GBB 1 und GBB 2 gebildet wird (Dittman and Kaplan, J Neurosci 2008; Vashlishan et al., Neuron 2008). Dabei konnte zunächst gezeigt werden, dass diese heterosynaptische Inhibition verschiedene lokomotorische Verhaltensweisen der Tiere beeinflusst. Für die mechanistische Untersuchung wurden anschließend cholinerge Motorneuronen durch ChR2(H134R) photoaktiviert, während resultierende Kontraktionseffekte in Abhängigkeit von GBB 1/2 analysiert wurden. Um hierbei die Funktion von GBB 1/2 durch erhöhte GABA Konzentrationen hervorzuheben, wurden zusätzlich GABAerge Motorneuronen optogenetisch stimuliert oder die Wiederaufnahme von GABA aus dem synaptischen Spalt durch Mutation des Membran ständigen GABA Transporters blockiert. So konnte gezeigt werden, dass GBB 1/2 eine akute Inhibition der cholinergen Motorneuronen bewirken, was vermutlich für die Regulation von Bewegungsabläufen eine wichtige Rolle spielt. Die geringe Dynamik der GBB 1/2 induzierten Effekte deutet allerdings darauf hin, dass die synaptische Aktivität durch den metabotropen Rezeptor kaum nachhaltig moduliert wird.
In nachfolgenden Versuchen wurde die optogenetische Stimulation von Motorneuronen außerdem mit der elektronenmikroskopischen Analyse der präsynaptischen Feinstruktur kombiniert. Dadurch konnte die Dynamik der Exozytose und Endozytose synaptischer Vesikel (SV) in Abhängigkeit von neuronaler Aktivität untersucht werden. So wurde gezeigt, dass synaptische Vesikel nahe der aktiven Zone während einer 30 sekündigen Hyperstimulation nahezu komplett aufgebraucht waren. Die vollständige Regeneration der SV Pools benötigte anschließend etwa 12 Sekunden und erfolgte zunächst in der Peripherie der aktiven Zone, was auf eine laterale Heranführung der Vesikel schließen lässt. Nach etwa 20 Sekunden erholte sich ebenfalls die Wirksamkeit der Stimulation von Muskelzellen durch die Motorneuronen, was durch elektrophysiologische Messungen der photo induzierten post synaptischen Ströme gezeigt wurde. Während der Hyperstimulation bildeten sich außerdem große vesikuläre Strukturen, die sich anschließend nach etwa acht Sekunden wieder aufgelöst hatten. In Analogie zu vergleichbaren Experimenten in anderen Organismen liegt die Vermutung nahe, dass es sich dabei um Zwischenprodukte der so genannten Bulk Phase Endozytose handelt, die das Clathrin abhängige Recycling von synaptischen Vesikeln bei starker neuronaler Aktivität ergänzt (Heuser and Reese, J Cell Biol 1973; Miller and Heuser, J Cell Biol 1984; Richards et al., Neuron 2000). Bemerkenswerterweise war der Abbau der vesikulären Strukturen in Synaptojanin und Endophilin defizienten Tieren stark verzögert. Denkbar ist, dass beide Proteine für die Synthese von synaptischen Vesikeln aus den vesikulären Zwischenprodukten der Bulk Phase Endozytose wichtig sind, analog zur ihrer Funktion bei der Clathrin abhängigen Endozytose an der Plasmamembran.
Durch die zielgerichtete Manipulation der Zellaktivität ermöglichen optogenetische Techniken außerdem die funktionelle Charakterisierung von Neuronen und neuronalen Netzwerken. Um die zelluläre Spezifität dieses Ansatzes zu erhöhen, wurde ein Tracking System entwickelt das die Position frei beweglicher Tiere in Echtzeit bestimmt und nachverfolgt. Dadurch konnte die Photoaktivierung optogenetischer Proteine auf definierte Bereiche der Fadenwürmer und somit auf ausgewählte Neuronen innerhalb der Expressionsmuster von verwendeten Promotoren eingeschränkt werden. Des Weiteren ermöglichte hierbei die Auswertung translatorischer Parameter die Analyse verschiedener lokomotorischer Merkmale wie Geschwindigkeit, Bewegungsbahn oder Ausprägung der Körperbiegungen. Dieses System wurde beispielhaft für die konzertierte Photoaktivierung durch ChR2(H134R) bzw. Photoinhibition durch MAC von zwei verschiedenen Gruppen von Neuronen angewendet, um die Integration mechanosensorischer Informationen durch Command Interneuronen zu untersuchen. In diesem Zusammenhang wurde zudem eine Rekombinase basierte Methode für optogenetische Proteine adaptiert, die die Transkription auf die zelluläre Schnittmenge von zwei verschiedenen Promotoren einschränkt und somit die Spezifität der Expression erhöht. Idealerweise kann dieser Ansatz außerdem mit der gezielten Photoaktivierung kombiniert werden, um die zelluläre Selektivität optogenetischer Anwendungen weiter zu verbessern.
Weiterhin ist die Anwendung optogenetischer Techniken bisher durch intrinsische Eigenschaften der verwendeten Rhodopsine auf die relativ kurzzeitige Manipulation des Membranpotentials von Zellen beschränkt. So benötigt ChR2 durch die schnelle Schließung seines offenen Kanals eine kontinuierliche Photoaktivierung, um eine andauernde Depolarisation hervorzurufen. Dies ist jedoch potentiell mit phototoxischen und – besonders bei C. elegans – phototaktischen Nebeneffekten verbunden. Deswegen wurden diverse Mutanten von ChR2 mit stark verlangsamter Inaktivierung (Berndt et al., Nat Neurosci 2009) für ihren Nutzen zur Langzeit Stimulation von erregbaren Zellen im Nematode getestet. Dabei wurde gezeigt, dass ChR2(C128S) durch einen kurzen Photostimulus mit vergleichsweise niedriger Intensität eine anhaltende Depolarisation über mehrere Minuten auslösen kann. Die wiederholte Stimulation in ASJ Neuronen ermöglichte zudem eine langzeitige Depolarisation über mehrere Tage, wodurch die genetisch veranlagte Entwicklung von Tieren manipuliert werden konnte. Durch gezielte Punktmutation konnten außerdem relevante Eigenschaften von ChR2(C128S) für die Langzeit Stimulation weiter verbessert werden.
Als weiteres optogenetisches Werkzeug wurde zudem die Photoaktivierbare Adenylatzyklase alpha (PACa) aus Euglena gracilis (Iseki et al., Nature 2002; Ntefidou et al., Plant Physiol 2003; Schroder-Lang et al., Nat Methods 2007) für die akute und lichtgetriebene Synthese des sekundären Botenstoffs cAMP in C. elegans etabliert. Die Photoaktivierung von PACa in cholinergen Motorneuronen verstärkte dabei die Neurotransmitterfreisetzung und induzierte hyperlokomotorische Phänotypen, vergleichbar zu Mutanten mit erhöhten cAMP Konzentrationen.
Zusammengefasst wurden diverse optogenetische Techniken für C. elegans entwickelt und optimiert, die die zellspezifische und nicht invasive Manipulation des Membranpotentials beziehungsweise die Synthese des sekundären Botenstoffs cAMP durch Licht im frei beweglichen Tier ermöglichen. Diese Methoden können zur gezielten Störung neuronaler Aktivität angewendet werden, um dadurch neurobiologische Fragestellungen im Fadenwurm zu untersuchen. Dies wurde beispielhaft für die Erforschung der synaptischen Reizweiterleitung und die funktionelle Analyse neuronaler Netzwerke demonstriert. Denkbar ist außerdem, diese für C. elegans etablierten Methoden vergleichbar in anderen Modellorganismen anzuwenden. So sind die Fruchtfliege ebenso wie der Zebrafisch Embryo bereits für optogenetische Techniken erprobt (Arrenberg et al., Proc Natl Acad Sci U S A 2009; Schroll et al., Curr Biol 2006). Für Säugetiere wie die Maus, die Ratte und den Makaken wurden zudem bereits Ansätze entwickelt, die die gezielte Photostimulation in lebenden und frei beweglichen Tieren ermöglichen (Han et al., Neuron 2009; Wentz et al., J Neural Eng 2011; Yizhar et al., Nature 2011; Zhang et al., Nat Rev Neurosci 2007).
Das Ziel meiner Arbeit ist die zuverlässige quantenchemische Beschreibung der Absorptionsspektren von mittelgroßen Molekülen und das Studium von photoaktiven Pigmenten. Nach einer kurzen Einführung in das Thema "elektronisch angeregte Zustände und Photoreaktionen" beschreibe ich die Formalismen, die den verwendeten Rechenmethoden zu Grunde liegen und diskutiere die Anwendbarkeit auf größere Moleküle. Hierbei liegt ein Hauptaugenmerk auf den dichtefunktionaltheoriebasierten Methoden (DFT-Methoden), vor allem auf den Eigenschaften der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie (engl.: time dependent density functional theory, TDDFT). Anschließend erfolgt eine Zusammenfassung der im Laufe dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse.
Die moderne Quantenchemie befasst sich mit der Anwendung der in den 20er und 30er Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelten Quantenmechanik auf chemische Probleme. Zum theoretischen Studium von Molekülen gibt es verschiedene Ansätze. Zum einen gibt es die hochgenauen ab initio Methoden, die Näherungsverfahren zur elektronischen Schrödingergleichung sind. Sie haben den Vorteil systematisch verbesserbar und auf einem sehr soliden theoretischen Gerüst aufgebaut zu sein. Die Genauigkeit der Rechnungen kann die von experimentellen Ergebnissen erreichen, allerdings beschränkt der hohe Rechenaufwand die Anwendung solcher ab initio Methoden auf kleine Moleküle wie Wasser, Methan oder Benzol.
Am anderen Ende des Spektrums der quantenchemischen Methoden sind die "semiempirischen Methoden" angesiedelt. Sie erfordern nur einen sehr geringen Rechenaufwand, wodurch es möglich ist, sehr große Systeme mit mehr als 1000 Atomen zu beschreiben. Allerdings führt der Ansatz, verschiedene Terme der Schrödingergleichung durch an experimentelle Daten gefittete Parameter zu ersetzen, zu einer geringen Genauigkeit und unvorhersehbaren Fehlern. Dies schränkt die standardmäßige Anwendung dieser Methoden stark ein, und eine Verifizierung durch genauere Methoden ist oftmals erforderlich.
Zwischen diesen beiden Polen (hoch genau aber sehr hoher Rechenaufwand und geringer Rechenaufwand, dafür aber ungenau) stehen die auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) basierenden Methoden. Sie zeichnen sich durch eine gute Genauigkeit bei vergleichsweise geringem Rechenaufwand aus. Dadurch hat sich die DFT in den letzten Jahren zur beliebtesten Methode für das Studium mittelgroßer Moleküle mit bis zu 400 Atomen entwickelt. DFT ist eine formal exakte Methode, bei der die berechneten Größen aus der Elektronendichte des Systems abgeleitet werden. Elektronenaustausch- und Korrelationseffekte werden durch Funktionale, den sogenannten Austauschkorrelationsfunktionalen (engl.: exchange correlation functionals, xc-functionals) beschrieben.
Die zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie (time dependent DFT, TDDFT) ermöglicht die Beschreibung elektronisch angeregter Zustände mit einer guten Genauigkeit, aber zu einem Bruchteil des Rechenaufwands von ab initio Methoden, was TDDFT zur Methode der Wahl für das Studium der Photochemie mittelgroßer Moleküle macht. Die Fehler in den Anregungsenergien sind in der Regel systematischer Natur und den verwendeten xc-funktionalen geschuldet. Dennoch kann TDDFT nicht als "black box" Methode verwendet werden, da nicht alle elektronischen Zustände gleich gut beschrieben werden. Während energetisch niedrig liegende, lokale π -> π* und n -> π* Zustände oftmals in sehr guter Übereinstimmung mit dem Experiment sind, können Rydberg und Ladungstransferzustände (engl.: charge transfer states, ct-states) Fehler von mehreren Elektronenvolt in der Anregungsenergie haben. Doppelt oder höher angeregte Zustände können mit standard TDDFT Methoden nicht beschrieben werden. Dies kann zu Problemen bei ausgedehnten π-Systemen führen, da z.B. die angeregten Zustände von Polyenen einen hohen Doppelanregungscharakter besitzen. Trotz alledem ist TDDFT eine sinnvolle Methode zum Studium elektronisch angeregter Zustände, da ihre Probleme bekannt sind und vor allem ihr Ursprung in der Theorie gut verstanden ist. Die meisten Probleme können durch die intelligente Wahl der verwendeten xc-Funktionale vermieden werden. Kombiniert man TDDFT mit der Konfigurationswechselwirkungsmethode mit Einfachanregungen (engl.: configuration ineraction singles, CIS) erhält man sehr zuverlässig und mit vergleichbar geringem Rechenaufwand die richtige Energiereihenfolge der angeregten Zustände. Mit dieser Methode war es in dieser Arbeit möglich, die komplexe Photochemie von Bisazomethinpigmenten zu untersuchen und die experimentellen statischen und zeitaufgelösten Spektren auf molekularer Ebene zu interpretieren. Es konnte sowohl der Mechanismus aufgeklärt werden, der für die Fluoreszenzlöschung in den nicht-fluoreszierenden Derivaten verantwortlich ist, als auch die unerwartet komplizierte Photochemie der fluoreszierenden Moleküle schlüssig erklärt werden. Auch die Photoisomerisierung von Z-Hemithioindigo-Hemistilbene (HTI) zu seine E-Form wurde mit dieser Methode untersucht.