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Die vorliegende Arbeit beschreibt die Herstellung von codierten Peptidbibliotheken durch kombinatorische Synthese, sowie deren Selektion auf Wechselwirkung mit einer verkürzten Sequenz der TAR-RNA des HI-Viruses.
Die zur Selektion benötigte RNA wurde dazu auf chemischem Wege hergestellt und mit einem Fluoreszensfarbstoff für eine optische Selektion markiert. Ausgehend von dieser RNA wurde ein Anfärbeassay entwickelt. Bei der Anwendung des Assays auf Tri- und Pentapeptide, die auf einem Polymerträger immobilisiert waren, zeigten sich einige intensiv leuchtende Polymerkügelchen. Die hellsten unter ihnen wurden selektiert. Die Synthese der Trimeren und Pentamerenbibliothek erfolgte zuvor an wasserquellbarem, polymerem Trägermaterial. Die Identifizierung der polymergebundenen Verbindungen erfolgte über die Codierung nach W.C. Still, welche im Rahmen dieser Dissertation in der Arbeitsgruppe von Hr. Prof. Göbel erfolgreich etabliert wurde und die einfache Unterscheidung zwischen Enantiomeren ermöglicht. Drei der am häufigsten auftretenden Trimerensequenzen wurden im Nachhinein erneut synthetisiert und Experimenten an Zellen zugeführt. Unabhängig davon, wurde ihre Wechselwirkung mit RNA als auch mit RNA-Peptid Komplexen direkt getestet.
Weiterhin wurde exemplarisch anhand von Aminopyridinen die Möglichkeit getestet, neuartige Synthesemonomere für die automatische Synthese polymergebundener Verbindungen darzustellen.
Die vorliegende Arbeit macht deutlich, dass man durch kombinatorische Synthese im Verbund mit gerichteter Selektion, die Entwicklung von in vitro RNA-Liganden für RNA mit bekannter Struktur vorantreiben kann. Umgekehrt müsste dies auch bald die Selektion von Liganden für strukturell nicht charakterisierte RNA ermöglichen.
Das nächste Ziel sollte, die Entwicklung weiterer Selektionstests sein und die Etablierung von NMR-Methoden, welche die genauen Bindungsmodi der selektierten Verbindungen an RNA aufklären, um somit die gezielte Synthese neuartiger Liganden vorantreiben zu können, da letztendlich das "Wie", für die Weiterentwicklung einer Leitstruktur ausschlaggebend ist.
Weiterhin sollten die Transportmechanismen von körperfremden Substanzen zu dem gewünschten Wirkort studiert werden, damit die vorab in vitro getestete Substanz auch im späteren Entwicklungsstadium in vivo die gewünschten Eigenschaften zeigen kann.
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.
Die Endothelzellmigration ist ein wesentlicher Prozess für die Angiogenese, Neovaskularisierung und Reendothelialisierung. Im ersten Teil der Arbeit wurde der Effekt von Schubspannung auf die Endothelzellmigration, die Beteiligung der Integrine und der Integrin-abhängigen Signaltransduktionswege mittels "scratched wound assay" untersucht. Die Schubspannungs-induzierte Endothelzellmigration war signifikant durch Integrin-blockierende RGD-Peptide oder neutralisierende Antikörper gegen die Integrin-Untereinheiten α5β1 reduziert, wohingegen Antikörper gegen αvβ3 oder α2β1 keinen Effekt hatten. Die Integrin-Expression von α5 und β1 war besonders in der migrierenden Zellfront der Wunde erhöht. Passend zu der wichtigen Rolle der Integrine in der Schubspannungs-induzierten Endothelzellmigration hemmte eine Blockade des Integrin-assoziierten Adapterproteins Shc durch eine dominant negative Mutante die Schubspannungs-induzierte Zellmigration. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die pharmakologische Hemmung der MAP Kinase ERK1/2 oder der PI3K die Schubspannungs-induzierte Endothelzellmigration verhinderte. Im Gegensatz dazu hatte die Hemmung der NO-Synthase keinen Effekt.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde die VEGF-vermittelte Endothelzellmigration untersucht. Im Gegensatz zu den Befunden, dass laminare Schubspannung NO-unabhängig die Endothelzellmigration stimuliert, konnte die VEGF-vermittelte Endothelzellmigration durch NOS-Inhibitoren blockiert werden. Des weiteren wurde die Beteiligung der Akt-mediierten eNOS Phosphorylierung in der VEGF- induzierten Endothelzellmigration ebenfalls mittels "scratched wound assay" untersucht, da bekannt ist, dass Akt die eNOS über eine Phosphorylierung an Serin 1177 aktivieren kann. Die Überexpression einer dominant-negativen Akt-Mutante verhindert die VEGF-induzierte Zellmigration. Im Gegensatz dazu stimulierte die Überexpression einer konstitutiv-aktiven Akt-Mutante die Endothelzellmigration, auch in Abwesenheit von VEGF. Die Überexpression eines phosphomimetischen eNOS-Konstruktes (S1177D) führte ebenfalls zu einer verstärkten Zellmigration, wohingegen die nicht mehr phosphorylierbare und somit nicht mehr aktivierbare eNOS-Mutante (S1177A) die VEGF-induzierte Endothelzellmigration komplett hemmte.
Zusammengefasst zeigen diese Daten, dass die VEGF- und Schubspannungsinduzierte Endothelzellmigration wesentlich zu der beschleunigten Reendothelialisierung von verletztem Endothel beiträgt, wie es beispielsweise nach einer Ballondilatation der Fall ist. Es konnte gezeigt werden, dass laminarer Blutfluss über die Integrine α5β1 NO-unabhängig die Migration mediiert und dass der Wachstumsfaktor VEGF über die Protein Kinase Akt NO-abhängig die Endothelzellmigration stimuliert.
Biglycan, a nitric oxide-regulated gene, affects adhesion, growth, and survival of mesangial cells
(2003)
During glomerular inflammation mesangial cells are the major source and target of nitric oxide that pro-foundly influences proliferation, adhesion, and death of mesangial cells. The effect of nitric oxide on the mRNA expression pattern of cultured rat mesangial cells was therefore investigated by RNA-arbitrarily-primed polymerase chain reaction. Employing this approach, biglycan expression turned out to be down-regulated time- and dose-dependently either by interleukin-1beta-stimulated endogenous nitric oxide production or by direct application of the exogenous nitric oxide donor, diethylenetriamine nitric oxide. There was a corresponding decline in the rate of biglycan biosynthesis and in the steady state level of this proteoglycan. In vivo, in a model of mesangioproliferative glomerulonephritis up-regulation of inducible nitric-oxide synthase mRNA was associated with reduced expression of biglycan in isolated glomeruli. Biglycan expression could be normalized, both in vitro and in vivo, by using a specific inhibitor of the inducible nitric-oxide synthase, l-N6-(l-iminoethyl)-l-lysine dihydrochloride. Further studies showed that biglycan inhibited cell adhesion on type I collagen and fibronectin because of its binding to these substrates. More importantly, biglycan protected mesangial cells from apoptosis by decreasing caspase-3 activity, and it counteracted the proliferative effects of platelet-derived growth factor-BB. These findings indicate a signaling role of biglycan and describe a novel pathomechanism by which nitric oxide modulates the course of renal glomerular disease through regulation of biglycan expression.
Membrane-bound complex I (NADH:ubiquinone oxidoreductase) of the respiratory chain is considered the main site of mitochondrial radical formation and plays a major role in many mitochondrial pathologies. Structural information is scarce for complex I, and its molecular mechanism is not known. Recently, the 49-kDa subunit has been identified as part of the "catalytic core" conferring ubiquinone reduction by complex I. We found that the position of the 49-kDa subunit is clearly separated from the membrane part of complex I, suggesting an indirect mechanism of proton translocation. This contradicts all hypothetical mechanisms discussed in the field that link proton translocation directly to redox events and suggests an indirect mechanism of proton pumping by redox-driven conformational energy transfer.
Cardiolipin stabilized supercomplexes of Saccharomyces cerevisiae respiratory chain complexes III and IV (ubiquinol:cytochrome c oxidoreductase and cytochrome c oxidase, respectively), but was not essential for their formation in the inner mitochondrial membrane because they were found also in a cardiolipin-deficient strain. Reconstitution with cardiolipin largely restored wild-type stability. The putative interface of complexes III and IV comprises transmembrane helices of cytochromes b and c1 and tightly bound cardiolipin. Subunits Rip1p, Qcr6p, Qcr9p, Qcr10p, Cox8p, Cox12p, and Cox13p and cytochrome c were not essential for the assembly of supercomplexes; and in the absence of Qcr6p, the formation of supercomplexes was even promoted. An additional marked effect of cardiolipin concerns cytochrome c oxidase. We show that a cardiolipin-deficient strain harbored almost inactive resting cytochrome c oxidase in the membrane. Transition to the fully active pulsed state occurred on a minute time scale.
The renin-angiotensin-aldosterone system plays a pivotal role in the regulation of salt and water homeostasis. Here, we demonstrate the expression and functional role of cGMP-dependent protein kinases (PKGs) in rat adrenal cortex. Expression of PKG II is restricted to adrenal zona glomerulosa (ZG) cells, whereas PKG I is localized to the adrenal capsule and blood vessels. Activation of the aldosterone system by a low sodium diet up-regulated the expression of PKG II, however, it did not change PKG I expression in adrenal cortex. Both, activation of PKG II in isolated ZG cell and adenoviral gene transfer of wild type PKG II into ZG cells enhanced aldosterone production. In contrast, inhibition of PKG II as well as infection with a PKG II catalytically inactive mutant had an inhibitory effect on aldosterone production. Steroidogenic acute regulatory (StAR) protein that regulates the rate-limiting step in steroidogenesis is a new substrate for PKG II and can be phosphorylated by PKG II in vitro at serine 55/56 and serine 99. Stimulation of aldosterone production by PKG II in contrast to stimulation by PKA did not activate StAR gene expression in ZG cells. The results presented indicate that PKG II activity in ZG cells is important for maintaining basal aldosterone production.
Atrial natriuretic peptide (ANP) plays a key regulatory role in arterial blood pressure homeostasis. We recently generated mice with selective deletion of the ANP receptor, guanylyl cyclase-A (GC-A), in vascular smooth muscle (SMC GC-A knockout (KO) mice) and reported that resting arterial blood pressure was completely normal in spite of clear abolition of the direct vasodilating effects of ANP (Holtwick, R., Gotthardt, M., Skryabin, B., Steinmetz, M., Potthast, R., Zetsche, B., Hammer, R. E., Herz, J., and Kuhn M. (2002) Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 99, 7142–7147). The purpose of this study was to clarify mechanisms compensating for the missing vasodilator responses to ANP. In particular, we analyzed the effect of the endothelial, cGMP-mediated vasodilators C-type natriuretic peptide and nitric oxide (NO). In isolated arteries from SMC GC-A KO mice, the vasorelaxing sensitivity to sodium nitroprusside and the endothelium-dependent vasodilator, acetylcholine, was significantly greater than in control mice. There was no difference in responses to C-type natriuretic peptide or to the activator of cGMP-dependent protein kinase I, 8-para-chlorophenylthio-cGMP. The aortic expression of soluble GC (sGC), but not of endothelial NO synthase or cGMP-dependent protein kinase I, was significantly increased in SMC GC-A KO mice. Chronic oral treatment with the NO synthase inhibitor Nw-nitro-l-arginine methyl ester increased arterial blood pressure, the effect being significantly enhanced in SMC GC-A KO mice. We conclude that SMC GC-A KO mice exhibit a higher vasodilating sensitivity to NO. This can be attributed to an enhanced expression of sGC, whereas the expression and/or activity levels of downstream cGMP-effector pathways are not involved. Increased vasodilating responsiveness to endothelial NO contributes to compensate for the missing vasodilating effect of ANP in SMC GC-A KO mice.
Atovaquone is a substituted 2-hydroxynaphthoquinone that is used therapeutically to treat Plasmodium falciparum malaria, Pneumocystis carinii pneumonia, and Toxoplasma gondii toxoplasmosis. It is thought to act on these organisms by inhibiting the cytochrome bc1 complex. We have examined the interaction of atovaquone with the bc1 complex isolated from Saccharomyces cerevisiae, a surrogate, nonpathogenic fungus. Atovaquone inhibits the bc1 complex competitively with apparent Ki = 9 nm, raises the midpoint potential of the Rieske iron-sulfur protein from 285 to 385 mV, and shifts the g values in the EPR spectrum of the Rieske center. These results indicate that atovaquone binds to the ubiquinol oxidation pocket of the bc1 complex, where it interacts with the Rieske iron-sulfur protein. A computed energy-minimized structure for atovaquone liganded to the yeast bc1 complex suggests that a phenylalanine at position 275 of cytochrome b in the bovine bc1 complex, as opposed to leucine at the equivalent position in the yeast enzyme, is responsible for the decreased sensitivity of the bovine bc1 complex (Ki = 80 nm) to atovaquone. When a L275F mutation was introduced into the yeast cytochrome b, the sensitivity of the yeast enzyme to atovaquone decreased (Ki = 100 nm) with no loss in activity, confirming that the L275F exchange contributes to the differential sensitivity of these two species to atovaquone. These results provide the first molecular description of how atovaquone binds to the bc1 complex and explain the differential inhibition of the fungal versus mammalian enzymes.