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Die Lyme-Borreliose, eine durch Zecken übertragene Multisystem-Erkrankung, wird durch die Spirochäte B. burgdorferi s. l. hervorgerufen. Die in vitro-Empfindlichkeit von Borrelien gegenüber einer ganzen Reihe von Substanzen ist bislang nicht oder nur unzureichend bekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde daher die in vitro-Empfindlichkeit von B. burgdorferi gegenüber einer Reihe von neu entwickelten Antibiotika im Vergleich zu bekannten Substanzen unter standardisierten Bedingungen untersucht. Im 1. Teil der Arbeit wurde ein neues kolorimetrisches Mikrodilutionstestverfahren in Kombination mit konventioneller Subkultivierung in Flüssigmedium zur Bestimmung der in vitro-Empfindlichkeit von 17 repräsentativ ausgewählten Borrelienstämmen gegenüber dem neu entwickelten Ketolid Cethromycin eingesetzt. Das Verfahren ist standardisiert, gut reproduzierbar und erlaubt es, mehrere Antibiotika bzw. Isolate gleichzeitig effizient zu testen. Die MHK90 für Cethromycin lag für die getesteten Isolate einheitlich bei  0,002 µg/ml. Die MBK90 lag bei 0,75 µg/ml. Im 2. Teil der Arbeit wurden auf der Basis von konventionellen Zellzählungen mittels Dunkelfeldmikroskopie zusätzlich Untersuchungen zur Aktivität von Cethromycin, Sitafloxacin und Gemifloxacin im Vergleich zu Ciprofloxacin und den bekanntermaßen gut gegen Borrelien wirksamen Substanzen Doxycyclin und Ceftriaxon für je ein repräsentatives Isolat der humanpathogenen Genospezies B. burgdorferi s. s., B. garinii und B. afzelii durchgeführt. Von den untersuchten neuen Substanzen zeigten Cethromycin (MHK [Mittelwert]: ≤ 0,002 µg/ml; MBK [Mittelwert]: 0,3 µg/ml) und Gemifloxacin (MHK [Mittelwert]: 0,06 µg/ml; MBK [Mittelwert]: 8 µg/ml) im Vergleich zu den in der Therapie der Lyme-Borreliose bewährten Substanzen Ceftriaxon (MHK [Mittelwert]: 0,016 µg/ml; MBK [Mittelwert]: 1,2 µg/ml) und Doxycyclin (MHK [Mittelwert]: 0,25 µg/ml; MBK: von 24 bis >32 µg/ml) die vielversprechendste Aktivität gegen B. burgdorferi. Diese Ergebnisse konnten in Hinblick auf die Aktivität der getesteten Antibiotika gegenüber Borrelien durch die zusätzlich über 120 h durchgeführten Time-Kill-Experimenten abgesichert werden. Im 3. Teil der Arbeit wurden dann unter Zuhilfenahme eines theoretischen Modells mittels Einbeziehung weiterer pharmakologischer und pharmakokinetischer Daten für alle getesteten Substanzen sogenannte Bakterizidie-Indizes (BIs) auf der Basis der erzielten in vitro-Resultate berechnet. BIs von > 2,8 stehen dabei für eine gute bis sehr gute antimikrobielle Aktivität. Für Cethromycin zeigte sich bei den untersuchten Isolaten ein rascher Anstieg der BIs schon nach einer sehr kurzen Inkubationszeit von 48 h. Dabei lagen die Werte für Cethromycin (BIs 5,0-7,59) nach 120 h sogar über denen von Doxycyclin (BIs 2,81-3,15). Ebenso lagen die errechneten BIs für Gemifloxacin nach 120 h (BIs 3,33-8,05) höher als für Doxycyclin. Ceftriaxon war allerdings die bei weitem am besten wirksame Substanz und zeigte auch die höchsten BIs von 14,96 bis 18,48. Unter Berücksichtigung aller verfügbaren Daten ergab sich aus der vorliegenden Arbeit zusammenfassend folgende Rangordnung für die in vitro-Aktivität der getesteten antibiotischen Substanzen: Ceftriaxon > Cethromycin > Gemifloxacin > Doxycyclin > Sitafloxacin > Ciprofloxacin. Für neu entwickelte Antibiotika stellen in vitro-Untersuchungen einen ersten Schritt für eine Charakterisierung ihrer antimikrobiellen Wirksamkeit gegen Infektionserreger dar. Die Einbeziehung weiterer pharmakologischer Daten in die Interpretation solcher experimentell gewonnenen Ergebnisse ist innovativ, vermittelt zusätzliche Informationen und erlaubt eine vergleichende modellhafte Abschätzung der Aktivität solcher Substanzen unter Berücksichtigung wichtiger pharmakokinetischer und pharmakodynamischer Parameter. Zusammenfassend legen die in der vorliegenden Arbeit herausgearbeiteten Ergebnisse eine vielversprechende Aktivität von zwei neuen Substanzen (Cethromycin und Gemifloxacin) gegen B. burgdorferi nahe und lassen daher eine weitergehende klinische Prüfung dieser Antibiotika für eine mögliche therapeutische Anwendung bei Lyme-Borreliose sinnvoll erscheinen.
The topic of this thesis is the functional renormalization group. We discuss some approximations schemes. Thereafter we apply these approximations to study different fields of condensed matter physics. Generally we have to evaluate an infinite set of vertex functions describing the scattering of particles. These vertex functions get renormalized away from their bare values governed by an infinite hierarchy of flow equations. We cannot expect to actually solve these equations but have to apply a couple of approximations. The aim is to somehow separate relevant contributions from irrelevant ones. One possible scheme opens up if we rescale fields and vertices. Here "relevance" is used in a quantitative way to describe the scaling behaviour of vertices close to a fixed point of the RG. One disadvantage of describing the system in terms of infinitely many vertices is that the majority of these vertices we have to evaluate are not of interest to us. In most cases we are just looking for the self-energy or the two-particle effective interaction. However there might be contributions to the flow of these vertices that are generated by irrelevant vertices. We generally assume that we can express irrelevant vertices in terms of the relevant and marginal ones. Then in turn it should be possible to write the contributions of these irrelevant vertices to the flow of relevant and marginal ones in terms of relevant and marginal vertices as well. We show how this can be achieved by what we term the adiabatic approximation. We now consider weakly interacting bosons at the critical point of Bose-Einstein condensation. As the transition takes place at a finite temperature this temperature defines an effective ultraviolet cut-off. For the investigation of physical properties that depend on momenta smaller than this cut-off it is therefore sufficient to describe the system by a classical field theory. Our central topic here is the self-energy of the bosons and we are able to evaluate it with the full momentum dependence. For small momenta it approaches a scaling form and as the momentum is gradually increased we observe a crossover to the perturbative regime. As a test for the reliability of our expression for the selfenergy we investigate the interaction induced shift of the critical. Our results compare quite satisfactory to the best available estimates for this shift. For the anomalous dimension our approach predicts the correct order of magnitude however with a considerable error. As an improvement we include more vertices into our calculations. Here we observe that our fixed point estimates indeed approach the best known results but this convergence is quite weak. We turn toward systems of interacting fermions. The formulation of the functional renormalization group implicitly requires knowledge of the true Fermi surface of the full interacting system. In general however we can just calculate it a-posteriori from the self-energy. The requirement to flow into a fixed point can be translated into a fine-tuning of the frequency/momentum independent part r_0 of the rescaled 2-point function. We show how this bare value is related to the momentum dependent effective interaction along the complete trajectory of the RG. On the other hand r_0 expresses the difference between the bare and the true Fermi surface. Putting both equations together results into an exact selfconsistency equation for the Fermi surface. We apply our self-consistency equation above to tackle the problem of finding the true Fermi surface of interacting fermions in low dimensions. The most simple non-trivial model with an inhomogeneous Fermi surface is a system of two coupled metallic chains. The process of interband backward scattering leads to a smoothing of the Fermi surface. Of special interest is if the Fermi momenta of the two bands collapse into just one value. We propose the term confinement transition for this behaviour. We bosonize the interband backward scattering by means of a Hubbard-Stratonovich transformation and treat our system as a single channel problem. This bosonization together with the adiabatic approximation allows us to investigate the system even at strong coupling. Within a simple one-loop treatment our method predicts a confinement transition at strong coupling. However taken vertex renormalizations into account we observe that this confinement is destroyed by fluctuations beyond one-loop. Actually we observe how the confined phase can be stabilized by the inclusion of interband umklapp scattering. Thereafter we consider the physically more relevant case of a two-dimensional system of infinitely many coupled metallic chains. Here the Fermi surface consists of two disconnected weakly curved sheets. We are able to repeat the calculations we have performed for our toy model. Within a self-consistent 2-loop calculation indeed signs for a confinement transition at finite coupling strength emerge.
mRNA-Abbau ist ein essentieller Prozess der Genexpression, der den Zellen ermöglicht, die Qualität und die Quantität der mRNA zu kontrollieren. Besonders unter Stressbedingungen könnte der mRNA-Abbau eine bedeutende Rolle neben der Speicherung von mRNAs sowie der Regulation der Proteinhomöostase zum Schutz vor schädigenden Einflüssen spielen. Studien mit Hefen und Säugerzellen zeigten, dass dem 5'-3'mRNA-Abbau ein wichtige Rolle sowohl unter normalen Bedingungen als auch unter Stressbedingungen zukommt und dieser in zytoplasmatischen Processing bodies (P-bodies) stattfindet. Im Rahmen dieser Arbeit sollten Erkenntnisse über den 5'-3'mRNA-Abbau erhalten werden. Im Vordergrund stand die Frage nach der Existenz von P-bodies in Arabidopsis thaliana und die Identifikation und Charakterisierung deren Komponenten. Weiterhin sollten Erkenntnisse über die Rolle der P-bodies unter Stressbedingungen gewonnen werden. Dabei sollten besonders Informationen über die Beziehungen zwischen den P-bodies und RNA Stressgranula (mRNA Speicherkompartimente) und Hitzestressgranula (Regulation der Proteinhomöostase) erhalten werden. Das komplette sequenzierte Genom von Arabidopsis thaliana eignete sich zur Identifikation von mRNA-Abbauproteine kodierender Gene. Unter Verwendung von Aminosäuresequenzen bereits bekannter mRNA-Abbauproteine aus Hefe und Säugerzellen konnten Homologe für die Decappingproteine Dcp1 und Dcp2 sowie für die Proteine LSm1,2,5,8 als Untereinheiten des LSm1-7 Komplexes, welcher an der Regulation der Decappingreaktion beteiligt ist, identifiziert werden. Über Hefe-Zwei-Hybrid Analysen konnten anschließend Protein-Protein-Interaktionen zwischen den untersuchten Proteinen identifiziert werden. Weiterhin konnte unter Einsatz der BIFC-Analyse gezeigt werden, dass die Interaktionen zwischen den untersuchten Proteinen hauptsächlich in zytoplasmatischen Strukturen stattfanden. Aufbauend auf diesen Befunden wurde ein Antikörper gegen Dcp1 als Marker für die zytoplasmatischen Strukturen erstellt. Dieser ermöglichte erstmals die Detektion der endogenen Strukturen in Arabidopsis thaliana. Die weitere Charakterisierung über Immunofluoreszenzanalysen zeigten, dass diese P-bodies sind. Wie die P-bodies anderer Organismen sind sie hochdynamisch und benötigen untranslatierte mRNA für die Assemblierung. Die Größe und Anzahl der P-bodies hängt dabei vom Verhältniss des Zuflusses von mRNA und der mRNA-Abbaurate ab. Weiterhin konnte beobachtet werden, das die P-bodies besonders groß unter Stressbedingungen sind und deuten eine wichtige Funktion des mRNA-Abbaus unter Stress an. Dies führte zu der Frage nach der Beziehung der P-bodies zu RNA Stressgranula, die der Speicherung von mRNA unter Stressbedingungen dienen, sowie zu Hitzestressgranula, die an der Aufrechterhaltung der Proteinhomöostase beteiligt sind. Durch Kolokalisationsanalysen mit Markern der RNA Stressgranula, der Hitzestressgranula und der P-bodies konnte erstmals gezeigt werden, dass es sich um voneinander unabhängige Mikrokompartimente handelt, und dass unter Stressbedingungen die zellulären Prozesse mRNA-Abbau, mRNA-Speicherung und Aufrechterhaltung der Proteinhomöostase auf einzelne Mikrkompartimente beschränkt sind. Allerdings konnte zwischen P-bodies und RNA Stressgranula häufig eine räumliche Nähe beobachtet werden. Dies deutet auf einen Austausch von Komponenten zwischen diesen Strukturen hin. Zusammen zeigen die erhaltenen Ergebnisse, dass die identifizierten Proteine Komponenten des 5'-3'mRNA-Abbaus darstellen, und dass der 5'-3'mRNA-Abbau in Pflanzen auch in P-bodies stattfindet. Die Identifizierung und Charakterisierung der pflanzlichen P-bodies bildet eine Grundlage für zukünftige Untersuchungen. Vor allem die massive Bildung von P-bodies unter Stressbedingungen und die Interaktion der P-bodies mit RNA Stressgranula zeigen neue Aspekte der pflanzlichen Hitzestressantwort auf.
The period discussed in this work can be defined with absolute precision: it started on June 3, 1907, when the second Duma was dispersed, and ended on July 19, 1914 (August 1 in the Gregorian calendar), when the war against Germany and Austro-Hungary was proclaimed. This period followed right after the first Russian Revolution, which altered the regime: from unlimited autocracy it became half-parliamentary. Although the revolution was aborted and the tsarist government regained control, several important features characterized the period of 1907- 1914. First of all, there was the very existence of the State Duma – the elected lower house of the Parliament with legislative power; second, the establishment of voluntary associations was eased; third, preliminary censorship was abolished. Thus, public life was characterized by a degree of freedom, such as had never existed in Russia before 1905 and would not exist after October 1917. However, the freedom was relative and very narrow; the government tracked all oppositional or near-oppositional activities and did not hesitate to stop them. The basic tension and mutual suspicion between the authorities and society remained intact and eventually brought the collapse of the regime in 1917. But the revolution of February 1917 was not inevitable. In the period under discussion the interest in politics drastically declined, the Russian political forces became more moderate and the majority sought evolution, rather then revolution as the mechanism for change. ...
Eines der wichtigsten Ergebnisse aus diesem Projekt ist die Erkenntnis, dass Aufführungsängste sowohl mit Persönlichkeitseigenschaften als auch mit ungünstigen Arbeitsbedingungen in Zusammenhang stehen. Musiker, die unter großer Aufführungsangst leiden, greifen vor Proben und Aufführungen zu unterschiedlichen Bewältigungsmaßnahmen, die sowohl effizient als auch weniger effizient sind. Proben und Aufführungen sind für Musiker aus Berufsorchestern von unterschiedlicher Bedeutung: Während Probensituationen von sozialen Aspekten geprägt sind, stehen in Aufführungen die Musik selbst und die erfolgreiche Bewältigung der Situation im Vordergrund. Ein weiteres, wichtiges Ergebnis dieser Studie ist, dass professionelle Orchestermusiker in ihrem Beruf hohen Anforderungen ausgesetzt sind, gleichzeitig aber wenig Einflussmöglichkeiten über ihre Arbeitsbedingungen haben. Die Musiker, die diese Diskrepanz besonders stark erleben, leiden unter stärkeren gesundheitlichen Beeinträchtigungen. Im Vergleich mit Laienmusikern, deren Kontrollmöglichkeiten höher und deren Arbeitsanforderungen niedriger sind, haben Berufsmusiker mehr gesundheitliche Probleme. Darüber hinaus zeigte sich, dass strukturelle Unterschiede zwischen Opern- und Konzertorchestern mehr Aufführungsängste bei Musikern aus Opernorchestern mit sich bringen als bei Musikern aus Konzertorchestern. Dieser nicht erwartete Befund weist darauf hin, dass die Arbeitsbedingungen von Musikern aus Opernorchestern verändert werden sollten. Ebenfalls überraschend war das Ergebnis, dass sich Streicher, Holz- und Blechbläser aus Berufsorchestern nicht in dem Maße in ihren Persönlichkeitseigenschaften unterscheiden wie es Untersuchungen zu Stereotypen unter Musikern nahelegten und wie sich Streicher, Holz- und Blechbläser aus studentischen und Schülerstichproben anderer Studien unterschieden. Dagegen zeigten sich Unterschiede in Arbeitsbedingungen von Streichern, Holz- und Blechbläsern, was eine Ursache für die Entstehung von Stereotypen unter Musikern sein könnte.
Ziel der Arbeit war eine Festlegung geeigneter Rekonstruktionsparameter zur Optimierung der Bildqualität in der kardialen 4-Zeilen Spiral CT. 64 Patienten wurden an einem 4-Zeilen CT (Siemens Somatom Plus4 Volume Zoom) untersucht. Aufnahmeparameter waren 300mAs und 120 kV, 4x1mm Schichtkollimation, 1,5 mm Tischvorschub/Rotation und 500ms Rotationszeit. Rekonstruktionsparameter waren: 220mm FOV, 1,25mm effektive Schichtdicke, 0,6mm Inkrement und ein mittlerer Weichteilgewebskernel (B30f). In Abhängigkeit von der Herzfrequenz kam entweder ein Einsegment- (single-segment reconstruction SSR) (HF<65bpm) oder ein Mehrsegmentrekonstruktionsalgorithmus (multi-segment reconstruction MSR) (HF>65bpm) zur Anwendung. Für jeden Datensatz erfolgte zur Ermittlung des optimalen Rekonstruktionszeitpunktes eine mehrfache Bildrekonstruktion innerhalb des T-P-Intervalls (Ende der Systole bis Vorhofkontraktion) in Abständen von jeweils 50ms zueinander. Der Startpunkt jedes Rekonstruktionsintervalls wurde in absoluten Werten (ms) antegrad (a), das heißt vor der folgenden R-Zacke, und retrograd (r), das heißt nach der vorangehenden R-Zacke, festgelegt. Die unterschiedlichen Rekonstruktionsintervalle wurden des Weiteren zuvor definierten Intervallen (A-F), die jeweils bestimmten Ereignissen im Herzzyklus entsprechen, zugeordnet. Die Auswertung der Daten erfolgte auf verblindeten Filmplatten durch zwei unabhängige Untersucher in einer Konsensusentscheidung. Beurteilt wurde die Qualität der Bildgebung in Abstufungen von 1-4. Eine optimale Bildqualität entsprechend der Wertung 1 wurde als eindeutige Abgrenzbarkeit des Gefäßes von den umgebenden Strukturen, eine artefaktfreie Darstellung des Segment-Verlaufs und eine ausreichend gute Differenzierung von Gefäßlumen und -wand definiert. Für jeden Patienten und jedes Segment wurde neben dem Rekonstruktionszeitpunkt (in ms vor oder nach R) auch die Rekonstruktionstechnik (antegrad/retrograd) und der Rekonstruktionsalgorithmus (SSR/MSR) bestimmt, mit der eine optimale Bildqualität für das entsprechende Segment erreicht wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass sich keine optimalen Rekonstruktionszeitpunkte in Millisekunden für einzelne Koronarsegmente definieren lassen. Sobald einzelne Rekonstruktionszeitpunkte jedoch zusammengefasst und den Intervallen A-F zugeordnet werden, lässt sich in Abhängigkeit von der Herzfrequenz (HF) und Rekonstruktionstechnik (aSSR/aMSR/rSSR/rMSR) eine optimierte Bildqualität erzielen: - bei einer Herzfrequenz von HF<60bpm für alle Koronarsegmente mittels F/rSSR, - bei einer Herzfrequenz von HF<65bpm für die Segmente 1-4 und 11-15 mittels B/aSSR und für die Segmente 5-10 mittels F/rSSR und - bei einer Herzfrequenz HF>65bpm mittels B/aMSR. Für jeden Datensatz erfolgte zur Ermittlung des optimalen Rekonstruktionszeitpunktes eine mehrfache Bildrekonstruktion innerhalb des T-P-Intervalls (Ende der Systole bis Vorhofkontraktion) in Abständen von jeweils 50ms zueinander. Der Startpunkt jedes Rekonstruktionsintervalls wurde in absoluten Werten (ms) antegrad (a), das heißt vor der folgenden R-Zacke, und retrograd (r), das heißt nach der vorangehenden R-Zacke, festgelegt. Die unterschiedlichen Rekonstruktionsintervalle wurden des Weiteren zuvor definierten Intervallen (A-F), die jeweils bestimmten Ereignissen im Herzzyklus entsprechen, zugeordnet. Die Auswertung der Daten erfolgte auf verblindeten Filmplatten durch zwei unabhängige Untersucher in einer Konsensusentscheidung. Beurteilt wurde die Qualität der Bildgebung in Abstufungen von 1-4. Eine optimale Bildqualität entsprechend der Wertung 1 wurde als eindeutige Abgrenzbarkeit des Gefäßes von den umgebenden Strukturen, eine artefaktfreie Darstellung des Segment-Verlaufs und eine ausreichend gute Differenzierung von Gefäßlumen und –wand definiert. Für jeden Patienten und jedes Segment wurde neben dem Rekonstruktionszeitpunkt (in ms vor oder nach R) auch die Rekonstruktionstechnik (antegrad/retrograd) und der Rekonstruktionsalgorithmus (SSR/MSR) bestimmt, mit der eine optimale Bildqualität für das entsprechende Segment erreicht wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass sich keine optimalen Rekonstruktionszeitpunkte in Millisekunden für einzelne Koronarsegmente definieren lassen. Sobald einzelne Rekonstruktionszeitpunkte jedoch zusammengefasst und den Intervallen A-F zugeordnet werden, lässt sich in Abhängigkeit von der Herzfrequenz (HF) und Rekonstruktionstechnik (aSSR/aMSR/rSSR/rMSR) eine optimierte Bildqualität erzielen: - bei einer Herzfrequenz von HF<60bpm für alle Koronarsegmente mittels F/rSSR, - bei einer Herzfrequenz von HF<65bpm für die Segmente 1-4 und 11-15 mittels B/aSSR und für die Segmente 5-10 mittels F/rSSR und - bei einer Herzfrequenz HF>65bpm mittels B/aMSR.
Die Infektion von retinalen Pigmentepithel (RPE)-Zellen mit humanen Zytomegalieviren (HCMV) ist ein Modell für die HCMVRetinitis, die bei Immunsupprimierten, insbesondere bei AIDS-Patienten, zu einer Erblindung führen kann. In dieser Arbeit wurde der Einfluss des klinisch u.a. zur Behandlung von Epilepsie verwendeten Histondeacetylase (HDAC)-Inhibitors Valproinsäure (VPA) und von Strukturderivaten auf die HCMV-induzierte Antigenexpression in RPE-Zellen nach 24-stündiger Vorinkubation sowie auf die Histonacetylierung, als Indikator für die HDACHemmung, untersucht. Eine 24-stündige Vorinkubation mit VPA führte zu einer konzentrationsabhängigen Erhöhung der HCMV Immediate Early Antigen (IEA)- und Late Antigen (LA)-Expression im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle. Die Verwendung von VPA 1mM, einer therapeutischen Plasmakonzentration, führte zu einer 3fach erhöhten IEA- und einer 3-fach erhöhten LA-Expression. Darüber hinaus erhöhte die VPA-Behandlung die Menge an acetyliertem Histon H4, was auf eine VPA-induzierte Histondeacetylase (HDAC)- Hemmung hindeutet. Die Untersuchung systematisch strukturell veränderter VPA-Derivate zeigte, dass die HCMV IEA und LA Expression in strikter Korrelation mit der Erhöhung der Menge an acetyliertem Histon H4 erfolgte. VPA-Derivate, die keinen Einfluss auf die Histonacetylierung zeigten, beeinflussten die HCMV Antigen-Expression nicht. Die Ergebnisse legen nahe, dass die VPA-induzierte HDAC-Hemmung eine zentrale Rolle im Rahmen der erhöhten HCMV Antigen-Expression in RPE-Zellen spielt. Ob die hier erzielten Ergebnisse eine klinische Bedeutung haben, ist unklar. VPA sollte jedoch bei Patienten mit einem HCMV Retinitis-Risiko mit Vorsicht verwendet werden.
G protein-coupled receptors (GPCRs) constitute an important class of integral membrane proteins that are involved in several signaling pathways. About 50% of the currently available drugs are targeted against these receptors and high-resolution structures of these receptors will be of immense importance from the perspective of designing specific and potent drugs. However, structure determination of these receptors and of membrane proteins in general, has been a very challenging task till date. A major limitation in the structure determination of these proteins is that they are present in minute amounts in the native tissues and therefore, they must be produced heterologously. Additionally, crystallization of GPCRs is difficult owing to their flexible nature and limited hydrophilic surface area available for crystal contacts. The aim of my Ph.D. thesis work is two fold, first, to address the problem of GPCR crystallization by using a fusion protein complex approach and second, to tailor Rhodobacter sphaeroides as an expression system for the heterologous production of GPCRs. In the first approach, R. sphaeroides was used as an expression system to generate a fusion protein complex of the photosynthetic reaction center (RC) with a GPCR, expecting that such a complex would be easier to crystallize than the receptor alone. The notion behind this approach is that the RC will act as a scaffold in providing surface area to create crystal contacts and at the same time, it will also reduce the flexibility of the receptor, hopefully without perturbing the functionality of the receptor. Based on the computational modelling experiments, two ways to generate a fusion complex were assigned. Long linkers were inserted between the subunits of the RC and the GPCR. The linkers were designed with a possibility of straightforward alteration of their length as they contained a number of restriction enzyme sites. A series of these constructs were designed and expressed in R. sphaeroides deletion strain, which did not possess the chromosomal RC genes. Though most of these fusion constructs could be successfully expressed, as analyzed by western blot, majority of them were not functional in terms of ligand binding of the GPCR component of the fusion complex. Interestingly, one of these constructs, where the M subunit of RC was directly fused to the human angiotensin II type 1a receptor (AT1aR), exhibited significant functional expression. Based on saturation binding analysis using [125I] iodotyrosyl4Sar1Ile8-angiotensin II (an AT1aR subtype specific antagonist), an expression level of 40+5 pmol/mg of total membrane protein was calculated. This expression level corresponds to approximately 0.3 mg of functional receptor per liter culture and it is significantly higher than the AT1aR expression in native tissues. Additionally, the binding affinity of the recombinant receptor for its endogenous ligand angiotensin II was found to be 1±0.1 nM, which is similar to that observed for the AT1aR in native tissues. More interestingly, the RC part of the fusion complex was structurally assembled in other words, properly folded as judged by the presence of the characteristic peaks at 760 nm, 800 nm and 850 nm by absorption spectroscopy. However, a slight change in the intensity of the peak at 800 nm was observed while comparing the spectra of native RC with that in the fusion protein complex. This slight variation might be due to the change in the protein environment. The fusion protein complex RC-AT1aR was functionally solubilized and purified using a decahistidine tag fused at the c-terminus of the AT1aR. Subsequently, the monodispersity and integrity of the complex was confirmed by size exclusion chromatography, which revealed a homogeneous peak. Additionally, it was also possible to solubilize and purify this complex in the presence of a fluorescein tagged angiotensin II ligand which provides a nice tool to judge the functionality of the AT1aR and integrity of the complex at the same time. The purified RC-AT1aR fusion complex was then subjected to three-dimensional (3-D) crystallization trials and it was possible to obtain reproducible crystals of this complex. The crystals were fluorescent (as the complex was purified in presence of fluorescently labelled angiotensin II) and needle or tetragonal in shape, but produced a powdery diffraction pattern. Further attempts to improve the crystallization condition and to optimize the cryo-conditions are underway. In addition, attempts are also being made to obtain the crystals of this complex with the antagonist (e.g. losartan) bound to the receptor. In view of several limitations in the heterologous expression of GPCRs, as the second part of my Ph.D. thesis, I decided to explore the possibilities of developing a novel expression system based on R. sphaeroides for production of recombinant GPCRs. The notion behind using this host is that lack of inclusion bodies and high concentration of membranes in R. sphaeroides would result in efficient functional overexpression of recombinant membrane proteins. For this purpose, a R. sphaeroides strain, modified by the deletion of the genes encoding the RC and the light harvesting proteins LH1 and LH2, was used. The genes for RC and LHs constitute about 85-90% of total membrane proteins in a R. sphaeroides cell. These membranes are normally housed in special membrane vesicles called intracytoplasmic membranes (ICMs) that can fill almost the entire cell volume under certain growth conditions. Synthesis of a heterologous protein under the control of the moderately strong photosynthetic superoperonic promoter should be coordinated with the synthesis of new membranes to harbour these proteins, thus acting as a natural induction system. Moreover, as most of the native membrane proteins are absent in this deletion strain, heterologously produced protein should not experience a shortage of molecular chaperones for proper folding and insertion. Additionally, the absence of inclusion bodies in this host should enhance the functional and homogenous population of the recombinant proteins. Three human GPCRs, namely the adenosine A2a receptor (A2a), the angiotensin II type 1a receptor (AT1aR) and the bradykinin subtype 2 receptor (B2R) were tested for expression and functionality in this system. Two different constructs were used to determine the optimal position and ribosome-binding site (RBS) in the superoperon for the highest expression level. Of these three receptors, the AT1aR and B2R were successfully produced, while the A2aR failed to express, producing green carotenoid free R. sphaeroides mutants, for unknown reasons. For the recombinant B2R, [3H] bradykinin binding analysis revealed a low functional expression level of 0.7-0.8 pmol/mg of total membrane protein. This expression level corresponds to 0.01 mg functional receptor per liter of culture and is not sufficient for large-scale expression of this receptor. However, for the recombinant AT1aR, [125I] iodotyrosyl4Sar1Ile8- angiotensin II binding analysis revealed an expression level of 12±1 pmol/mg of total membrane protein. This expression level corresponds to approximately 0.1 mg functional receptor per liter culture and this is significantly higher than the AT1aR expression in native tissues. This expression system is still in the nascent stages of development and there are several parameters, which are still to be assessed for the optimal use of this system for the production of GPCRs and other membrane proteins. In conclusion, my Ph.D. work presents a novel fusion protein complex based approach for obtaining crystallizable GPCRs and a novel expression system for producing heterologous GPCRs. It was possible, for the first time, to produce a functional RC-GPCR complex that could easily be crystallized, though further finetuning of the system is required. R. sphaeroides based novel expression system was successfully used to produce functional human GPCRs under the control of a moderately strong photosynthetic superoperonic promoter. This expression system represents a naturally induced system where the expression of a heterologous protein is coordinated with the synthesis of new membranes to harbour the recombinant protein. The fusion protein complex approach and the expression system presented here can hopefully be used as a general method to facilitate the expression and crystallization of other membrane proteins.
Der Beitrag erläutert den Forschungsstand zur Entdeckung der Spiegelneuronen und fragt nach den Folgen dieser Entdeckung für die alte Frage nach dem Grund unseres Wohlgefallens an nachgeahmten Handlungen. Der Beitrag argumentiert, dass die Spiegelneuronen mindestens einer der zentralen neuronalen Mechanismen sind, die erklären, warum der Mensch Literatur hat. Diese Hypothese hat ihrerseits Folgen für einen präziseren Begriff der Literatur. Literatur besteht demnach aus Nachahmungsgeschichten. Sie ist Nahrung für unseren Nachahmungsinstinkt. Die Spiegelneuronen erklären, warum wir diese Nahrung brauchen und welche Bedingungen erfüllt sein müssen, damit Literatur diese Funktion erfüllen kann.