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Die Untersuchung von RNA mittels NMR-Spektroskopie hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, weil die Zahl der neu entdeckten RNA-Funktionen, wie z.B. RNA-Schalter in Bakterien, stark gestiegen ist. Ziel dieser Arbeit war es, mithilfe der NMR-Spektroskopie einen Beitrag zum besseren Verständnis der biochemischen Prozesse, in die RNA-Moleküle involviert sein können, zu leisten.
Im ersten Teil dieser Arbeit (Kapitel 2, 3 und 4) werden zum einen die Entwicklung neuer Methoden für die RNA-Strukturbestimmung vorgestellt und zum anderen die Leistungsfähigkeit der modernen NMR-spektroskopischen Strukturaufklärung demonstriert.
Im zweiten Teil dieser Arbeit (Kapitel 5) wird die NMR-Spektroskopie zur Untersuchung der RNA-Schalter-Funktion eingesetzt. Die biologische Funktion von RNA oder Proteinen setzt oftmals eine dynamische Struktur voraus und involviert Konformationsänderungen infolge biochemischer Signalweiterleitung. Für die Charakterisierung solcher Prozesse eignet sich die NMR-Spektroskopie insbesondere gut, weil sie in Lösung unter verschiedenen Reaktionsbedingungen angewandt wer-den kann. Durch den direkten NMR-spektroskopischen Nachweis von Basenpaarungen können wichtige strukturelle Eigenschaften (Faltung, Strukturhomogenität und Dynamik) entschlüsselt und in einen Zusammenhang mit der Funktion gebracht werden.
Im Folgenden werden die einzelnen Kapitel vorgestellt.
Nachdem das erste Kapitel eine allgemeine Einleitung in die NMR-Spektroskopie, RNA-Struktur und Funktion der RNA-Schalter darstellt, folgt im Kapitel 2 die Einführung einer neuen Methode, die eine quantitative Bestimmung der Torsionswinkel alpha und zeta in RNA/DNA mittels NMR-Spektroskopie ermöglicht (Abb. 1). Sie basiert auf der Wechselwirkung zwischen dem CH-Dipol und der 31P-CSA, die von der relativen Orientierung abhängig ist. Die Methode wurde für die CH- und CH2-Gruppen in Form von zwei Pulssequenzen (2D- und 3D-G-HCP) zur Messung von insgesamt fünf kreuz-korrelierten Relaxationsraten entlang des RNA/DNA-Rückgrats optimiert. Die Funktionsfähigkeit der Methode wurde zunächst an der 14mer cUUCGg-Tetraloop RNA getestet und zur Bestimmung der Torsionswinkel alpha und zeta genutzt. Die Ergebnisse flossen in die Strukturrechnung der 14mer RNA, die im Kapitel 3 vorgestellt wird, mit ein. Des Weiteren gelang es die Anwendbarkeit der Experimente an einer größeren 27mer RNA zu demonstrieren. Die neue Methode ist deswegen von Bedeutung, weil die Winkel alpha und zeta nicht über 3J-Kopplungskonstanten gemessen werden können.
(Nozinovic, S., Richter, C., Rinnenthal, J., Fürtig, B., Duchardt-Ferner, E., Weigand, J. E., Schwalbe, H. (2010), J. Am. Chem. Soc. 132, 10318-10329.)
Im Kapitel 3 wird die NMR-spektroskopische Bestimmung der Struktur einer Model-RNA, der 14mer cUUCGg-Tetraloop RNA, vorgestellt. Die Strukturrechung wurde mit verschiedenen NMR-Datensätzen, die in der Arbeitsgruppe einschließlich dieser Doktorarbeit gesammelt wurden, durchgeführt. Zusammen mit den Ergebnissen aus dem Kapitel 2 konnte eine sehr präzise Struktur mit einem RMSD von 0,37 Å (20 Strukturen) in sehr guter Übereinstimmung mit experimentellen Daten ermittelt werden. Die gerechnete Struktur repräsentiert eine der gegenwärtig genauesten und umfassendsten Strukturbestimmungen einer RNA, bei der jeder Torsionswinkel quantitativ bestimmt wurde. Einen besonderen Höhepunkt stellt die strukturelle Analyse der 2’OH-Gruppen dar, die im anschließenden Kapitel 4 weiter vertieft wurde.
(Nozinovic, S., Fürtig, B., Jonker, H. R. A., Richter, C., Schwalbe, H. (2010), Nucleic Acids Res. 38, 683-694)
Über Jahre war bekannt, dass die Größe der 1J(C1’,H1’)- und 1J(C2’,H2’)-Kopplungskonstanten innerhalb der Ribonukleotide von der lokalen Struktur des Zuckers und der Orientierung der Nukleobase beeinflusst wird. In dieser Arbeit (Kapitel 4) wurde zum ersten Mal ein systematischer Vergleich zwischen NMR-Messungen und DFT-Rechnungen durchgeführt, der eine eindeutige Zuordnung der Hauptkonformationen des Zuckers (C3’- oder C2’-endo) und der Nukleobase (anti oder syn) anhand der 1J(C,H)-Kopplungskonstanten erlaubt. Die beschriebene Methode wurde an einer größeren 27mer RNA erfolgreich erprobt. Weiterhin wurde erstmalig entdeckt, dass zudem die Orientierung der 2’OH-Gruppe einen signifikanten Einfluss auf die 1J(C,H)-Kopplungen hat (Abb. 3). Mithilfe von NMR-Messungen und DFT-Rechnungen konnte aus 1J(C,H)-Kopplungskonstanten die Orientierung von allen 2’OH-Gruppen in der 14mer cUUCGg-Tetraloop RNA bestimmt werden. Die Methode hat den großen Vorteil, dass 2’OH-Gruppen, die aufgrund des schnellen Austauschs mit Wasser oder D2O keine NMR-Signale liefern, analysiert werden kön-nen.
(Nozinovic, S., Gupta, P., Fürtig, B., Richter, C., Tüllmann, S., Duchardt-Ferner, E., Holthausen, M. C., Schwalbe, H. (2011), Angew. Chem. Int. Ed. 50, 5397-5400)
Im Kapitel 5 wird eine NMR-spektroskopische Untersuchung an der Aptamerdomäne des Adenin-bindenden RNA-Schalters (pbuE) vorgestellt. Im Fokus der Forschung stand die Frage: Welchen Einfluss hat die Länge der P1-Helix auf die Struktur und die Ligandbindung der freien Aptamer-domäne?
Durch den Vergleich von zwei Konstrukten mit unterschiedlich langer P1-Helix war es möglich, intrinsische Scherkräfte, die durch die Ausbildung der P1-Helix in der freien Aptamerdomäne entstehen, festzustellen. Es hat sich im Konstrukt mit der verlängerten P1-Helix gezeigt, dass diese zur Destabilisierung der P3-Helix und des Schlaufenkontakts führen. Diese strukturellen Änderungen haben außerdem zur Folge, dass die Bindungsstärke des Liganden reduziert wird. Die Ergebnisse zeigen, dass ein strukturelles Gleichgewicht zwischen Sekundärstrukturelementen die tertiäre Faltung beeinflusst und die Funktion moduliert.
(Nozinovic, S., Reining, A., Noeske, J., Wöhnert, J., Schwalbe, H. (2011), in Vorbereitung)
Neben ihrer Rolle in der DNA Mismatch Reparatur wird eine Beteiligung von MMR Proteinen an der Apoptoseinduktion, der Antikörperbildung sowie an der Mitose und Meiose beschrieben. Untersuchungen zu Partnerproteinen des MMR Proteins MLH1 zeigten darüber hinaus eine Interaktion von MLH1 zu einigen Zytoskelett-assoziierten Proteinen. In der vorliegenden Arbeit sollte der Zusammenhang von MLH1 und nicht-erythroidem Spectrin alpha II (SPTAN1) auf Proteinebene untersucht und eine mögliche Beteiligung von SPTAN1 am DNA Mismatch Reparaturprozess mittels eines in vitro MMR-Assays analysiert werden. Die vergleichenden in vitro Analysen der MLH1 und SPTAN1 Expression erfolgten in fünf verschiedenen MLH1-profizienten und zwei MLH1-defizienten Zelllinien. Zudem wurde in vivo die Expression von MLH1 und SPTAN1 exemplarisch am Beispiel eines sporadischen sowie eines MLH1-defizienten Kolonkarzinomgewebes und des jeweils zugehörigen Normalgewebes durchgeführt. Im MMR-Assay wurden Kernextrakte aus HEK293T Zellen eingesetzte, in denen MLH1 und PMS2 bzw. MLH1, PMS2 sowie SPTAN1 überexprimiert wurde oder solche in denen die SPTAN1 Menge durch siRNA Behandlung zuvor reduziert worden war. Während die Untersuchungen hinsichtlich einer Beteiligung von SPTAN1 an der DNA Mismatch Reparatur keine eindeutigen Ergebnisse erbrachten, zeigten die Analysen der Expression von MLH1 und SPTAN1 interessanterweise sowohl in vitro als auch in vivo, dass die Proteinkonzentration von SPTAN1 bei MLH1-Profizienz deutlich höher war, als bei MLH1-Defizienz. Da SPTAN1 ein überaus wichtiges, filamentöses Gerüstprotein darstellt, an der Aktin-Vernetzung und der Stabilisierung der Plasmamembran beteiligt und mitverantwortlich für Organisation der intrazellulären Organellen ist, könnten die Expressions-unterschiede in MLH1-defizienten und MLH1-profizienten Zellen für die Progression und das Metastasierungsverhalten entsprechender Kolontumore eine wichtige Rolle spielen. Weiterführende Untersuchungen, die im Anschluss an diese Arbeit hinsichtlich des Einflusses der SPTAN1 Menge auf das Migrationsverhalten entsprechender Zellen durchgeführt wurden, zeigen, dass MLH1-defiziente Zellen SPTAN1 abhängig weniger stark migrieren, als die MLH1-profizienten Vergleichszellen. Möglicherweise ist die MLH1 abhängige Expression von SPTAN1 Grund dafür, dass Kolontumoren mit MLH1-Defizienz signifikant weniger zur Metastasierung neigen, als sporadische Kolonkarzinome, die MLH1 exprimieren. Ob dies wirklich zutrifft muss allerdings durch weitere nachfolgende Experimente noch weiter untersucht werden.
Der brain-derived neurotrophic factor (BDNF) ist ein in jüngerer Vergangenheit vielfach untersuchter Wachstumsfaktor. Dies liegt zum einen daran, dass der BDNF mit unterschiedlichen neurologischen Erkrankungen – wie dem Morbus Parkinson – in Verbindung gebracht wird (SCALZO et al., 2010; ZUCCATO & CATTANEO, 2009), zum anderen an der Tatsache, dass für den BDNF ein entgegenwirkender Effekt der diesen neurologischen Erkrankungen zugrundeliegenden neurodegenerativen Prozesse nachgewiesen wurde (DECHANT & NEUMANN, 2002). Erkenntnisse der sportmedizinischen und sportwissenschaftlichen Forschung zeigen dabei, dass eine sportliche Betätigung zu einer vermehrten Expression des BDNF führen kann, wobei allgemein dynamische und über einen längeren Zeitraum ausgeführte Aktivitäten (bspw. Ausdauertraining) die größten positiven Effekte auf die Expression des BDNF zu haben scheinen (KNAEPEN, GOEKINT, HEYMAN & MEEUSEN, 2010). In Anbetracht der den Morbus Parkinson begleitenden Kardinalsymptome, welche Einschränkungen der motorischen Leistungsfähigkeit als Folge haben, ist jedoch gerade eine solche andauernde Aktivität eine oftmals mit diesem Patientenkollektiv nicht umzusetzende Trainingsmaßnahme. Die Stochastische Resonanztherapie (SRT), als zunächst nur passive Trainingsmaßnahme, welche über applizierte Vibrationen zu Muskelkontraktionen führt (HAGBARTH & EKLUND, 1966) wurde bereits mit einer vermehrten Expression neurotropher Faktoren bzw. des BDNF in Verbindung gebracht (HAAS, TURBANSKI, KESSLER & SCHMIDTBLEICHER, 2006). Diese Annahme beruhte dabei auf lediglich theoretischen Überlegungen, welche wissenschaftlichen jedoch noch nicht untersucht wurden. Neben der Betrachtung der SRT als potentielle Therapiemaßnahme für Parkinson-Patienten konnten interessante Forschungsarbeiten vergangener Jahre zeigen, dass ein Training unter Blutflussrestriktion (engl.: blood-flow-restriction; BFR) zu einer positiven Beeinflussung bspw. der motorischen Kraft führt, hierfür im Vergleich zu einem Hypertrophietraining jedoch deutlich geringere Intensitäten (1RM) notwendig sind (ELLEFSEN et al., 2015; FAHS et al., 2015; LAURENTINO et al., 2012). Diese Entdeckung ist dabei für Parkinson-Patienten interessant, so dass dieses Patientenklientel trotz einer geringer notwendigen Belastung adäquate Krafttrainingsreize appliziert bekommen kann.
Die Primärfragestellung der vorliegenden Studie war zum einen die Wirkung der SRT auf den BDNF (ad-hoc-Messung), zum anderen wurde der Sekundärfragestellung nachgegangen, ob durch ein 8-wöchiges SRT-Training eine Verbesserung auch funktioneller Parameter erzielt werden kann (Langzeiteffekt/-messung). Bezüglich der Sekundärfragestellung wurde im pre-post-Testdesign die Wirkung der SRT auf die isometrische Maximalkraft, die posturale Stabilität und den Timed-up-and-go-Test (TUG-Test) untersucht. Sowohl die Primär- als auch die Sekundärfragestellung beinhalteten neben der reinen SRT-Anwendung (SRT*) auch eine Integration der BFR (SRT*+BFR). Um Placebo-Effekte möglichst auszuschließen, wurde beiden Gruppen jeweils eine Kontrollgruppe gegenübergestellt.
An der Studie nahmen insgesamt 30 Personen mit Morbus Parkinson teil (Hoehn & Yahr 2-4). Im Ergebnis zeigte sich, dass – zunächst auf die Primärfragestellung (BDNF) bezogen – sowohl die SRT*-Intervention, als auch die SRT*+BFR-Intervention zu einer hochsignifikanten Erhöhung des BDNF führte. Im Intergruppenvergleich wiesen beide Interventionsgruppen im Vergleich zur KG eine sich signifikant unterscheidende Anpassung der BDNF-Expression auf. Im Vergleich beider Interventionsgruppen konnte dagegen keine unterschiedliche Beeinflussung des BDNF identifiziert werden. Bezüglich der Sekundärfragestellung konnte für die isometrische Maximalkraft lediglich für SRT*+BFR eine signifikante Kraftsteigerung nachgewiesen werden. Im Intergruppenvergleich zeigte sich diese als signifikant unterschiedlich zur Beeinflussung der isometrischen Maximalkraft in der KG, wohingegen kein Unterschied zwischen der SRT*+BFR und SRT* als auch der SRT* und der KG identifiziert werden konnte. Während für die posturale Stabilität in Parallelstellung sowohl im Intragruppen- als auch im Intergruppenvergleich keine signifikante Beeinflussung der SRT* und SRT*+BFR gemessen werden konnte, zeigte sich in Schrittstellung eine signifikante Veränderung der SRT*, wobei diese eine Verschlechterung der posturalen Stabilität darstellte. Im Intergruppenvergleich zeigte sich ein signifikanter Unterschied zwischen SRT* und SRT*+BFR, wobei SRT*+BFR zu einer Verbesserung der posturalen Stabilität geführt hat, diese jedoch keine statistische Signifikanz aufwies. SRT* und SRT*+BFR unterschieden sich im Vergleich zur KG dagegen nicht signifikant. Die Messung der Gangleistung (TUG-Test) zeigte überraschenderweise lediglich für die KG eine signifikante Verbesserung auf, wobei SRT* und SRT*+BFR ebenfalls zu einer Verbesserung im TUG-Test geführt haben, welche jedoch den Nachweis einer statistischen Signifikanz verpassten. Durch die gleichgerichtete Anpassung zeigte sich abschließend im Intergruppenvergleich keine statistisch signifikante Unterscheidung der Gruppen.
Zusammengefasst zeigte die SRT tendenziell die Möglichkeit einer positiven Beeinflussung des BDNF auf, welche durch die additive BFR leicht erhöht werden konnte. Bezüglich der motorischen Parameter ergaben sich heterogene Ergebnisse, so dass nicht von einer generellen positiven Wirkung der SRT ausgegangen werden kann. Zu beobachten war jedoch, dass die zusätzliche BFR in allen Einzeltests – wenn auch nicht immer statistisch signifikant – zu ausschließlich positiven Anpassungen geführt hat.
In mitochondrial respiration, the soluble protein cytochrome c accepts an electron from the membrane bound cytochrome bc1. The interaction between cytochrome bc1 and cytochrome c is highly transient in nature, enabling turnover numbers greater than 160 s-1. Yeast cytochrome bc1 has been successfully crystallised with bound cytochrome c with the help of an antibody fragment (Lange and Hunte 2002; Solmaz and Hunte 2008). In all crystal structures of the complex, the homodimeric cytochrome bc1 binds only one cytochrome c, with the binding site located on subunit cytochrome c1. Univalent cytochrome c binding is correlated with conformational changes of the Rieske protein head domain and subunit QCR6p. The interface of the complex is small. The haem moieties are centrally located in a mainly non-polar contact site that includes a cation–! interaction and is surrounded by complementary charged residues. The crystal structure is in agreement with the general architecture of the interfaces of transient redox complexes and also reveals several interesting features unique to the cytochrome bc1. On the basis of the crystal structures, an extensive thermodynamic and kinetic characterisation of the interaction was carried out in this work to challenge the static snapshot of the bound proteins in the crystal structure as the relevant physiological electron transfer. The thermodynamic parameters of the interaction between the redox partners were determined using isothermal titration calorimetry (ITC). The association constant for cytochrome bc1 and cytochrome c in oxidised state under physiological ionic strength of 120 mM at 25 °C, was determined to be 5 " 103 M-1 by direct ITC titration. So, the partners interact with an affinity of 200 #M. In spite of the low affinity the complex has a life time ($ = 1/koff) of 5 #second, sufficiently long to enable the theoretically calculated electron transfer rates of 1.0 " 106 to 2.6 " 107 s%1 with a lifetime ($ = 1/rate) of 1-0.04 μseconds and experimentally determined rate of 7.7 " 104 s%1 with a lifetime of 13 μseconds. The low affinity makes it difficult to ascertain the stoichiometry of binding. The enthalpy of the interaction is endothermic, which is consistent with the nature of an interface where hydrophobic interactions are dominant. The enthalpy and entropy is 3.6 kJmol-1 and 83 kJmol-1K-1, respectively. The importance of key interface residues was also investigated. The role of the interface residue G89 of cytochrome c which might have a role in the dissociation of the complex has been probed by site-directed mutagenesis. The interface contains a cation-! interaction between F230 of cytochrome bc1 and R19 of cytochrome c, which is thought to provide the specificity to the interaction between the otherwise promiscuous partners. To analyse the role of this interaction pair in electron transfer, F230L and F230W mutants were used to measure direct electron transfer rates by flash photolysis and steady state kinetics. The findings indicate that another ! system can work as functional substitution of F230, while deleting the ! system has a deleterious effect on the complex formation. The inability of F230L to achieve the transient and steady state turnover rates as wild type protein indicates a scenario where the variant achieves an altered bound state with inefficient electron transfer pathways and higher edge-to-edge distance. The role of supernumerary subunit QCR6p in complex formation was investigated by steady state kinetics measurements. Subunit QCR6p does not interact directly with cytochrome c but is positioned in such a way that it could electrostatically steer cytochrome c in a reactive ensemble. The highly acidic and disordered N-terminus of QCR6p could interact with a patch of conserved lysine residues on cytochrome c. The role of subunit QCR6p has been assessed using QCR6p deleted cytochrome bc1 and a lysine variant of cytochrome c. The results show that QCR6p not only affects the kinetics of the interaction but is also important for the stability of cytochrome bc1. The kinetic and thermodynamic data obtained during this study provide evidence for the functional importance of non-catalytic cytochrome bc1 subunit QCR6p, show that the entropy driven interaction is indeed of low affinity and highly transient in nature and indicate that the interface is well suited to ensure the high turnover of the electron transfer chain where cytochrome c interacts with multiple partners using overlapping interfaces. The suggested role of the cation-! interaction as a highly specific interaction has been validated.
The focus of this research was to understand the molecular mechanism that lies behind the insertion of tail-anchored membrane proteins into the ER membrane of yeast cells. State-of-art instruments such as LILBID, and Cryo-EM, combined with the introduction of direct electron detectors, were used to analyze the proteins that capture tail-anchored proteins near the ER membrane and help their releases from a chaperone, an ATPase named Get3. Get3 escorts TA proteins to the ER membrane, where both Get3 and the TA proteins interact sequentially to Get3 membrane bound receptors Get1 and Get2. Get1 and Get2 are homologs of mammalian WRB and CAML.
The native host was used to separately produce Get1, Get2, and the Get2/Get1 single chain constructs. The studies showed that when Get1 is expressed alone, Get1 does not seems to be located in the ER membrane but rather in microbodies like shape organelles (or peroxisome). Interestingly, Get1 seems to be located in the ER membrane when it is linked to Get2 as single chain construct.
The localization study of Get2/Get1 fused to GFP shows from the fluorescence intensity that Get2/Get1.GFP has a tube-like morphology or membrane-enclosed sacs (cisterna), implying that Get2/Get1 is actually targeted to the ER membrane and is likely functional. In other words, Get1 and Get2 stabilize each other in the ER membrane.
The expression of Get2/Get1 was found to be already optimum when expressed as single chain construct because the fluorescence counts did not improve when additives such as DMSO or histidine were added. However, when Get1 and Get2 are expressed separately, additives improve their protein production yield. In 1 liter culture, Get1 yield is increased by about 3 mg and Get2 by 1.8 mg. This can be explained by the space that Get1 and Get2 should occupy within the ER membrane as they must coexist with other membrane components to maintain the homeostasis of the cell. Hence, if there were no gain for single chain construct expression, it meant that Get2/Get1 was already well expressed on its own in ER membrane and has reached its optimum expression without the help of additives. The Get2/Get1 overexpression is more stable, tolerated and less toxic for the cells to express it at a high level.
DDM has proved to be the best detergent from the detergents tested to solubilize Get1, Get2, and Get2/Get1.
Thereafter, Get1, Get2 (data not shown), and Get2/Get1 were successfully purified in DDM micelles.
Furthermore, for the first time using LILBID, the actual study has shown that Get1 and Get2 are predominantly a heterotetramer (2xGet1 and 2xGet2) but higher oligomerization may exist as well.
Get3 binds to Get1 in a biphasic way with a specific strong binding of an affinity of 57 nM and the second of 740 nM nonspecific indicative of heterogeneity within the interaction between Get1 and Get3. This heterogeneity is caused by the presence of different conformation of either protein. However, in order to characterize a high-resolution structure model of a specific target one needs highly homogenous and identical molecules of the target protein or complex in solution. The homogeneity increases the chances of growing crystals during crystallography as the good homogeneity will likely generate a perfect packing of unit cells stack (also known as crystal lattice) in the three-dimensional spaces. The same truth goes for the single particles analysis Cryo-EM, especially for smaller complexes where having less or no conformation alterations of specific targets will enable the researcher to classify the particles in 2D and 3D, therefore improving the signal-to-noise-ratio that will ultimately lead to high-resolution structure determination.
Get1, Get2/Get1 and chimeric variants (tGet2/Get1, T4l.Get2/Get1, T4l.Get2.apocyte.Get1) were crystallized but none of the crystals could diffract due to heterogeneity.
This heterogeneity was not only occurring upon the binding of Get3 to its membrane receptors, but seems to be already present within the receptors themselves through possibly different conformation.
In this Ph.D. thesis, the heterogeneity of purified Get2 and Get1 as complex or individually in detergent is then, so far, the limiting factor for obtaining a high-resolution structure model of Get1 and Get2. As mentioned above, the heterogeneity observed was not due to the quality of the sample preparation but rather to the effect of different conformations that could have been native, or just because of the micelle used, as it was proven by the 3-D heterogeneity classification by Cryo-EM.
In general, crosslinking is one way to keep the integrity of protein complexes, however it appeared not to improve the sample quality when it was analyzed in micelles. Often the integrity of some membrane proteins is affected when they are solubilized and purified in detergents.
Finally, in this study, the structural map of Get2 and Get1 complex linked with chimeric protein T4 lysozyme and apocytochrome C b562RIL gene was obtained at 10 Å. However, this single chain construct has a density map corresponding to heterodimer species (one Get1 and Get2). Therefore, based on those data the tertiary structure of Get2/Get1 in micelle is poorly defined. It could be that the membrane extraction in DDM and the purification destabilizes the structure of the complex.
Dopaminerge Neurone sind vor allem im Mittelhirn lokalisiert und modulieren die Funktion der Basalganglien, welche eine wichtige Rolle bei motorischem, kognitivem und emotionalem Verhalten spielen. Eine Dysregulation dopaminerger Neurotransmission, speziell die veränderte Belohnungsverarbeitung, spielt eine zentrale Rolle in der Ätiopathogenese der Aufmerksamkeitsdefizit- und Hyperaktivitätsstörung (ADHS), die im Erwachsenenalter häufig durch Komorbiditäten wie affektive Störungen, Angststörungen, Substanzgebrauch-Störungen, Persönlichkeitsstörungen oder Adipositas geprägt ist. Im Rahmen einer Teilstudie eines multizentrischen europäischen Projekts, CoCA (englisch: Comorbid Conditions in ADHD) genannt, soll die Modulation des dopaminergen Belohnungssystems bei gesunden Probanden durch einen pharmakologischen Provokationstest geprüft werden. Die funktionelle Magnetresonanztomographie (MRT) stellt hierbei ein nützliches bildgebendes Verfahren dar, das nicht-invasiv und bei hoher örtlicher Auflösung Veränderungen des sogenannten BOLD-Signals (englisch: blood oxygen level dependent) misst.
Die vorliegende Arbeit untersucht, inwiefern das dopaminerge Belohnungssystem durch einen pharmakologischen Provokationstest mit einem Dopaminagonisten sowie einem Dopaminantagonisten im Vergleich zu Placebo zu modulieren ist. Dazu wurde die BOLD-Antwort mittels funktionellem MRT während eines Gewinnspiels (Monetary Incentive Delay Tasks) mit inbegriffener Antizipations- und Feedback-Phase erforscht. Es wurde zuvor postuliert, dass sich die Aktivität belohnungsabhängiger Strukturen (wie ventrales Striatum, Putamen, Caudatus, anteriore Insula und medialer präfrontaler Kortex) während des Monetary Incentive Delay Tasks in einem pharmakologisch neutralen Haupteffekt reproduzieren lässt. Außerdem wurde ein Unterschied im Aktivitätsniveau des Belohnungssystems unter Pharmaka-Administration versus Placebo erwartet, sodass unter Amisulprid eine Dämpfung, und unter Levodopa eine Aktivitätssteigerung dessen darstellbar werden sollte.
Ein kontrolliert randomisiertes, doppelblindes Cross-over-Studiendesign, umfasste 45 gesunde Probanden, die durchschnittlich circa 23 Jahre alt (SD = 2,71 Jahre) waren. Die Studienteilnehmer absolvierten einen pharmakologischen Provokationstest mit Levodopa (100mg/ 25mg Carbidopa), Amisulprid (200mg) und Placebo sowie anschließender fMRT-Messung in einem 3 Tesla Scanner in randomisierter Reihenfolge. Die Analyse der fMRT-Daten erfolgte anhand von zwei primär definierten Kontrasten: Antizipation Gewinnbedingung > Feedback Gewinnbedingung und Antizipation Gewinnbedingung > Antizipation Kontrollbedingung zur Untersuchung von Belohnungserwartung und Feedback mittels der gemessenen BOLD-Antworten. Das verwendete GewinnspielParadigma, Monetary Incentive Delay Task genannt, erlaubt hierbei eine Beobachtung verschiedener Anteile der Belohnungsverarbeitung.
Im Haupteffekt der beiden Kontraste konnte eine signifikante BOLD-Aktivität in belohnungsabhängigen Gehirnregionen wie Putamen, anteriore Insula und Thalamus dargestellt werden. Unter Amisulprid-Administration konnte ein signifikanter dämpfender Effekt im Vergleich zu Placebo gezeigt werden. Für Levodopa ergab sich wider Erwarten jedoch kein signifikanter Unterschied im Aktivitätsniveau des Belohnungssystems.
Die vorhandenen Ergebnisse der durchgeführten Studie bieten eine Basis, die veränderte Regulation dopaminerger Neurotransmission im Rahmen psychiatrischer Erkrankungen besser zu beurteilen und weiter zu erforschen. Um ADHS mit seinen Komorbiditäten umfänglicher zu erfassen, ist es unvermeidbar, den Pathomechanismus der Dysregulation dopaminerger Neurotransmission, mit der daraus folgenden veränderten Belohnungsverarbeitung, in zukünftigen Studien genauer zu untersuchen.
In meiner exemplarischen Untersuchung stelle ich drei Hauptwerke in den Vordergrund, die jeweils für eine literarische Epoche repräsentativ sind, in denen die Auseinandersetzung um die industriegeprägte Technik eine besondere Schärfe erreicht. In dem biedermeierlich geprägten Fabrikroman "Das Engelchen" von Robert Prutz erscheint 1851 zu Beginn der Industrialisierung die Technik als ein bedrohliches, weil unverständliches Prinzip, das die zunftgeregelte Gesellschaftsordnung und mit ihr das moralische Wertesystem untergräbt. Maschinen werden mit Bildern bedrohlicher urzeitlicher Tiere belegt. Technische Kompetenz wird im Roman nicht dazu genutzt, Maschinen humaner zu gestalten - technische Kompetenz ist hier Mittel, um Technik gezielt außer Kraft zu setzen - indem der Konstrukteur die Maschinen durch Überhitzen zerstört und dabei selbst umkommt. Die reale industrielle Entwicklung ignorierend sieht Prutz eine Lösung darin, zum Agrarsystem zurückzukehren - also ein Leben ganz ohne industrielle Technik. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts dann, als sich der erste technologisch bestimmte Weltkrieg abzeichnet, erscheint dieses frühe Lösungsmuster als nicht mehr möglich. Technik wird hier auch als Erweiterung soziokultureller Handlungsmöglichkeiten gesehen, weit stärker zeigt sich in der Dramentrilogie "Die Koralle", "Gas" und "Gas. Zweiter Teil" von Gerhard Kaiser aber das destruktive Potential technischer Anwendungen. Aus dem nutzbringenden Energieträger Gas wird unter staatspolitischer Machtausübung in "Gas II" das Massenvernichtungsmittel Giftgas. Nach Faschismus und Zweitem Weltkrieg, nach einer beispiellos-naiven literarischen Technikverherrlichung vor und während der nationalsozialistischen Gewaltherrschaft aber auch dem gleichzeitigen Warnen vor einer atomaren Katastrophe, rückt nun in der Nachkriegsliteratur die ent-industrialisierte Technik in den Vordergrund. Statt Artefakten beschreibt Max Frisch den technischen Menschen, der sein Denken und Handeln in einem kontinuierlichen Prozeß immer weiter zu optimieren versucht. Ziel ist es, ähnlich wie bei einer Rechenmaschine, Fehler immer weiter auszuschließen. Der Mensch erscheint so als Analogon zur Maschine, der sein Denken lediglich nach rationalen Faktoren hin ausrichtet: Eine psychische Technologik wird im "Homo faber" einer sog. weiblichen Logik gegenübergestellt. In allen drei Werken, die repräsentativ für eine literarische Epoche sind, scheinen sich Technik und Leben auszuschließen. Die Skizzierung eines verantwortungsvollen Umgangs mit der Technik steht für die deutsche Literatur bislang aus.
Zielsetzung: Das Ziel dieser Arbeit war die Beurteilung der diagnostischen Leistungsfähigkeit der virtuellen Noncalcium (VNCa) Dual-Energy-Computertomographie (DECT) für den Nachweis lumbaler Bandscheibenvorfälle im Vergleich zu der konventionellen Graustufen-Computertomographie. Dabei galt die Magnetresonanztomographie (MRT) als Referenzstandard.
Material und Methodik: Für diese retrospektive Studie wurden 41 Patienten (243 Bandscheiben; Durchschnittsalter 68 Jahre; 24 Frauen [Durchschnittsal-ter, 68 Jahre] und 17 Männer [Durchschnittsalter, 68 Jahre]) zwischen März 2017 und Januar 2018 einer klinisch indizierten DECT, durchgeführt mit einem Dual-Source-Computertomographie (DSCT)-Scanner der dritten Generation (Somatom Force; Siemens Healthineers, Forchheim, Deutschland) sowie einer 3.0-Tesla MRT (Magnetom PrismaFit; Siemens Healthineers, Forchheim, Deutschland) im Abstand von maximal zwei Wochen unterzogen. Sechs Radiologen, verblindet hinsichtlich der klinischen und MRT-Informationen, untersuchten unabhängig voneinander die konventionellen Graustufen-DECT-Bildserien auf das Vorhandensein und den Grad eines Bandscheibenvorfalls sowie der Affektion der Spinalnervenwurzeln. Nach acht Wochen wurden die Bildserien von den gleichen sechs Untersuchern unter Verwendung von farbkodierten VNCa-Rekonstruktionen neu ausgewertet. Die MRT, die von zwei unabhängigen, erfahrenen und in Bezug auf klinische und DECT-Informationen verblindeten Radiologen ausgewertet wurde, diente dabei als Referenzstandard. Sensitivität und Spezifität waren die wichtigsten Kennzahlen der Diagnoseleistung.
Ergebnisse: Insgesamt wurden 112 Bandscheibenvorfälle der Lendenwirbelsäule in der MRT erfasst. VNCa zeigte insgesamt eine höhere Sensitivität (612 von 672 [91%] versus (vs.) 534 von 672 [80%]) und Spezifität (723 von 786 [92%] vs. 665 von 786 [85%]) zur Detektion eines lumbalen Bandscheibenvorfalls im Vergleich zur Standard-Computertomographie (CT) (alle Vergleiche, P < 0.001). Die Interrater-Reliabilität war „exzellent“ für VNCa und „gut“ für die Standard-CT (k = 0,82 vs. 0,67; P < 0.001). VNCa erreichte im Vergleich zum Standard-CT eine überlegene Diagnosesicherheit und Bildqualität bei niedrigerem Bildrauschen (alle Vergleiche, P < 0.001).
Schlussfolgerung: Farbkodierte Dual-Energy CT VNCa-Rekonstruktionen zeigen im Vergleich zur Standard-CT eine signifikant bessere diagnostische Genauigkeit und Sicherheit für die Detektion eines lumbalen Bandscheibenvorfalls.
Mathematical modeling of Arabidopsis thaliana with focus on network decomposition and reduction
(2014)
Systems biology has become an important research field during the last decade. It focusses on the understanding of the systems which emit the measured data. An important part of this research field is the network analysis, investigating biological networks. An essential point of the inspection of these network models is their validation, i.e., the successful comparison of predicted properties to measured data. Here especially Petri nets have shown their usefulness as modeling technique, coming with sound analysis methods and an intuitive representation of biological network data.
A very important tool for network validation is the analysis of the Transition-invariants (TI), which represent possible steady-state pathways, and the investigation of the liveness property. The computational complexity of the determination of both, TI and liveness property, often hamper their investigation.
To investigate this issue, a metabolic network model is created. It describes the core metabolism of Arabidopsis thaliana, and it is solely based on data from the literature. The model is too complex to determine the TI and the liveness property.
Several strategies are followed to enable an analysis and validation of the network. A network decomposition is utilized in two different ways: manually, motivated by idea to preserve the integrity of biological pathways, and automatically, motivated by the idea to minimize the number of crossing edges. As a decomposition may not be preserving important properties like the coveredness, a network reduction approach is suggested, which is mathematically proven to conserve these important properties. To deal with the large amount of data coming from the TI analysis, new organizational structures are proposed. The liveness property is investigated by reducing the complexity of the calculation method and adapting it to biological networks.
The results obtained by these approaches suggest a valid network model. In conclusion, the proposed approaches and strategies can be used in combination to allow the validation and analysis of highly complex biological networks.
Protein-Protein Interaktionen der NADH: Ubichinon-Oxidoreduktase (Komplex I) aus Yarrowia lipolytica
(2010)
Protein-Protein Interaktionen der NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase (Kolmplex I) aus Y. lipolytica In der inneren Mitochondrienmembran sind die Atmungskettenkomplexe I bis IV und die ATP-Synthase lokalisiert. Parallel zum Elektronentransport werden Protonen von der NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase (Komplex I), der bihydrochinon:Cytochrom c-Oxidoreduktase (Komplex III) und der Cytochrom c-Oxidase (Komplex IV) über die Membran in den Intermembranraum gepumpt. Der resultierende chemiosmotische Gradient wird von der ATPase verwendet um ATP zu generieren. Die NADH:Ubichinon- xidoreduktase ist der Startpunkt des Elektronentransfers. Der Komplex I wurde in verschiedenen Organismen in Interaktion mit Komplex III und IV beobachtet. Diese funktionellen Einheiten werden als Respirasomen oder Superkomplexe bezeichnet (Pfeiffer und Schägger, 2000). Der Komplex I in prokaryotischen Zellen stellt die kleinstmögliche Variante dieses Enzyms dar. Da er in der Lage ist, alle bioenergetischen Reaktionen durchzuführen, werden die beteiligten 14 Untereinheiten als zentrale Untereinheiten bezeichnet (Fearnley et al. 1992). In den Eukaryoten findet sich ein Enzym, das je nach Organismus bis zu 31 weitere, sogenannte akzessorische Untereinheiten aufweist. Da diese Untereinheiten keine Homologie mit bakteriellen Proteinen aufweisen, wird davon ausgegangen, dass sie eher eine Funktion im Assemblierungsprozess ausüben als am Elektronentransfer oder der Translokation der Protonen beteiligt zu sein. Ziel dieser Arbeit war es daher mögliche Interaktionspartner des Komplex I oder weitere Untereinheiten zu finden. Für die Detektion möglicher Interakteure sollten neben einem Two-Hybrid-Screen noch weitere Methoden etabliert werden. Als Modellsystem wurde Yarrowia lipolytica verwendet. Unter Verwendung des BacterioMatchII® Systems konnte die mitochondriale Malat-Dehydrogenase, ein Enzym des Citrat-Zyklus, als ein Interaktionspartner des Komplex I gefunden werden. Bei der Reaktion entsteht NADH, das Energieäquivalent, welches dem Komplex I Elektronen liefert. Im Kontext des Substratchannelings deutet die Interaktion der mitochondrialen Malat- ehydrogenase auf hochgeordnete Stukturen im Matrixraum hin, die einen Transfermechanismus oder eine zielgerichtete Diffusion des NADH gewährleisten könnten. Durch die Kombination der Methoden Immunpräzipitation, Gelelektrophorese und MALDI-MS konnten erstmals Hinweise auf Superkomplexe in Y. lipolytica gefunden werden, was dann durch mehrdimensionale Gelelektrophorese bestätigt werden konnte. In dieser Arbeit konnten die Superkomplexe I1III2 ,I1III2IV1 und I1III2IV2 identifiziert werden. Ein vollständiges Respirasom mit einer Stöchiometrie von I1III2IV4 konnte nicht gezeigt werden. Desweiteren konnte die Anwesenheit eines Komplex I-Dimers nachgewiesen werden. In dem bisher postulierten Modell der respiratory strings werden die Superkomplexe durch tetramere Komplex IV-Module zu hochmolekularen Strukturen verknüpft (Wittig et al., 2006). Die detektierten Komplex I-Dimere lassen vermuten, dass sie zusammen mit dem tetrameren Komplex IV als Linker-Moleküle die Superkomplexe zu einem zweidimensionalen respiratory patch verbinden. Zudem konnte eine neue Untereinheit des Komplex I, genannt NEBM, durch das Zusammenspiel von LILBID- und MALDI-Massenspektrometrie und Gelelektophorese identifiziert werden. Durch MALDI-Massenspektrometrie wurde diese Untereinheit de novo sequenziert. Die Charakteristik des identifizierten Proteins entspricht den sogenannten single-transmembrane domain Untereinheiten (Brandt et al., 2005; Brandt 2006), die eventuell eine Funktion in der Assemblierung des Komplex I einnehmen könnten. Weder bei den Messungen der NADH:HAR- noch der dNADH:DBQ-Aktivität zeigte der Deletionsstamm enzymatisch aktiven Komplex I. Weder in blau-nativer Elektrophorese noch in silbergefärbten 2D SDS-Gelen war ein Komplex I noch ein Subkomplex sichtbar und auch In-Gel-Aktivitäts-Tests verliefen für die Detektion von Komplex I im Deletionsstamm negativ. Erst durch eine Western Blot Analyse konnte ein Subkomplex mit einer Größe von ca. 300kDa detektiert werden. Unter Berücksichtigung der für den Rinderkomplex vorgeschlagenen Einteilung des Komplex I in die Subkomplexe Iα und Iβ (Brandt et al. 2006) könnte der detektierte Subkomplex Iβ zugeordnet werden, da er zwei Untereinheiten beinhaltet, die diesem Komplex zuzuordnen sind. Die NEBM Untereinheit könnte also an der Assemblierung der NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase beteiligt sein. Erstmals konnten Superkomplexe in Y. lipolytica Mitochondrien nachgewiesen werden. Die Identifizierung der neuen NEBM Untereinheit vervollständigt die Kenntnisse über die Untereinheitenzusammensetzung. Das Wechselspiel mit anderen Proteinen und die Zusammensetzung des Komplexes können für die Strukturaufklärung und zur Analyse des Reaktionsmechanismus wichtig sein. Somit leisten diese Ergebnisse einen wichtigen Beitrag zur Charakterisierung der NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase aus Y. lipolytica.