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Bislang sind die strukturellen Voraussetzungen für die Selektivität von Agonisten an den Retinoid Rezeptor Subtypen RXRα, RXRβ und RXRγ kaum erforscht, obwohl RXR-Modulatoren, die eine Subtypen-Präferenz aufweisen, aufgrund der unterschiedlichen Expressionsmuster der Subtypen Gewebe-spezifische Effekte vermitteln und somit Nebenwirkungen verringern könnten. Der Grund dieser Forschungslücke liegt teilweise darin, dass die Entwicklung Subtypen-selektiver RXR-Agonisten aufgrund der enormen strukturellen Ähnlichkeit der Ligandbindestellen in den RXR-Subtypen - alle Aminosäuren, die die Bindungsstellen bilden sind identisch - als unerreichbar angesehen wurde. Die Entdeckung des Naturstoffs Valerensäure als RXR-Agonist mit ausgeprägter Präferenz für den RXRβ-Subtyp hat jedoch gezeigt, dass Subtypen-selektive RXR-Modulation möglich ist249 und SAR-Studien an unterschiedlichen RXR-Ligand-Chemotypen haben in der Folge bestätigt, dass die Entwicklung von RXR-Liganden mit Subtypen-Präferenz erreicht werden kann.
Auf der Basis von Valerensäure und der in früheren Arbeiten entwickelten RXR-Agonisten wurden in dieser Arbeit Strukturmodifikationen identifiziert, die zu einer RXR-Subtypen-Präferenz beitragen. Durch die Verschmelzung dieser Strukturelemente ist es gelungen, einen neuen RXR-Agonist-Chemotyp (A) zu entwerfen, der durch strategische Methylierung und weitere Strukturmodifikationen zur Präferenz für jeden Subtyp optimiert werden konnte.
In einem Adipozyten-Differenzierungsexperiment konnte gezeigt werden, dass RXRα der wichtigste Heterodimer-Partner von PPARγ während der Adipogenese ist. Ferner unterstrich diese biologische Untersuchung das Potenzial von 99, 103 und 105 als Subtyp-präferentielle RXR-Agonisten in vitro Experimenten zu dienen.
Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde eine mögliche Rolle von Acrylsäurepartialstrukturen natürlicher RXR-Liganden basierend auf dem zuvor entwickelten Chemotyp untersucht. Hierzu wurden das α-Methylacrylsäuremotiv des Naturstoffs Valerensäure (18) und das β-Methylacrylsäuremotiv des endogenen RXR-Agonisten 9-cis-Retinsäure in den Chemotyp A integriert (Chemotyp B), um die Rolle dieser Acrylsäuregruppen bei der Vermittlung der RXR-Subtypen-Selektivität zu untersuchen. Die Strukturmodifikationen an B zeigten, dass nur die α-Methyl-substituierte Acrylsäurekette toleriert bzw. von RXRβ präferiert wurde, was die RXR-Präferenz der Valerensäure (18) unterstützte.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass RXR-Liganden mit Subtypen-Präferenz realisierbar sind und durch gezielte Strukturmodifikationen in ihrer Präferenz gesteuert werden können. Die Erkenntnisse zu den Struktur-Wirkungs-Beziehungen der neuen RXR-Agonist-Chemotypen A und B erweitern den Wissenstand über die strukturellen Voraussetzungen von RXR-Liganden für die Subtypen-Präferenz deutlich.
This cumulative dissertation examines learning in chemistry laboratories, focusing on the challenges and benefits of problem-based learning (PBL) for novices in the lab. It addresses the lack of consistent understanding about what should be learned in labs and why it's important. The research aims to understand what students learn, how they learn, and how lab learning can be improved.
A central concept in PBL labs is Information Literacy, defined as a sociocultural practice enabling learners to identify and use information sources within a specific context as legitimized by the practice community.
The first publication, Wellhöfer and Lühken (2022a), investigates the relationship between PBL and learner motivation. It identifies factors that can foster students' intrinsic motivation in a PBL lab. Autonomy is found to be a key factor, increasing student motivation and presenting a model of the autonomous scientific process. This model involves four steps: information acquisition, designing and applying experimental procedures, experimental feedback, and autonomous process optimization. The results suggest that intrinsic motivation in PBL labs can be enhanced by enabling students to independently execute these steps.
The second publication, Wellhöfer and Lühken (2022b), examines the information process students undergo during their first PBL lab. Using a sociocultural framework, it explores Information Literacy to understand students' handling of information and their perceptions of the information process. The findings reveal that in PBL labs, developing a practical, applicable experimental procedure is crucial for problem-solving and significantly shapes the information-acquisition process. This process is iterative, influenced by new information, leading to more precise information needs. Students assess information quality based on its usefulness for their problem, implementability (considering cognitive understanding, available equipment, and psychomotor skills), and safety.
Furthermore, the role of privileged knowledge forms in evaluating the quality of text sources is explored. Students viewed non-scientific sources as "poor" and scientific sources as "good," yet used both for information gathering. There were discrepancies between their assessment of source quality and actual use, indicating that perception of source quality doesn't always affect their practical decisions.
The third publication, Wellhöfer, Machleid, and Lühken (2023), investigates students' information practices in the lab, focusing on discourse between novice learners and experienced assistants. It shows that theoretical knowledge isn't sufficient for independent practical action, and students need actionable social information from experienced community members. The results highlight that information literacy in the lab for newcomers to a community of practice has distinctive features, and physical experience and tacit knowledge are crucial for learning the methods and group-specific knowledge of the practice community. The article demonstrates how learning information literacy in a practice community requires a social and physical experience and provides insights on how educators can support this process.
Phenotypical screening is a widely used approach in drug discovery for the identification of small molecules with cellular activities. However, functional annotation of identified hits often poses a challenge. The development of small molecules with narrow or exclusive target selectivity such as chemical probes and chemogenomic (CG) libraries, greatly diminishes this challenge, but non-specific effects caused by compound toxicity or interference with basic cellular functions still pose a problem to associate phenotypic readouts with molecular targets. Hence, each compound should ideally be comprehensively characterized regarding its effects on general cell functions. Here, we report an optimized live-cell multiplexed assay that classifies cells based on nuclear morphology, presenting an excellent indicator for cellular responses such as early apoptosis and necrosis. This basic readout in combination with the detection of other general cell damaging activities of small molecules such as changes in cytoskeletal morphology, cell cycle and mitochondrial health provides a comprehensive time-dependent characterization of the effect of small molecules on cellular health in a single experiment. The developed high-content assay offers multi-dimensional comprehensive characterization that can be used to delineate generic effects regarding cell functions and cell viability, allowing an assessment of compound suitability for subsequent detailed phenotypic and mechanistic studies.
Publicly available compound and bioactivity databases provide an essential basis for data-driven applications in life-science research and drug design. By analyzing several bioactivity repositories, we discovered differences in compound and target coverage advocating the combined use of data from multiple sources. Using data from ChEMBL, PubChem, IUPHAR/BPS, BindingDB, and Probes & Drugs, we assembled a consensus dataset focusing on small molecules with bioactivity on human macromolecular targets. This allowed an improved coverage of compound space and targets, and an automated comparison and curation of structural and bioactivity data to reveal potentially erroneous entries and increase confidence. The consensus dataset comprised of more than 1.1 million compounds with over 10.9 million bioactivity data points with annotations on assay type and bioactivity confidence, providing a useful ensemble for computational applications in drug design and chemogenomics.
Dimerization of Taspase1 activates an intrinsic serine protease function that leads to the catalytic Thr234 residue, which allows to catalyze the consensus sequence Q−3X−2D−1⋅G1X2D3D4, present in Trithorax family members and TFIIA. Noteworthy, Taspase1 performs only a single hydrolytic step on substrate proteins, which makes it impossible to screen for inhibitors in a classical screening approach. Here, we report the development of an HTRF reporter assay that allowed the identification of an inhibitor, Closantel sodium, that inhibits Taspase1 in a noncovalent fashion (IC50 = 1.6 μM). The novel inhibitor interferes with the dimerization step and/or the intrinsic serine protease function of the proenzyme. Of interest, Taspase1 is required to activate the oncogenic functions of the leukemogenic AF4-MLL fusion protein and was shown in several studies to be overexpressed in many solid tumors. Therefore, the inhibitor may be useful for further validation of Taspase1 as a target for cancer therapy.
Unraveling the activation mechanism of taspase1 which controls the oncogenic AF4–MLL fusion protein
(2015)
We have recently demonstrated that Taspase1-mediated cleavage of the AF4–MLL oncoprotein results in the formation of a stable multiprotein complex which forms the key event for the onset of acute proB leukemia in mice. Therefore, Taspase1 represents a conditional oncoprotein in the context of t(4;11) leukemia. In this report, we used site-directed mutagenesis to unravel the molecular events by which Taspase1 becomes sequentially activated. Monomeric pro-enzymes form dimers which are autocatalytically processed into the enzymatically active form of Taspase1 (αββα). The active enzyme cleaves only very few target proteins, e.g., MLL, MLL4 and TFIIA at their corresponding consensus cleavage sites (CSTasp1) as well as AF4–MLL in the case of leukemogenic translocation. This knowledge was translated into the design of a dominant-negative mutant of Taspase1 (dnTASP1). As expected, simultaneous expression of the leukemogenic AF4–MLL and dnTASP1 causes the disappearance of the leukemogenic oncoprotein, because the uncleaved AF4–MLL protein (328 kDa) is subject to proteasomal degradation, while the cleaved AF4–MLL forms a stable oncogenic multi-protein complex with a very long half-life. Moreover, coexpression of dnTASP1 with a BFP-CSTasp1-GFP FRET biosensor effectively inhibits cleavage. The impact of our findings on future drug development and potential treatment options for t(4;11) leukemia will be discussed.
Over the last 15 years the Diagnostic Center of Acute Leukemia (DCAL) at the Frankfurt University has diagnosed and elucidated the Mixed Lineage Leukemia (MLL) recombinome with >100 MLL fusion partners. When analyzing all these different events, balanced chromosomal translocations were found to comprise the majority of these cases (~70%), while other types of genetic rearrangements (3-way-translocations, spliced fusions, 11q inversions, interstitial deletions or insertion of chromosomal fragments into other chromosomes) account for about 30%. In nearly all those complex cases, functional fusion proteins can be produced by transcription, splicing and translation. With a few exceptions (10 out of 102 fusion genes which were per se out-of-frame), all these genetic rearrangements produced a direct MLL fusion gene, and in 94% of cases an additional reciprocal fusion gene. So far, 114 patients (out of 2454 = ~5%) have been diagnosed only with the reciprocal fusion allele, displaying no MLL-X allele. The fact that so many MLL rearrangements bear at least two fusion alleles, but also our findings that several direct MLL fusions were either out-of-frame fusions or missing, raises the question about the function and importance of reciprocal MLL fusions. Recent findings also demonstrate the presence of reciprocal MLL fusions in sarcoma patients. Here, we want to discuss the role of reciprocal MLL fusion proteins for leukemogenesis and beyond.
Mechanistic characterization of photoisomerization reactions in organic molecules and photoreceptors
(2023)
In dieser Arbeit wurden verschiedene Einflüsse auf die Dynamik von Photoisomerisierungen in Phytochromen und indigoiden Photoschaltern untersucht. Beide Forschungsgebiete teilen wesentliche Aspekte wie die Kontrolle durch sterische Wechselwirkungen und den starken Einfluss der Polarität oder der ionischen Umgebung.
Auf dem Gebiet der Phytochrome wurde die relative Positionierung der knotenlosen Phytochrome innerhalb der Superfamilie der Phytochrome in Bezug auf ihre Photodynamik und den Effekt von Grundzustandsheterogenität herausgearbeitet. Es wurde anhand von ultraschnellen, zeitaufgelösten Anrege-Abtast-Experimenten der einzelnen GAF-Domäne All2699g1 im Vergleich mit dem vollständigen knotenlosen Phytochrom All2699g1g2 und dem strukturell ähnlichen knotenlosen Phytochrom SynCph2 gezeigt, dass knotenlose Phytochrome in ihrer Vorwärtsdynamik eine komplexe mehrphasige Kinetik mit einem langlebigen angeregten Zustand (~100 ps) aufweisen. Die beobachtete mehrphasige Kinetik konnte einer initialen Chromophordynamik sowie einer nicht exponentiellen Reorganisation der chromophor-umgebenden Proteinmatrix zugeordnet werden. Dies steht im starken Kontrast zur im Gebiet der Phytochrome etablierten Beschreibung derartiger mehrphasiger Kinetiken mittels heterogener Grundzustände. Stattdessen wurde ein konserviertes kinetisches Muster identifiziert, welches die mehrphasige Dynamik beschreibt und in allen in dieser Arbeit untersuchten Phytochrome beobachtet wurde. Zudem konnte dieses Muster in einem Phytochrom der Gruppe I und einem Phytochrom der Gruppe III, die einen ähnlichen Pr Dunkelzustand aufweisen, gezeigt werden, was eine breite Anwendbarkeit des damit verbundenen Mechanismus vermuten lässt. Weiterhin konnte die zentrale Rolle eines konservierten Tyrosins in der Photoisomerisierung anhand von Mutationsstudien in All2699g1 herausgearbeitet werden. Diese konservierte Aminosäure muss im Rahmen der Reorganisation der Proteinmatrix vom Chromophor weggezogen werden, damit die sterische Blockade abgebaut werden kann, die die Isomerisierung des Chromophors zunächst verhindert. Da diese Bewegung von diversen Faktoren in der den Chromophor umgebenden Proteinmatrix abhängt, weist sie eine nicht exponentielle Kinetik auf, die je nach Phytochrom, der spezifischen Flexibilität und dem vorhandenen Raum in der Bindetasche unterschiedliche Lebenszeiten aufweist.
Die Rückreaktion knotenloser Phytochrome konnte ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit charakterisiert werden, welche im Pikosekundenbereich abläuft, und damit signifikant schneller ist als die Vorwärtsreaktion. Im Gegensatz zur Vorwärtsreaktion nimmt Grundzustandsheterogenität in der Rückreaktion eine weitaus bedeutendere Rolle ein. Hier weisen die in All2699g1 vorhandenen heterogenen Grundzustandspopulationen jeweils eine eigene Kinetik ihres angeregten Zustands auf, während die homogenen Grundzustände von All2699g1g2 und SynCph2 jeweils nur einen Zerfall des angeregten Zustands zeigen. Der Ursprung dieser Heterogenität konnte im Wasserstoffbrückennetzwerk des Chromophors lokalisiert und mit dem konservierten Tyrosin und einem konservierten Serin in der PHY-Domäne verknüpft werden. Die Anwesenheit der PHY-Domäne sorgt demnach für eine Verringerung der Grundzustandsheterogenität und des vorhandenen Raums in der Bindetasche, wodurch die Effizienz der Photoreaktion optimiert wird.
Zuletzt konnte die Millisekundendynamik knotenloser Phytochrome und der Einfluss der PHY-Domäne auf diese aufgeklärt werden. Die PHY-Domäne sorgt hierbei durch den verringerten Raum in der Bindetasche dafür, dass die zunächst stattfindende thermische Relaxation des Chromophors signifikant verlangsamt wird, während spätere Änderungen im Photozyklus nur wenig beeinflusst werden.
Auf dem Gebiet der indigoiden Photoschalter konnte, anhand eines sterisch überladenen Hemithioindigo Photoschalters, der Photoisomerisierungsmechanismus des Hula-Twists beobachtet und eine starke Lösungsmittelabhängigkeit der entsprechenden Kinetik aufgezeigt werden. Aus den durchgeführten zeitaufgelösten Anrege-Abtast-Experimenten in verschiedenen Lösungsmitteln konnte ein Modell für die Photodynamik des verwendeten Hemithioindigo Photoschalters entwickelt werden. In unpolaren Lösungsmitteln muss eine hohe Barriere zur produktiven konischen Durchschneidung überwunden werden, was zu Lebenszeiten des angeregten Zustands im Nanosekundenbereich führt. Der Weg zur produktiven konischen Durchschneidung folgt dabei dem Hula-Twist Mechanismus. Dieser Pfad ist in polaren Lösungsmitteln unerreichbar, weshalb eine schnelle Relaxation über eine unproduktive konische Durchschneidung stattfindet.
Im zweiten Projekt auf dem Gebiet der indigoiden Photoschalter wurde anhand der neuartigen Klasse der Iminothioindoxyl Photoschalter ein Schwingungsenergiedonor für Schwingungsenergietransferstudien entwickelt. Das daraus entwickelte Modellsystem, bestehend aus einer künstlichen Aminosäure auf Basis des Iminothioindoxyl Photoschalters und einem daran gekoppelten Schwingungsenergiesensor, wurde charakterisiert und die primäre Photoreaktion untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der angeregte Zustand des Modellsystems kurzlebig ist und unter Abgabe von großen Mengen an Schwingungsenergie zerfällt, unabhängig von der Anregungswellenlänge und dem verwendeten Lösungsmittel. Somit zeigt das entwickelte System vorteilhafte Eigenschaften für Schwingungsenergietransferstudien.
Insgesamt konnten somit die Mechanismen der Photoisomerisierungsreaktionen in knotenlosen Phytochromen und indigoiden Photoschaltern aufgeklärt und daraus die Relevanz der Umgebung für derartige Reaktionen herausgearbeitet werden.
Glucose hypometabolism, mitochondrial dysfunction, and cholinergic deficits have been reported in early stages of Alzheimer’s disease (AD). Here, we examine these parameters in TgF344-AD rats, an Alzheimer model that carries amyloid precursor protein and presenilin-1 mutations, and of wild type F344 rats. In mitochondria isolated from rat hippocampi, we found reductions of complex I and oxidative phosphorylation in transgenic rats. Further impairments, also of complex II, were observed in aged (wild-type and transgenic) rats. Treatment with a “cocktail” containing magnesium orotate, benfotiamine, folic acid, cyanocobalamin, and cholecalciferol did not affect mitochondrial activities in wild-type rats but restored diminished activities in transgenic rats to wild-type levels. Glucose, lactate, and pyruvate levels were unchanged by age, genetic background, or treatment. Using microdialysis, we also investigated extracellular concentrations of acetylcholine that were strongly reduced in transgenic animals. Again, ACh levels in wild-type rats did not change upon treatment with nutrients, whereas the cocktail increased hippocampal acetylcholine levels under physiological stimulation. We conclude that TgF344-AD rats display a distinct mitochondrial and cholinergic dysfunction not unlike the findings in patients suffering from AD. This dysfunction can be partially corrected by the application of the “cocktail” which is particularly active in aged rats. We suggest that the TgF344-AD rat is a promising model to further investigate mitochondrial and cholinergic dysfunction and potential treatment approaches for AD.
Cytochrome c oxidase catalyzes the reduction of oxygen to water. This process is accompanied by the vectorial transport of protons across the mitochondrial or bacterial membrane (“proton pumping”). The mechanism of proton pumping is still a matter of debate. Many proposed mechanisms require structural changes during the reaction cycle of cytochrome c oxidase. Therefore, the structure of the cytochrome c oxidase was determined in the completely oxidized and in the completely reduced states at a temperature of 100 K. No ligand exchanges or other major structural changes upon reduction of the cytochrome coxidase from Paracoccus denitrificans were observed. The three histidine CuB ligands are well defined in the oxidized and in the reduced states. These results are hardly compatible with the “histidine cycle” mechanisms formulated previously.