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Single-particle tracking enables the analysis of the dynamics of biomolecules in living cells with nanometer spatial and millisecond temporal resolution. This technique reports on the mobility of membrane proteins and is sensitive to the molecular state of a biomolecule and to interactions with other biomolecules. Trajectories describe the mobility of single particles over time and provide information such as the diffusion coefficient and diffusion state. Changes in particle dynamics within single trajectories lead to segmentation, which allows to extract information on transitions of functional states of a biomolecule. Here, mean-squared displacement analysis is developed to classify trajectory segments into immobile, confined diffusing, and freely diffusing states, and to extract the occurrence of transitions between these modes. We applied this analysis to single-particle tracking data of the membrane receptor MET in live cells and analyzed state transitions in single trajectories of the un-activated receptor and the receptor bound to the ligand internalin B. We found that internalin B-bound MET shows an enhancement of transitions from freely and confined diffusing states into the immobile state as compared to un-activated MET. Confined diffusion acts as an intermediate state between immobile and free, as this state is most likely to change the diffusion state in the following segment. This analysis can be readily applied to single-particle tracking data of other membrane receptors and intracellular proteins under various conditions and contribute to the understanding of molecular states and signaling pathways.
The covalent conjugation of ubiquitin-fold modifier 1 (UFM1) to proteins generates a signal that regulates transcription, response to cell stress, and differentiation. Ufmylation is initiated by ubiquitin-like modifier activating enzyme 5 (UBA5), which activates and transfers UFM1 to ubiquitin-fold modifier-conjugating enzyme 1 (UFC1). The details of the interaction between UFM1 and UBA5 required for UFM1 activation and its downstream transfer are however unclear. In this study, we described and characterized a combined linear LC3-interacting region/UFM1-interacting motif (LIR/UFIM) within the C terminus of UBA5. This single motif ensures that UBA5 binds both UFM1 and light chain 3/γ-aminobutyric acid receptor-associated proteins (LC3/GABARAP), two ubiquitin (Ub)-like proteins. We demonstrated that LIR/UFIM is required for the full biological activity of UBA5 and for the effective transfer of UFM1 onto UFC1 and a downstream protein substrate both in vitro and in cells. Taken together, our study provides important structural and functional insights into the interaction between UBA5 and Ub-like modifiers, improving the understanding of the biology of the ufmylation pathway.
Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von molekularen Systemen, die aus mehreren Chromophoren bestehen und über einen Zweiphotonen-Prozess aktiviert werden können.
Die Zweiphotonen-Absorption (2PA) beschreibt die nahezu simultane Absorption zweier Photonen, deren Summe die Energie ergibt, die für den entsprechenden elektronischen Übergang nötig ist. Da für die Anregung somit zwei niederenergetische Photonen benötigt werden, kann für die 2PA Nahinfrarot-Licht (NIR-Licht) verwendet werden, welches eine geringe Phototoxizität aufweist und eine tiefe Gewebedurchdringung ermöglicht. Weiterhin wird durch die intrinsische dreidimensionale Auflösung der 2PA eine hohe Ortsauflösung der Photoaktivierung erzielt.
Photolabile Schutzgruppen (PPGs) bzw. Photocages sind chemische Verbindungen, die der vorübergehenden Maskierung der biologischen Funktion eines (Makro-)Moleküls dienen. Sie können durch Licht geeigneter Wellenlängen abgespalten werden (uncaging), wodurch die Aktivität des geschützten Substrats wiederhergestellt wird. Leider weisen viele der etablierten PPGs schlechte Zweiphotonen-Eigenschaften auf. Um die 2P-Aktivität einer PPG zu erhöhen, kann sie kovalent mit einem guten Zweiphotonen-Absorber verknüpft werden, der bei Bestrahlung das Licht über einen Zweiphotonen-Prozess absorbiert und anschließend mittels Energietransfer auf die photolabile Schutzgruppe überträgt. Dies führt schließlich zur Uncaging-Reaktion.
Im Zuge von Projekt I dieser Dissertation wurde eine solche molekulare Dyade für verbessertes Zweiphotonen-Uncaging bestehend aus einem Rhodamin-Fluorophor als Zweiphotonen-Absorber und einem Rotlicht-absorbierenden BODIPY als photolabile Schutzgruppe hergestellt und charakterisiert. Die Zweiphotonen-Aktivität des Fluorophors wurde mittels TPEF-Messungen (two-photon excited fluorescence) untersucht. Anschließend wurde das Rhodamin an einen 3,5-Distyryl-substituierten BODIPY-Photocage gekuppelt. Der Energietransfer innerhalb dieser Dyade wurde mithilfe von transienter Ultrakurzzeit-Spektroskopie und quantenmechanischen Berechnungen untersucht. Die Freisetzung der Abgangsgruppe para-Nitroanilin (PNA) bei Belichtung der Dyade konnte sowohl nach Einphotonen-Anregung des Rhodamins als auch des BODIPYs mithilfe von UV/vis-Absorptionsmessungen qualitativ nachgewiesen werden.
Da die Uncaging-Reaktion allerdings nicht besonders effektiv war, wurde für die Weiterführung des Projekts ein neuer BODIPY Photocage, der eine verbesserte Photolyse-Effizienz und eine höhere Photostabilität aufwies, verwendet und erneut an einen Rhodamin-Fluorophor geknüpft. Anhand dieser optimierten Dyade konnte die Einphotonen-Photolyse quantifiziert, d.h. eine Uncaging-Quantenausbeute für die Freisetzung von PNA bestimmt werden. Weiterhin wurde beobachtet, dass die Photolyse der Dyade mit einer deutlichen Änderung ihrer Fluoreszenzeigenschaften einherging. Dies ermöglichte einen Nachweis des Zweiphotonen-Uncagings mithilfe eines Fluoreszenzmikroskops. Die Dyaden-Moleküle wurden zur Immobilisierung in Liposomen eingeschlossen und unter dem konfokalen Fluoreszenzmikroskop belichtet. Sowohl nach Einphotonen- als auch nach Zweiphotonen-Anregung der Rhodamin-Einheit konnte die gewünschte Fluoreszenzänderung beobachtet und somit das Uncaging bestätigt werden.
In Projekt II der Dissertation wurde ein photoaktivierbarer Fluorophor (PAF) hergestellt. PAFs liegen in ihrer geschützten Form dunkel vor. Durch die Aktivierung mit Licht können sie Fluoreszenzsignale emittieren. Sie liefern somit ein direktes Feedback über die Lichtverteilung und –intensität innerhalb einer Probe und werden somit unter anderem für die Charakterisierung und Optimierung von Belichtungsapparaturen verwendet. Besonders wünschenswert ist hierbei eine Fluoreszenzaktivierung mit sichtbarem Licht bzw. mit NIR-Licht über einen Zweiphotonen-Prozess.
Im Zuge der Arbeit wurde ein Rhodamin-Derivat synthetisiert, das durch die Anbringung eines DEACM450-Photocages in seine nichtemittierende Form gezwungen wurde. Bei Bestrahlung mit 455 nm konnte die Abspaltung der Cumarin-Schutzgruppe und der damit verbundene Anstieg der Rhodamin-Fluoreszenz beobachtet und eine Uncaging-Quantenausbeute bestimmt werden. Für die Untersuchung der Zweiphotonen-Photolyse wurde der geschützte Fluorophor in einem Hydrogel immobilisiert und unter dem konfokalen Fluoreszenzmikroskop betrachtet werden. Anschließend wurden Fluoreszenzbilder vor und nach Photoanregung von bestimmten Regionen des Hydrogels aufgenommen. Durch das Uncaging der Probe konnten helle, definierte Muster geschrieben und ausgelesen werden. Die Photoaktivierung führte dabei sowohl über die Einphotonen-Anregung mit blauem Licht (488 nm) als auch über die Zweiphotonen-Anregung mit NIR-Licht (920 nm) zur Generierung von stabilen, gleichmäßigen Fluoreszenzmustern mit hohem Kontrast.
Isothermal titration calorimetry (ITC) is a widely used technique for the characterization of protein-protein and protein-ligand interactions. It provides information on the stoichiometry, affinity, and the thermodynamic driving forces of interactions. This chapter exemplifies the use of ITC to investigate interactions between human autophagy modifiers (LC3/GABARAP proteins) and their interaction partners, the LIR motif containing sequences. The purpose of this report is to present a detailed protocol for the production of LC3/GABARAP-interacting LIR peptides using E. coli expression systems. In addition, we outline the design of ITC experiments using the LC3/GABARAP:peptide interactions as an example. Comprehensive troubleshooting notes are provided to facilitate the adaptation of these protocols to different ligand-receptor systems. The methodology outlined for studying protein-ligand interactions will help to avoid common errors and misinterpretations of experimental results.
RcsF, a proposed auxiliary regulator of the regulation of capsule synthesis (rcs) phosphorelay system, is a key element for understanding the RcsC-D-A/B signaling cascade, which is responsible for the regulation of more than 100 genes and is involved in cell division, motility, biofilm formation, and virulence. The RcsC-D-A/B system is one of the most complex bacterial signal transduction pathways, consisting of several membrane-bound and soluble proteins. RcsF is a lipoprotein attached to the outer membrane and plays an important role in activating the RcsC-d-A/B pathway. The exact mechanism of activation of the rcs phosphorelay by RcsF, however, remains unknown. We have analyzed the sequence of RcsF and identified three structural elements: 1) an N-terminal membrane-anchored helix (residues 3-13), 2) a loop (residues 14-48), and 3) a C-terminal folded domain (residues 49-134). We have determined the structure of this C-terminal domain and started to investigate its interaction with potential partners. Important features of its structure are two disulfide bridges between Cys-74 and Cys-118 and between Cys-109 and Cys-124. To evaluate the importance of this RcsF disulfide bridge network in vivo, we have examined the ability of the full-length protein and of specific Cys mutants to initiate the rcs signaling cascade. The results indicate that the Cys-74/Cys-118 and the Cys-109/Cys-124 residues correlate pairwise with the activity of RcsF. Interaction studies showed a weak interaction with an RNA hairpin. However, no interaction could be detected with reagents that are believed to activate the rcs phosphorelay, such as lysozyme, glucose, or Zn(2+) ions.
Hypoxia potentiates palmitate-induced pro-inflammatory activation of primary human macrophages
(2015)
Pro-inflammatory cytokines secreted by adipose tissue macrophages (ATMs) contribute to chronic low-grade inflammation and obesity-induced insulin resistance. Recent studies have shown that adipose tissue hypoxia promotes an inflammatory phenotype in ATMs. However, our understanding of how hypoxia modulates the response of ATMs to free fatty acids within obese adipose tissue is limited. We examined the effects of hypoxia (1% O2) on the pro-inflammatory responses of human monocyte-derived macrophages to the saturated fatty acid palmitate. Compared with normoxia, hypoxia significantly increased palmitate-induced mRNA expression and protein secretion of IL-6 and IL-1β. Although palmitate-induced endoplasmic reticulum stress and nuclear factor κB pathway activation were not enhanced by hypoxia, hypoxia increased the activation of JNK and p38 mitogen-activated protein kinase signaling in palmitate-treated cells. Inhibition of JNK blocked the hypoxic induction of pro-inflammatory cytokine expression, whereas knockdown of hypoxia-induced transcription factors HIF-1α and HIF-2α alone or in combination failed to reduce IL-6 and only modestly reduced IL-1β gene expression in palmitate-treated hypoxic macrophages. Enhanced pro-inflammatory cytokine production and JNK activity under hypoxia were prevented by inhibiting reactive oxygen species generation. In addition, silencing of dual-specificity phosphatase 16 increased normoxic levels of IL-6 and IL-1β and reduced the hypoxic potentiation in palmitate-treated macrophages. The secretome of hypoxic palmitate-treated macrophages promoted IL-6 and macrophage chemoattractant protein 1 expression in primary human adipocytes, which was sensitive to macrophage JNK inhibition. Our results reveal that the coexistence of hypoxia along with free fatty acids exacerbates macrophage-mediated inflammation.
Einfache elektrochemische Methode zur Bestimmung von Chlorit in wässrigen und nicht-wässrigen Systemen Stoffe bzw. Verbindungen, welche nachweislich krebserregend oder fruchtbarkeitsschädigend sind, werden seit Jahren, insbesondere durch die WHO, streng reguliert. Zu diesen Stoffen zählt u. a. Chlorit, welches als Abbauprodukt in Desinfektionsmitteln, Poolwassern und im Rahmen von organischen Oxidationsprozessen vorkommt. Im Rahmen des Projektes sollte eine elektrochemische Methode zu Detektion von Chlorit in wässrigen und organischen Proben entwickelt werden, wobei auf eine Glaskohlenstoffelektrode in Kombination mit Li [NTf]2 im Wässrigen und [Bmpyrr][NTf]2/MeOH im Organischen als Elektrolyten zurückgegriffen wurden.
Bei der Methodenentwicklung wurde auf Differentielle-Puls-Voltammetrie zurückgegriffen, da diese im Vergleich zum Cyclovoltammetrie deutlich empfindlicher ist. Die Methodenvalidierung nach ICH-Guidelines konnte erfolgreich durchgeführt werden Dabei konnte im Wässrigen eine Nachweisgrenze von 0.07 mg L-1 (Organisch: 0.20 mg L-1) erhalten werden. Beide lagen deutlich unter den WHO-Grenzwerten von 0.7 mg L-1. Die Selektivität/Interferenz wurde gegenüber den übrigen Chlor-Spezies getestet; für alle Spezies, außer Hypochlorit, konnten für die Wiederfindungsrate von Chlorit Werte nahe 100% erhalten werden. Die entwickelte Methode konnte erfolgreich auf wässrige (Poolproben, Desinfektionsmittel) und organische Proben (aus Pinnick-Synthesen) angewendet werden. Insbesondere durch die Anwendung im Bereich der Pinnick-Oxidation war der Sensor für mögliche In-Line-Analytik geeignet. Bei den organischen Proben konnte zudem die ionische Flüssigkeit zu 92% zurückgewonnen werden, was den Elektrolyten in Hinblick auf Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit noch attraktiver macht.
Entwicklung ionenchromatographischer Methoden zur Detektion von Chloroxo-Spezies
Der Bedarf an schnellen, kostengünstigen Analysemethoden, welche den Vorgaben der einzelnen Behörden weltweit entsprechen, ist in den letzten Jahren enorm gestiegen. Im Rahmen des Projektes sollte eine ionenchromatographische Methode (IC) entwickelt werden, welche neben den Chloroxo-Spezies (Chlorid, Hypochlorit, Chlorit, Chlorat und Perchlorat) auch die bekannten Standardionen (Fluorid, Bromid, Nitrat, Phosphat, Sulfat, Iodid) nachweisbar macht. Zunächst gelang es, die Methodenparameter zu optimieren und so die Chloro-Spezies, außer Hypochlorit, von den übrigen Standardanionen innerhalb von 50 Minuten vollständig zu trennen. Die Methode konnte in der weiteren Entwicklung sogar noch um die Detergenzien-Anionen Acetat, Formiat, Oxalat und Tartrat erweitert werden. (ASupp 7, 45 °C, 0.8 mL min-1, 6 mmol L-1 Na2CO3 / 1 mmol L-1 NaHCO3 + 10% Acetonitril). Auch alle notwendigen Validierungsparameter konnten erfolgreich bestimmt werden. Zuletzt war es möglich, erfolgreich unterschiedliche Realproben zu vermessen.
Da ein Nachweis von Hypochlorit mittels IC nicht möglich war, wurden weitere Anstrengung unternommen, dieses Anion mittels IC-PCR (Nachsäulenderivatisierung) nachzuweisen. Als Detektionsprinzip wurde dabei auf eine Bromat-Nachweis-Methode mittels UV/VIS zurückgegriffen, welche im Rahmen des Projektes angepasst wurde. Da davon ausgegangen werden muss, dass das Hypochlorit mit reaktiven Stellen innerhalb des Säulenmaterials reagiert und somit nicht mehr detektiert werden kann, wurden Passivierungsexperimente an der Vorsäule und Säule für 24 h mit einer Hypochlorit-NaOH-Mischung durchgeführt. Nach 60 Stunden Passivierung konnten erstmals reproduzierbare Ergebnisse bei dem Nachweis von OCl- erhalten werden. Zuletzt konnten erfolgreich fünf unterschiedliche Realproben vermessen und der Hypochlorit-Gehalt mit bisher angewandten Methoden verglichen werden, wobei die erhaltenen Werte in der gleichen Größenordnung lagen.
Entwicklung eines Sensors unter Verwendung der Viologen-Grundstruktur auf metallischen Oberflächen
Früher fanden Viologene und deren Derivate Anwendung im Bereich der Schädlingsbekämpfung und wurden hauptsächlich als Kontaktherbizid verwendet. Mittlerweile hat sich das Anwendungsspektrum der Viologene deutlich verändert, u.a. werden die in organischen Redox-Fluss-Batterien als Elektrolyte eingesetzt. Im Rahmen diesen Projekts wurden mehrere bekannte Viologen-Grundkörper (u. A. Methylviologen (MV)) vollständig elektrochemisch charakterisiert Im Anschluss wurde MV mit unterschiedlichen Ankergruppen (Thiol-, Sulfonat, -Phosphonat-, Carboxylanker) modifiziert und auf metallische Oberfläche (u. A. Gold und Kupfer) abgeschieden mit dem Ziel ein neues Sensor-Motiv für die Analytik zu entwickeln. Der Thiolanker konnte erfolgreich auf Gold, der Carboxylanker erfolgreich auf Kupfer abgeschieden werden. Die anschließenden elektrochemischen Untersuchungen der abgeschiedenen Monolagen ergaben jedoch eine geringe Stabilität der Anker in wässriger und organischer Umgebung, sodass in Zukunft weitere Anstrengungen unternommen werden müssen, die Stabilität des Viologensystems auf der Oberfläche zu verbessern.
Glucokinase (GK) is a key enzyme of glucose metabolism in liver and pancreatic beta-cells, and small molecule activators of GK (GKAs) are under evaluation for the treatment of type 2 diabetes. In liver, GK activity is controlled by the GK regulatory protein (GKRP), which forms an inhibitory complex with the enzyme. Here, we performed isothermal titration calorimetry and surface plasmon resonance experiments to characterize GK-GKRP binding and to study the influence that physiological and pharmacological effectors of GK have on the protein-protein interaction. In the presence of fructose-6-phosphate, GK-GKRP complex formation displayed a strong entropic driving force opposed by a large positive enthalpy; a negative change in heat capacity was observed (Kd = 45 nm, DeltaH = 15.6 kcal/mol, TDeltaS = 25.7 kcal/mol, DeltaCp = -354 cal mol(-1) K(-1)). With k(off) = 1.3 x 10(-2) s(-1), the complex dissociated quickly. The thermodynamic profile suggested a largely hydrophobic interaction. In addition, effects of pH and buffer demonstrated the coupled uptake of one proton and indicated an ionic contribution to binding. Glucose decreased the binding affinity between GK and GKRP. This decrease was potentiated by an ATP analogue. Prototypical GKAs of the amino-heteroaryl-amide type bound to GK in a glucose-dependent manner and impaired the association of GK with GKRP. This mechanism might contribute to the antidiabetic effects of GKAs.
The β-subunits of Na,K-ATPase and H,K-ATPase have important functions in maturation and plasma membrane targeting of the catalytic α-subunit but also modulate the transport activity of the holoenzymes. In this study, we show that tryptophan replacement of two highly conserved tyrosines in the transmembrane domain of both Na,K- and gastric H,K-ATPase β-subunits resulted in considerable shifts of the voltage-dependent E1P/E2P distributions toward the E1P state as inferred from presteady-state current and voltage clamp fluorometric measurements of tetramethylrhodamine-6-maleimide-labeled ATPases. The shifts in conformational equilibria were accompanied by significant decreases in the apparent affinities for extracellular K+ that were moderate for the Na,K-ATPase β-(Y39W,Y43W) mutation but much more pronounced for the corresponding H,K-ATPase β-(Y44W,Y48W) variant. Moreover in the Na,K-ATPase β-(Y39W,Y43W) mutant, the apparent rate constant for reverse binding of extracellular Na+ and the subsequent E2P-E1P conversion, as determined from transient current kinetics, was significantly accelerated, resulting in enhanced Na+ competition for extracellular K+ binding especially at extremely negative potentials. Analogously the reverse binding of extracellular protons and subsequent E2P-E1P conversion was accelerated by the H,K-ATPase β-(Y44W,Y48W) mutation, and H+ secretion was strongly impaired. Remarkably tryptophan replacements of residues in the M7 segment of Na,K- and H,K-ATPase α-subunits, which are at interacting distance to the β-tyrosines, resulted in similar E1 shifts, indicating their participation in stabilization of E2. Thus, interactions between selected residues within the transmembrane regions of α- and β-subunits of P2C-type ATPases exert an E2-stabilizing effect, which is of particular importance for efficient H+ pumping by H,K-ATPase under in vivo conditions.
The Na+/K+-ATPase maintains the physiological Na+ and K+ gradients across the plasma membrane in most animal cells. The functional unit of the ion pump is comprised of two mandatory subunits including the α-subunit, which mediates ATP hydrolysis and ion translocation, as well as the β-subunit, which acts as a chaperone to promote proper membrane insertion and trafficking in the plasma membrane. To examine the conformational dynamics between the α- and β-subunits of the Na+/K+-ATPase during ion transport, we have used fluorescence resonance energy transfer, under voltage clamp conditions on Xenopus laevis oocytes, to differentiate between two models that have been proposed for the relative orientation of the α- and β-subunits. These experiments were performed by measuring the time constant of irreversible donor fluorophore destruction with fluorescein-5-maleimide as the donor fluorophore and in the presence or absence of tetramethylrhodamine-6-maleimide as the acceptor fluorophore following labeling on the M3-M4 or M5-M6 loop of the α-subunit and the β-subunit. We have also used fluorescence resonance energy transfer to investigate the relative movement between the two subunits as the ion pump shuttles between the two main conformational states (E1 and E2) as described by the Albers-Post scheme. The results from this study have identified a model for the orientation of the β-subunit in relation to the α-subunit and suggest that the α- and β-subunits move toward each other during the E2 to E1 conformational transition.