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Taspase1 stellt die bisher einzige Typ2-Asparaginase mit proteolytischer Aktivität dar. Das wichtigste Substrat der Taspase1 ist das MLL-Protein, einem Homolog des Trithorax- Proteins aus Drosophila melanogaster, das auch dort eine wichtige Rolle bei Differenzierungsprozessen spielt. Bei Patienten mit einer t(4;11)-Translokation ist Taspase1 maßgeblich an der Ausbildung einer t(4;11)-assoziierten Leukämie beteiligt. Die Inhibierung der proteolytischen Aktivität der Taspase1 könnte daher einen Ansatzpunkt für eine neuartige Krebstherapie darstellen. Aufgrund der ungewöhnlichen Eigenschaften von Taspase1 ist es bisher nicht gelungen einen selektiven Inhibitor für das katalytische Zentrum der Taspase1 zu identifizieren. Unter nativen Bedingungen (ca. 50 mM NaCl) befindet sich Taspase1 bereits in einem nahezu vollständig inhibierten Zustand, da im katalytischen Zentrum der Taspase1 ein Chloridion komplexiert ist. Dieses Chloridion wird einzig und allein nach Interaktion mit dem natürlichen Substrat MLL aus dem katalytischen Zentrum verdrängt, was zu einer kurzfristigen Aktivierung der Taspase1 führt. Nach Ablauf der hydrolytischen Spaltung des Substrates nimmt das Chloridion wieder seine Position im katalytischen Zentrum ein. Unter diesen Bedingungen ist aus sterischen Gründen die Bindung eines potentiellen Inhibitors im katalytischen Zentrum nicht möglich. Durch Herstellung von Mutanten der Taspase1 und deren Substrats konnte der Mechanismus der katalytischen Spaltung durch Taspase1 aufgeklärt werden. Dabei erwiesen sich drei Aminoäuren als essentiell für die Hydrolyse. Interessanterweise ist die Anwesenheit des Substrates, insbesondere des Aspartates an Position Sieben der cleavage sites CS1 bzw. CS2 notwendig um den katalytischen Prozess zu starten. Das negativ geladene Aspartat, verdrängt zunächst das Chloridion von seiner Position und aktiviert dadurch das katalytische Zentrum (Rotation von Threonin 234). Erst dadurch wird Threonin 234 zu einer katalytisch aktiven Aminosäure und kann einen nukleophilen Angriff auf die Peptidbindung zwischen Aspartat und Glycin des Substrates durchführen. Die Hydrolyse wird dabei durch die OH-Gruppe des Serins 252 durch Wechselwirkung mit dem Carboxylsauerstoff unterstützt. Durch Mutation beider Aspartate an Position sieben im artifiziellen Substrat 2CL zu Glycin oder Lysin führte zu einem vollständigen Verlust der hydrolytischen Spaltung an CS1 und zu einem starken Rückgang der hydrolytischen Spaltung an CS2. Die Mutationen T234D und S252D der Taspase1 führten beide zum vollständigen Verlust der katalytischen Spaltung, sowohl in cis, als auch in trans. Unter Verwendung des Taspase1-Aktivitätsassays konnte der transkriptionelle Regulator MLL4 als potentielles Substrat der Taspase1 identifiziert werden.
Eine große Anzahl pharmakologischer und klinischer Studien zeigt die Wirksamkeit des standardisierten Ginkgo biloba Extraktes EGb 761 bei vaskulären und kognitiven Stö-rungen, wie der Alzheimer-Krankheit, der vaskulären Demenz und der peripheren arte-riellen Verschlusskrankheit. Experimentelle Ergebnisse weisen darauf hin, dass Terpen-laktone und Flavonolglykoside für die meisten pharmakologischen Wirkungen von EGb 761 verantwortlich sind. Allerdings gibt es wenige Studien, die die orale Biover-fügbarkeit von Terpenlaktonen und besonders von Flavonolglykosiden aus Ginkgo bilo-ba im Blut oder Zentralnervensystem untersuchten. Deshalb wurde in dieser Arbeit die Fähigkeit der Flavonoidglykosiden bzw. deren Metaboliten die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden im Tierversuch an männlichen Sprague-Dawley-Ratten erforscht. Unter-sucht wurden dabei orale Einfach- und Mehrfachgaben von EGb 761 über einen Zeit-raum von 8 Tagen in den Dosierungen 100 bzw. 600 mg Extrakt pro kg Körpergewicht. Zusätzlich wurde die Verteilung der Ginkgoflavonolmetabolite in den unterschiedlichen Bereichen des Gehirns untersucht (Hippocampus, frontaler Cortex, Striatum und Klein-hirn). Zu diesem Zweck wurde eine HPLC-Fluoreszenzmethode für die Ermittlung der Plasma- und Gehirnkonzentrationen der Flavonoidmetaboliten (Derivate von Quercetin, Kämpferol und Isorhamnetin) entwickelt und validiert. In beiden Studien (Einfach- und Mehrfachgabe) wurden Flavonoidmetaboliten im Plasma und im Gehirn nachgewiesen. Dabei wurden Metaboliten in allen untersuchten Gehirnbereichen gefunden. Bei der Dosierung von 100 mg/kg war Kämpferol vorzugsweise im frontalen Cortex lokalisiert, während die anderen Flavonole in allen Regionen vergleichbare Konzentrationen auf-wiesen. Bei der höheren Dosierung von 600 mg/kg waren die Konzentrationen der Fla-vonolmetaboliten in allen Gehirnbereichen vergleichbar. Obgleich die vier untersuchten Gehirnbereiche nur 38% des gesamten Gehirns darstellten, wurden die meisten Gink-goflavonole in diesen Regionen gefunden. Im übrigen Gehirngewebe wurden nur be-grenzte Mengen von Flavonolen nachgewiesen. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass es erstmalig gelungen ist, im Tier-versuch die Bioverfügbarkeit einer der therapeutisch aktiven Substanzklassen von Ginkgo biloba - die Flavonoide - sowohl im Plasma als auch im ZNS nachzuweisen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte mit der Aktivierung des Peroxisomen Proliferator-aktivierten Rezeptors eine Rationale und ein möglicher Wirkmechanismus für die traditionelle Anwendung von Gewürz- und Arzneipflanzen bei der Therapie des Typ 2 Diabetes aufgezeigt werden. Vor diesem Hintergrund wurden über fünfzig traditionell bei Diabetes angewandte Pflanzen ausgewählt und mit Ethanol extrahiert. Die erhaltenen Trockenextrakte wurden daraufhin in einem von mir etablierten Reporter-Gen Assay auf eine mögliche Aktivierung der drei Subtypen des PPAR hin untersucht. Von den getesteten Extrakten wurde für fünfundzwanzig, also annähernd die Hälfte, eine signifikante Aktivierung des PPARgamma nachgewiesen. Von diesen zeigten wiederum vierzehn außerdem eine signifikante Aktivierung des PPARalpha, lediglich drei dieser Extrakte zeigten auch eine signifikante Aktivierung des PPARdelta. Somit konnte ich eine mögliche Rationale und einen potentiellen Wirkmechanismus für die volksmedizinische Anwendung dieser Pflanzen bei Diabetes aufzeigen. Von den wirksamen Extrakten wiesen am PPARgamma sieben eine ausreichend hohe Aktivität auf, dass wir auch bei niedrigeren Testkonzentrationen noch einen signifikanten Effekt und somit eine Konzentrationsabhängigkeit des aufzeigen konnten. Für PPARa konnten wir lediglich für drei der Extrakte eine Konzentrationsabhängigkeit aufzeigen, bei PPARdelta für keinen der Extrakte. Die beiden am stärksten aktiven Extrakte aus Rosmarinus offic. und Salvia offic. zeigten bereits ab etwa 10 mg/L signifikante Aktivität am PPARgamma, so dass wir für diese beiden Extrakte mit 20 bzw. 40 mg/L EC50-Konstanten bestimmen konnten. Diese halbmaximale Aktivierungskonstante liegt damit für den potenteren Rosmarin-Extrakt lediglich um den Faktor 200 höher als die des bei Diabetes eingesetzten Arzneistoffs Pioglitazon (Actos®). Die weitere Untersuchung dieser beiden Extrakte ergab, dass in beiden Carnosolsäure bzw. Carnosol enthalten waren, welche bei der Untersuchung im Reporter-Gen Assay EC50-Konzentrationen von 20 bzw. 40 mikroM für die Aktivierung des PPARgamma aufwiesen. Damit sind diese Reinsubstanzen bereits nur noch um den Faktor siebzig schwächer wirksam als Pioglitazon. Vergleicht man hingegen mit Bezafibrat (Cedur®), einem als Lipidsenker eingesetzten Arzneistoff, welcher aufgrund seiner pan-PPAR-agonistischen Wirkung mit EC50-Konzentrationen von je etwa 50 mikroM von besonderem Interesse ist, so sind die beiden Diterpene Carnosolsäure und Carnosol im Hinblick auf PPARgamma äquipotent oder eher stärker aktiv. Der Gehalt an diesen beiden Diterpenen in den von mir hergestellten Extrakten war nun zwar mit in Summe drei bzw. neun Prozent um den Faktor zehn bzw. drei zu niedrig, als dass sich der PPARgamma Agonismus der beiden Extrakte hierdurch hinreichend erklären ließe. Allerdings konnten wir für einen kommerziell erhältlichen und auf 40% Carnosolsäure angereicherten Rosmarin-Extrakt einen EC50-Wert von 10 mg/L bestimmen für die Aktivierung von PPARgamma bestimmen. Eine Aktivität, welche sich zu 70% allein auf den Gehalt an Carnosolsäure zurückführen lässt. Neben dem Nachweis der PPARgamma Aktivität von Carnosolsäure und Carnosol einerseits und der von ethanolischen Rosmarin- und Salbei-Extrakten andererseits, konnte ich somit einen hinreichenden Beweis führen, dass Carnosolsäure zumindest für Rosmarin, vermutlich auch für Salbei, als eines der aktiven Prinzipien anzusehen ist. Meine Befunde liefern damit eine mögliche Erklärung und Wirkmechanismus für die in Tiermodellen gefundene hypoglykämische Wirksamkeit von Rosmarin, Salbei und Carnosolsäure. Darüber hinaus legen meine Untersuchungen nahe, dass in beiden Pflanzen weitere PPARgamma Aktivatoren enthalten sind. Da Carnosol selbst bereits ein Oxidationsprodukt der Carnosolsäure darstellt, kämen hier weitere auch bereits beschriebene Oxidationsprodukte sicherlich in Frage. Diese Oxidationsprodukte stellen allerdings zumeist nur labile Übergangsprodukte dar und sind aus diesem Grunde auch als nicht Reinstoffe erhältlich. Der Nachweis einer PPAR Aktivität könnte somit angesichts der benötigten Inkubationsdauer im Reporter-Gen Assay so nicht geführt werden. Neben den bereits angeführten Ergebnissen ist die hohe Rate von positiven Treffern in meinem Screening selbst einer der interessantesten Befunde. Die signifikante Aktivierung von PPARgamma durch nahezu die Hälfte der getesteten Extrakte lässt die Vermutung zu, dass PPAR agonistische Substanzen im Pflanzenreich sehr weit verbreitet sein könnten. Zwar bestehen zu Recht Vorbehalte gegenüber der Testung von Vielstoff-Gemischen bzw. den hierbei erhaltenen Ergebnissen. Viele pflanzliche Inhaltsstoffe z.B. Gerbstoffe können zu einer unspezifischen Hemmung der Aktivität von Enzyme führen. Das verwendete Testsystem setzt allerdings neben Membrangängigkeit der aktiven Prinzipien die spezifische Aktivierung der Expression eines Gens, dessen Aktivität anschließend bestimmt wird, voraus. Die Art des verwendeten Assay macht damit die Erfassung unspezifischer Effekte eher unwahrscheinlich. Darüberhinaus mag für die Güte der Ergebnisse meines Screenings sprechen, dass unabhängig von uns für einige der gescreenten Pflanzen z.B. Kurkuma und Chili mit den Kurkuminoiden und Capsaicin kürzlich PPAR aktive Prinzipien beschrieben wurden. Vielmehr lässt sich die Hypothese formulieren, dass eine ganze Reihe sekundärer pflanzlicher Inhaltsstoffe zumindest mäßig aktive PPAR Agonisten darstellen. An prominenter Stelle wäre hier die Substanzklasse der Terpene zu nennen, von denen eine ganze Reihe sowohl linearer etwa Farnesol und Phytansäure, als auch cyclischer z.B. Tumeron, Abietansäure, Oleanolsäure und Ursolsäure bereits als PPAR-Aktivatoren beschrieben wurden. Angesichts der hohen Lipophilie dieser Substanz-Klasse und einer relativ großen und wenig selektierenden Bindungstasche des PPAR lässt sich auch für andere Terpene ein PPAR Agonismus erwarten. Der positive Effekt, den eine überwiegend pflanzliche Ernährung nach epidemiologischen Erkenntnissen auf die Gesundheit bewirkt, mag deshalb in Teilen auf PPAR-agonistische Prinzipien zurückzuführen sein. Neben dem höheren Anteil an mehrfach ungesättigen Fettsäuren im Vergleich zu tierischer Nahrung könnten enthaltene Terpene hier durchaus einen relevanten Beitrag leisten. In einem weiteren in Kooperation durchgeführten Projekt konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass die schwache Aktivität des phenolischen Stilben-Derivats Resveratrol am PPARgamma einen Beitrag leistet zur Beeinflussung des Polyamin-Stoffwechsels und der hierdurch bedingten Regulation der Zell-Proliferation. Weiterhin konnte mit Hilfe der in unserem Reporter-Gen Assay erhaltenen Ergebnisse gezeigt werden, dass ein virtuelles Computer-basiertes Screening einer Substanzbibliothek effektiv ist, bei der Findung von PPAR Leitstrukturen.
Dynamische Proteininteraktionen sind die Grundlage biologischer Prozesse, ihr korrekter Ablauf ist essentiell für die intakte Physiologie aller Organismen. Die Aufklärung der Struktur und Funktion von Proteinen inklusive ihrer komplexen Interaktionen, ist entscheidend für das Verständnis biologischer Prozesse. Methoden zur Untersuchung von Protein-Interaktionen sind in der Regel auf die Modifikation von Proteinen angewiesen. Zum Einen ist die selektive Markierung von Proteinen mit spektroskopischen Sonden – insbesondere mit Fluorophoren – ein wichtiger Ansatz zur in vivo und in vitro Interaktionsanalyse. Zum Anderen gewinnen festphasenbasierte Analysemethoden zunehmend an Bedeutung. Multivalente Chelatoren (MCH) bieten vielseitige Möglichkeiten, rekombinante Proteine reversibel an spektroskopische Sonden oder Oberflächen anzubinden und haben dadurch ein enormes Potential für Anwendungen zur funktionalen Charakterisierung von Proteinen. Ziel dieser Arbeit war es, die Energetik und Dynamik der Interaktion von MCH mit Oligohistidinen zu charakterisieren, um diese insbesondere zur Organisation von Proteinen in Mikro- und Nanostrukturen einzusetzen. Die Interaktion der MCH mit Histidin-Tags unterschiedlicher Länge und Sequenz wurde in Lösung und an Oberflächen charakterisiert. Es zeigte sich, dass die zunehmende Länge und die Redundanz auf Seiten des Histidin-Tags in einer erhöhten Affinität resultierten. Das Einführen einzelner Spacer-Aminosäuren resultierte hingegen in einer drastischen Reduktion der Komplexstabilität. Ein Alanin-Scanning zeigte, dass vor allem die zentralen Histidine besonders wichtig für eine stabile Bindung sind. Dieser Effekt lässt sich dadurch erklären, dass es sich bei der MCH-Oligohistidin-Interaktion um einen äußerst dynamischen Prozess handelt, bei dem die Metallkoordinationsstellen mit ständig wechselnden Histidinen interagieren. Diese Permutation erhöht die Entropie des Komplexes, und ist somit Grund für die erhöhte Affinität mit steigender Redundanz des Histidin-Tags. Anhand von Chelator-Dichte-Arrays konnte gezeigt werden, dass die Stabilität der Bindung von Histidin-getagten Proteinen nicht nur mit der Multivalenz der Chelatoren, sondern auch mit der MCH-Dichte ansteigt. In Kompetitionsexperimenten mit Hexa- und Dekahistidinen auf den MCH-Dichte-Arrays wurden veränderte Stabilitäten beobachtet. Die Stabilität von H6 ver5. veringert sich in Anwesenheit von H10, wobei sich die scheinbare Affinität von H10 in Anwesenheit von H6 erhöht. Dies wird auf die gleichzeitige Interaktion mit verschiedenen MCH-Molekülen auf der Oberfläche, die Oberflächenmultivalenz, zurückgeführt. Um diesen Effekt anhand von MCHMolekülen mit definiertem Abstand zu untersuchen, wurde ein Tris-NTABiotin-Konjugat (BTTris-NTA) hergestellt und auf Streptavidin-Oberflächen bzw. fluoreszenzmarkiertem Streptavidin eingesetzt. Echtzeit TIRFS-RIf-Kompetitionsexperimente zeigten eine veränderte Bindungskinetik für H6 in Anwesenheit von H10, welche darauf zurückzuführen ist, dass H6 aktiv durch H10 verdrängt wird. Dieser Effekt ist offenbar auf die dynamische Interaktion des Oligohistidins mit multiplen Chelatoren auf der Oberfläche zurückzuführen, welche den aktiven Austausch von H6 gegen H10 ermöglicht. Sowohl auf Oberflächen als auch in Lösung wurden für die Interaktion von Streptavidin-gebundenem BTTris-NTA mit Oligohistidinen um Faktor 3-5 erhöhte Affinitäten, im Vergleich zu freiem Tris-NTA, festgestellt. Interaktionsanalysen in Lösung zeigten maximale Komplex-Stöchiometrien von 1:2 für die Interaktion von Streptavidin-BTTris-NTA mit Oligohistidinen. Diese Stöchiometrien sowie die erhöhte Affinität lassen sich durch die gleichzeitige Interaktion von zwei benachbarten an Streptavidin gebundenen BTTris-NTA-Molekülen mit einem Oligohistidin erklären. Die räumliche Nähe der Tris-NTA-Moleküle erhöht die Redundanz auf Seiten des Chelators, was sich wiederum positiv auf die Entropie auswirkt und damit zu einer erhöhten Affinität führt. Diese Ergebnisse bestätigen den postulierten Effekt der Oberflächenmultivalenz. Es wurde gezeigt, dass BTTris-NTA die reversible Biotinylierung Histidingetagter Proteine ermöglicht, und damit eine Brücke zwischen den zwei am meisten eingesetzten Werkzeugen der Biochemie, dem Histidin-Tag und dem Biotin-(Strept)Avidin-System, schlägt. BTTris-NTA findet in verschiedenen Bereichen Anwendung: zur Umwandlung kommerzieller (Strept)Avidin-Oberflächen in Tris-NTA-Oberflächen, in Phage-Display-Screenings und Western Blot Analysen sowie zur Markierung von Rezeptoren auf Zelloberflächen. Die Biotinylierung über BTTris-NTA ermöglicht es zudem, auch Proteine geringer Konzentrationen (<10 nM) effizient auf Streptavidinoberflächen zu immobilisieren. Diese Selbstassemblierung Histidin-getagter Proteine wurde zur Organisation von Proteinen auf Oberflächen in Mikro- bis Nanometer-Dimensionen genutzt.
The goal of this thesis was the development, evaluation and application of novel virtual screening approaches for the rational compilation of high quality pharmacological screening libraries. The criteria for a high quality were a high probability of the selected molecules to be active compared to randomly selected molecules and diversity in the retrieved chemotypes of the selected molecules to be prepared for the attrition of single lead structures. For the latter criterion the virtual screening approach had to perform “scaffold hopping”. The first molecular descriptor that was explicitly reported for that purpose was the topological pharmacophore CATS descriptor, representing a correlation vector (CV) of all pharmacophore points in a molecule. The representation is alignment-free and thus renders fast screening of large databases feasible. In a first series of experiments the CATS descriptor was conceptually extended to the three-dimensional pharmacophore-pair CATS3D descriptor and the molecular surface based SURFCATS descriptor. The scaling of the CATS3D descriptor, the combination of CATS3D with different similarity metrics and the dependence of the CATS3D descriptor on the threedimensional conformations of the molecules in the virtual screening database were evaluated in retrospective screening experiments. The “scaffold hopping” capabilities of CATS3D and SURFCATS were compared to CATS and the substructure fingerprint MACCS keys. Prospective virtual screening with CATS3D similarity searching was applied for the TAR RNA and the metabotropic glutamate receptor 5 (mGlur5). A combination of supervised and unsupervised neural networks trained on CATS3D descriptors was applied prospectively to compile a focused but still diverse library of mGluR5 modulators. In a second series of experiments the SQUID fuzzy pharmacophore model method was developed, that was aimed to provide a more general query for virtual screening than the CATS family descriptors. A prospective application of the fuzzy pharmacophore models was performed for TAR RNA ligands. In a last experiment a structure-/ligand-based pharmacophore model was developed for taspase1 based on a homology model of the enzyme. This model was applied prospectively for the screening for the first inhibitors of taspase1. The effect of different similarity metrics (Euc: Euclidean distance, Manh: Manhattan distance and Tani: Tanimoto similarity) and different scaling methods (unscaled, scaling1: scaling by the number of atoms, and scaling2: scaling by the added incidences of potential pharmacophore points of atom pairs) on CATS3D similarity searching was evaluated in retrospective virtual screening experiments. 12 target classes of the COBRA database of annotated ligands from recent scientific literature were used for that purpose. Scaling2, a new development for the CATS3D descriptor, was shown to perform best on average in combination with all three similarity metrics (enrichment factor ef (1%): Manh = 11.8 ± 4.3, Euc = 11.9 ± 4.6, Tani = 12.8 ± 5.1). The Tanimoto coefficient was found to perform best with the new scaling method. Using the other scaling methods the Manhattan distance performed best (ef (1%): unscaled: Manh = 9.6 ± 4.0, Euc = 8.1 ± 3.5, Tani = 8.3 ± 3.8; scaling1: Manh = 10.3 ± 4.1, Euc = 8.8 ± 3.6, Tani = 9.1 ± 3.8). Since CATS3D is independent of an alignment, the dependence of a “receptor relevant” conformation might also be weaker compared to other methods like docking. Using such methods might be a possibility to overcome problems like protein flexibility or the computational expensive calculation of many conformers. To test this hypothesis, co-crystal structures of 11 target classes served as queries for virtual screening of the COBRA database. Different numbers of conformations were calculated for the COBRA database. Using only a single conformation already resulted in a significant enrichment of isofunctional molecules on average (ef (1%) = 6.0 ± 6.5). This observation was also made for ligand classes with many rotatable bonds (e.g. HIV-protease: 19.3 ± 6.2 rotatable bonds in COBRA, ef (1%) = 12.2 ± 11.8). On average only an improvement from using the maximum number of conformations (on average 37 conformations / molecule) to using single conformations of 1.1 fold was found. It was found that using more conformations actives and inactives equally became more similar to the reference compounds according to the CATS3D representations. Applying the same parameters as before to calculate conformations for the crystal structure ligands resulted in an average Cartesian RMSD of the single conformations to the crystal structure conformations of 1.7 ± 0.7 Å. For the maximum number of conformations, the RMSD decreased to 1.0 ± 0.5 Å (1.8 fold improvement on average). To assess the virtual screening performance and the scaffold hopping potential of CATS3D and SURFACATS, these descriptors were compared to CATS and the MACCS keys, a fingerprint based on exact chemical substructures. Retrospective screening of ten classes of the COBRA database was performed. According to the average enrichment factors the MACCS keys performed best (ef (1%): MACCS = 17.4 ± 6.4, CATS = 14.6 ± 5.4, CATS3D = 13.9 ± 4.9, SURFCATS = 12.2 ± 5.5). The classes, where MACCS performed best, consisted of a lower average fraction of different scaffolds relative to the number of molecules (0.44 ± 0.13), than the classes, where CATS performed best (0.65 ± 0.13). CATS3D was the best performing method for only a single target class with an intermediate fraction of scaffolds (0.55). SURFCATS was not found to perform best for a single class. These results indicate that CATS and the CATS3D descriptors might be better suited to find novel scaffolds than the MACCS keys. All methods were also shown to complement each other by retrieving scaffolds that were not found by the other methods. A prospective evaluation of CATS3D similarity searching was done for metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5) allosteric modulators. Seven known antagonists of mGluR5 with sub-micromolar IC50 were used as reference ligands for virtual screening of the 20,000 most drug-like compounds – as predicted by an artificial neural network approach – of the Asinex vendor database (194,563 compounds). Eight of 29 virtual screening hits were found with a Ki below 50 µM in a binding assay. Most of the ligands were only moderately specific for mGluR5 (maximum of > 4.2 fold selectivity) relative to mGluR1, the most similar receptor to mGluR5. One ligand exhibited even a better Ki for mGluR1 than for mGluR5 (mGluR5: Ki > 100 µM, mGluR1: Ki = 14 µM). All hits had different scaffolds than the reference molecules. It was demonstrated that the compiled library contained molecules that were different from the reference structures – as estimated by MACCS substructure fingerprints – but were still considered isofunctional by both CATS and CATS3D pharmacophore approaches. Artificial neural networks (ANN) provide an alternative to similarity searching in virtual screening, with the advantage that they incorporate knowledge from a learning procedure. A combination of artificial neural networks for the compilation of a focused but still structurally diverse screening library was employed prospectively for mGluR5. Ensembles of neural networks were trained on CATS3D representations of the training data for the prediction of “mGluR5-likeness” and for “mGluR5/mGluR1 selectivity”, the most similar receptor to mGluR5, yielding Matthews cc between 0.88 and 0.92 as well as 0.88 and 0.91 respectively. The best 8,403 hits (the focused library: the intersection of the best hits from both prediction tasks) from virtually ranking the Enamine vendor database (ca. 1,000,000 molecules), were further analyzed by two self-organizing maps (SOMs), trained on CATS3D descriptors and on MACCS substructure fingerprints. A diverse and representative subset of the hits was obtained by selecting the most similar molecules to each SOM neuron. Binding studies of the selected compounds (16 molecules from each map) gave that three of the molecules from the CATS3D SOM and two of the molecules from the MACCS SOM showed mGluR5 binding. The best hit with a Ki of 21 µM was found in the CATS3D SOM. The selectivity of the compounds for mGluR5 over mGluR1 was low. Since the binding pockets in the two receptors are similar the general CATS3D representation might not have been appropriate for the prediction of selectivity. In both SOMs new active molecules were found in neurons that did not contain molecules from the training set, i. e. the approach was able to enter new areas of chemical space with respect to mGluR5. The combination of supervised and unsupervised neural networks and CATS3D seemed to be suited for the retrieval of dissimilar molecules with the same class of biological activity, rather than for the optimization of molecules with respect to activity or selectivity. A new virtual screening approach was developed with the SQUID (Sophisticated Quantification of Interaction Distributions) fuzzy pharmacophore method. In SQUID pairs of Gaussian probability densities are used for the construction of a CV descriptor. The Gaussians represent clusters of atoms comprising the same pharmacophoric feature within an alignment of several active reference molecules. The fuzzy representation of the molecules should enhance the performance in scaffold hopping. Pharmacophore models with different degrees of fuzziness (resolution) can be defined which might be an appropriate means to compensate for ligand and receptor flexibility. For virtual screening the 3D distribution of Gaussian densities is transformed into a two-point correlation vector representation which describes the probability density for the presence of atom-pairs, comprising defined pharmacophoric features. The fuzzy pharmacophore CV was used to rank CATS3D representations of molecules. The approach was validated by retrospective screening for cyclooxygenase 2 (COX-2) and thrombin ligands. A variety of models with different degrees of fuzziness were calculated and tested for both classes of molecules. Best performance was obtained with pharmacophore models reflecting an intermediate degree of fuzziness. Appropriately weighted fuzzy pharmacophore models performed better in retrospective screening than CATS3D similarity searching using single query molecules, for both COX-2 and thrombin (ef (1%): COX-2: SQUID = 39.2., best CATS3D result = 26.6; Thrombin: SQUID = 18.0, best CATS3D result = 16.7). The new pharmacophore method was shown to complement MOE pharmacophore models. SQUID fuzzy pharmacophore and CATS3D virtual screening were applied prospectively to retrieve novel scaffolds of RNA binding molecules, inhibiting the Tat-TAR interaction. A pharmacophore model was built up from one ligand (acetylpromazine, IC50 = 500 µM) and a fragment of another known ligand (CGP40336A), which was assumed to bind with a comparable binding mode as acetylpromazine. The fragment was flexible aligned to the TAR bound NMR conformation of acetylpromazine. Using an optimized SQUID pharmacophore model the 20,000 most druglike molecules from the SPECS database (229,658 compounds) were screened for Tat-TAR ligands. Both reference inhibitors were also applied for CATS3D similarity searching. A set of 19 molecules from the SQUID and CATS3D results was selected for experimental testing. In a fluorescence resonance energy transfer (FRET) assay the best SQUID hit showed an IC50 value of 46 µM, which represents an approximately tenfold improvement over the reference acetylpromazine. The best hit from CATS3D similarity searching showed an IC50 comparable to acetylpromazine (IC50 = 500 µM). Both hits contained different molecular scaffolds than the reference molecules. Structure-based pharmacophores provide an alternative to ligand-based approaches, with the advantage that no ligands have to be known in advance and no topological bias is introduced. The latter is e.g. favorable for hopping from peptide-like substrates to drug-like molecules. A homology model of the threonine aspartase taspase1 was calculated based on the crystal structures of a homologous isoaspartyl peptidase. Docking studies of the substrate with GOLD identified a binding mode where the cleaved bond was situated directly above the reactive N-terminal threonine. The predicted enzyme-substrate complex was used to derive a pharmacophore model for virtual screening for novel taspase1 inhibitors. 85 molecules were identified from virtual screening with the pharmacophore model as potential taspase1- inhibitors, however biochemical data was not available before the end of this thesis. In summary this thesis demonstrated the successful development, improvement and application of pharmacophore-based virtual screening methods for the compilation of molecule-libraries for early phase drug development. The highest potential of such methods seemed to be in scaffold hopping, the non-trivial task of finding different molecules with the same biological activity.
In dieser Arbeit wurden verschiedene Aspekte der Allergie gegen Süßkirsche untersucht. Zunächst wurde die Leistungsfähigkeit eines professionellen Tests mit re-kombinanten Allergenen aus Süßkirsche untersucht. Hierzu wurden rPru av 1, 3 und 4 einzeln eingesetzt, um die Sensibilisierungsmuster von Kirschallergikern aus Mitteleuropa und Spanien zu untersuchen. Vor allem die Untersuchung LTP-sensibi-lisierter Patienten aus diesen Regionen in einer Zahl, die einen statistischen Ver-gleich ermöglichte, offenbarte neue Aspekte des Phänomens schwerer Reaktionen bei solchen Patienten. Die drei rekombinanten Kirschallergene wurden auch kombiniert in einem einzigen Test eingesetzt, um schwer standardisierbare Proteinextrakte als Hilfsmittel zur in vitro Diagnose zu ersetzen. Um die Leistungsfähigkeit dieses Tests umfassend beurteilen zu können, wurde sie mit der des SPT in Birkenpollenallergikern mit und ohne Kirschallergie verglichen. Die mögliche Bedeutung unbekannter Allergene oder Isoformen wurde durch die Abschätzung des Beitrags der bekannten Kirschallergene zum IgE-Bindungsanteil von Kirschextrakt untersucht. Mit dem ImmunoCAP konnten die bereits veröffentlichten regional unterschiedlichen Sensibilisierungsmuster bestätigt werden. Die dominierende Rolle des Bet v 1-Homologen Pru av 1 in Patienten aus Mitteleuropa und damit die Bedeutung der Birkenpollenassoziation in dieser Region, konnte ebenso bestätigt werden wie die überragende Relevanz von Pru av 3 für Kirschallergiker aus Spanien. Der Vergleich der größten bisher publizierten und für statistische Untersuchungen ausreichend großen Gruppe LTP-sensibilisierter Patienten aus Mitteleuropa mit solchen Patienten aus Spanien, legte im Gegensatz zu früheren Studien keine ausschließlich auf die molekularen Eigenschaften von Pru av 3 beschränkte Assoziation von sys-temischen Reaktionen und einer Sensibilisierung gegen LTPs nahe. Die Assoziation scheint eher zwischen der Herkunft LTP-sensibilisierter Patienten und systemischen Reaktionen zu bestehen. Diese Schlussfolgerung konnte gezogen werden, da bei keinem der LTP-sensibilisierten Patienten aus Mitteleuropa systemische Reaktionen auftraten. Weder eine Co-Sensibilisierung gegen Pollen noch eine Allergie gegen andere Nahrungsmittel wie zum Beispiel Pfirsich korrelierten mit dem Auftreten sys-temischer Reaktionen. Eine Erklärung für dieses Phänomen konnte aus den vor-liegenden Daten daher nicht abgeleitet werden. Die Leistungsfähigkeit des rMix-ImmunoCAP mit rPru av 1, 3 und 4 zum Nachweis einer Sensibilisierung gegen Süßkirsche war exzellent. Weder der kommerziell erhältliche Extrakt-ImmunoCAP noch der ImmunoCAP, der einen optimierten Extrakt an der Festphase trug konnte mit diesem Test konkurrieren. Die klinische Sensitivität des rMix-ImmunoCAP war mit ≥95% hervorragend, und der Test stimmte in 92% der Fälle mit dem SPT überein. Eine Unterscheidung zwischen Birkenpollenallergikern ohne Allergie gegen Süßkirsche und Kirschallergikern war hingegen weder mit dem rMix-ImmunoCAP noch mit dem SPT möglich. Die Spezifität beider Tests war von klinisch insignifikanter IgE-Reaktivität gegen Pru av 1 beeinträchtigt und auch die Konzentration spezifischen IgEs erlaubte keine Unterscheidung zwischen beiden Gruppen auf der Ebene einzelner Patienten. Der rMix-ImmunoCAP ist aber sehr gut geeignet eine Sensibilisierung bei einem Verdacht einer Allergie gegen Süßkirsche nachzuweisen, ohne auf weitere Allergene wie Pru av 2 oder Isoformen von Pru av 1 zurückgreifen zu müssen. Damit wurde zum ersten Mal ein diagnostischer Test ein-gesetzt, der einen Proteinextrakt aus Früchten vollständig ersetzen kann Die quantitative Abschätzung des Beitrages der bereits bekannten Allergene aus Süßkirsche zur IgE-Bindung mittel EAST-Inhibition hat gezeigt, dass bei einem Großteil der untersuchten Seren erhebliche Anteile des IgEs gegen Süßkirsche nicht erfasst werden. Die Ursache für dieses Phänomen konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht abschließend aufgeklärt werden, aber es ist als sehr wahrscheinlich anzu-sehen, dass die neu identifizierte Isoform von Pru av 1 zumindest bei einem Teil der Seren hierfür verantwortlich ist. Darüber hinaus waren im Immunoblot bei Seren bei denen die IgE-Bindung nicht vollständig zu inhibieren war IgE-Reaktivität gegen noch unbekannte Strukturen zu erkennen. Neben der Beteiligung glykosilierter Proteine war auch eine Beteiligung von Pru av 2 nicht vollständig auszuschließen, wenngleich im Verlauf dieser Arbeit keine Hinweise auf eine Relevanz dieses Allergens in dem untersuchten Patientenkollektiv gefunden werden konnten. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die Grundlagen gelegt, um die Allergenität von Süßkirsche in einem in vitro Modell zu reduzieren. Es wurden Isoformen von Pru av 1 mit einer Kombination aus molekularbiologischen und proteinchemischen Methoden untersucht. Es wurden hierzu Techniken gewählt, die eine weitgehend um-fassende und zuverlässige Identifizierung von Isoformen ermöglichten. Ferner wurde der Gehalt an Pru av 1 von verschiedenen Kirschsorten verglichen, das Splice-Intron von Pru av 1 sequenziert, um die Herstellung eines spezifischen und wirksamen RNAi-Konstruktes zu ermöglichen, sowie die Eignung in vitro regenerierter Kirschpflanzen als Zielorganismus durch den Nachweis von Pru av 1 in den Blättern solcher Pflanzen geprüft. Die in dieser Arbeit verwendeten Methoden haben sich als geeignet erwiesen zuverlässig Isoformen von Allergenen zu identifizieren. Es konnte mit Hilfe einer syn-ergistischen Kombination aus einer cDNA-Bibliothek, PCR, und 2-D-PAGE / MS mit Pru av 1.02 eine neue Isoform von Pru av 1 identifiziert werden. Die mit den molekularbiologischen Methoden erzielten Ergebnisse stimmten dabei mit den Re-sultaten der proteinchemischen Untersuchungen sehr gut überein. In beiden Fällen wurden zwei Pru av 1 Isoformen nachgewiesen und lediglich die eine Variante von Pru av 1.02 mit sehr hoher Sequenzidentität konnte nicht als Protein nachgewiesen werden. Die auf Protein- und DNA-Ebene übereinstimmenden Ergebnisse bezüglich der beiden IgE-bindenden Isoformen, lassen darüber hinaus auf eine weitgehend vollständige Erfassung der Pru av1 Isoformen schließen. Pru av 1.02 besteht aus drei Varianten und zeigte ein anderes IgE-Bindungs-verhalten als das bereits bekannte Pru av 1.0101. Diese Isoform ist daher sowohl für eine zukünftige gentechnische Reduzierung der Allergenität von Süßkirsche als auch für diagnostische Zwecke bedeutsam. Für eine erfolgreiche Reduzierung der Aller-genität von Süßkirsche muss die Expression aller IgE-reaktiven Isoformen des in Mitteleuropa dominierenden Allergens Pru av 1 unterdrückt werden. Wenngleich Pru av 1.0201 zum Nachweis einer Sensibilisierung gegen Süßkirsche nicht not-wendig erscheint, könnte sie jedoch sowohl einen Einfluss auf die Höhe der gemes-senen IgE-Werte und die Ausbildung von Symptomen haben, als auch besser ge-eignet sein zwischen Birkenpollenallergikern mit und ohne Allergie gegen Süßkirsche zu unterscheiden. Abschließend wurden dann die Grundlagen für die gentechnische Redu-zierung der Allergenität von Süßkirsche geschaffen. Der Gehalt an Pru av 1 war in allen elf Kirschsorten sehr ähnlich, und erlaubt daher alle untersuchten Kirschsorten als Ausgangsmaterial einzusetzen. Die Sequenzierung des Splice-Introns aus Pru av 1 ermöglicht es jetzt ein intron-spliced hairpin RNAi-Konstrukt herzustellen. Dieses Konstrukt könnte dann eingesetzt werden, um die Reduktion der Allergenität von Süßkirsche experimentell in einem in vitro Modell zu zeigen. Mit dem Nachweis von Pru av 1 in den Blättern in vitro regenerierter Kirschpflanzen konnte gezeigt werden, dass die Voraussetzungen hierzu gegeben sind.
Introduction: Despite the excellent anti-inflammatory and immunosuppressive action of glucocorticoids (GCs), their use for the treatment of inflammatory bowel disease (IBD) still carries significant risks in terms of frequently occurring severe side effects, such as the impairment of intestinal tissue repair. The recently-introduced selective glucocorticoid receptor (GR) agonists (SEGRAs) offer anti-inflammatory action comparable to that of common GCs, but with a reduced side effect profile.
Methods: The in vitro effects of the non-steroidal SEGRAs Compound A (CpdA) and ZK216348, were investigated in intestinal epithelial cells and compared to those of Dexamethasone (Dex). GR translocation was shown by immunfluorescence and Western blot analysis. Trans-repressive effects were studied by means of NF-κB/p65 activity and IL-8 levels, trans-activation potency by reporter gene assay. Flow cytometry was used to assess apoptosis of cells exposed to SEGRAs. The effects on IEC-6 and HaCaT cell restitution were determined using an in vitro wound healing model, cell proliferation by BrdU assay. In addition, influences on the TGF-β- or EGF/ERK1/2/MAPK-pathway were evaluated by reporter gene assay, Western blot and qPCR analysis.
Results: Dex, CpdA and ZK216348 were found to be functional GR agonists. In terms of trans-repression, CpdA and ZK216348 effectively inhibited NF-κB activity and IL-8 secretion, but showed less trans-activation potency. Furthermore, unlike SEGRAs, Dex caused a dose-dependent inhibition of cell restitution with no effect on cell proliferation. These differences in epithelial restitution were TGF-β-independent but Dex inhibited the EGF/ERK1/2/MAPK-pathway important for intestinal epithelial wound healing by induction of MKP-1 and Annexin-1 which was not affected by CpdA or ZK216348.
Conclusion: Collectively, our results indicate that, while their anti-inflammatory activity is comparable to Dex, SEGRAs show fewer side effects with respect to wound healing. The fact that SEGRAs did not have a similar effect on cell restitution might be due to a different modulation of EGF/ERK1/2 MAPK signalling.
Mukoviszidose oder zystische Fibrose (CF) ist die häufigste autosomal-rezessiv Erbkrankheit in der westlichen Welt. Sie wird durch Mutationen in einem Gen verursacht, das den „Cystic Fibrosis Transmembran Conductance Regulator“ (CFTR) kodiert. Das CFTR-Protein ist zum einen ein epithelialer Chloridkanal, zum anderen aber auch ein Regulator zahlreicher anderer epithelialer Ionenkanäle und Transporter. Der Ausfall des CFTR-Proteins verursacht eine Multiorganerkrankung, bei der vorwiegend sekretorische Funktionen beeinträchtigt sind. Besonders betroffen sind Lunge und Pankreas, wobei die Beteiligung der Lunge maßgeblich für die Ausprägung der Erkrankung und deren Letalität ist. Die Mehrzahl der Patienten leidet unter rezidivierenden bronchopulmonalen Infektionen und einer exzessiven pulmonalen Inflammation. Einen wesentlichen Beitrag zur Zerstörung der Lunge liefern dabei jedoch körpereigene neutrophile Granulozyten, die in großer Zahl in die Lunge eindringen, ohne jedoch den Erreger beseitigen zu können. Neuere Studien lassen darauf schließen, dass neben den neutrophilen Granulozyten auch Lymphozyten eine wichtige Rolle in der Pathogenese der Erkrankung spielen. Entzündungsmarker wie Zytokine und Eicosanoide sind nicht nur lokal in den Atemwegen erhöht, sondern auch systemisch, was auf einen generalisierten Entzündungsstatus hinweist. Die Ursache der gestörten Immunantwort bei CF sind immer noch unbekannt und erfordern weitere Untersuchungen. Das Ziel unserer Studien war die vergleichende Untersuchung der Expression und Aktivität der Peroxisom Proliferator-Aktivierten Rezeptoren (PPARs) sowie der 15-Lipoxygenase-1, einem Schlüsselenzym im Eicosanoidstoffwechsel, zwischen Patienten mit CF und gesunden Probanden. Da bekannt ist, dass PPARs sowie die 15-LO-1 in entzündlichen Prozessen regulatorische Funktionen besitzen, und man zudem annimmt, dass CF auf eine übermäßige Immunreaktion zurückzuführen ist, vermuten wir für PPARs bzw. 15-LO-1 ein verändertes Expressionsmuster. Eicosanoide sind wichtige Mediatoren und Modulatoren der inflammatorischen Antwort. Sie sind Derivate mehrfach ungesättigter Fettsäuren. Eine wichtige Rolle spielen sie bei der Thrombozytenaggregation, Kontraktion der glatten Muskulatur, Chemotaxis der Leukozyten, Zytokinproduktion, Schmerzübertragung sowie der Entstehung von Fieber. Einige Eicosanoide verursachen proinflammatorische, andere antiinflammatorische Aktionen, wiederum andere können beides verursachen. Arachidonsäure (AA), eine n-6 mehrfach ungesättigte Fettsäure (PUFA), ist der Vorläufer für potente proinflammatorische Eicosanoide wie Prostaglandin E-2, Thromboxan A2 und Leukotrien B4 und ist in der Phospholipidschicht der Zellmembran gebunden. n-3 PUFA’s wie Docosahexaenoicsäure (DHA) und Eicosapentaensäure werden zu Eicosanoiden wie Prostaglandin E-3, Thromboxan A3 und Leukotrien B5 metabolisiert. DHA besitzt antiinflammatorische Eigenschaften, indem es mit AA um die Aufnahme/Verbindung in die Zellmembran konkurriert, dabei werden die AA Spiegel herunterreguliert. Veränderungen beim Stoffwechsel der Fettsäuren und Eisosanoide wurden bei CF-Patienten von verschiedenen Gruppen beschrieben. Zusätzlich zu dem erhöhten Spiegel proinflammatorischer Leukotriene in Atemwegen, Urin und Serum, wurden erniedrigte Spiegel von DHA im Plasma und übermäßige Freisetzung von AA aus der Zellmembran für CF beschrieben. Desweiteren wurden erhöhte Mengen membrangebundener AA und erniedrigte Mengen membrangebundener DHA in den von CF betroffenen Organen beschrieben. Veränderungen des Fettsäure-Haushalts sind von besonderem Interesse, weil sie die bei CF vorliegender Fehlregulation inflammatorischer Prozesse erklären könnten. Sie sind auch natürliche Liganden von Peroxisom Proliferator-Aktivierten Rezeptoren und darüber hinaus an der Regulation von Entzündungsprozessen beteiligt. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind drei unterschiedliche PPAR-Isoformen identifiziert, PPAR alpha, beta und gamma. Sie sind Transkriptionsfaktoren, die zu der Superfamilie der nukleäreren Rezeptoren gehören, und werden durch endogene Liganden wie Fettsäuren und Eicosanoide aktiviert. Es wurde gezeigt, dass PPARalpha und –gamma antiinflammatorische Aktivität besitzen, die auf Monozyten, Makrophagen, Lymphozyten, glatte Muskelzellen und Endothellzellen wirkt. Ein Modell dazu ist eine durch PPARalpha und -gamma vermittelte Hemmung der proinflammatorischen Eigenschaften des nuklearen Faktor-kappaB (NF-kappaB) und des aktivierenden Proteins-1 (AP-1). Beides sind Transkriptionsfaktoren, die eine Schlüsselrolle bei der inflammatorischen Antwort spielen, indem sie die Expression von Zytokinen, Chemokinen, Zelladhäsionsmolekülen und Wachstumsfaktoren veranlassen. Die PPARs werden unter anderem in peripheren Blutzellen exprimiert. Da die Spiegel einiger endogener Aktivatoren der PPARs bei CF verändert zu sein scheinen, sollte in der vorliegenden Arbeit ein Einfluss auf Expression und Funktion der PPARs untersucht werden. In der vorliegenden Arbeit wurden Patienten mit CF untersucht, die sich in einem stabilen Zustand befanden und im Rahmen von Routineuntersuchungen in die Klinik kamen. Da die CF-Patienten in unserer Klinik nicht bronchoskopiert werden, konnte kein Versuchsmaterial aus den Atemwegen gewonnen werden. Dennoch gehen wir aufgrund der erhöhten Entzündungsmarker im Blut der CF-Patienten davon aus, dass die Entzündungsreaktionen nicht auf den Respirationstrakt beschränkt sind. Auch in unserer Studie zeigten sich erhöhte IL-8 Spiegel im Plasma von Patienten mit CF. Dies unterstützt die Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen und weist auf systemische proinflammatorische Vorgänge hin. Das Blut wurde über Venenpunktion erhalten. Monozyten, Lymphozyten und neutrophile Granulozyten wurden isoliert und untersucht, da sie aufgrund der Freisetzung von Zytokinen, Chemokinen und durch die Produktion von Antikörpern, wichtige Mediatoren in der Immunantwort sind. Die PPAR mRNA Expression wurde in Monozyten und Lymphozyten mittels RT-kompetitiver Multiplex PCR gemessen und mittels RT-Real-time PCR in neutrophilen Granulozyten. Die PPARgamma Spiegel in diesen Zellen lagen unterhalb der Nachweisgrenze. Die statistische Analyse zeigte dass in Lymphozyten von CF-Patienten gegenüber Gesunden PPARalpha mRNA, aber nicht PPARbeta mRNA, signifikant erniedrigt exprimiert wird (-37%). Die gleiche Differenz konnte auf Proteinebene mit Hilfe von Western Blots detektiert werden. Hinsichtlich der Expression von PPARalpha und PPARbeta zeigten sich in Monozyten und Neutrophilen zwischen CF-Patienten und Gesunden keine signifikanten Unterschiede. Unseren Daten werden von verschiedenen Studien unterstützt. Zum ersten gibt es Hinweise, dass PPARalpha mRNA- und Protein-Expression von ihren eigenen Liganden direkt reguliert werden. Bei Patienten mit CF zeigen sich für die natürlichen Liganden, Eicosanoide und Fettsäuren, veränderte Spiegel, was zu einer verringerten Expression von PPARalpha beitragen könnte. Zum zweiten, da bekannt ist, dass die PPARalpha-Expression in proinflammatorisch aktivierten T-Lymphozyten herunterreguliert ist, wurde zusätzlich überprüft, ob die Lymphozyten von CF-Patienten aktiviert sind. Interleukin-2 Rezeptor im Serum (sIL-2 R) ist ein allgemein anerkannter Marker der Aktivierung von Lymphozyten. Tatsächlich zeigte sich, dass die Konzentration von sIL-2 R im Serum der vorliegenden CF Patienten erhöht ist, was mit den Erkenntnissen anderer Arbeitsgruppen übereinstimmt 128-130. Die verstärkte Aktivierung von Lymphozyten in CF-Patienten könnte eine Erklärung für die erniedrigten PPARalpha-Spiegel bieten. Der verantwortliche Mechanismus dafür ist bis jetzt noch nicht bekannt. Drittens wurde für die proinflammatorischen Zytokine IL-6, TNF-alpha und IL-1 gezeigt, dass sie eine Reduktion der PPARalpha Expression verursachen können. CF-Patienten zeigen erhöhte Spiegel von IL-2, TNF-alpha, IL-6 und IL-8 im Sputum und Serum. Konsequenterweise kann die PPARalpha Expression durch die erhöhten Zytokinspiegel im Serum herunter reguliert werden. Eine weitere Unterstützung der vorliegenden Ergebnisse ergibt sich aus einem Kongressbeitrag von Andersson et al., die über eine epitheliale CF-Zelllinie berichten, die weniger PPARalpha-Protein exprimiert als eine normale epitheliale Zelllinie. Dieselbe Forschungsgruppe fand erniedrigte PPARgamma-Spiegel im CF-Maus-Modell in Geweben, die speziell durch CFTR reguliert werden und ihre Daten weisen darauf hin, dass CFTR eine Rolle bei der PPAR Expression spielen kann. Ein funktionales CFTR-Protein wird auch in Lymphozyten von Gesunden exprimiert. Folglich könnte ein defektes CFTR auch in CF-Lymphozyten für die veränderterte PPARalpha-Expression verantwortlich sein. Ob die beschriebene Veränderung der Menge an PPARalpha mRNA und Protein auch auf funktioneller Ebene zum Tragen kommt, wurde durch immunhistometrische Untersuchungen und die Bestimmung der DNA-Bindungsaktivität des Transkriptionsfaktors überprüft. Die immunhistometrischen Untersuchungen zeigten, dass PPARalpha sowohl bei Gesunden als auch bei CF-Patienten hauptsächlich im Cytosol lokalisiert ist und dass sich nur ein kleiner Teil im Nukleus befindet. Eine Quantifizierung war hierbei nicht möglich. Über eine ähnliche zelluläre Verteilung wurde in humanen Makrophagen wie auch in Mäuselymphozyten berichtet. Die DNA-Bindungstudien zeigten, dass die PPARalpha DNA-Bindungsaktivität in Lymphozyten von CF-Patienten gegenüber Kontrollpersonen um 36% signifikant erniedrigt war. Eine erniedrigte DNA-Bindungsaktivität bei CFTR knock-out Mäuse wurde auch für PPARgamma berichtet. Die Bindungsaktivität konnte wiederhergestellt werden, nachdem die Mäuse mit Troglitazon, einem PPARgamma Agonist, behandelt wurden. Darüber hinaus werden mit hoher Wahrscheinlichkeit auch die Veränderungen des Eicosanoidhaushalts bei CF zu der Verminderung sowohl der Expression als auch der Aktivität von PPARalpha beitragen. Hier ist besonders die bei CF verminderter Menge des PPARalpha–Liganden DHA hervorzuheben. Eine ligandeninduzierte Aktivierung von PPARalpha führt zu einer Abnahme verschiedener proinflammatorische Zytokine in Lymphozyten. Dies geschieht vermutlich über eine Antagonisierung der Aktivität von NF-kappaB. PPARalpha hat einen signifikanten Einfluss auf die Immunantwort. Somit könnte die bei CF-Patienten verminderte PPARalpha-Expression und -Funktion ursächlich oder mitverantwortlich für die inflammatorischen Vorgänge bei CF sein. Die vorliegenden Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Regulierung der Aktivität von PPARalpha durch die Zugabe von DHA oder andere Liganden eine sinnvolle Therapieoption sein kann. Es sollte in weiterführenden Versuchen geklärt werden, ob eine Therapie mit PPARalpha-Aktivatoren einen Einfluss auf die inflammatorischen Vorgänge bei CF haben kann. Im zweiten Teil der Arbeit wurde untersucht ob CF einen Defekt in der Expression von 15-Lipoxygenase-1 (15-LO-1) verursacht. 15-LO-1 ist ein Schlüsselenzym für die Synthese einiger Eicosanoide wie z.B. 15(S)-HETE und Lipoxin A4. Beide Eicosanoide spielen eine wichtige Rolle in inflammatorischen Vorgängen in der menschlichen Lunge. 15(S)-HETE ist ein von der Arachidonsäure abgeleitetes Eicosanoid, das sich in hoher Konzentration in eosinophilen Granulozyten und Atemwegsepithelien findet. 15(S)-HETE wirkt in den Atemwegen stark mukosekretolytisch und bronchokonstriktorisch. Zum anderen inhibiert 15(S)-HETE die durch die 5-Lipoxygenase katalysierte Konversion von Arachidonsäure zu proinflammatorischen Mediatoren wie LTB4 in neutrophilen Granulozyten. Dies führt zu einer Reduktion der neutrophilen Chemotaxis. Es liegen bisher keine Daten zu 15-HETE-Spiegel in der CF-Lunge vor. Lipoxin A4 verursacht ebenfalls eine Reduktion der Chemotaxis von neutrophilen Granulozyten, supprimiert darüber hinaus aber schon deren Aktivierung. Neben einer direkten Wirkung auf die neutrophilen Granulozyten, sind dabei auch indirekte Effekte beteiligt, wie zum Beispiel die Reduktion der broncho-epithelialen Ausschüttung von IL-8, als einem potenten Chemoattraktor und Aktivator neutrophiler Granulozyten. Tatsächlich ist die Konzentration des anti-inflammatorisch wirksamen LXA4 in der Atemwegsflüssigkeit von CF-Patienten reduziert. Die Expression von15-LO-1 in peripheren Blutzellen ist im Wesentlichen auf die eosinophilen Granulozyten beschränkt. Deren Mukoviszidose oder zystische Fibrose (CF) ist die häufigste autosomal-rezessiv Erbkrankheit in der westlichen Welt. Sie wird durch Mutationen in einem Gen verursacht, das den „Cystic Fibrosis Transmembran Conductance Regulator“ (CFTR) kodiert. Das CFTR-Protein ist zum einen ein epithelialer Chloridkanal, zum anderen aber auch ein Regulator zahlreicher anderer epithelialer Ionenkanäle und Transporter. Der Ausfall des CFTR-Proteins verursacht eine Multiorganerkrankung, bei der vorwiegend sekretorische Funktionen beeinträchtigt sind. Besonders betroffen sind Lunge und Pankreas, wobei die Beteiligung der Lunge maßgeblich für die Ausprägung der Erkrankung und deren Letalität ist. Die Mehrzahl der Patienten leidet unter rezidivierenden bronchopulmonalen Infektionen und einer exzessiven pulmonalen Inflammation. Einen wesentlichen Beitrag zur Zerstörung der Lunge liefern dabei jedoch körpereigene neutrophile Granulozyten, die in großer Zahl in die Lunge eindringen, ohne jedoch den Erreger beseitigen zu können. Neuere Studien lassen darauf schließen, dass neben den neutrophilen Granulozyten auch Lymphozyten eine wichtige Rolle in der Pathogenese der Erkrankung spielen. Entzündungsmarker wie Zytokine und Eicosanoide sind nicht nur lokal in den Atemwegen erhöht, sondern auch systemisch, was auf einen generalisierten Entzündungsstatus hinweist. Die Ursache der gestörten Immunantwort bei CF sind immer noch unbekannt und erfordern weitere Untersuchungen. Das Ziel unserer Studien war die vergleichende Untersuchung der Expression und Aktivität der Peroxisom Proliferator-Aktivierten Rezeptoren (PPARs) sowie der 15-Lipoxygenase-1, einem Schlüsselenzym im Eicosanoidstoffwechsel, zwischen Patienten mit CF und gesunden Probanden. Da bekannt ist, dass PPARs sowie die 15-LO-1 in entzündlichen Prozessen regulatorische Funktionen besitzen, und man zudem annimmt, dass CF auf eine übermäßige Immunreaktion zurückzuführen ist, vermuten wir für PPARs bzw. 15-LO-1 ein verändertes Expressionsmuster. Eicosanoide sind wichtige Mediatoren und Modulatoren der inflammatorischen Antwort. Sie sind Derivate mehrfach ungesättigter Fettsäuren. Eine wichtige Rolle spielen sie bei der Thrombozytenaggregation, Kontraktion der glatten Muskulatur, Chemotaxis der Leukozyten, Zytokinproduktion, Schmerzübertragung sowie der Entstehung von Fieber. Einige Eicosanoide verursachen proinflammatorische, andere antiinflammatorische Aktionen, wiederum andere können beides verursachen. Arachidonsäure (AA), eine n-6 mehrfach ungesättigte Fettsäure (PUFA), ist der Vorläufer für potente proinflammatorische Eicosanoide wie Prostaglandin E-2, Thromboxan A2 und Leukotrien B4 und ist in der Phospholipidschicht der Zellmembran gebunden. n-3 PUFA’s wie Docosahexaenoicsäure (DHA) und Eicosapentaensäure werden zu Eicosanoiden wie Prostaglandin E-3, Thromboxan A3 und Leukotrien B5 metabolisiert. DHA besitzt antiinflammatorische Eigenschaften, indem es mit AA um die Aufnahme/Verbindung in die Zellmembran konkurriert, dabei werden die AA Spiegel herunterreguliert. Veränderungen beim Stoffwechsel der Fettsäuren und Eisosanoide wurden bei CF-Patienten von verschiedenen Gruppen beschrieben. Zusätzlich zu dem erhöhten Spiegel proinflammatorischer Leukotriene in Atemwegen, Urin und Serum, wurden erniedrigte Spiegel von DHA im Plasma und übermäßige Freisetzung von AA aus der Zellmembran für CF beschrieben. Desweiteren wurden erhöhte Mengen membrangebundener AA und erniedrigte Mengen membrangebundener DHA in den von CF betroffenen Organen beschrieben. Veränderungen des Fettsäure-Haushalts sind von besonderem Interesse, weil sie die bei CF vorliegender Fehlregulation inflammatorischer Prozesse erklären könnten. Sie sind auch natürliche Liganden von Peroxisom Proliferator-Aktivierten Rezeptoren und darüber hinaus an der Regulation von Entzündungsprozessen beteiligt. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind drei unterschiedliche PPAR-Isoformen identifiziert, PPAR alpha, bera und gamma. Sie sind Transkriptionsfaktoren, die zu der Superfamilie der nukleäreren Rezeptoren gehören, und werden durch endogene Liganden wie Fettsäuren und Eicosanoide aktiviert. Es wurde gezeigt, dass PPARalpha und –gamma antiinflammatorische Aktivität besitzen, die auf Monozyten, Makrophagen, Lymphozyten, glatte Muskelzellen und Endothellzellen wirkt. Ein Modell dazu ist eine durch PPARalpha und -gamma vermittelte Hemmung der proinflammatorischen Eigenschaften des nuklearen Faktor-kappaB (NF-kappaB) und des aktivierenden Proteins-1 (AP-1). Beides sind Transkriptionsfaktoren, die eine Schlüsselrolle bei der inflammatorischen Antwort spielen, indem sie die Expression von Zytokinen, Chemokinen, Zelladhäsionsmolekülen und Wachstumsfaktoren veranlassen. Die PPARs werden unter anderem in peripheren Blutzellen exprimiert. Da die Spiegel einiger endogener Aktivatoren der PPARs bei CF verändert zu sein scheinen, sollte in der vorliegenden Arbeit ein Einfluss auf Expression und Funktion der PPARs untersucht werden. In der vorliegenden Arbeit wurden Patienten mit CF untersucht, die sich in einem stabilen Zustand befanden und im Rahmen von Routineuntersuchungen in die Klinik kamen. Da die CF-Patienten in unserer Klinik nicht bronchoskopiert werden, konnte kein Versuchsmaterial aus den Atemwegen gewonnen werden. Dennoch gehen wir aufgrund der erhöhten Entzündungsmarker im Blut der CF-Patienten davon aus, dass die Entzündungsreaktionen nicht auf den Respirationstrakt beschränkt sind. Auch in unserer Studie zeigten sich erhöhte IL-8 Spiegel im Plasma von Patienten mit CF. Dies unterstützt die Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen und weist auf systemische proinflammatorische Vorgänge hin. Das Blut wurde über Venenpunktion erhalten. Monozyten, Lymphozyten und neutrophile Granulozyten wurden isoliert und untersucht, da sie aufgrund der Freisetzung von Zytokinen, Chemokinen und durch die Produktion von Antikörpern, wichtige Mediatoren in der Immunantwort sind. Die PPAR mRNA Expression wurde in Monozyten und Lymphozyten mittels RT-kompetitiver Multiplex PCR gemessen und mittels RT-Real-time PCR in neutrophilen Granulozyten. Die PPARgamma Spiegel in diesen Zellen lagen unterhalb der Nachweisgrenze. Die statistische Analyse zeigte dass in Lymphozyten von CF-Patienten gegenüber Gesunden PPARalpha mRNA, aber nicht PPARbeta mRNA, signifikant erniedrigt exprimiert wird (-37%). Die gleiche Differenz konnte auf Proteinebene mit Hilfe von Western Blots detektiert werden. Hinsichtlich der Expression von PPARalpha und PPARbeta zeigten sich in Monozyten und Neutrophilen zwischen CF-Patienten und Gesunden keine signifikanten Unterschiede. Unseren Daten werden von verschiedenen Studien unterstützt. Zum ersten gibt es Hinweise, dass PPARalpha mRNA- und Protein-Expression von ihren eigenen Liganden direkt reguliert werden. Bei Patienten mit CF zeigen sich für die natürlichen Liganden, Eicosanoide und Fettsäuren, veränderte Spiegel, wass zu einer verringerte Expression von PPARalpha beitragen könnte. Zum zweiten, da bekannt ist, dass die PPARalpha-Expression in proinflammatorisch aktivierten T-Lymphozyten herunterreguliert ist, wurde zusätzlich überprüft, ob die Lymphozyten von CF-Patienten aktiviert sind. Interleukin-2 Rezeptor im Serum (sIL-2 R) ist ein allgemein anerkannter Marker der Aktivierung von Lymphozyten. Tatsächlich zeigte sich, dass die Konzentration von sIL-2 R im Serum der vorliegenden CF Patienten erhöht ist, was mit den Erkenntnissen anderer Arbeitsgruppen übereinstimmt 128-130. Die verstärkte Aktivierung von Lymphozyten in CF-Patienten könnte eine Erklärung für die erniedrigten PPARalpha-Spiegel bieten. Der verantwortliche Mechanismus dafür ist bis jetzt noch nicht bekannt. Drittens wurde für die proinflammatorischen Zytokine IL-6, TNF-alpha und IL-1 gezeigt, dass sie eine Reduktion der PPARalpha Expression verursachen können. CF-Patienten zeigen erhöhte Spiegel von IL-2, TNF-alpha, IL-6 und IL-8 im Sputum und Serum. Konsequenterweise kann die PPARalpha Expression durch die erhöhten Zytokinspiegel im Serum herunter reguliert werden. Eine weitere Unterstützung der vorliegenden Ergebnisse ergibt sich aus einem Kongressbeitrag von Andersson et al., die über eine epitheliale CF-Zelllinie berichten, die weniger PPARalpha-Protein exprimiert als eine normale epitheliale Zelllinie. Dieselbe Forschungsgruppe fand erniedrigte PPARgamma-Spiegel im CF-Maus-Modell in Geweben, die speziell durch CFTR reguliert werden und ihre Daten weisen darauf hin, dass CFTR eine Rolle bei der PPAR Expression spielen kann. Ein funktionales CFTR-Protein wird auch in Lymphozyten von Gesunden exprimiert. Folglich könnte ein defektes CFTR auch in CF-Lymphozyten für die veränderterte PPARalpha-Expression verantwortlich sein. Ob die beschriebene Veränderung der Menge an PPARalpha mRNA und Protein auch auf funktioneller Ebene zum Tragen kommt, wurde durch immunhistometrische Untersuchungen und die Bestimmung der DNA-Bindungsaktivität des Transkriptionsfaktors überprüft. Die immunhistometrischen Untersuchungen zeigten, dass PPARalpha sowohl bei Gesunden als auch bei CF-Patienten hauptsächlich im Cytosol lokalisiert ist und dass sich nur ein kleiner Teil im Nukleus befindet. Eine Quantifizierung war hierbei nicht möglich. Über eine ähnliche zelluläre Verteilung wurde in humanen Makrophagen wie auch in Mäuselymphozyten berichtet. Die DNA-Bindungstudien zeigten, dass die PPARalpha DNA-Bindungsaktivität in Lymphozyten von CF-Patienten gegenüber Kontrollpersonen um 36% signifikant erniedrigt war. Eine erniedrigte DNA-Bindungsaktivität bei CFTR knock-out Mäuse wurde auch für PPARgamma berichtet. Die Bindungsaktivität konnte wiederhergestellt werden, nachdem die Mäuse mit Troglitazon, einem PPARgamma Agonist, behandelt wurden. Darüber hinaus werden mit hoher Wahrscheinlichkeit auch die Veränderungen des Eicosanoidhaushalts bei CF zu der Verminderung sowohl der Expression als auch der Aktivität von PPARalpha beitragen. Hier ist besonders die bei CF verminderter Menge des PPARalpha–Liganden DHA hervorzuheben. Eine ligandeninduzierte Aktivierung von PPARalpha führt zu einer Abnahme verschiedener proinflammatorische Zytokine in Lymphozyten. Dies geschieht vermutlich über eine Antagonisierung der Aktivität von NF-kappaB. PPARalpha hat einen signifikanten Einfluss auf die Immunantwort. Somit könnte die bei CF-Patienten verminderte PPARalpha-Expression und -Funktion ursächlich oder mitverantwortlich für die inflammatorischen Vorgänge bei CF sein. Die vorliegenden Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Regulierung der Aktivität von PPARalpha durch die Zugabe von DHA oder andere Liganden eine sinnvolle Therapieoption sein kann. Es sollte in weiterführenden Versuchen geklärt werden, ob eine Therapie mit PPARalpha-Aktivatoren einen Einfluss auf die inflammatorischen Vorgänge bei CF haben kann. Im zweiten Teil der Arbeit wurde untersucht ob CF einen Defekt in der Expression von 15-Lipoxygenase-1 (15-LO-1) verursacht. 15-LO-1 ist ein Schlüsselenzym für die Synthese einiger Eicosanoide wie z.B. 15(S)-HETE und Lipoxin A4. Beide Eicosanoide spielen eine wichtige Rolle in inflammatorischen Vorgängen in der menschlichen Lunge. 15(S)-HETE ist ein von der Arachidonsäure abgeleitetes Eicosanoid, das sich in hoher Konzentration in eosinophilen Granulozyten und Atemwegsepithelien findet. 15(S)-HETE wirkt in den Atemwegen stark mukosekretolytisch und bronchokonstriktorisch. Zum anderen inhibiert 15(S)-HETE die durch die 5-Lipoxygenase katalysierte Konversion von Arachidonsäure zu proinflammatorischen Mediatoren wie LTB4 in neutrophilen Granulozyten. Dies führt zu einer Reduktion der neutrophilen Chemotaxis. Es liegen bisher keine Daten zu 15-HETE-Spiegel in der CF-Lunge vor. Lipoxin A4 verursacht ebenfalls eine Reduktion der Chemotaxis von neutrophilen Granulozyten, supprimiert darüber hinaus aber schon deren Aktivierung. Neben einer direkten Wirkung auf die neutrophilen Granulozyten, sind dabei auch indirekte Effekte beteiligt, wie zum Beispiel die Reduktion der broncho-epithelialen Ausschüttung von IL-8, als einem potenten Chemoattraktor und Aktivator neutrophiler Granulozyten. Tatsächlich ist die Konzentration des anti-inflammatorisch wirksamen LXA4 in der Atemwegsflüssigkeit von CF-Patienten reduziert. Die Expression von15-LO-1 in peripheren Blutzellen ist im Wesentlichen auf die eosinophilen Granulozyten beschränkt. Deren Funktion ist bei der zystischen Fibrose ebenfalls verändert: in CF Serum und Sputum misst man erhöhte Spiegel an eosinophilen granulären Proteinen, obwohl die Anzahl der Eosinophilen normal ist. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit untersucht, ob im Rahmen der zystischen Fibrose Veränderungen der Expression der 15-LO vorliegen. Durchflusszytometrische Untersuchungen zeigten nach der statistischen Auswertung, dass die intrazelluläre Expression der 15-LO-1 in eosinophilen Granulozyten von CF-Patienten und gesunden Kontrollpersonen keine Unterschiede aufweist. Dies schliesst nicht aus, dass Unterschiede der 15-LO-1 Expression zwischen CF-Patienten und gesunden Kontrollpersonen im Atemwegsepithel zu finden wären, weil, eine erhöhte Expression der 15-LO-1 bei chronischer Bronchitis und Asthma bronchiale wurde beschrieben. Patientenmaterial für das Atemwegsepithel war jedoch nicht zugänglich und wurde von daher nicht untersucht.Funktion ist bei der zystischen Fibrose ebenfalls verändert: in CF Serum und Sputum misst man erhöhte Spiegel an eosinophilen granulären Proteinen, obwohl die Anzahl der Eosinophilen normal ist. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit untersucht, ob im Rahmen der zystischen Fibrose Veränderungen der Expression der 15-LO vorliegen. Durchflusszytometrische Untersuchungen zeigten nach der statistischen Auswertung, dass die intrazelluläre Expression der 15-LO-1 in eosinophilen Granulozyten von CF-Patienten und gesunden Kontrollpersonen keine Unterschiede aufweist. Dies schliesst nicht aus, dass Unterschiede der 15-LO-1 Expression zwischen CF-Patienten und gesunden Kontrollpersonen im Atemwegsepithel zu finden wären, weil, eine erhöhte Expression der 15-LO-1 bei chronischer Bronchitis und Asthma bronchiale wurde beschrieben. Patientenmaterial für das Atemwegsepithel war jedoch nicht zugänglich und wurde von daher nicht untersucht.
Diese Dissertation befasst sich mit der massenspektrometrischen Analytik von Membranproteinen. Diese gestaltet sich aufgrund der hydrophoben Natur der Proteine und der damit verbundenen schlechten Löslichkeit in wässrigen Puffersystemen als deutlich schwieriger als die Untersuchung löslicher Proteine. Einige weitere Probleme entstehen durch die konsequente Verwendung der Referenzprotease Trypsin zur Hydrolyse der Proteine. Sie spaltet ausschließlich Peptidbindungen nach basischen Aminosäuren, die naturgemäß in den unpolaren Helixbereichen der Membranproteine nur vereinzelt anzutreffen sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurden auf weniger spezifischen Proteasen basierende Protokolle zur Analyse von ganzen Membranproteomen entwickelt, welche einige der ursprünglichen Probleme umgehen oder zumindest vermindern. Die Proteolysereaktion fand in Anwesenheit von Methanol statt, welcher die Membranstruktur destabilisiert und so die Zugänglichkeit der in die Membran eingebetteten Proteinteile für das Enzym erhöht. Zusätzlich erhöhte sich dadurch die Löslichkeit gebildeter hydrophober Peptide im Puffer. Das neue Protokoll wurde an Bacteriorhodopsin, einem geläufigen Modellsystem für α helikale Membranproteine, erfolgreich etabliert. Bei Verwendung der Proteasen Elastase und Pepsin konnten nach nLC-Trennung und MALDI-MS/MS deutlich mehr Peptide des Membranproteins signifikant identifiziert werden, als es mit Trypsin möglich gewesen ist. Auch qualitativ ergaben sich Unterschiede zwischen beiden Enzymen. Mit den alternativen Enzymen ließen sich nicht nur die hydrophilen peripheren Proteinabschnitte nachweisen, sondern auch zahlreiche Peptide aus den hydrophoben Transmembranbereichen. Das am Modellprotein etablierte Elastase-Protokoll konnte problemlos auf die Analyse des komplexeren Membranproteoms von Corynebacterium glutamicum transferiert werden. So konnten ca. 150 verschiedene Proteine identifiziert werden, darunter auch zahlreiche Membranproteine. Die erzeugten Peptidmischungen wurden nicht nur mittels nLC-MALDI-TOF/TOF sondern auch mit einer nLC-ESI-Orbitrap-Plattform analysiert. Anhand einer detaillierten Analyse der physikochemischen Eigenschaften der entstandenen Peptide konnte gezeigt werden, dass der dabei beobachtete Vorteil des ESI-Instrumentes zu großen Teilen auf die bessere Detektion aliphatischer Neutralpeptide zurückzuführen war. Diese werden bei der MALDI vornehmlich aufgrund der schlechteren Ionisation bei Verwendung der Standardmatrix α-Cyano-4-Hydroxyzimtsäure diskriminiert. Ein weiterer Vorteil des verwendeten ESI-Gerätes ist seine bessere Massengenauigkeit durch den hochauflösenden Orbitrap-Massenanlysator. Wurden die MALDI-TOF/TOF-Fragmentierungsdaten durch, auf einem zweiten Instrument gemessene, genaue MALDI-Orbitrap-Vorläufermassen supplementiert, konnten über 30% mehr Peptide signifikant identifiziert werden. Die gesammelten Daten konnten zur Erhebung einiger Statistiken über Elastase und Pepsin herangezogen werden. Erstmals wurde eine umfassende Untersuchung der Spaltspezifität von Elastase vorgenommen. Das Enzym hydrolysiert in ca. 82% der Fälle nach den kleinen hydrophoben Aminosäuren Ala, Val, Ile, Leu, Ser und Thr. Diese Spezifität ist für proteolytische Schnitte innerhalb der hydrophoben Helixbereiche von Membranproteinen äußerst vorteilhaft. Sie reicht aus, um Peptide Mass Fingerprinting an Einzelproteinen durchzuführen, wie exemplarisch am Modellprotein Bacteriorhodopsin gezeigt wurde. Die für Pepsin erhaltene Spezifität ist hingegen zu undifferenziert für solche Experimente, weshalb hier MS/MS-basierte Strategien vorzuziehen sind. Weitergehende Verbesserungen für Datenbanksuchen mit weniger spezifischen Proteasen wurden vorgeschlagen. Hierzu wurde erstmals eine größere Fragmentierungsstatistik eines nichttryptischen Datensatzes auf einem MALDI-Instrument erstellt, deren Aussage zur Verifizierung von Suchergebnissen in die Algorithmen implementiert werden kann. Beim Einsatz weniger spezifischer Proteasen erhöht sich im Vergleich zu Trypsin die entstehende Peptidkomplexität. Zur Kompensation dessen wurde eine Fraktionierung mittels Off-gel IEF vor der nLC-MALDI-Analyse etabliert. Zwecks direkter Kompatibilität zur nLC wurde ein Off-gel IEF-Protokoll ohne die Probeninjektion störendes Glycerol entwickelt. So ließ sich die dreifache Menge an Peptiden nachweisen, als mit ausschließlich eindimensionaler nLC-Trennung. In Verbindung mit den durch Trypsin erzielbaren Resultaten lassen sich mit den weniger spezifischen Enzymen viele Membranproteine umfassender charakterisieren, da zusätzlich die hydrophoben Transmembranbereiche und somit mehr Informationen für die Analytik zugänglich sind. Der gezielte Einsatz von alternativen Enzymen verbessert die momentane Situation in der Membranproteom-Analytik deutlich und führt diese einen weiteren Schritt an die Analytik löslicher Proteine heran.
Background: The oral administration of the gum resin extracts of Indian frankincense (Boswellia serrata Roxb. ex Colebr) results in very low plasma concentrations of boswellic acids (BAs), being far below the pharmacologically active concentrations required in vitro for anti-inflammatory activity. For that reason the use of Indian frankincense in clinical practice and pharmaceutical development has substantially lagged behind. Recently the application of new formulation technologies resulted in a formulation of frankincense extract with lecithin, which revealed improved absorption and tissue penetration of BAs in a rodent study, leading for the first time to plasma concentrations of BAs in the range of their anti-inflammatory activity.
Purpose: In order to verify these encouraging results in humans, the absorption of a standardized Boswellia serrata extract (BE) and its lecithin formulation (CSP) was comparatively investigated in healthy volunteers.
Study design: According to a randomized cross-over design with two treatments, two sequences and two periods, 12 volunteers alternatively received the lecithin-formulated Boswellia extract (CSP) or the non-formulated Boswellia extract (BE) at a dosage of 2 × 250 mg capsules.
Methods: The plasma concentrations of the six major BAs (KBA, AKBA, βBA, αBA, AβBA, AαBA) were determined using LC/MS.
Results: With the exception of KBA, a significantly higher (both in terms of weight-to-weight and molar comparison) and quicker absorption of BAs from the lecithin formulation was observed, leading to Cmax in the range required for the interaction with their molecular targets.
Conclusion: These findings pave the way to further studies evaluating the clinical potential of BAs, and verify the beneficial effect of lecithin formulation to improve the absorption of poorly soluble phytochemicals.
Life-saving pig-to-human xenotransplantation is a promising technology with the potential to balance the shortage of human organs in allotransplantation. Before this approach is applied on solid vascularized organs, several barriers must be overcome. Patient safety is menaced by infectious porcine endogenous retroviruses (PERV) which are able to infect human cell lines in vitro. Successful infection with PERV is associated with diverse life-threatening consequences including gene disruption, tumorigenicity, immune suppression as well as PERV proliferation throughout the whole human body. This could cause a catastrophic xenozonoosis leading to the emergence of new forms of pathogens and pandemic diseases similar to AIDS. However, in vivo, there is hitherto no incidence of any infection with PERV in preclinical xenotransplantations performed in the past.
PERV infection of human peripheral blood mononuclear cells (huPBMC) is a critical issue discussed controversially in several studies. It is essential to address the sensitivity of huPBMC to infection by PERV since it is generally one of the first retroviral targets upon viral invasion and infection of the human body. To assess definitely if huPBMC are infected productively by PERV, target cells were challenged with the highest infectious PERV class, recombinant PERV-A/C, in different assays. Modern and standard methods to detect PERV at different stages of viral cycles were used to monitor PERV development upon contact with host cells. Indeed, PERV-A/C in supernatants of producer cell lines failed to infect mitogen-activated huPBMC. Neither retroviral reverse transcriptase (RT) nor viral RNA packaged in virus particles were observed in supernatants of cells exposed to viral supernatants. In addition, provirus was not detected in huPBMC until 56 days p. i. with PERV-A/C. Independently of the virus load applied, culture conditions of huPBMC or administration of polybrene as enhancer, PERV was unable to infect huPBMC. Results suggest that PERV in supernatants lack sufficient infectious potential to be productively generated in huPBMC.
In order to approximate xenotransplantation scenarios, different PERV producing cells including PHA-activated porcine PBMC (poPBMC) were adopted as virus source in co-cultivation studies with huPBMC. In this case, expression of viral RNA was successfully measured. However, RT activity did not increase until 28 days p. e. with PERV producer cells which indicates that viral particles devoid of infectious capacity were released from non-productively infected cells.
On the other hand, co-cultivation of both virus producer and virus recipients increases the contact pressure between PERV and target cells. Consequently, PERV was able to be detected at least as provirus in huPBMC. Although virions produced were not functional, presence of provirus in infected cells will sooner or later provoke expression of provirus. This could lead to chromosomal rearrangements as well as virus reinfection and insertional mutagenesis.
Ecotropic PERV-C displays a restricted host range to porcine cells. Given its ability to serve as template to form recombinant xenotropic PERV-A/C, PERV-C represents a potent hazard in the course of xenotransplantation. Thus, isolation and functional characterization of PERV-C in the genome of pigs in use and intended for xenotransplantation is necessary to analyze the genetics of these virions as well as to select animals lacking proviral PERV-C or to generate transgenic PERV-C negative donors.
PERV-C was isolated from the genome of a female SLAd/d haplotype pig via screening of a bacteriophage library which was constructed from the genomic DNA of poPBMC extracted from this PERV non-transmitting sow. Upon genetic complementation of provirus using a PCR fragment infectious ability of full-length PERV-C clones was investigated in cell culture. PERV-C clones were successfully reproduced in susceptible porcine cells as RT activity as well as viral RNA were detected in supernatants of infected cells 56 days p. i. Furthermore, presence of proviruses in challenged cells was confirmed by nested PCR.
PERV-C clones were also isolated from a bacteriophage library generated on genomic DNA of an Auckland island pig of the DPF colony, whose individuals display a PERV-null phenotype and are already in use for xenotransplantation, and of a Göttingen minipig, whose relatives serve as animal models to study human diseases. In contrast to PERV clones isolated from the female SLAd/d haplotype sow PERV-C clones of the Auckland island pig as well as of the Göttingen minipig were not functional and therefore unable to infect target cells. This confirms the PERV-null phenotype which renders these animals putative candidates as donors in xenotransplantation. On the other hand, presence of functional PERV-C in SLAd/d haplotype pigs exerts a negative impact on patient safety in xenotransplantation. The suitability of these animals as potent organ donors should be intensively investigated.
In conclusion, PERV of all classes pose a virological risk in xenotransplantation which should not be ignored. Since exclusion of all PERV from donor herds is impossible, generation of transgenic humanized animals lacking genomic infectious PERV represents the best strategy to guarantee patient safety in future life-saving pig-to-human xenotransplantation.
Electrospinning is an advanced method for the generation of polymer-based fibers. This fabrication technique has gained great interest in the biomedical field in recent years due to its straightforward application and significant versatility of the resulting fiber mats. The process is carried out by dissolving a (biologically or synthetically derived) polymer or a combination of several polymers in a suitable inorganic or organic solvent and transferring these solutions into a syringe with a needle tip as a spinneret. The power source is connected to the syringe tip, allowing for the application of a high voltage to the polymer solution, and a metallic collector, often a rotating drum cylinder on which the yielded polymer fibers are deposited. The usual fiber diameters range between nano- and micrometers. The yielded fiber mats have distinct characteristics, such as a large surface area, mechanical stability, and good encapsulation efficiency. Therefore, the fiber mats can be used as a topical dosage form for a multitude of diseases (e.g., conjunctivitis, keratitis), as they can be easily applied on or into the human body to release the drug for a prolonged period of time. In addition, the fibers exhibit a high degree of resemblance with the human extracellular matrix, which consists predominantly of collagen fibrils. Therefore, the obtained fiber mats can also be employed as innovative substrates for the cultivation of cells. As a result, electrospinning is suitable for a wide range of applications in the biomedical context, specifically for the targeted, topical delivery of bioactives and also as a cell culture substrate for the cultivation of cells in an enhanced in vivo relevant situation.
One objective of this work was the development and characterization of drug-loaded electrospun fibers for application to the inflamed and infected eye to complement the existing therapy of eye drops as well as systemic administration of anti-infectives. In particular, the focus of the project was the development of ocular implants to treat a herpes simplex infection affecting the human cornea. Additionally, electrospun fibers, which immediately dissolve in the tear fluid upon application and prolong the contact time of the bioactives at the eye, were developed as a topical dosage form to treat bacterial conjunctivitis. An additional objective of this work was the development of electrospun fiber mats as an innovative substrate for the cultivation of human induced pluripotent stem cells to mimic the human blood-brain barrier in vitro. The final objective of the present work was establishing an analytical concept for the comprehensive characterization of electrospun fibers to obtain a greater comparability and reproducibility of data and results from different laboratories.
Herpes simplex keratitis is a viral disease of the cornea that can potentially lead to blindness. This disease commonly occurs after corneal transplantation. As the cornea is the most transplanted tissue worldwide, the incidence of this disease varies from 4.9% to 12.6% (high- and low-income countries). The current therapy involves the application of eye drops as many as six times a day, and in severe cases, the systemic use of antiviral agents is necessary but can cause serious side effects (e.g., renal failure). To prevent the occurrence of herpes simplex keratitis after transplantation, a biodegradable electrospun nanofiber mat with a sustained release of acyclovir was established. The rational development of the fibers was facilitated by correlating the surface wettability with the release kinetics of the individual polymers, which allowed for the successful generation of fiber mats releasing the bioactive acyclovir over three weeks. The molecularly dispersed drug is present as an amorphous solid dispersion within the PLGA-based polymer matrix. Evaluating the cell viability in in vitro models proved that neither acyclovir nor the polymers or the generated fiber mats caused any cytotoxicity. The mechanical stability of the fiber mats was evaluated to ensure adequate handling of the fibers during implantation. The findings demonstrated that the fiber mats exhibit direction-independent mechanical properties, and their mechanical load-bearing capacity is greater than that of an excised human cornea. As a result, the fiber mats are suitable for surgical implantation into the anterior chamber of the eye. An in vitro model of human keratinocytes was infected with herpes simplex virus to demonstrate the antiviral efficacy of the electrospun fiber mats. Immunostaining for two specific viral proteins demonstrated the spread of infection in the model. Hereby, it was found that the placebo- and drug-loaded fibers significantly slowed the spread of infection, which was quantified by plaque assay determination. This experiment revealed that the electrospun fibers exert a synergistic antiviral effect by simultaneously releasing acyclovir, which is a virustatic agent that inhibits the replication of the virus in infected cells, and adsorbing released viral particles onto the surface of the polymer fibers. This reduces the overall burden of released viral particles, which is associated with the severity of the infection outbreak. Thus, with the aid of electrospinning, an ocular implant was successfully generated, which is biodegradable over time and significantly reduces the viral particle burden in vitro. Hence, the fibers represent a potential alternative for the prevention of herpes simplex keratitis after corneal transplantation...
In dieser Arbeit wurde das Potential des rekombinant in E. coli hergestellten und unter Hochsalzbedingungen in-vitro assemblierten, murinen VP1-Kapsoids als Antisense-Oligonukleotid-Transfersystem in humane Brustkrebszellen untersucht. Die verwendeten Antisense-Oligonukleotide sind gegen den in 25-30 % aller Brustkrebsfälle überexprimierten Wachstumsfaktorrezeptor Pl85erbB-2 gerichtet, der zu einer verschlechterten Prognose in Bezug auf die Gesamtüberlebenswahrscheinlichkeit und das Wiederauftreten des Carcinoms führt. Die Charakterisierung der VP1-Kapsoide als Oligonukleotid-Transfersystem wurde zum einen in Bezug auf den Zelltransfer des Trägers und die mit ihm transportierten Antisense-Oligonukleotide durchgeführt. Zum anderen erfolgte die Überprüfung der resultierenden Antisense-Wirkung der Oligonukleotide sowohl in einem unspezifischen Proliferations- als auch in einem Antisense-Assay, das zwischen sequenzspezifischen und sequenzunspezifischen Oligonukleotid-Wirkungen differenzieren kann. Für die VP1-Kapsoide wurde in den untersuchten humanen Brustkrebszelllinien eine identische Lokalisierung detektiert wie sie für die murinen Targetzellen beschrieben ist. Es kommt zu einer cytosolischen Anreicherung mit perinukleären. vesikulären Strukturen ohne nachweisbare nukleäre Lokalisierung. Die durch VP1-Kapsoide transportierten Oligonukleotide dissoziieren intrazellulär in einem Zeitraum von 3 h nahezu vollständig vom Transfersystem und reichem sich cytosolisch und nukleär an. Zur Testung der biologischen Aktivität der Antisense-Oligonukleotide wurden liposomaltransportierte Oligonukleotide verwendet, da die Beladungsrate der VP1-Kapsoide unter Mediumbedingungen zu gering ist. Im Proliferationsassay wird die Oligonukleotid-Wirkung anhand der resultierenden Proteinreduktion charakterisiert. Die geringe Spezifität dieses Assays wurde durch die Einführung von einer Kontrollzelllinie und Kontroll-Oligonukleotid-Modifikationen verbessert. Die im Proliferationsassay mit Antisense-Oligonukleotiden detektierten Oligonukleotid-Wirkungen beweisen noch nicht, ob eine sequenzspezifische Antisense-Wirkung vorliegt. Deshalb wurde die Sequenzspezifität der verwendeten Antisense-Sequenzen zusätzlich im Antisense-Assay bestätigt. Die etablierten Testsysteme stellen alle Optionen zur umfassenden Charakterisierung eines innovativen Transfersystems zur Verfügung. Die Transfer-Assays untersuchen den verbesserten Zelltransfer des Trägers gegenüber freien Oligonukleotiden und alternativen Trägern. Das Proliferationsassay ermöglicht ein Vorscreening auf Antisense-Wirkungen und reduziert somit die Probenanzahl für das letztendlich notwendige Antisense-Assay.
Ca2+-aktivierte Kaliumkanäle mit großer Leitfähigkeit (MaxiK oder BK Kanäle) sind als Schlüsselelemente an der Regulation der elektrischen Aktivität vieler erregbarer Zellen beteiligt. Die duale Steuerung dieser Kanäle durch die intrazelluläre Kalziumkonzentration und das Membranpotential macht MaxiK Kanäle zu effektiven Integratoren multipler zellulärer Signalprozesse. Der MaxiK Kanal der glatten Gefäßmuskulatur ist entscheidend an der Repolarisierung von glatten Muskelzellen und der Terminierung des Kalziumeinstromes während der Vasokonstriktion beteiligt. Zahlreiche Arbeiten, u.a. an b1-Knock-out Mäusen (Brenner et al., 2000b) und humanen genetischen Variationen des b1-Gens (Amberg & Santana, 2003) belegen die wichtige Rolle des MaxiK Kanals für die Kontrolle des systemischen Blutdruckes in Säugern, einschließlich des Menschen (Nelson & Bonev, 2004; Amberg et al., 2003). Aktivierung des vaskulären MaxiK Kanals könnte somit ein neues therapeutisches Prinzip zur Behandlung des Bluthochdrucks und seiner Folgeerkrankungen darstellen. Als pharmakologische Zielstruktur besonders interessant wird der vaskuläre MaxiK Kanal durch seine gewebespezifische Zusammensetzung aus a- und b1-Untereinheit und die Möglichkeit diese Kombination selektiv zu aktivieren (Tanaka et al., 1997; McManus et al., 1993). In der vorliegenden Arbeit wurde ein induzierbares Zellmodell charakterisiert, welches die MaxiKa und -b1 Untereinheiten bicistronisch unter der Kontrolle eines Tetrazyklin-sensitiven Promotors exprimierte. Die Untersuchungen ergaben, dass in diesem System funktionelle MaxiK Kanäle, die sich äquivalent zu nativen vaskulären MaxiK Kanälen verhielten, detektiert werden konnten. Im Vergleich zu anderen heterologen Expressionsmodellen zeichneten sich die induzierbaren Zelllinien durch eine große Stabilität und Reproduzierbarkeit der MaxiK Expression aus. Beide Eigenschaften sind wichtige Voraussetzungen für den Einsatz dieser Zelllinien im Hochdurchsatz-Screening zur Identifizierung neuer MaxiK Aktivatoren. Die Nutzbarkeit dieses Testsystems zur Identifizierung von solchen Verbindungen wurde weiterhin durch die Untersuchung bekannter und neuer aktivierender Substanzen bestätigt. Dabei zeigte sich, dass insbesondere das Benzimidazolon CGS7181 sowie das Dehydroabietinderivat Pimarinsäure den Kanal potent aktivierten. Durch fluorimetrische Kalziummessungen konnte nachgewiesen werden, dass CGS7181 neben MaxiK-aktivierenden Eigenschaften auch einen potenten Ionophor für Ca2+ darstellt und damit wahrscheinlich keinen vielversprechenden Ausgangspunkt für die Entwicklung eines neuen Antihypertensivums darstellt. Unter Benutzung der CHO-Trex-MaxiK-a+b1-Zelllinie wurden inzwischen in der Screening- Abteilung von Sanofi-Aventis im Hochdurchsatzverfahren über 700 Strukturen mit aktivierender Wirkung auf den MaxiK Kanal identifiziert. Mit diesem Ergebnis ist eine solide Grundlage geschaffen, um im weiteren Verlauf des Projektes die Suche nach neuen blutdrucksenkenden Molekülen erfolgreich voranzutreiben. Zur weiteren molekularen Validierung der Zielstruktur MaxiK wurde eine bisher nicht beschriebene Spleißvariante, aDS8, die auch in kardiovaskulären Geweben exprimiert ist, untersucht. Die transiente Expression in HEK293-Zellen führte zu signifikanten, aber im Vergleich zum MaxiK-a-wt geringen Kaliumströmen. Immunfluoreszenz-Experimente zeigten eine Retention des Proteins im Zellinneren, ohne dass eine Translokation in die Plasmamembran oder in distinkte Kompartimente gezeigt werden konnte. Dies galt auch für die Expression in primären Glattmuskelzellen und der Endothelzelllinie EAhy926. Eine Beteiligung der S8-Domäne an der Assemblierung der neuen Spleißvariante konnte durch den biochemischen Nachweis von aDS8-Homomultimeren ausgeschlossen werden. Überraschenderweise wurde jedoch keine Interaktion von MaxiK-aDS8 und der Wildtyp-a-Untereinheit beobachtet. Man kann daher vermuten, dass die S8-Domäne eine Rolle beim Kanaltransport spielt und möglicherweise in distinkten Zelltypen eine Wechselwirkungsfläche für bislang unbekannte Interaktionspartner bildet.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss des HIV-Protease-Inhibitors Saquinavir und seines Derivates Saquinavir-NO auf die ABC-Transporter vermittelte Chemoresistenz in Tumorzellen untersucht. Saquinavir-NO zeigte in drei verschiedenen Tumorentitäten stärkere zytotoxische Wirkung als Saquinavir. Weder die Expression der ABC-Transporter MDR1 oder BCRP1 noch der zelluläre p53-Status hatten einen Einfluss auf die Zellsensitivität. MDR1-exprimierende chemoresistente Tumorzellen wurden durch Saquinavir-NO stärker gegen ausgewählte Zytostatika resensitiviert als durch Saquinavir. An chemosensitiven MDR1-negativen Zellen wurden keine Effekte beobachtet. Des Weiteren wurde die Neuroblastomzelllinie UKF-NB-3 mit Hilfe lentiviraler Vektoren mit cDNA für MDR1 transduziert. In diesem MDR1-transduzierten Zellmodell wurde die Sensiti-vität gegen das MDR1-Substrat Vincristin durch Saquinavir-NO stärker erhöht als durch Saquinavir. Am Durchflusszytometer wurde der Einfluss von Saquinavir und Saquinavir-NO auf die intrazelluläre Akkumulation des fluoreszierenden MDR1-Substrates Rhodamin 123 untersucht. In MDR1-exprimierenden Zelllinien führte Saquinavir-NO zu einer deutlich stärkeren Akkumulation von Rhodamin 123 als Saquinavir. In MDR1-negativen Zellen wurden keine Effekte beobachtet. Mit Hilfe des MDR1-ATPase-Assays und Wash-Out-Kinetiken am Durchflusszytometer wurde die Frage geklärt, ob Saquinavir und Saquinavir-NO als Substrate oder als allosterische Inhibitoren für MDR1 fungieren. Die Ergebnisse beider Assays lassen den Schluss zu, dass sowohl Saquinavir als auch Saquinavir-NO jeweils ein Substrat für MDR1 darstellen. Um den Einfluss von Saquinavir und Saquinavir-NO auf den ABC-Transporter BCRP1 zu untersuchen, wurde die Neuroblastomzelllinie UKF-NB-3 mit Hilfe lentiviraler Vektoren mit cDNA für BCRP1 transduziert. Die BCRP1-transduzierten Zellen wurden durch Saquinavir und Saquinavir-NO in vergleichbarem Ausmaß zu dem BCRP1-Substrat Mitoxantron sensibilisiert. Saquinavir-NO ist somit im Vergleich zu Saquinavir der deutlich potentere MDR1-Inhibitor, während beide Substanzen gleichermaßen BCRP1 beeinflussten. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss des MDM2-Inhibitors Nutlin-3 auf die ABC-Transporter-vermittelte Chemoresistenz in Tumorzellen untersucht. Nutlin-3 zeigte aufgrund seiner Funktion als MDM2-Inhibitor an Zellen mit Wildtyp-p53 stark zytotoxische Effekte. An Zellen mit einer p53-Mutation oder an Zellen, die p53-negativ sind, waren diese Effekte nicht zu beobachten. Die Behandlung mit Nutlin-3 führte in p53-Wildtypzellen zur Induktion diverser p53-Zielgene (p21, MDM2, GADD). In Zellen mit mutiertem p53 blieb diese Induktion nach Nutlin-3-Behandlung aus. Chemoresistente MDR1-exprimierende Tumorzellen wurden durch Nutlin-3 stark gegen ausgesuchte Zytostatika resensitiviert. Des Weiteren wurde die chemosensitive, p53-mutierte (Nutlin-3-insensitive) und MDR1-negative Rhabdomyosarkomzelllinie RH30 mit Hilfe lentiviraler Vektoren mit cDNA für MDR1 transduziert. In diesem MDR1-transduzierten Zellmodell wurde die Sensitivität gegen das MDR1-Substrat Vincristin durch Nutlin-3 stark erhöht. Am Durchflusszytomter zeigte sich in MDR1-exprimierenden Zellen durch Behandlung mit Nutlin-3 eine signifikant erhöhte intrazelluläre Akkumulation des fluoreszierenden MDR1-Substrates Rhodamin 123. In MDR1-negativen Zellen wurde dieser Effekt nicht beobachtet. Mit Hilfe des ATPase-Assays und Wash-Out-Kinetiken am Durchflusszytometer wurde die Frage geklärt, ob Nutlin-3 als Substrat oder als allosterischer Inhibitor für MDR1 fungiert. Die Ergebnisse beider Assays lassen den Schluss zu, dass Nutlin-3 ein Substrat für MDR1 darstellt. Nutlin-3 ist ein Racemat und wurde in allen Versuchen als solches verwendet. Das Enantiomer Nutlin-3a hemmt die MDM2-p53-Interaktion als aktives Enantiomer ca. 150-fach stärker als Nutlin-3b. Im letzten Schritt der vorliegenden Arbeit wurde Nutlin-3 in seine Enantiomere Nutlin-3a und Nutlin-3b aufgetrennt und beide Enantiomere wurden im Hinblick auf ihre Wirkung auf MDR1 untersucht. Dabei wurden keine Unterschiede zwischen den beiden Enantiomeren festgestellt. Nutlin-3a und Nutlin-3b interferieren demnach zu gleichen Teilen mit MDR1. Um den Einfluss von Nutlin-3 auf den ABC-Transporter MRP1 zu untersuchen, wurde mit zwei verschiedenen Zellmodellen gearbeitet. In beiden Zellmodellen zeigte sich, dass Nutlin-3 auch den MRP1-vermittelten Efflux der fluoreszierenden Substrate Rhodamin 123 und Calcein-AM inhibiert. Der Befund, dass Nutlin-3 mit der MDR1- und MRP1 vermittelten Chemoresistenz interferiert, ist neu und eine wichtige Information für die Bewertung der beginnenden klinischen Studien zur Untersuchung von Nutlin-3 als antitumorale Substanz.
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.
Poster presentation at 5th German Conference on Cheminformatics: 23. CIC-Workshop Goslar, Germany. 8-10 November 2009 We demonstrate the theoretical and practical application of modern kernel-based machine learning methods to ligand-based virtual screening by successful prospective screening for novel agonists of the peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARgamma) [1]. PPARgamma is a nuclear receptor involved in lipid and glucose metabolism, and related to type-2 diabetes and dyslipidemia. Applied methods included a graph kernel designed for molecular similarity analysis [2], kernel principle component analysis [3], multiple kernel learning [4], and, Gaussian process regression [5]. In the machine learning approach to ligand-based virtual screening, one uses the similarity principle [6] to identify potentially active compounds based on their similarity to known reference ligands. Kernel-based machine learning [7] uses the "kernel trick", a systematic approach to the derivation of non-linear versions of linear algorithms like separating hyperplanes and regression. Prerequisites for kernel learning are similarity measures with the mathematical property of positive semidefiniteness (kernels). The iterative similarity optimal assignment graph kernel (ISOAK) [2] is defined directly on the annotated structure graph, and was designed specifically for the comparison of small molecules. In our virtual screening study, its use improved results, e.g., in principle component analysis-based visualization and Gaussian process regression. Following a thorough retrospective validation using a data set of 176 published PPARgamma agonists [8], we screened a vendor library for novel agonists. Subsequent testing of 15 compounds in a cell-based transactivation assay [9] yielded four active compounds. The most interesting hit, a natural product derivative with cyclobutane scaffold, is a full selective PPARgamma agonist (EC50 = 10 ± 0.2 microM, inactive on PPARalpha and PPARbeta/delta at 10 microM). We demonstrate how the interplay of several modern kernel-based machine learning approaches can successfully improve ligand-based virtual screening results.
Background Translocations of the Mixed Lineage Leukemia (MLL) gene occur in a subset (5%) of acute myeloid leukemias (AML), and in mixed phenotype acute leukemias in infancy - a disease with extremely poor prognosis. Animal model systems show that MLL gain of function mutations may contribute to leukemogenesis. Wild-type (wt) MLL possesses histone methyltransferase activity and functions at the level of chromatin organization by affecting the expression of specific target genes. While numerous MLL fusion proteins exert a diverse array of functions, they ultimately serve to induce transcription of specific genes. Hence, acute lymphoblastic leukemias (ALL) with MLL mutations (MLLmu) exhibit characteristic gene expression profiles including high-level expression of HOXA cluster genes. Here, we aimed to relate MLL mutational status and tumor suppressor gene (TSG) methylation/expression in acute leukemia cell lines. Results Using MS-MLPA (methylation-specific multiplex ligation-dependent probe amplification assay), methylation of 24 different TSG was analyzed in 28 MLLmu and MLLwt acute leukemia cell lines. On average, 1.8/24 TSG were methylated in MLLmu AML cells, while 6.2/24 TSG were methylated in MLLwt AML cells. Hypomethylation and expression of the TSG BEX2, IGSF4 and TIMP3 turned out to be characteristic of MLLmu AML cell lines. MLLwt AML cell lines displayed hypermethylated TSG promoters resulting in transcriptional silencing. Demethylating agents and inhibitors of histone deacetylases restored expression of BEX2, IGSF4 and TIMP3, confirming epigenetic silencing of these genes in MLLwt cells. The positive correlation between MLL translocation, TSG hypomethylation and expression suggested that MLL fusion proteins were responsible for dysregulation of TSG expression in MLLmu cells. This concept was supported by our observation that Bex2 mRNA levels in MLL-ENL transgenic mouse cell lines required expression of the MLL fusion gene. Conclusion These results suggest that the conspicuous expression of the TSG BEX2, IGSF4 and TIMP3 in MLLmu AML cell lines is the consequence of altered epigenetic properties of MLL fusion proteins.
The liver as the biggest endocrine gland of the human body plays a central role in many metabolic pathways such as detoxification, storage of carbohydrates and distribution of lipids. As the liver receives blood supply from the gut by the portal vein, liver cells are often challenged with high concentrations of nutrients and components of our commensal microbiota. Therefore, the immune system of the liver induces a tolerant state, meaning no or low inflammatory reactions to those constant stimuli. Yet, as various pathogens target the liver, the hepatic immune system also needs the capability to induce strong immune responses quickly. Chronical damage to the liver, which can be caused by alcohol, pathogens or toxins, might lead to liver cirrhosis, where the amount of functional liver tissue is decreased dramatically. This pathology can worsen and lead to acute-on-chronic liver failure, whose high mortality is due to high inflammation and multi-organ failure. Interleukin-7 is a cytokine known for its pro-survival functions especially in lymphopoiesis. However, it is also very important for maintenance of mature immune cells in the liver. As mouse experiments have demonstrated an induction of Interleukin-7 in the liver as a response to bacterial lipopolysaccharide, we aimed to characterize the role of Interleukin-7 in hepatic immunoregulation in both health and disease.
The experiments were mostly based on in vitro approaches. Induction of Interleukin-7 in liver cells was analyzed using ELISA, quantitative PCR, and Immunoblotting. Knockdown of signal transduction components was performed by siRNA transfection. Primary immune cells isolated from healthy donor buffy coat were studied for their ability to respond to Interleukin-7. Activation of downstream signal transduction was assessed by Immunoblotting. Functional consequences of Interleukin-7 signaling, such as alterations in cellular metabolism, cellular survival and endotoxin tolerance, were studied in monocyte-derived macrophages. Finally, serum concentrations of Interleukin-7 and frequencies of Interleukin-7 receptor positive immune cells were quantified in patients with compensated or decompensated liver cirrhosis or acute-on-chronic liver failure.
Interleukin-7 expression could be observed in human hepatic cell lines and primary hepatic sinusoidal endothelial cells when stimulated with IFNα or IFNγ, but not IFNλ. IRF-1 was identified as a key regulator of Interleukin-7 expression, as its transcription, translation and nuclear translocation were induced and enhanced upon IFNα or IFNγ, but not IFNλ treatment. We identified LPS-primed macrophages as innate immune target cells of Interleukin-7, which responded by an inhibitory phosphorylation of GSK3. This signal transduction led to enhanced production of pro-inflammatory cytokines and abolished endotoxin tolerance. In parallel, cellular fitness was reduced as demonstrated by reduced intracellular ATP concentration and intracellular WST-1 staining. Finally, we could identify components of the in vitro signal transduction also in liver cirrhosis patients. However, Interleukin-7 serum concentrations were significantly in liver cirrhosis patients compared to healthy controls. In addition, the frequencies of Interleukin-7 receptor positive immune cell populations differed in patients and controls.
We identify Interleukin-7 as a pro-inflammatory cytokine in hepatic immunoregulation. It is part of a cascade where its induction is regulated by type I and type II Interferons and mainly restricted by the presence of IRF1. We demonstrate the importance of Interleukin-7 also for innate immune cells, where the abolishment of endotoxin tolerance may provide an interesting strategy of liver cirrhosis patients. In addition, reduced viability of macrophages in response to Interleukin-7 is a striking contrast to the well-described survival functions in lymphocytes. The decrease of serum Interleukin-7 levels and alterations of Interleukin-7 receptor positive immune cell populations suggest an important role for Interleukin-7 also in the diseased liver. Due to the identified mechanisms of action, Interleukin-7 may be an interesting candidate for immunotherapeutic approaches of liver cirrhosis and acute-on-chronic liver failure.