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G protein-coupled receptors (GPCRs) play a crucial role in modulating physiological responses and serve as the main drug target. Specifically, salmeterol and salbutamol which are used for the treatment of pulmonary diseases, exert their effects by activating the GPCR β2-adrenergic receptor (β2AR). In our study, we employed coarse-grained molecular dynamics simulations with the Martini 3 force field to investigate the dynamics of drug molecules in membranes in presence and absence of β2AR. Our simulations reveal that in more than 50% of the flip-flop events the drug molecules use the β2AR surface to permeate the membrane. The pathway along the GPCR surface is significantly more energetically favorable for the drug molecules, which was revealed by umbrella sampling simulations along spontaneous flip-flop pathways. Furthermore, we assessed the behavior of drugs with intracellular targets, such as kinase inhibitors, whose therapeutic efficacy could benefit from this observation. In summary, our results show that β2AR surface interactions can significantly enhance membrane permeation of drugs, emphasizing their potential for consideration in future drug development strategies.
The simultaneous inhibition of HDACs and BET proteins has shown promising anti-proliferative effects against different cancer types, including the difficult to treat pancreatic cancer. In this work, the strategy of concurrently targeting HDACs and BET proteins was pursued by developing different types of dual inhibitors.
By developing a novel scaffold that selectively inhibits HDAC1/2 together with BET proteins in cells, an effective tool for the investigation of pancreatic cancer, and other diseases which are sensitive to epigenetic processes, was created. The compound’s small size further gives the opportunity to further develop the inhibitor towards optimized pharmacokinetic properties, potentially resulting in a drug for cancer treatment.
A second novel approach that was pursued, was the development of a small-molecule degrader, targeting HDACs and BET proteins. Through synthesizing a variety of different molecules, a compound that was capable of lowering BRD4 levels and, at the same time, increasing histone acetylation was developed. While additional mechanistic investigations are needed to verify the degradation, the potent antiproliferative effects in pancreatic cancer cells encourage further studies following this alternative new strategy.
Molekulare Werkzeuge können in der Wissenschaft unter anderem dazu verwendet werden, biochemische Prozesse gezielt zu untersuchen, um sie somit besser zu verstehen. Dabei handelt es sich zum Beispiel, um kleine chemische Moleküle, die gezielt für ihr Anwendungsgebiet konzipiert worden sind. Mit Ihnen lassen sich z.B. Interaktionen zwischen (Makro-)Molekülen regulieren, chemische Gleichgewichte lokal verändern oder auch Botenstoffe zielgerichtet freisetzen. Die Effekte dieser temporären Einwirkung auf verschiedenste biologische Systeme können hilfreiche Erkenntnisse struktureller, funktioneller oder systematischer Art für die entsprechenden Forschungsgebiete liefern.
Um die interdisziplinären Problemstellungen zielgerichtet mit den entsprechend zugeschnittenen Werkzeugen zu adressieren, ist es dabei jedoch absolut notwendig, dass ein umfassendes und über die Grenzen der jeweiligen Fachgebiete hinaus gehendes Verständnis der jeweiligen Fragestellungen entwickelt wird.
Viele der bisher bekannten Werkzeuge benötigen für ihren Einsatz bis heute noch relativ harsche Reaktionsbedingungen, haben ein eingeschränktes Anwendungsfeld oder lassen sich nicht ausreichend Zeit- & Ortsaufgelöst „aktivieren“. Die Möglichkeit Licht als externes Trigger-Signal zu verwenden, um die entsprechenden molekularen Werkzeuge zu aktivieren (oder auch zu deaktivieren), überwindet genau diese Defizite und bringt neben der hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung noch viele weitere Vorteile mit sich. Im Rahmen meiner Doktorarbeit ist es mir gelungen gemeinsam mit meinen Kooperationspartnern neue lichtaktivierbare molekulare Werkzeuge von Grund auf zu designen, zu synthetisieren, sie auf ihre photochemischen Eigenschaften zu untersuchen und sie anzuwenden. Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Doktoranden aus der Organischen, Theoretischen und Physikalischen Chemie, konnte ein umfassendes Bild dieser neuen Substanzklassen aufgezeigt werden. Die verschiedenen Arten lichtaktivierbarer Werkzeuge sollen im Verlauf dieser Arbeit genauer herausgearbeitet werden. Generell kann man in drei grundlegenden Klassen von lichtaktivierbaren Werkzeugen unterscheiden: 1. irreversibel photolabile Schutzgruppen, 2. photoaktivierbare Label und 3. reversibel lichtschaltbare Photoschalter.
Auf dem Gebiet der photolabilen Schutzgruppen, auch photoaktivierbare Schutzgruppen oder Photocages genannt, ist es uns gelungen eine neue Spezies von Molekülen zu identifizieren, die dazu in der Lage sind, nach photochemischer Anregung eine spezifische Bindung innerhalb ihres molekularen Gerüsts zu spalten. Möglich gemacht wurde dies, indem wir den sog. „uncaging Prozess ganz neu gedacht“ haben und mit der Unterstützung von Theorie und Spektroskopie unsere Ergebnisse in einer Struktur-Aktivitäts-Beziehungs-Studie (SAR) festhalten konnten. Aus einer Substanzbibliothek von diversen theoretisch berechneten Kandidaten, wurden die vielversprechendsten Verbindungen anschließend synthetisiert und photochemisch charakterisiert. Nach initialen Untersuchungen und den daraus hervorgehenden Erkenntnissen, wurden weitere molekulare Struktur auf die Optimierungen der photochemischen Eigenschaften hin theoretisch berechnet und anschließend im Labor realisiert. Daraus resultierend entwickelten wir einen Photocage, der mit einer hohen Quantenausbeute mit Licht von über 450 nm photolysierbar ist und ebenfalls dazu in der Lage ist Neurotransmitter wie z.B. Glutamat zielgerichtet und lichtaktiviert freizusetzen. Eine weitere Struktur-Aktivitäts-Beziehungs-Studie wurde im Rahmen dieser Arbeit mit dem Isatin-Gerüst als potentiell neue photolabile Schutzgruppe durchgeführt.
Ebenfalls konnten in einer dritten Studie auf dem Gebiet der photolabilen Schutzgruppen Untersuchungen am Coumarin-Grundgerüst zeigen, dass eine systematische Einschränkung der Relaxationspfade im Molekül eine Verbesserung der photochemischen Eigenschaften mit sich bringen kann.
Photoaktivierbare Label werden in den verschiedensten Bereichen der Wissenschaft angewendet. Meist erlauben jedoch die chemischen Moleküle nur eine begrenzte „Beobachtungszeit“ der biochemischen Prozesse aufgrund der effizienten und damit schnellen Relaxationspfade zurück in den Grundzustand. Zu Beginn der durchgeführten Untersuchungen, bestand unsere Idee darin, die selektive Prä-IR-Anregung mit Hilfe eines UV/vis-Pulses (entsprechend der VIPER-Spektrokopie) in ein langlebiges Triplett-Signal eines geeigneten Chromophors zu überführen, welches anschließend für die Beobachtung vergleichsweise lang-lebiger biochemischer Prozesse verwendet werden könnte. Aus dieser Idee heraus entwickelten wir einen Chromophor, der neben einer Absorption im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, zusätzlich eine IR-adressierbare funktionelle Gruppe, sowie die Eigenschaft, ein effizientes Inter-System-Crossing (ISC) nach photochemischer Anregung durchzuführen, besaß. Zu unserem Erstaunen zeigte dieses Derivat jedoch nach erfolgreicher Synthese nicht das erwartete Verhalten. Ein weiteres Beispiel für die hochgradige Komplexität der Photochemie.
Mit Hilfe von theoretischen und spektroskopischen Methoden konnten dennoch viele hilfreiche Erkenntnisse aus dieser Studie für zukünftige Untersuchungen aufgedeckt werden.
Ebenso war es während meiner Promotion eines der Ziele, den Schaltprozess des sog. Fulgid-Photoschalters genauer zu untersuchen und somit besser zu verstehen. Hierbei handelt es sich um ein ausgesprochen beständiges, photochemisch reversibel schaltbares Molekül, auch wenn dies vielleicht auf den ersten Blick ein Widerspruch in sich zu sein scheint. Es gelang uns diesen Photoschalter, genauer gesagt seine Photo-Isomere, auf dem Gebiet der chemischen Aktinometrie zu etablieren.
Dafür waren zahlreiche Messungen diverser Reaktivitäten (photochemische Reaktions-Quantenausbeuten) in verschiedenste Wellenlängenbereiche vom Nah-UV-Bereich bis hin zur 700 nm Grenze erforderlich. Außerdem wurden alle Werte mit der Referenzmessung einer Photodiode bzw. je nach Wellenlängenbereich auch mit der klassischen Ferri-Oxalat-Aktinometrie verglichen. Im Anschluss daran fokussierte ich mich weiter auf die einzelnen Photo-Isomere und ihre einzigartige chemische Struktur. Mit Hilfe der chiralen HPLC gelang es uns die einzelnen Photo-Isomere voneinander zu isolieren und diese mit verschiedensten photochemischen und theoretischen Methoden „genauer unter die Lupe“ zu nehmen. Die aus dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse bereiten den Weg für diverse, zukünftige spektroskopische Anwendungen dieses Photoschalters.
The enzyme acetyl-CoA carboxylase (ACC) plays a crucial role in fatty acid metabolism. In recent years, ACC has been recognized as a promising drug target for treating different diseases. However, the role of ACC in vascular endothelial cells (ECs) has been neglected so far. To characterize the role of ACC, we used the ACC inhibitor, soraphen A, as a chemical tool, and also a gene silencing approach. We found that ACC1 was the predominant isoform in human umbilical vein ECs as well as in human microvascular ECs and that soraphen A reduced the levels of malonyl-CoA. We revealed that ACC inhibition shifted the lipid composition of EC membranes. Accordingly, membrane fluidity, filopodia formation, and migratory capacity were reduced. The antimigratory action of soraphen A depended on an increase in the cellular proportion of PUFAs and, most importantly, on a decreased level of phosphatidylglycerol. Our study provides a causal link between ACC, membrane lipid composition, and cell migration in ECs. Soraphen A represents a useful chemical tool to investigate the role of fatty acid metabolism in ECs and ACC inhibition offers a new and valuable therapeutic perspective for the treatment of EC migration-related diseases.
5-Lipoxygenase (5-LO) catalysis is positively regulated by Ca2+ ions and phospholipids that both act via the N-terminal C2-like domain of 5-LO. Previously, we have shown that 1-oleoyl-2-acetylglycerol (OAG) functions as an agonist for human polymorphonuclear leukocytes (PMNL) in stimulating 5-LO product formation. Here we have demonstrated that OAG directly stimulates 5-LO catalysis in vitro. In the absence of Ca2+ (chelated using EDTA), OAG strongly and concentration-dependently stimulated crude 5-LO in 100,000 x g supernatants as well as purified 5-LO enzyme from PMNL. Also, the monoglyceride 1-O-oleyl-rac-glycerol and 1,2-dioctanoyl-sn-glycerol were effective, whereas various phospholipids did not stimulate 5-LO. However, in the presence of Ca2+, OAG caused no stimulation of 5-LO. Also, phospholipids or cellular membranes abolished the effects of OAG. As found previously for Ca2+, OAG renders 5-LO activity resistant against inhibition by glutathione peroxidase activity, and this effect of OAG is reversed by phospholipids. Intriguingly, a 5-LO mutant lacking tryptophan residues (Trp-13, -75, and -102) important for the binding of the 5-LO C2-like domain to phospholipids was not stimulated by OAG. We conclude that OAG directly stimulates 5-LO by acting at a phospholipid binding site located within the C2-like domain.
Recently, we reported that in crude enzyme preparations, a monocyte-derived soluble protein (M-DSP) renders 5-lipoxygenase (5-LO) activity Ca2+-dependent. Here we provide evidence that this M-DSP is glutathione peroxidase (GPx)-1. Thus, the inhibitory effect of the M-DSP on 5-LO could be overcome by the GPx-1 inhibitor mercaptosuccinate and by the broad spectrum GPx inhibitor iodoacetate, as well as by addition of 13(S)-hydroperoxy-9Z,11E-octadecadienoic acid (13(S)-HPODE). Also, the chromatographic characteristics and the estimated molecular mass (80-100 kDa) of the M-DSP fit to GPx-1 (87 kDa), and GPx-1, isolated from bovine erythrocytes, mimicked the effects of the M-DSP. Intriguingly, only a trace amount of thiol (10 micro M GSH) was required for reduction of 5-LO activity by GPx-1 or the M-DSP. Moreover, the requirement of Ca2+ allowing 5-LO product synthesis in various leukocytes correlated with the respective GPx-1 activities. Mutation of the Ca2+ binding sites within the C2-like domain of 5-LO resulted in strong reduction of 5-LO activity by M-DSP and GPx-1, also in the presence of Ca2+. In summary, our data suggest that interaction of Ca2+ at the C2-like domain of 5-LO protects the enzyme against the effect of GPx-1. Apparently, in the presence of Ca2+, a low lipid hydroperoxide level is sufficient for 5-LO activation.
5-lipoxygenase (5-LO), the key enzyme in leukotriene biosynthesis, is expressed in a tissue- and cell differentiation-specific manner. The 5-LO core promoter required for basal promoter activity has a unique (G+C)-rich sequence that contains five tandem Sp1 consensus sequences. The mechanisms involved in the regulation of cell type-specific 5-LO expression are unknown. Here we show that 5-LO expression is regulated by DNA methylation. Treatment of the 5-LO-negative cell lines U937 and HL-60TB with the demethylating agent 5-aza-2'-deoxycytidine (AdC) up-regulated expression of 5-LO primary transcripts and mature mRNA in a similar fashion, indicating that AdC stimulates 5-LO gene transcription. Analysis of the methylation status of the 5-LO promoter revealed that the core promoter region was methylated in U937 and HL-60TB cells, whereas it was unmethylated in the 5-LO-positive parent HL-60 cell line. Reporter gene assays with 5-LO promoter constructs gave up to 68- and 655-fold repression of 5-LO promoter activity in HeLa and Mono Mac 6 cells by methylation. 1,25-dihydroxyvitamin D(3) and transforming growth factor-beta (TGFbeta), potent inducers of the 5-LO pathway in myeloid cell lines, increased 5-LO RNA expression in HL-60TB and U937 cells, but co-treatment with AdC was required to achieve 5-LO expression levels in HL-60TB cells that were comparable with wild-type HL-60 cells. In reporter gene assays, 1,25-dihydroxyvitamin D(3) and TGFbeta were unable to induce promoter activity when the 5-LO promoter constructs were methylated, which suggests that 5-LO promoter demethylation is a prerequisite for the high level induction of 5-LO gene expression by 1,25-dihydroxyvitamin D(3) and TGFbeta and that the effects of both agents on 5-LO mRNA expression are not related to DNA methylation.
Nukleinsäuren und Proteine bilden zusammen mit den Kohlenhydraten und Lipiden die vier großen Gruppen der Biomoleküle. Dabei setzen sich Nukleinsäuren aus einer variierenden Abfolge von Nukleotiden zusammen. Gleiches trifft auf die Proteine zu, wobei deren Bausteine als Aminosäuren bezeichnet werden. Die Reihenfolge der Bausteine bestimmt zusammen mit der Interaktion, die die einzelnen Bestandteile untereinander eingehen, deren Funktion. Um deren Wirkungsweise verstehen und nachverfolgen zu können, wurden unterschiedliche Methoden entwickelt, zu welchen auch die EPR-Spektroskopie gehört.
Durch den Einbau modifizierter Nukleotide oder Aminosäuren lassen sich Spinlabel in die sonst EPR-inaktiven Nukleinsäuren und Proteine einführen. Diese Marker lassen sich grundsätzlich in drei Klassen unterteilen (Metallionen, Nitroxidradikale und TAMs), weisen aber immer mindestens ein ungepaartes Elektronenpaar auf. Die Festphasensynthese ist eine Standardprozedur zur Herstellung von markierten Nukleinsäuren und Proteinen. Allerdings führen die Bedingungen dieser Methode zumindest teilweise zur Zersetzung der Nitroxidradikale, die dieser Arbeit zugrunde liegen, wenn sie direkt während der Synthese eingebaut werden. Der direkte Einbau ist aber in vielen Fällen essenziell, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen.
Um den Abbau des Nitroxidradikals während der Festphasensynthese zu verhindern, kann dieses vorübergehend mit einer Schutzgruppe versehen werden, welche sich anschließend wieder abspalten lässt.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt hierbei auf der Darstellung neuer photolabil geschützter Spinlabel zur Synthese markierter Proteine und Nukleinsäuren.
Basierend auf den Nukleotiden Uridin und Cytidin konnten zwei für die RNA-Synthese vorgesehene Phosphoramidite synthetisiert werden, welche jeweils an der 5-Position des Pyrimidinrings mit einem photolabil geschützten Spinlabel auf Basis von TPA versehen waren. Durch Einbau des Uridinderivats in das Neomycin-Aptamer konnte zudem der Einfluss der Spinlabel auf die lokale Struktur mit Hilfe von in-line probing gezeigt werden.
Der gleiche TPA-Label konnte ebenfalls mit einem Lysin gekuppelt werden, welches später über ein orthogonales tRNA/Aminoacyl-tRNA Synthetase Paares in eine Polypeptid eingebaut werden sollte. In Kooperation mit dem AK Grininger ist auch ein nicht geschützter Spinlabel zur kupferfreien Markierung der Fettsäuresynthase entstanden. Abschließend war noch die Synthese eines auf Phenylalanin basierenden photolabil geschützten Spinlabel in Arbeit, welcher jedoch nicht beendet werden konnte. Dieser sollte mittels Festphasensynthese einbaubar sein, weswegen er am N-Terminus mit Fmoc geschützt ist.