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ATP-binding cassette (ABC) transporters, a superfamily of integral membrane proteins, catalyse the translocation of substrates across the cellular membrane by ATP hydrolysis. Here we demonstrate by nucleotide turnover and binding studies based on 31P solid-state NMR spectroscopy that the ABC exporter and lipid A flippase MsbA can couple ATP hydrolysis to an adenylate kinase activity, where ADP is converted into AMP and ATP. Single-point mutations reveal that both ATPase and adenylate kinase mechanisms are associated with the same conserved motifs of the nucleotide-binding domain. Based on these results, we propose a model for the coupled ATPase-adenylate kinase mechanism, involving the canonical and an additional nucleotide-binding site. We extend these findings to other prokaryotic ABC exporters, namely LmrA and TmrAB, suggesting that the coupled activities are a general feature of ABC exporters.
The neuronal transcriptome changes dynamically to adapt to stimuli from the extracellular and intracellular environment. In this study, we adapted for the first time a click chemistry technique to label the newly synthesized RNA in cultured hippocampal neurons and intact larval zebrafish brain. Ethynyl uridine (EU) was incorporated into neuronal RNA in a time- and concentration-dependent manner. Newly synthesized RNA granules observed throughout the dendrites were colocalized with mRNA and rRNA markers. In zebrafish larvae, the application of EU to the swim water resulted in uptake and labeling throughout the brain. Using a GABA receptor antagonist, PTZ (pentylenetetrazol), to elevate neuronal activity, we demonstrate that newly transcribed RNA signal increased in specific regions involved in neurogenesis.
Orientation-selective DEER (Double Electron-Electron Resonance) measurements were conducted on a series of rigid and flexible molecules containing Cu(II) ions. A system with two rigidly held Cu(II) ions was afforded by the protein homo-dimer of copper amine oxidase from Arthrobacter globiformis. This system provided experimental DEER data between two Cu(II) ions with a well-defined distance and relative orientation to assess the accuracy of the methodology. Evaluation of orientation-selective DEER (os DEER) on systems with limited flexibility was probed using a series of porphyrin-based Cu(II)–nitroxide and Cu(II)–Cu(II) model systems of well-defined lengths synthesized for this project. Density functional theory was employed to generate molecular models of the conformers for each porphyrin-based Cu(II) dimer studied. Excellent agreement was found between DEER traces simulated using these computed conformers and the experimental data. The performance of different parameterised structural models in simulating the experimental DEER data was also investigated. The results of this analysis demonstrate the degree to which the DEER data define the relative orientation of the two Cu(II) ions and highlight the need to choose a parameterised model that captures the essential features of the flexibility (rotational freedom) of the system being studied.
Post-translational modification of proteins with ubiquitin-like SUMO modifiers is a tightly regulated and highly dynamic process. The SENP family of SUMO-specific isopeptidases comprises six cysteine proteases. They are instrumental in counterbalancing SUMO conjugation, but their regulation is not well understood. We demonstrate that in hypoxic cell extracts, the catalytic activity of SENP family members, in particular SENP1 and SENP3, is inhibited in a rapid and fully reversible process. Comparative mass spectrometry from normoxic and hypoxic cells defines a subset of hypoxia-induced SUMO1 targets, including SUMO ligases RanBP2 and PIAS2, glucose transporter 1, and transcriptional regulators. Among the most strongly induced targets, we identified the transcriptional co-repressor BHLHE40, which controls hypoxic gene expression programs. We provide evidence that SUMOylation of BHLHE40 is reversed by SENP1 and contributes to transcriptional repression of the metabolic master regulator gene PGC-1α. We propose a pathway that connects oxygen-controlled SENP activity to hypoxic reprogramming of metabolism.
Mammalian oocytes are arrested in the dictyate stage of meiotic prophase I for long periods of time, during which the high concentration of the p53 family member TAp63α sensitizes them to DNA damage-induced apoptosis. TAp63α is kept in an inactive and exclusively dimeric state but undergoes rapid phosphorylation-induced tetramerization and concomitant activation upon detection of DNA damage. Here we show that the TAp63α dimer is a kinetically trapped state. Activation follows a spring-loaded mechanism not requiring further translation of other cellular factors in oocytes and is associated with unfolding of the inhibitory structure that blocks the tetramerization interface. Using a combination of biophysical methods as well as cell and ovary culture experiments we explain how TAp63α is kept inactive in the absence of DNA damage but causes rapid oocyte elimination in response to a few DNA double strand breaks thereby acting as the key quality control factor in maternal reproduction.
The spliceosomal protein SF3b49, a component of the splicing factor 3b (SF3b) protein complex in the U2 small nuclear ribonucleoprotein, contains two RNA recognition motif (RRM) domains. In yeast, the first RRM domain (RRM1) of Hsh49 protein (yeast orthologue of human SF3b49) reportedly interacts with another component, Cus1 protein (orthologue of human SF3b145). Here, we solved the solution structure of the RRM1 of human SF3b49 and examined its mode of interaction with a fragment of human SF3b145 using NMR methods. Chemical shift mapping showed that the SF3b145 fragment spanning residues 598-631 interacts with SF3b49 RRM1, which adopts a canonical RRM fold with a topology of β1-α1-β2-β3-α2-β4. Furthermore, a docking model based on NOESY measurements suggests that residues 607-616 of the SF3b145 fragment adopt a helical structure that binds to RRM1 predominantly via α1, consequently exhibiting a helix-helix interaction in almost antiparallel. This mode of interaction was confirmed by a mutational analysis using GST pull-down assays. Comparison with structures of all RRM domains when complexed with a peptide found that this helix-helix interaction is unique to SF3b49 RRM1. Additionally, all amino acid residues involved in the interaction are well conserved among eukaryotes, suggesting evolutionary conservation of this interaction mode between SF3b49 RRM1 and SF3b145.
Abstract
Indoor air pollution with harmful particulate matter (PM) is mainly caused by cigarette smoke. Super-Slim-Size-Cigarettes (SSL) are considered a less harmful alternative to King-Size-Cigarettes (KSC) due to longer filters and relatively low contents. We ask if “Combined Mainstream and Sidestream Smoke” (CMSS)-associated PM levels of SSL are lower than of KSC and thus are potentially less harmful. PM concentrations in CMSS (PM10, PM2.5, and PM1) are measured from four cigarette types of the brand Vogue, using an “automatic-environmental-tobacco-smoke-emitter” (AETSE) and laser aerosol spectrometry: SSL-BLEUE, -MENTHE, -LILAS and KSC-La Cigarette and -3R4F reference. This analysis shows that SSL MENTHE emitted the highest amount of PM, and KSC-La Cigarette the lowest. 3R4F reference emitted PM in the middle range, exceeding SSL BLEUE and falling slightly below SSL LILAS. It emerged that PM1 constituted the biggest proportion of PM emission. The outcome shows significant type-specific differences for emitted PM concentrations. Our results indicate that SSL are potentially more harmful for passive smokers than the respective KSC. However, this study cannot give precise statements about the general influence of the size of a cigarette on PM. Alarming is that PM1 is responsible for the biggest proportion of PM pollution, since smaller particles cause more harmful effects.
Das Hauptziel dieser Dissertation lag in der Verbesserung einzelner Schritte im Prozess der automatischen Proteinstrukturbestimmung mittels Kernmagnetischer Resonanz (NMR). Dieser Prozess besteht aus einer Reihe von sequenziellen Schritten, welche zum Teil bereits erfolgreich automatisiert wurden. CYANA ist ein Programmpaket, welches routinemäßig zur automatischen Zuordnung der chemischen Verschiebungen, der Nuclear Overhauser Enhancement (NOE) Signalen und der Strukturrechnung von Proteinen verwendet wird. Einer der Schritte, der noch nicht erfolgreich automatisiert wurde, stellt die Signalidentifizierung von NMR Spektren dar. Dieser Schritt ist besonders wichtig, da Listen von NMR-Signalen Grundlage aller Folgeschritte sind. Fehler in den Signallisten pflanzen sich in allen Folgeschritten der Datenauswertung fort und können am Ende in falschen Strukturen resultieren. Daher war ein Ziel dieser Arbeit, einen robusten und verlässlichen Algorithmus zur Signalidentifizierung von NMR Spektren in CYANA zu implementieren. Dieser Algorithmus sollte mit dem in FLYA implementierten Ansatz zur automatischen Resonanzzuordnung, der automatischen NOE-Zuordnung und der Strukturrechnung mit CYANA kombiniert werden. Der in CYANA implementierte CYPICK Algorithmus ahmt den von Hand durchgeführten Ansatz nach. Bei der manuellen Methode schaut sich der Wissenschaftler zweidimensionale Konturliniendarstellungen der NMR Spektren an und entscheidet anhand verschiedener Geomtrie- und Ähnlichkeitskriterien, ob es sich um ein Signal des Proteins oder um einen Artefakt handelt. Proteinsignale sind ähnlich zu konzentrischen Ellipsen und erfüllen bestimmte geometrische Kriterien, wie zum Beispiel ungefähr kreisförmiges Aussehen nach entsprechender Skalierung der spektralen Achsen und gänzlich konvexe Formen, die Artefakte nicht aufzeigen. CYPICK bewertet die Konturlinien lokaler Extrema nach diesen Bedingungen und entscheidet anhand dieser, ob es sich um ein echtes Signal handelt oder nicht. Das zweite Ziel dieser Arbeit war es ein Maß zur Quantifizierung der Information von strukturellen NMR Distanzeinschränkungen zu entwickeln. Der sogenannte Informationsgehalt (I) ist vergleichbar mit der Auflösung in der Röntgenkristallographie. Ein weiteres Projekt dieser Dissertation beschäftigte sich mit der strukturbasierten Medikamentenentwicklung (SBDD). SBDD wird meist von der Röntgenkristallographie durchgeführt. NMR hat jedoch einige Vorteile gegenüber der Röntgenkristallographie, welche interessant für SBDD sind. Daher wurden Strategien entwickelt, die NMR für SBDD zugänglicher machen sollen.
Plant-released flavonoids induce the transcription of symbiotic genes in rhizobia and one of the first bacterial responses is the synthesis of so called Nod factors. They are responsible for the initial root hair curling during onset of root nodule development. This signal exchange is believed to be essential for initiating the plant symbiosis with rhizobia affiliated with the Alphaproteobacteria. Here, we provide evidence that in the broad host range strain Sinorhizobium fredii NGR234 the complete lack of quorum sensing molecules results in an elevated copy number of its symbiotic plasmid (pNGR234a). This in turn triggers the expression of symbiotic genes and the production of Nod factors in the absence of plant signals. Therefore, increasing the copy number of specific plasmids could be a widespread mechanism of specialized bacterial populations to bridge gaps in signaling cascades.
Fettsäuresynthasen vom Typ I (FAS I), hier bezeichnet als Fettsäuremegasynthasen,sind Multienzymkomplexe, in denen sämtliche funktionellen Domänen für die de-novo-Synthese von Fettsäuren einen strukturellen Verbund eingehen. Auch das für den Transport von Edukten und Intermediaten nötige Acyl Carrier Protein (ACP) ist kovalent gebundener Teil dieses Komplexes, der so zu einer hocheffizienten molekularen Maschine zur Massenproduktion dieser grundlegend essentiellen Zellbausteine wird. Die FAS I aus Pilzen (fFAS), als Gegenstand dieser Arbeit, mit einer Masse von bis zu 2,7 MDa ist heute in ihrer Struktur durch Röntgenkristallographische sowie elektronenmikroskopische Methoden gut charakterisiert. 48 funktionelle Domänen sind zu einem geschlossenen Reaktionskörper angeordnet, indem sie in einer strukturgebenden Matrix aus Expansionen und Insertionen bzgl. der enzymatischen Kerndomänen eingebettet sind, die 50% des gesamten Proteins ausmacht. Neben den zahlreichen strukturellen Informationen über fFAS ist jedoch noch wenig über ihre Assemblierung verstanden. Dabei ist sie nicht nur als ein Beispiel für das generelle Verständnis von Assemblierungsmechanismen von Multienzymkomplexen interessant, sondern wird hier auch als Ziel eines inhibitorischen Eingriffs betrachtet, um eine neue antimykotische Wirkstrategie abseits des Ausschaltens aktiver Zentren zu evaluieren. Nur wenn die Mechanismen und Wechselwirkungen im Assemblierungsprozess offen gelegt sind, lassen sie sich später gezielt attackieren. Essentielle Sekundärstrukturmotive müssen identifiziert und bewertet werden, um sie einer weiteren Evaluation als Drug-Target-Kandidaten zugänglich zu machen. In dieser Arbeit werden Resultate aus in-vivo-Experimenten an rational mutierten fFAS-Konstrukten unter Zuhilfenahme einer evolutionären Betrachtung der fFAS gemeinsam mit Erkenntnissen aus andernorts geleisteten in-vitro-Experimenten an fFAS-Fragmenten zu einem geordneten Assemblierungsweg der fFAS zusammengeführt. Dabei werden Evidenzen aus den Kausaltäten zentraler Anforderungen an einen Assemblierungsmechanismus der fFAS zu drei konsequenten Schlüsselschritten verdichtet, die (i) eine frühe Interaktion zweier komplementärer Polypeptidketten zu einer Pseudo-Einzelkette, (ii) eine posttranslationale Modifikation von ACP und (iii) die geordnete Reifung zum fertigen Komplex durch Selbstassemblierung der beteiligten Domänen umfassen. Durch rationale Mutationen an den Schnittstellenmotiven für die Pseudo-Einzelkettenbildung, werden diese als Schwachstelle der Assemblierung unterschiedlicher fFAS-Typen charakterisiert, wobei für S. cerevisiae nicht weniger als zwei gezielte Punktmutationen ausreichen, um die Assemblierung des gesamten Komplexes zu verhindern. Darüber hinaus zeigen Experimente mit fFAS-Konstrukten, deren Schnittstellenmotive einer intramolekular kompetitiven Wechselwirkung ausgesetzt sind, prinzipiell die Möglichkeit zur Inhibierung der fFAS-Assemblierung durch Störung der Pseudo-Einzelkettenbildung.