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Poster presentation: Light is the main phase-adjusting stimulus of the circadian clock located in the suprachiasmatic nucleus (SCN). A candidate pathway transmitting photic information at the postsynaptic site in the SCN is the extracellular signal-regulated kinase (ERK 1/2) which has been previously shown to be an essential element in the photoentrainment of the circadian rhythm. An upstream activator of the ERK signalling route is the small intracellular GTPase Ras. Here we observed that endogenous Ras activity in the SCN was subjected to rhythmic changes, reaching maximum levels at the late subjective day and minimum levels at the late subjective night (CT22). In order to investigate if Ras would modulate the circadian cycle, we used transgenic mice expressing constitutively activated Val-12 Ha-Ras selectively in neurons (synRas mice). In these mice Ras activity was also cycling during the circadian rhythm yet, Ras activities were up-regulated at each time point measured. We investigated if this change in Ras activity translates into a behavioral phenotype by monitoring free-running activity rhythms under conditions of constant darkness. SynRas mice exhibited circadian rhythms in locomotor activities similar to WT mice. However, when challenged by applying a 15 minutes light pulse at CT22 to promote phase advance shifts, synRas mice were completely non-responsive. As a first step towards the possible intracellular mechanism of this behavioral change we analyzed ERK1/2 activities in more details: We found a 1,7-fold increase of circadian peak levels of ERK 1/2 activities at CT10 and CT14 in synRas mice, while at minimum levels (CT18, CT22) no differences were found between ERK1/2 activities of WT and synRas mice. In WT animals the 15 minutes light pulse at CT22 resulted in rapid up regulations of Ras, ERK1/2 and CREB activities as described previously by others. However, in correlation with the lack of a behavioral response, ERK1/2 but not Ras and CREB activities remained unchanged in synRas mice, suggesting that Ras-dependent and Ras-independent pathways may co-exist to regulate ERK1/2 and behavioral phase shifts in response to the acute light treatment. Next we investigated the length "tau" of the locomotor activity rhythm during constant darkness and found a slight shortening by about 10 minutes in synRas mice as compared to the WT littermates. Recently, "tau" has been discussed to be modulated by the interaction between glycogen synthase 3beta (GSK3beta) and a clock gene product (Per 2) that is involved in the determination of circadian phase durations. We describe here a down-regulation of GSK3beta phosphorylation in synRas mice as a possible mechanism of "tau" shortening. Taken together, cycling of Ras activity at elevated levels in the SCN during the circadian rhythm results in a distinct pattern of behavioral phenotype changes correlating with de-regulated ERK1/2 or GSK3beta activities.
Poster presentation: Hyperphosphorylation of tau is a characteristic of Alzheimer's disease (AD). Our group has established a model for tau hyperphosphorylation by mutating 10 residues from Ser/Thr to Glu to simulate the negative charge of phosphorylated residues ("pseudohyperphosphorylated (PHP)-tau"). In order to analyze temporal and spatial effects of hyperphosphorylation of tau in a systemic context, we have established transgenic mouse lines that express human wild-type (wt)- or PHP-tau under the control of the CamKIIalpha-promoter that leads to a forebrain specific moderate expression in neurons, i.e. the region where also tau-pathology in AD is abundant. For the evaluation of tau-induced changes in the transgenic mice, we quantified spine densities in the neocortex and hippocampus of transgenic mice. The spine densitiy was significantly increased in PHP-tau compared to wt-tau expressing mice. It is known that AD is associated with aberrant pre- and postsynaptic sprouting. Axonal sprouting is also observed in transgenic mice expressing mutated amyloid precursor protein (APP), which suggests that Abeta plays a significant role in this process. We deduce from our results, that (pseudo)-hyperphosphorylation of tau is sufficient to induce aberrant sprouting in the absence of Abeta. Analyses whether this sprouting is induced by pre- or postsynaptic changes and if functionally active synapses are formed are in progress. It will be interesting to determine if stabilization of these newly formed synapses slows or – in contrary – accelerates the progression of the disease. Sprouting as observed in our PHP-tau expressing mice is part of neuronal differentiation. One family of enzymes that is involved in cell differentiation are mitogen-acitvated protein kinases (MAPK). Western blot analysis was performed with brain lysates from transgenic mice to check whether PHP-tau induced sprouting is associated with MAPK activation. In fact, we also observed an increased activation of the MAPK ERK1/2 evident by phosphorylation of the residues Thr202 and Tyr204. ERK1/2 is also known to phosphorylate tau at sites characteristic for AD. Our results suggest the presence of a vicious circle by which (pseudo)-hyperphosphorylated tau activates ERK1/2 which in turn phosphorylates tau.
Poster presentation: Here we investigated the role of the amyloid precursor protein (APP) in regulation of Ca2+ store depletion-induced neural cell death. Ca2+ store depletion from the endoplasmic reticulum (ER) was induced by the SERCA (Sarco/Endoplasmic Reticulum Calcium ATPase) inhibitor thapsigargin which led to a rapid induction of the unfolded protein response (UPR) and a delayed activation of executioner caspases in the cultures. Overexpression of APP potently enhanced cytosolic Ca2+ levels and cell death after ER Ca2+ store depletion in comparison to vector-transfected controls. GeneChipR and RT-PCR analysis revealed that the expression of classical UPR chaperone genes was not altered by overexpression of APP.Interestingly, the induction of the ER stress-responsive pro-apoptotic transcription factor CHOP was significantly upregulated in APP-overexpressing cells in comparison to vectortransfected controls. Chelation of intracellular Ca2+ with BAPTA-AM revealed that enhanced CHOP expression after store depletion occured in a Ca2+-dependent manner in APPoverexpressing cells. Prevention of CHOP induction by BAPTA-AM and by RNA interference was also able to abrogate the potentiating effect of APP on thapsigargin-induced apoptosis. Application of the store-operated channel (SOC)-inhibitors SK F96365 and 2-APB downmodulated APP-triggered potentiation of cytosolic Ca2+ levels and apoptosis after treatment with thapsigargin. Our data demonstrate that APP-mediated regulation of ER Ca2+ homeostasis significantly modulates Ca2+ store depletion-induced cell death in a SOC- and CHOP-dependent manner, but independent of the UPR.
Poster presentation: The transcription factor NF-kappaB plays a pivotal role in the development and maintenance of the central nervous system and its constitutive activation in neurons has been previously reported. NF-kappaB is post-translationally activated upon phosphorylation of the IkappaBalpha inhibitory protein by the activated IkappaB kinase (IKKalpha/beta) and the subsequent degradation of IkappaBalpha by the proteasome. Recently, we had demonstrated an unexpected accumulation of three components of the NF-kappaB cascade in the axon initial segment (AIS): Activated IKK, phosphorylated IkappaBalpha and phosphorylated-p65(Ser536). These are all associated with detergent-insoluble cytoskeletal components of the AIS. We observed further compartimentalization as pIKKalpha/beta primarily associated with the membrane cytoskeleton, whereas pIkappaBalpha was sequestered to fasciculated microtubules. Colchicine-induced depolymerization of microtubules was associated with reduced sequestration of pIkappaBalpha in the AIS, which could be blocked by use of proteasome inhibitors like Mg-132 or Lactacystin. Concurrently, enhanced nuclear immunoreactivity for the NF-kappaB subunit p65 was noted. Using NF-kappaB-dependent reporter gene assays, a significant increase in NF-kappaB activity was observed after depolymerization of microtubules and this was inhibited by the microtubule-stabilizing drug paclitaxel. The use of transiently transfected, photoactivatable-GFP p65 fusion proteins will allow us to specifically analyse the compartimentalized signal transduction pathways in unique spatial and temporal resolution. Taken together, these observations provide strong evidence for compartmentalized activation of NF-kappaB in the AIS and modulation of neuronal NF-kappaB activity by microtubule dynamics.
Poster presentation: The mammalian pineal organ is a peripheral oscillator, depending on afferent information from the so-called master clock in the suprachiasmatic nuclei of the hypothalamus. One of the best studied outputs of the pineal gland is the small and hydrophobic molecule melatonin. In all vertebrates, melatonin is synthesized rhythmically with high levels at night, signalling the body the duration of the dark period. Changes or disruptions of melatonin rhythms in humans are related to a number of pathophysiological disorders, like Alzheimer's disease, seasonal affective disorder or the Smith-Magenis-Syndrome. To use melatonin in preventive or curative interferences with the human circadian system, a complete understanding of the generation of the rhythmic melatonin signal in the human pineal gland is essential. Melatonin biosynthesis is best studied in the rodent pineal gland, where the activity of the penultimate and rate-limiting enzyme, the arylalkylamine N-acetyltransferase (AA-NAT), is regulated on the transcriptional level, whereas the regulatory role of the ultimate enzymatic step, achieved by the hydroxyindole O-methyltransferase (HIOMT), is still under debate. In rodents, Aa-nat mRNA is about 100-fold elevated during the night in response to adrenergic stimulation of the cAMP-signalling pathway, with AA-NAT protein levels closely following this dynamics. In contrast, in all ungulates studied so far (cow, sheep), a post-transcriptional regulation of the AA-NAT is central to determine rhythmic melatonin synthesis. AA-NAT mRNA levels are constantly elevated, and lead to a constitutive up-regulation of AA-NAT protein, which is, however, rapidly degraded via proteasomal proteolysis during the day. AA-NAT proteolysis is only terminated upon the nocturnal increase in cAMP levels. Similar to ungulates, a post-transcriptional control of this enzyme seems evident in the pineal gland of the primate Macaca mulatta. Studies on the molecular basis of melatonin synthesis in the human being are sparse and almost exclusively based on phenomenological data, derived from non-invasive investigations. Yet the molecular mechanisms underlying the generation of the hormonal message of darkness can currently only be deciphered using autoptic material. We therefore analyzed in human post-mortem pineal tissue Aa-nat and Hiomt mRNA levels, AA-NAT and HIOMT enzyme activity, and melatonin levels for the first time simultaneously within tissue samples of the same specimen. Here presented data show the feasibility of this approach. Our results depict a clear diurnal rhythm in AA-NAT activity and melatonin content, despite constant values for Aa-nat and Hiomt mRNA, and for HIOMT activity. Notably, the here elevated AA-NAT activity during the dusk period does not correspond to a simultaneous elevation in melatonin content. It is currently unclear whether this finding may suggest a more important role of the ultimate enzyme in melatonin synthesis, the HIOMT, for rate-limiting the melatonin rhythm, as reported recently for the rodent pineal gland. Thus, our data support for the first time experimentally that post-transcriptional mechanisms are responsible for the generation of rhythmic melatonin synthesis in the human pineal gland.
Poster presentation: The transcription factor NF-kappaB plays a central role in the development and maintenance of the central nervous system and its constitutive activation in neurons has been repeatedly reported. Previous work from our laboratories (poster presentation: Compartimentalized NF-kappaB activity in the axon initial segment) had revealed an intriguing clustering of activated IKKalpha/beta and other downstream elements of an activated NF-kappaB cascade (phospho-IkappaBalpha, phospho-p65(Ser536)) in the axon initial segment (AIS). Accumulation of certain voltage-gated sodium channels (Na(v)1.2), M-type potassium channels (KCNQ2) as well as cytoskeletal anchoring proteins (AnkyrinG) characterise the AIS. However, it is not yet clear how AIS-localized IKK gets activated and whether this can be connected to the constitutive activation of NF-kappaB. Long-term blockade of sodium channels with tetrodotoxin, potassium-channels with linopirdine or NMDA-receptors with MK-801 did not elicit any change upon the constitutive activation of the pathway. Strikingly, the occurrence of phosphorylated IkappaBalpha was even unaltered by 24 h of incubation with protein synthesis inhibitors. Others have reported that impairment of NF-kappaB inhibits neuritogenesis. In this line we observed that the early initiation of IkappaBalpha phosphorylation was susceptible to inhibition of IKK in DIV1–2 neurons. We therefore aim to identify the interaction partners of the activated IKK complex in the AIS. Proteomic methods such as co-immunoprecipitation analyses and mass-spectrometry will help us to identify the key players in the initiation of constitutive IKK phosphorylation and activation in neurons.
Background Identification and evaluation of surface binding-pockets and occluded cavities are initial steps in protein structure-based drug design. Characterizing the active site's shape as well as the distribution of surrounding residues plays an important role for a variety of applications such as automated ligand docking or in situ modeling. Comparing the shape similarity of binding site geometries of related proteins provides further insights into the mechanisms of ligand binding. Results We present PocketPicker, an automated grid-based technique for the prediction of protein binding pockets that specifies the shape of a potential binding-site with regard to its buriedness. The method was applied to a representative set of protein-ligand complexes and their corresponding apo-protein structures to evaluate the quality of binding-site predictions. The performance of the pocket detection routine was compared to results achieved with the existing methods CAST, LIGSITE, LIGSITEcs, PASS and SURFNET. Success rates PocketPicker were comparable to those of LIGSITEcs and outperformed the other tools. We introduce a descriptor that translates the arrangement of grid points delineating a detected binding-site into a correlation vector. We show that this shape descriptor is suited for comparative analyses of similar binding-site geometry by examining induced-fit phenomena in aldose reductase. This new method uses information derived from calculations of the buriedness of potential binding-sites. Conclusions The pocket prediction routine of PocketPicker is a useful tool for identification of potential protein binding-pockets. It produces a convenient representation of binding-site shapes including an intuitive description of their accessibility. The shape-descriptor for automated classification of binding-site geometries can be used as an additional tool complementing elaborate manual inspections.
We consider the theory of high temperature superconductivity from the viewpoint of a strongly correlated electron system. In particular, we discuss Gutzwiller projected wave functions, which incorporate strong correlations by prohibiting double occupancy in orbitals with strong on-site repulsion. After a general overview on high temperature superconductivity, we discuss Anderson’s resonating valence bond (RVB) picture and its implementation by renormalized mean field theory (RMFT) and variational Monte Carlo (VMC) techniques. In the following, we present a detailed review on RMFT and VMC results with emphasis on our recent contributions. Especially, we are interested in spectral features of Gutzwiller-Bogoliubov quasiparticles obtained by extending VMC and RMFT techniques to excited states. We explicitly illustrate this method to determine the quasiparticle weight and provide a comparison with angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and scanning tunneling microscopy (STM). We conclude by summarizing recent successes and by discussing open questions, which must be solved for a thorough understanding of high temperature superconductivity by Gutzwiller projected wave functions.
Pflanzliche Arzneimittel erfreuen sich nach wie vor einer großen Beliebtheit. Da sie sich in enger Konkurrenz zu den auf Wirksamkeit und Unbedenklichkeit untersuchten chemisch definierten Arzneistoffen befinden, reicht es heute häufig nicht mehr aus, wenn Phytopharmaka sich nur auf ihre tradierte und dokumentierte Verwendung berufen. „Rationale“ Phytopharmaka müssen dieselben Anforderungen erfüllen, wie synthetische Arzneimittel. Das führt dazu, dass sich die Forschung neben der Aufklärung der chemischen Strukturen und Zusammensetzung der Pflanzenzubereitung, darüber hinaus auch der in-vitro und in-vivo Wirkung von Phytopharmaka widmet. Bei einigen dieser Untersuchungen konnte nicht nur die Wirkung des untersuchten Phytopharmakons aufgeklärt, sondern ebenso neue Indikationsgebiete eröffnet werden. So führte die Aufklärung des Wirkmechanismus des traditionell in der indischen Volksmedizin als Antirheumamittel angewandten Boswellia serrata-Extraktes dazu, dass Weihrauchzubereitungen heute in klinischen Studien auf Ihre Wirksamkeit bei der Behandlung des peritumoralen Hirnödems geprüft werden. In vorausgegangenen Tierstudien und klinischen Pilotstudien mit Glioblastom-Patienten konnte nämlich eine Reduktion des Hirnödems unter Weihrauchtherapie beobachtet werden. Die antiinflammatorischen, zytostatischen wie auch antiödematösen Effekte werden den im Weihrauch enthalten Boswelliasäuren zugeschrieben. Vor allem die ketylierten Boswelliasäuren KBA und AKBA zeigen in in-vitro Untersuchungen eine sehr hohe Wirksamkeit und gelten deshalb auch als Leitsubstanzen in der Monographie Boswellia serrata des DAC. Während einige Daten zur Bioverfügbarkeit von KBA bereits vorliegen, reichen die bisher zur Verfügung stehenden analytischen Methoden nicht aus, um die wesentlich geringere AKBA-Konzentration im Plasma zu bestimmen. Des Weiteren fehlte bisher der Nachweis, ob die Keto-Boswelliasäuren die Blut-Hirnschranke in der Tat überwinden können, um im ZNS zu wirken. Für die parallele Bestimmung von KBA und AKBA aus Plasma und Hirnmatrix wurde deshalb in dieser Arbeit eine sensitive analytische Methode entwickelt und gemäß internationalen Richtlinien validiert. Diese Methode ist charakterisiert durch eine sehr einfache Probenaufarbeitung mittels sorbensgestützter Flüssig-Flüssig-Extraktion auf Kieselgurbasis, gefolgt von einer chromatographischen Trennung auf einer RP-18-Säule und einer massenspektrometrischen Detektion anhand der Übergänge m/z 471,2 --> 95,1 für KBA und m/z 513,4 --> 91,1 für AKBA im positiven MRM-Modus. Die Quantifizierung erfolgte über die pentazyklische Triterpensäure „Asiatische Säure“, die als interner Standard eingesetzt wurde. Bei der anschließenden Validierung konnte die Spezifität der Methode nachgewiesen, sowie die international anerkannten Grenzen für die Linearität, die Nachweisgrenze sowie die inter- und intraday Präzision und Richtigkeit eingehalten werden. Die Stabilität der Plasma- und Hirnproben konnte bei T=-20°C für fünf Monate, bei Raumtemperatur für 24 Stunden und nach mehreren Einfrier-Auftauzyklen belegt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die entwickelte analytische Methode zur Aufnahme von Plasma-Spiegel-Kurven von KBA und AKBA nach oraler Administration von Weihrauchzubereitungen eingesetzt werden kann. Gegenüber den bereits beschriebenen HPLC-UV- und GC-MS-Methoden besitzt die neu entwickelte Methode den Vorteil, dass mit der Nachweisgrenze von 5 ng/ml für KBA und AKBA, auch die Plasmakonzentrationen von AKBA erstmals valide erfasst werden konnten. Da sie darüber hinaus eine einfache Probenaufarbeitung mit einer kurzen Analysenzeit von 6 Minuten verbindet, ist sie für die Durchführung von Pharmakokinetikstudien gut geeignet. Wie wichtig derartige pharmakokinetische Studien für die Etablierung von Weihrauch als rationales Phytopharmakon sind, erbrachte der Vergleich der Bioverfügbarkeit von H15™-Ayurmedica mit einem Referenzpräparat. Hierbei wurde deutlich, dass für die Resorption von KBA und AKBA neben der Extraktzusammensetzung auch die Arzneiform eine entscheidende Rolle spielt. Für die Zukunft stellt daher die Erhöhung der Bioverfügbarkeit von KBA und AKBA z.B. durch eine verbesserte technologische Formulierung einer der wichtigsten Meilensteine im Sinne einer verbesserten Therapie mit Weihrauchextrakt dar. Im Hinblick auf die potentielle Indikation von Boswellia serrata Extrakt für die Therapie des tumor-assoziierten Hirnödems wurde darüber hinaus untersucht, ob die beiden Keto-Boswelliasäuren die Blut-Hirn-Schranke überwinden und in das Hirn gelangen können. Dazu wurden die Konzentrationen von KBA und AKBA im Hirn nach einem Fütterungsversuch an neun gesunden Ratten bestimmt. Es konnten Spiegel von 99 ng/g für KBA und 95 ng/g für AKBA drei Stunden nach Gabe von 240 mg/kg Körpergewicht H15™-Ayurmedica detektiert werden. Bei gliominplantierten Ratten konnte mit der 3-mal täglichen Gabe dieses Präparates in dieser Dosierung eine Reduktion des Ödemvolumens, eine Zunahme von apoptotischen Zellen und eine Verlängerung der Überlebenszeit beobachtet werden. Interessant ist deshalb auch die Frage, wie es sich mit den Konzentrationen der Keto-Boswelliasäuren in Tumorgeweben verhält. Zur Klärung dieses Aspektes könnte die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte LC-MS/MS-Methode beitragen. Häufig können die Chemotherapeutika in den Tumorzellen nicht die Spiegel des gesunden Gewebes erreichen. Dies kann in vielen Fällen in Verbindung mit der Effluxpumpe P-Glycoprotein (Pgp) gebracht werden. Dieses membranständige Transportprotein hindert Arzneistoffe daran in das Cytoplasma zu gelangen. Inwieweit eine Pgp vermittelte Resistenz bei den Glioblastomen eine Rolle spielt, ist derzeit noch nicht vollständig geklärt. Pgp ist darüber hinaus in seiner physiologischen Funktion an der schnellen Ausscheidung von Fremdstoffen und am Schutz spezieller Kompartimente, wie dem Gehirn, beteiligt. Eine Interaktion von Arzneistoffen mit Pgp kann deshalb auch die Pharmakokinetik dieser Substanzen empfindlich beeinflussen. Unter diesen Gesichtspunkten wurden in dieser Arbeit auch die pharmakologisch wichtigen Inhaltsstoffe des Weihrauchextraktes auf eine mögliche Modulation der Pgp-Funktion untersucht. Dieser Test erfolgte mittels zellbasierten Calcein-AM-Assays in Schweinehirnendothel-Zellen (PBCEC-Zellen) und in einer Pgp-expremierenden humanen Leukämiezelllinie (VLB-Zellen). In beiden Zellsystemen erwies sich Weihrauchextrakt (84Mikrogramm/ml H15™-Ayurmedica) als ein Modulator der Transportfunktion von Pgp. Bei der Untersuchung der einzelnen Boswelliasäuren, stellte sich heraus, dass die im Extrakt am häufigsten vorkommenden Beta-Boswelliasäuren und Acetyl-Beta-Boswelliasäuren für diesen Effekt nicht verantwortlich sind. Auch die Alpha-Boswelliasäure und Acetyl-Alpha-Boswelliasäure beeinflussen ebenfalls die Transportaktivität nicht. Eine Interaktion mit dem Transportprotein konnte dagegen bei den Keto-Boswelliasäuren KBA (10 MikroM) und AKBA (3 MikroM) in den Schweinehirnendothelzellen beobachtet werden. In der Leukämiezelllinie konnte bei beiden Keto-Boswelliasäuren ebenfalls einen Einfluss auf die Transportaktivität des Pgp festgestellt werden, der allerdings nur bei AKBA (3 MikroM) signifikant war. Um zu verifizieren, ob die 11-Ketogruppe für die modulierende Wirkung der Boswelliasäuren verantwortlich ist, wurde Glycyrrhetinsäure, eine pentazyklische Triterpensäure, die wie KBA und AKBA eine Ketofunktion an Position 11 besitzt, getestet. Da im Calcein-AMAssay bei dieser Substanz ein mit AKBA vergleichbarer Effekt auftrat, scheint für eine Wechselwirkung des P-Glycoproteins mit Boswelliasäuren die 11-Ketogruppe essentiell zu sein. In dieser Arbeit wurde ein erster Hinweis auf eine Wechselwirkung zwischen Keto-Boswelliasäuren und Pgp erbracht. Inwiefern diese in-vitro-Daten auch auf in-vivo klinische Relevanz besitzen, muss noch in weiteren Studien mit Weihrauch geklärt werden. Gerade für die Behandlung des peritumoralen Hirnödems von Glioblastom-Patienten wäre es wichtig, den Mechanismus der Wechselwirkung von KBA und AKBA mit P-Glycoprotein näher zu untersuchen. Da Weihrauchextrakt häufig in der Co-Medikation verwendet wird, sollte auch im Hinblick auf die Arzneimittelsicherheit geprüft werden, ob es zu Arzneimittelinteraktionen auf Pgp-Ebene mit Weihrauchextrakt kommen kann.