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The overall survival for patients with acute lymphoblastic leukemia (ALL) often is the function of age, in particular in 2019 analysis revealed that 5-year overall survival for patients older than 20 years remains below 35% (American Cancer Society, Cancer Facts &Figures 2019). Importantly, one of the major issues in ALL therapy is the ability of tumor cells to escape the treatment via the establishment of an immunosuppressive environment. The tumor microenvironment has gained tremendous importance in the past decade. This is largely based on the reasoning that, in order to devise better therapeutic strategies for patients, we need to gain better understanding into how malignant cells transform their microenvironment to promote growth, escape immune control and gain therapeutic resistance.
TAM receptors (TAMRs) are engaged in innate immune cells as a feed-back mechanism to terminate the immune response and promote the return to homeostasis (Rothlin et al. 2007). In the context of cancers, aberrant TAMR signaling was mainly explored concerning its pro-oncogenic function (Paolino and Penninger 2016). There are only limited data available suggesting the modulation of cancer immune response via TAMR signaling in highly immunogenic solid tumor models (Paolino et al. 2014; Ubil et al. 2018). So far, however, little is known about their potential indirect immune-modulatory function in hematological malignancies. Taking into account the pronounced importance of TAMR signaling in immune cells combined with the leukemic immune tolerance, the current study focused on the function of TAMR and their ligands in anti-leukemic immunity.
This work uncovers the mechanism of dampening anti-leukemic immune response via TAMR signaling on macrophages using the syngeneic BCR-ABL1 B-ALL mouse model. Using genetic depletion of GAS6 in the host environment or ablation of AXL and/or MERTK receptors in macrophages the bone marrow microenvironment could be rewired in order to achieve an efficient anti-leukemic immune response. In particular, the GAS6/AXL blockade triggers an effective NKand T- cell-dependent anti-leukemic response that results in prolonged survival. This finding specifically tackles the obstacle of inefficient bridging between innate and adaptive immune response typical for hematological malignancies in contrast to solid tumors (E. K. Curran, Godfrey, and Kline 2017).
Besides establishing the vital function of TAMR signaling in anti-leukemic immunity using murine models, the analysis of human blood plasma revealed that age-related immune dysregulation was manifested by significant GAS6 decrease and PROS1 upregulation among elderly donors (>60 y.o.) compared to controls (<25 y.o.). These data are indicative that TAMR signaling likely favors the age-dependent immune system decline, which in turn is associated with a poor survival rate of elderly patients diagnosed with leukemia.
In conclusion, using a preclinical ALL model here it was identified in vivo, that Axl significantly increases upon B-ALL challenge in Mph and NK cells. Therefore, AXL targeting, using the orally bioavailable selective inhibitor Bemcentinib, could serve as a powerful approach to revert early immunosuppression created by leukemia.
Taken together these data propose the AXL receptor as a novel immune checkpoint and attractive candidate for the development of a new therapeutic approach via unleashing the patient’s own immune system to combat leukemic cells.
Hepatocyte nuclear factor 4α (HNF4α) is a ligand-sensing transcription factor and presents as a potential drug target in metabolic diseases and cancer. In humans, mutations in the HNF4α gene cause maturity-onset diabetes of the young (MODY), and the elevated activity of this protein has been associated with gastrointestinal cancers. Despite the high therapeutic potential, available ligands and structure–activity relationship knowledge for this nuclear receptor are scarce. Here, we disclose a chemically diverse collection of orthogonally validated fragment-like activators as well as inverse agonists, which modulate HNF4α activity in a low micromolar range. These compounds demonstrate the druggability of HNF4α and thus provide a starting point for medicinal chemistry as well as an early tool for chemogenomics.
ABC transporters fulfill diverse physiological functions in different cellularlocalizations ranging from the plasma membrane to intracellular membranouscompartments. Several ABC transporters have been spotted in the endolyso-somal system, which consists of endosomes, autophagosomes, lysosomes, andlysosome-related organelles. In this review, we present an overview of lysoso-mal ABC transporters including ABCA2, ABCA3, ABCA5, ABCB6,ABCB9, and ABCD4, discussing their trafficking routes, putative substrates,potential physiological functions, and associated diseases. In addition, weoffer a critical evaluation of the literature linking ABC transporters to lyso-somal drug sequestration, examining pitfalls associated with in vitro modelsof drug resistance.
Die Aufdeckung krankheitsbedingter Unterschiede und die Identifizierung neuer Biomarker sind essenziell für Diagnose und Behandlung verschiedener Erkrankungen. Unterschiede zwischen Erkrankungen können u.a. durch Analyse des Lipidprofils aufgedeckt werden, da dieses eng mit dem Phänotyp verknüpft ist. Ein unvoreingenommenes Screening gewährt einen umfassenderen Einblick in den metabolischen Zustand als eine gezielte Untersuchung weniger Analyten und kann neue Hypothesen generieren. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Screening-Methode zur untargeted Untersuchung des Lipidoms in biologischen Proben entwickelt. Durch die Kombination aus Umkehrphasenchromatographie und hochauflösender Massenspektrometrie mit datenabhängiger Aufnahme von MS/MS-Spektren konnten in Humanplasma 440 Lipide aus mehr als 15 Lipidklassen identifiziert werden. Die mehrstufige Identifizierung der Analyten, basierend auf der exakten Masse ±5 ppm, der Isotopenverteilung, der MS/MS-Fragmentierungsmuster in beiden Ionisationsmodi sowie der chromatographischen Auftrennung von Isomeren und Isobaren, erfolgte mit hoher Selektivität. Mit der vorgestellten Methode können sowohl Lipidklassen als auch einzelne Lipide relativ zu den internen Standards quantifiziert werden.
Der Probendurchsatz wurde erhöht, um den Einsatz der Methode im Rahmen größerer klinischer Studien zu ermöglichen und vorhandene Ressourcen effizient einzusetzen. Dabei wurden die Inkubationszeiten während der Flüssig-Flüssig-Extraktion mit MTBE:Methanol deutlich reduziert und die Handhabung vereinfacht bei gleichbleibend hoher Wiederfindung. Der hohe Probendurchsatz wird weiter unterstützt durch die kurze chromatographische Laufzeit von 17 min pro Ionisationsmodus. Die Auswertung der Ergebnisse ist der heikelste und zeitintensivste Schritt bei der Entwicklung und Anwendung von Screening-Methoden, deshalb wurde der Arbeitsablauf zur univariaten Analyse durch Entwicklung von R Skripten vereinfacht und beschleunigt.
Die Qualität und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse sind essenziell. Aus diesem Grund wurde die Qualität der entwickelten Methode, angelehnt an den strikten Vorgaben der FDA und EMA zur Validierung von quantitativen Methoden, sichergestellt, obwohl eine Methodenüberprüfung im Bereich von untargeted Methoden nicht verbreitet ist. Die Reproduzierbarkeit der relativen Lipidkonzentrationen konnte z.B. durch die Messung von Kontrollplasmaproben über einen Zeitraum von 10 Monaten gezeigt werden. Außerdem wurde die Linearität der Verdünnung von Plasmaproben bestätigt und eine Verschleppung in darauffolgende Proben ausgeschlossen. Die Stabilität der Proben muss in jeder Messphase inklusive der Präanalytik durch geeignete Untersuchungen und Maßnahmen sichergestellt werden. Anhand einer Studie zur präanalytischen Stabilität humaner Blutproben konnte ein Protokoll zur Probennahme und -vorbereitung für weitere klinische Studien erarbeitet werden. Die Stabilität des Lipidoms in Vollblut und Plasma konnte durch den Einsatz von Natriumfluorid/Citrat als Antikoagulans verbessert werden. Auch die Stabilität der Proben während der Lipidextraktion und Messung konnte gezeigt werden. Es wurden 16 verschiedene Probenarten analysiert, darunter Plasmaproben, verschiedene Mausgewebe und Zellpellets.
Mit der entwickelten Methode wurden die Unterschiede im Lipidprofil im Plasma und Gewebe von Mäusen mit einer akuten Entzündung durch LPS bzw. Zymosan-Injektion aufgedeckt. Dabei wurden die Ether-Phosphatidylcholine als potenzielle Entzündungsmarker identifiziert. Die entwickelte Methode wurde außerdem erfolgreich im Rahmen anderer Arbeiten für die Untersuchung verschiedener Erkrankungen angewendet.
In der vorliegenden Arbeit wird demnach eine schnelle, reproduzierbare und vor allem selektive LC-MS-Screening-Methode vorgestellt, die Veränderungen des Lipidstoffwechsels aufdecken und potenzielle Biomarker identifizieren kann.
Die Forschung beschrieben in dieser Dissertation ist ein Teil der "European Research and Innovation Programme - PEARRL", und wurde von Horizon 2020 Marie Sklodowska-Curie actions der Europäischen Union, unter Förderungsnummer 674909 unterstützt.
In den letzten Jahren, wurde Senkung der Intensität der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung beobachtet, da die Weiterentwicklung der Wirkstoffmolekülen hinzu einer "handlichen" Formulierung viele Schwierigkeiten aufweist. Meiste der neuen Wirkstoffkandidaten, die sich in Entwicklung befinden, haben suboptimale Eigenschaften in Bezug zur Löslichkeit und Auflösung und zeigen schlechte Bioverfügbarkeit, wenn eingenommen. Deswegen verlangen meiste neue Wirkstoffkandidate einen besonderen Ansatz in Bezug auf Formulierung, um akzeptable orale Bioverfügbarkeit zu erreichen. Diese neue Formulierungen werden meistens als “bio-enabling” Formulierungen bezeichnet und werden in Heilmittelentwicklung immer häufiger verwendet.
Hauptziel dieser Dissertation ist zu erforschen ob, durch Verbinden von biorelevanten in vitro Werkzeugen mit in silico Modeling und Simulationen, die in vitro Löslichkeit und Auflösung von bio-enabling Formulierungen mechanistisch erkläert und besser verstanden werden kann und somit eine erfolgreiche Simulation von in vivo Leistung erreicht werden kann.
Als Erstes wurden die physiologische Parameter, die die pharmakokinetik oraler Formulierungen beeinflüssen, identifiziert, indem die Auswirkung der Wirkstoffe, die zur Behandlung Magen-Darm-Krankheiten genutzt werden, sowie deren Pharmakokinetik, beurteilt wurde. Unter anderem wurde pH als einer der entscheinenden phyisiologischen Parameter erkannt, da es die Pharmakokinetik peroral verabreichter Stoffe signifikant beeinflüssen kann.
Als zweiter Schritt, mit besonderer Beachtung auf die Verwendung der biorelevanten in vitro Werkzeugen für die Erforschung der in vivo Auflösungsprozesse von bio-enabling Formulierungen, Fokus auf die biorelevante Medien und in vitro Apparaturen, die mögliche Prezipitationskinetik einschätzen können, wurde gesetzt. Biorelevante Medien sind wässrige Flüssigkeiten, die die Zusammensetzung der gastrointestinaler Flüssigkeiten nachmachen und für die Auflösungsuntersuchungen genutzt werden. Bis heute beinhalten die Aspirationsstudien die wichtigsten Hinweise und Informationen für den Design biorelevanter Medien. Es wurde beobachtet, dass die berichteten Werte mancher phyisiologisher Parameter erhebliche Unterschiede zwischen den Aspirationsstudien zeigen. Deswegen wurde untersucht, ob die Ergebnisse durch die Auswahl an Methodologie, die für die Entnahme und die Auswertung der Proben genutzt worden sind, beeinflusst werden können, wobei besondere Aufmerksamkeit den pH und der Pufferkapazität geschenkt wurde. Es wurde gezeigt, dass Unterschiede im Prozess der Probenhandhabung, z.B. Zentrifugieren und Lagerung einen deutlichen Einfluss auf die gemessenen Werte haben kann. Ausserdem, wurden in dieser Arbeit die in vitro Setups, die bisher in der Literatur zur Beurteilung der Übersättigung u.o. Ausfällung von Arzneimitteln im oberen Magen-Darm-Trakt vorgeschlagen wurden, überprüft und ihre Nützlichkeit und aktuelle Anwendung bewertet.
Nach Behebung der oben genannten Probleme, wurden zwei Fallbeispielformulierungen ausgewählt, um die Haupthypothese zu untersuchen. Die erste Formulierung ist auf den Markt unter dem Namen EMEND® und enthält den Wirkstoff in Nanoform. Die zweite Formulierung wird als INTELENCE® vermarktet und ist eine amorphe feste Dispersion des Wirkstoffs Etravirin. Durch die Wahl zwei unterschiedlicher Formulierungsansätzen konnten unterschiedliche Fallszenarien untersucht werden, wodurch umfassendere Vorschläge für die Bewältigung der Herausforderungen bei in vitro Experimenten und in silico Modelling mit bio-enabling Formulierungen möglich waren.
Bezogen auf den in dieser Dissertation beschriebenen Ansatz, ein mechanistisches Verständnis des in vivo Absorptionsprozesses, sowie eine erfolgreiche Simulation der nach der Verabreichung resultierenden Plasmaprofile einer bio-enabling-Formulierung der Nanoskala- und einer amorphen festen Dispersion wurde erreicht. Darüber hinaus wurden mögliche Wege vorgeschlagen, um einige Herausforderungen im Hinblick auf die Entwicklung von PBPK-Modellen für biofähige Formulierungen anzugehen. Diese Arbeit zeigt die mögliche Anwendung und Bedeutung der Absorptionsmodellierung für die rationale Formulierungsentwicklung und für die Stärkung des Wissens über Bio-Heilmittel in Bezug auf bio-enabling Formulierungen. Mithilfe dieses Ansatzes können die wesentlichen Parameter identifiziert werden, die das pharmakokinetische Verhalten schwerlöslicher Wirkstoffe beeinflussen, die als bio-enabling Formulierungen formuliert sind, und ermöglichen wiederum eine robuste Vorhersage der klinischen Ergebnisse.
Introduction: In the development of bio-enabling formulations, innovative in vivo predictive tools to understand and predict the in vivo performance of such formulations are needed. Etravirine, a non-nucleoside reverse transcriptase inhibitor, is currently marketed as an amorphous solid dispersion (Intelence® tablets). The aims of this study were 1) to investigate and discuss the advantages of using biorelevant in vitro setups in simulating the in vivo performance of Intelence® 100 mg and 200 mg tablets, in the fed state, 2) to build a Physiologically Based Pharmacokinetic (PBPK) model by combining experimental data and literature information with the commercially available in silico software Simcyp® Simulator V17.1 (Certara UK Ltd.), and 3) to discuss the challenges when predicting the in vivo performance of an amorphous solid dispersion and identify the parameters which influence the pharmacokinetics of etravirine most.
Methods: Solubility, dissolution and transfer experiments were performed in various biorelevant media simulating the fasted and fed state environment in the gastrointestinal tract. An in silico PBPK model for healthy volunteers was developed in the Simcyp® Simulator, using in vitro results and data available from the literature as input. The impact of pre- and post-absorptive parameters on the pharmacokinetics of etravirine was investigated using simulations of various scenarios.
Results: In vitro experiments indicated a large effect of naturally occurring solubilizing agents on the solubility of etravirine. Interestingly, supersaturated concentrations of etravirine were observed over the entire duration of dissolution experiments on Intelence® tablets. Coupling the in vitro results with the PBPK model provided the opportunity to investigate two possible absorption scenarios, i.e. with or without implementation of precipitation. The results from the simulations suggested that a scenario in which etravirine does not precipitate is more representative of the in vivo data. On the post-absorptive side, it appears that the concentration dependency of the unbound fraction of etravirine in plasma has a significant effect on etravirine pharmacokinetics.
Conclusions: The present study underlines the importance of combining in vitro and in silico biopharmaceutical tools to advance our knowledge in the field of bio-enabling formulations. Future studies on other bio-enabling formulations can be used to further explore this approach to support rational formulation design as well as robust prediction of clinical outcomes.
Formulation scientists have developed a toolkit of strategies that can improve the solubility and subsequent bioavailability of poorly soluble candidates. Amorphous formulations are especially appealing due to the significant improvement in solubility the amorphous form can provide, but must be stabilized for effective performance (Timpe, 2007).
2. The Importance of Drug Polymer Interactions in Precipitation Inhibition
Polymeric “precipitation inhibitors” have seen widespread usage in the literature (Warren, 2010). The precipitation inhibition effect of polymers on precipitations is related to interference with nucleation and crystal growth (Xu, 2013). Many techniques have been reported in the literature to predict these interactions, however, they are not suitable to screening due to API and time resources required, which are not amenable to early stage pharmaceutical development.
3. Mesoporous Silica: An Emerging Formulation Technology
Mesoporous silicon dioxide has emerged in recent years as a new option for stabilizing the amorphous form. Upon impregnation of the silica with a concentrated drug solution, the drug can be molecularly adsorbed and locally and sterically confined, preventing recrystallization (Ditzinger, 2018). Upon administration of mesoporous silica formulations to the body the amorphous formulation generates supersaturation which must be stabilized using precipitation inhibitors (Guzman, 2007).
4. Co-incorporation: A New Method to Combine Precipitation Inhibitors with Mesoporous Silica
There has been no systematic study of how best to incorporate precipitation inhibitors into mesoporous silica formulations. The current standard practice involves combining inhibitors in a physical mixture with the drug-loaded silica, either by pestle and mortar or overhead stirring. Due to the lack of a defined protocol, there is uncertainty about how reliably the precipitation inhibitor is combined with the drug-loaded silica on a batch to batch basis. In this work, a novel co-incorporated formulation of glibenclamide and the precipitation inhibitor, HPMCAS, onto mesoporous silica was described. By co-incorporating the precipitation inhibitor, the formulation significantly outperformed the commonly applied simple physical blend due to the formation of drug-polymer interactions in the solid state.
5. In Silico Pharmaceutics: A New Method to Select Precipitation Inhibitors for Mesoporous Silica
An approach that can incorporate understanding of the drug-polymer interactions with a quick and efficient screening process would be very useful. The COnductor like Screening MOdel for Real Solvents (COSMO-RS) is a quantum mechanical theory, which can be used to derive thermodynamic properties of interest. (Klamt, 1993, 1995, 2003). We proposed excess mixing enthalpies of drug and polymer could be calculated using the COSMO-RS theory. This new approach was applied to screen precipitation inhibitors for three model compounds, all of which showed a strong positive correlation between the rank assigned based on the calculated free enthalpy of mixing and the overall formulation performance.
6. Conclusion
This body of work aimed to improve the processes underpinning the design and development of mesoporous silica with precipitation inhibitors. Firstly, this involved two extensive literature reviews in the area of solubility enhancement formulation technologies and precipitation inhibition. Secondly, a mechanistic rational and experimental approach was developed to improve the formulation of precipitation inhibitors with mesoporous silica, the “co-incorporation” approach significantly improved process efficiency and formulation performance. Finally, combining insights from the aforementioned review, and learnings from the mechanistic analysis of the “co-incorporation” approach, an in silico screening protocol was developed to calculate the enthalpy of interaction between drug and polymer, to identify the most optimal precipitation inhibitor for a given formulation.
Central cholinergic function and metabolic changes in streptozotocin‐induced rat brain injury
(2020)
As glucose hypometabolism in the brain is an early sign of Alzheimer´s dementia (AD), the diabetogenic drug streptozotocin (STZ) has been used to induce Alzheimer‐like pathology in rat brain by intracereboventricular injection (icv‐STZ). However, many details of the pathological mechanism of STZ in this AD model remain unclear. Here, we report metabolic and cholinergic effects of icv‐STZ using microdialysis in freely moving animals. We found that icv‐STZ at a dose of 3 mg/kg (2 × 1.5 mg/kg) causes overt toxicity reflected in body weight loss. Three weeks after STZ administration, histological examination revealed a high number of glial fibrillary acidic protein reactive cells in the hippocampus, accompanied by Fluoro‐Jade C‐positive cells in the CA1 region. Glucose and lactate levels in microdialysates were unchanged, but mitochondrial respiration measured ex vivo was reduced by 9%–15%. High‐affinity choline uptake, choline acetyltransferase, and acetylcholine esterase (AChE) activities in the hippocampus were reduced by 16%, 28%, and 30%, respectively. Importantly, extracellular acetylcholine (ACh) levels in the hippocampus were unchanged and responded to behavioral and pharmacological challenges. In comparison, extracellular ACh levels and cholinergic parameters in the striatum were unchanged or slightly increased. We conclude that the icv‐STZ model poorly reflects central cholinergic dysfunction, an important characteristic of dementia. The icv‐STZ model may be more aptly described as an animal model of hippocampal gliosis.
Currently, due to the misuse of antibiotics, we are facing a major public health problem. The resistance to antibiotics of certain bacterial strains makes the treatment of infections very complex.
In this context, the present thesis project concerns the study of a bacterial efflux complex capable of transporting antibiotics from the cytoplasm to the outside of the cell. This complex is composed of an inner-membrane Major Facilitator Superfamily (MFS) transporter (EmrB, E. coli multidrug resistance), a channel of the outer membrane TolC (Tolerance to Colicin E1) and a periplasmic adapter (EmrA, E. coli multidrug resistance). Unlike RND-type efflux systems (such as AcrAB-TolC), little is known about the MFS-type EmrAB-TolC system. It is therefore important to study the entire complex on a structural and functional level, to analyse the marked differences between these two types of transport systems. The goal of my thesis project was to study at least one EmrAB-TolC complex from a structural point of view. For my studies the aim was to isolate the complex directly from bacteria overexpressing the three protein partners. In a first step, 15 homologous EmrAB-TolC systems were identified and their corresponding genes amplified from genomic DNA of different Gram-negative bacteria. Among the genes of the 15 systems, the genes coding for the E. coli and V. cholerae systems were further studied. The expression vectors encoded fluorescent markers for the monitoring of the expression levels of different proteins and for studying the formation of complexes. In a first step, the different protein expression levels (EmrB-mRFP1 and EmrA-sfGFP) were studied for several expression strains of E. coli by measuring the red and green fluorescence levels and by Western blot (anti-His, Myc, and Strep for EmrB, EmrA, and TolC). The E. coli strain C41(DE3) was best suited for co-expression of EmrAB-TolC. In a second step, the FSEC (Fluorescence detection Size Exclusion Chromatography) methodology was used to identify a complex suitable for structural study. Thus this method enabled the observation that the EmrAB-TolC complex of E. coli was produced in higher amount than that of V. cholerae. The final co-purification protocol consists in perfoming a gentle lysis of the bacteria using lysozyme, then after solubilization with DDM, the purification is started by a Ni2+-NTA affinity chromatography step followed by a size exclusion chromatography step. Finally, the fractions containing the three protein partners are used for the detergent-exchange by amphipol A8-35 before the structural study by electron microscopy. Negative stain EM-micrographs displayed elongated objects with a length of 33 nm in side view. An average image of EmrAB-TolC shows similarities to that of the AcrAB-TolC complex observed under similar conditions. Similarities included the characteristic densities of TolC. Whereas differences were found in the lower part of EmrAB which is thinner than the lower part of AcrAB. The densities visible above the amphipol-ring correspond to EmrA, which displays a channel-like structure as in AcrA. The channel however seems to extend further towards the amphipol belt. Since EmrB does not have an extended periplasmic domain as the RND proteins have, these densities are therefore solely assigned to EmrA. EmrA, on the other side, contacts TolC akin to the interaction of AcrA/MexA to their cognate outer membrane channels (TolC/OprM) in a ‘tip-to-tip’ fashion.
Während hohe Spiegel von reaktiven Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS) in Form von oxidativem Stress schädliche Auswirkungen auf den Körper haben können, zeigen aktuelle Forschungsarbeiten, dass Redox-Modifikationen an Thiolresten von Proteinen reversible Signalprozesse steuern können. Dieses Prinzip der posttranslationalen Proteinmodifikation durch Redox-Signale scheint auch bei der Verarbeitung und Chronifizierung von Schmerzen von Bedeutung zu sein. Über die potenziellen Redox-modulierten Zielstrukturen im nozizeptiven System ist jedoch bisher nur wenig bekannt.
Ein potentielles Redoxtarget im nozizeptiven System ist das kleine EF-Hand Ca2+-bindende Protein S100A4. Wie die anderen Familienmitglieder der S100-Proteinfamilie enthält S100A4 Cysteinreste, die in der Lage sind, redoxabhängig modifiziert zu werden. Studien an menschlichen Biopsien nach Gehirnverletzungen und an Mäusen in Verletzungsmodellen konnten zeigen, dass S100A4 neuroprotektiv wirkt. Darüber hinaus kann S100A4 sezerniert werden und vermittelt extrazellulär insbesondere regulatorische Funktionen innerhalb der Angiogenese, bei der Zellmigration sowie bei zellulären Differenzierungsprozessen. Die Funktionen von S100A4 im nozizeptiven System sind jedoch weitgehend unbekannt. In Vorarbeiten zu diesem Projekt wurde in einem Proteom-Screen beobachtet, dass S100A4 nach einer peripheren Nervenverletzung redoxabhängig im verletzten Nervengewebe hochreguliert wird. Darauf basierend wurde im Rahmen dieser Arbeit die Lokalisation von S100A4 innerhalb des nozizeptiven Systems sowie die funktionelle Bedeutung nach peripherer Nervenverletzung genauer untersucht.
Anhand von Immunfluoreszenzaufnahmen konnte gezeigt werden, dass S100A4 basal in Subpopulationen Peripherin- und NF200-positiver sensorischer Neurone lokalisiert ist. Interessanterweise führt eine Nervenverletzung nicht nur zu einer deutlichen Steigerung der S100A4-Expression im Bereich der Verletzungsstelle, sondern auch zu einer Änderung des neuronalen Verteilungsmusters. Die funktionelle Bedeutung von S100A4 für die Verarbeitung von Schmerzen wurde anhand von Verhaltenstests an Mäusen näher charakterisiert. Dafür wurden gewebsspezifische S100A4 Knockout Mäuse (Adv-S100A4-/-) und globale S100A4 Knockout Mäuse (S100A4-/-) generiert. In Modellen der akuten Nozizeption zeigten sowohl Adv-S100A4-/- als auch S100A4-/- Mäuse eine normale Reaktion auf thermische und mechanische Stimuli. Im „Spared Nerve Injury“ (SNI) Modell für periphere Neuropathien zeigten die S100A4-/- Mäuse eine im Vergleich zu wildtypischen (WT) Mäusen signifikant reduzierte mechanische Hyperalgesie, während bei den gewebsspezifischen Adv-S100A4-/- Mäusen kein verändertes Schmerzverhalten beobachtet werden konnte. Im „Crush Injury“ Modell für periphere Neuropathien war die mechanische Hyperalgesie der S100A4-/- Mäuse im Vergleich zu WT Tieren jedoch nicht verändert. Zusätzlich zur mechanischen Hyperalgesie wurden auch weitere Methoden der Quantifizierung des Schmerzverhaltens (Sciatic Functional Index, Brush Test und Wühlverhalten) etabliert. Allerdings war auch hier das Verhalten der S100A4-/- Mäuse mit dem der WT Mäuse vergleichbar. Darüber hinaus war das durch Applikation eines ROS-Donors induzierte nozizeptive Verhalten von S100A4-/- und WT Mäusen ähnlich. Man kann daher schlussfolgern, dass nach einer peripheren Nervenverletzung die S100A4-Expression insbesondere im Bereich der Verletzungsstelle hochreguliert wird. Dem gegenüber scheint S100A4 jedoch für die Schmerzverarbeitung funktionell nur von untergeordneter Bedeutung zu sein.
Ein weiteres potentielles Redoxtarget im nozizeptiven System ist die lösliche Epoxidhydrolase (soluble epoxide hydrolase, sEH). Die funktionelle Bedeutung von sEH für die Schmerzverarbeitung wurde bereits in früheren Studien belegt, da eine Behandlung mit sEH-Inhibitoren bei Ratten zu einer reduzierten Hypersensitivität in inflammatorischen und neuropathischen Schmerzmodellen führte. Während die analgetische Wirkung von sEH-Inhibitoren bereits gut bekannt ist, wurde eine redoxabhängige Modulation der sEH-Aktivität im nozizeptiven System in bisherigen Forschungsarbeiten kaum untersucht. Bestimmte Elektrophile können die sEH inhibieren, indem sie an das redoxaktive Cystein an Position 521 der sEH binden. Forschungsarbeiten konnten in diesem Zusammenhang bereits zeigen, dass die Cys521-vermittelte Inhibition von sEH durch das Prostaglandin 15d-PGJ2 oder 9-/10-Nitrooleonsäure (NO2-OA) im kardiovaskulären System zu einer Dilatation der Koronargefäße und einer Reduktion des Blutdrucks führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob es durch eine redoxabhängige Hemmung der sEH-Funktion auch innerhalb des nozizeptiven Systems zu einer veränderten Schmerzreaktion bei Mäusen kommt. Um diese Fragestellung beantworten zu können, wurden sEH-Knockin (sEH-KI) Mäuse verwendet, deren redox-sensitives Cystein 521 durch ein Serin ersetzt wurde. Bei diesen Knockin-Mäusen können Elektrophile wie 15d-PGJ2 oder 9-/10-NO2-OA keine Enzyminhibition erzeugen. Die Charakterisierung der sEH-KI Mäuse zeigte sowohl in akuten als auch inflammatorischen Schmerzmodellen (Formalin Test und Zymosan-Pfotenentzündungsmodell) keinen Zusammenhang der Redoxmodifikation mit dem Schmerzverhalten der Mäuse. Auch in neuropathischen und viszeralen Schmerzmodellen (SNI-Modell und Modell der Zymosan-induzierten Peritonitis) konnte kein verändertes Schmerzverhalten der sEH-KI-Mäuse im Vergleich zu Kontrolltieren beobachtet werden. Darüber hinaus war das nozizpetive Verhalten nach Applikation von 15d-PGJ2 bei sEH-KI und WT Mäusen vergleichbar. Die redoxabhängige Modulation der sEH an Cystein 521 scheint demnach, im Gegensatz zum kardiovaskulären System, im nozizeptiven System keine Rolle zu spielen.
Die Kommunikation von Zellen mit ihrer Umgebung wird durch Rezeptorproteine arrangiert, die sich in der Plasmamembran befinden. Membranrezeptoren werden durch die Bindung von extrazellulären Liganden, Pathogenen oder Zell-Zell-Interaktionen aktiviert, wodurch die Bildung eines aktiven Zustands gefördert wird, der eine intrazelluläre Reaktion einleitet. Eine Beschreibung auf molekularer Ebene, wie sich Membranrezeptoren in Proteinanordnungen organisieren und wie diese Proteinanordnungen eine spezifische funktionelle Aufgabe ausführen, ist der Ausgangspunkt für das Verständnis der molekularen Mechanismen, die Gesundheit und Krankheit zugrunde liegen.
Die Fluoreszenzmikroskopie gibt Aufschluss über die Lage von Proteinen in Zellen, und mit der Einführung der höchstauflösenden Mikroskopie wurde der Nachweis einzelner Proteingruppierungen möglich. Eine Einschränkung der meisten Methoden der höchstauflösenden Mikroskopie ist, dass einzelne Komponenten einer Proteingruppierung optisch nicht aufgelöst werden können, was an der geringen Größe und dichten Packung der Bestandteile im Vergleich zur erreichbaren räumlichen Auflösung liegt. Eine Lösung, die für Einzelmolekül-Lokalisierungsmethoden gezeigt wurde, besteht darin, zusätzliche experimentelle Informationen in die Analyse zu implementieren, also „die Aufl sungsgrenze der höchstauflösenden Mikroskopie zu umgehen". Bei der Einzelmolekül-Bildgebung kann diese zusätzliche Information zum Beispiel die Kinetik von mehrfachen und wiederkehrenden
Emissionsereignissen sein, die bei einzelnen Fluorophoren beobachtet werden, was als "Blinken" bezeichnet wird. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer höchstauflösenden Fluoreszenzmikroskopiemethode zur Detektion von Proteinmonomeren und -dimeren in der Plasmamembran von Zellen durch die Verwendung der kinetischen Information.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurden photoschaltbare fluoreszierende Proteine als Reporter verwendet, deren photoschaltbare Kinetik mit kinetischen Gleichungen analysiert wurden.
Synthetische, genetische und zelluläre Referenzproteine wurden konstruiert und dienten als Kalibrierungsreferenzen für monomere und dimere Proteine.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde das kinetische Modell, das zur Annäherung des Häufigkeitshistogramms von Blinkereignissen einzelner Fluorophore verwendet wird, auf Oligomere höherer Ordnung erweitert. Ein Vergleich mit einem zuvor entwickelten Modell zeigte, dass das erweiterte Modell genauere Ergebnisse für Oligomere höherer Ordnung und Mischungen verschiedener Oligomere liefert. Zusätzlich wird die Anwesenheit von unerkannten Oligomeren berücksichtigt. Die erweiterte Theorie bietet somit die Grundlage, um größere Oligomere und Mischungen unterschiedlicher Stöchiometrie mit besserer Genauigkeit zu untersuchen.
Im dritten Teil dieser Arbeit wurde eine Methode zur stöchiometrischen endogenen Markierung von Proteinen verwendet, um zwei Rezeptortyrosinkinasen, MET und EGFR, mit einem photoschaltbaren fluoreszierenden Protein zu markieren. Das Vorkommen von monomerem und dimerem MET-Rezeptor wurde auf der Plasmamembran von HEK293T- Zellen mittels quantitativer höchstauflösender Mikroskopie bestimmt. Der Diffusionskoeffizient und der Diffusionsmodus des MET-Rezeptors in lebenden HEK293T-Zellen wurden mit
Einzelpartikelverfolgung gemessen. Dieser Teil der Arbeit zeigte, dass die Kombination von CRISPR/Cas12a-gestützter endogener Markierung und Einzelmolekül-Lokalisierungsmikroskopie ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung der molekularen Organisation und Dynamik von Membranproteinen ist.
Im vierten Teil dieser Arbeit wurde die Einzelmoleküldatenanalyse durch ein Softwaretool beschleunigt, das eine automatisierte und unvoreingenommene Detektion von Einzelmolekül-Emissionsereignissen ermöglicht. Der Anteil von Monomeren und Dimeren von fluoreszierenden Reportern wurde durch die Implementierung eines neuronalen Netzwerks bestimmt (die Software wurde von Alon Saguy geschrieben; Gruppe von Prof. Yoav Shechtman, Technion, Israel). Der oligomere Zustand der monomeren und dimeren Referenzproteine CD86 und CTLA-4 wurde erfolgreich bestimmt. Die automatisierte Detektion einzelner Proteingruppierungen ermöglichte die Analyse von MET-mEos4b in einzelnen Zellen, wodurch die Heterogenität zwischen den Zellen bestimmt und das Expressionsniveau des Rezeptors mit der Dimerisierung korreliert werden konnte.
Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit Ergebnisse zu elementaren Aspekten hin zu einer molekularen Quantifizierung von Proteinzahlen mittels Einzelmolekül-
Lokalisationsmikroskopie generiert, die fluoreszierende Reporter, stöchiometrische Markierung von zellulären Proteinen und Bildanalyse umfassen. Das Potential dieser
Entwicklungen wurde anhand der Beobachtung der Liganden-induzierten Verschiebung von monomeren zu dimeren MET-Rezeptoren in einzelnen HEK293T-Zellen gezeigt.
Investigating the inhibition of anti-apoptotic BCL-2 family proteins in pediatric cancer cells
(2020)
Cancer is amongst the leading causes of death in childhood. Rhabdomyosarcoma (RMS) is the most frequently occurring soft tissue sarcoma in children and adolescents. It presumably arises from mesenchymal progenitors of skeletal muscle cells and presents with different subtypes that differ both histologically and genetically. Osteosarcoma (OS) and Ewing sarcoma (ES) are the most frequently diagnosed pediatric bone tumors. Even though the prognosis of these cancer entities improved significantly during recent decades, the survival rates are currently stagnating. Especially, dismal prognosis of relapsed and metastasizing cases of these malignancies urgently call for novel treatment options. BCL-2 proteins are vital guardians that control intrinsic apoptosis. Furthermore, it was shown that BCL-2 proteins critically regulate apoptosis in pediatric solid tumors. BH3 mimetics are small molecules that bind and inhibit anti-apoptotic BCL-2 proteins. They have already been investigated as cancer therapeutics for several years and show first encouraging clinical results. Therefore, we hypothesized that targeting BCL-2, MCL-1 and BCL-XL might be a promising approach to treat RMS, OS and ES.
In this study, we aimed to comprehensively evaluate the potential of anti-apoptotic BCL-2 family proteins as therapeutic targets for pediatric solid tumors such as RMS, OS and ES.
Notably, RMS, OS and ES cells largely expressed the most relevant BCL-2 family protein members. However, cells were widely insensitive to single pharmacological inhibition of either BCL-XL, BCL-2 or MCL-1 by A-1331852, ABT-199 and S63845, respectively. This finding was independent of their BCL-2 family protein expression levels. Significantly, co-administration of A-1331852 and S63845 induced cell death in RMS, OS and ES cell lines in a highly synergistic manner. Transient silencing of MCL-1 and/or BCL-XL verified the co-dependency of RMS cells on these proteins for survival. Importantly, A-1331852/S63845 co-treatment was more efficient in causing cell death in RMS, OS and ES cells than either inhibitor combined with ABT-199. Efficacy of A-1331852/S63845 co-treatment could be additionally demonstrated in a primary sample of pediatric malignant epithelioid mesothelioma.
Mechanistically, concomitant A-1331852/S63845 treatment mediated rapid intrinsic apoptosis involving swift loss of the mitochondrial outer membrane potential as well as activation of caspases-3, -8 and -9. An observed caspase dependent loss of MCL-1 might further amplify the A-1331852/S63845 triggered pro-death signaling. Furthermore, we identified BAX and BAK as key mediators of apoptosis caused by dual inhibition of MCL-1 and BCL-XL. A-1331852/S63845 induced cell death was relying on BAX and/or BAK in a cell line dependent manner. Interestingly, treatment with A-1331852 and S63845 liberated BAK from its interaction with MCL-1 and BCL-XL. Moreover, BAX and BAK were activated and interacted with each other to form a pore in the outer mitochondrial membrane. Further, in RD cells BIM and NOXA partially contributed to A-1331852/S63845 mediated cell death. Consistently, in this cell line BIM and NOXA were disrupted from their binding to BCL-XL and MCL-1 by A-1331852 and S63845, respectively. However, BH3 only proteins were not involved in A-1331852/S63845 induced cell death in Kym-1 cells. Therefore, we concluded that BH3 only proteins played only a marginal and cell line dependent role in mediating cell death caused by MCL-1 and BCL-XL co-repression.
Notably, A-1331852/S63845 co-treatment spared non-malignant fibroblasts, myoblasts and peripheral blood mononuclear cells, which suggests a therapeutic window for its application in vivo. Besides, we could demonstrate that sequential BH3 mimetic treatment still significantly induced cell death, albeit to minor extents compared to its dual administration. Importantly, we successfully evaluated concomitant treatment with A-1331852 and S63845 in multicellular RMS spheroids and in an in vivo embryonic chicken model of RMS. These findings stress the high transcriptional relevance of A-1331852/S63845 as an emerging novel cancer regimen.
Collectively, the thesis at hand explored the great potential of co-treatment with A-1331852 and S63845 in pediatric solid tumors and unveiled the underlying molecular mechanisms of cell death in RMS. Together, the current investigations support further preclinical and clinical studies to evaluate the effect of dual MCL-1 and BCL-XL targeting in pediatric solid tumors.
Metabolites such as lactate and free fatty acids (FFAs) abundantly occur in high concentrations in tumor and stromal cells of solid malignancies. Their known functions comprise the allocation of nutrients and intermediates for the generation of cell components, the evasion of immune destruction, the induction of vessel formation and the stimulation of cell migration in order to promote tumor growth, progression and metastasis. However, the role of metabolites as signaling molecules and the downstream mechanisms of metabolite receptor mediated signaling in tumor and stromal cells is poorly understood. Our study confirms the expression of Hydroxycarboxylic acid receptor 1 (HCA1) in solid human breast tumors and the expression of Free fatty acid receptor 4 (FFA4) in solid human colorectal tumors. In addition, the expression of HCA1 in human breast cancer cell lines as well as the expression of FFA4 in human colorectal cancer cell lines was proved. Moreover, our research reveals the expression HCA2, FFA2 and FFA4 in tumor associated macrophages (TAMs).
To test whether the loss of any of the metabolite receptors affects tumor growth and progression we utilized a syngeneic Lewis lung cancer (LLC1) tumor model, an azoxymethane (AOM) – dextran sulfate (DSS) colorectal cancer model and a Mouse mammary tumor virus Polyoma Virus middle T antigen (MMTV-PyMT) breast cancer model. The loss of HCA2 did not lead to a changed outcome compared to wild type littermates in any of the models. Likewise, the deletion of FFA4 had no influence on the LLC1 model and, surprisingly, tumor number and area in the AOM-DSS model also remained unaltered. The impact of HCA1 deficiency was investigated utilizing the MMTV-PyMT model and revealed a moderately improved tumor growth. The absence of FFA2 did not affect tumor growth in the LLC1 model but led to an increased number of colorectal tumors in the AOM-DSS model while the tumor area remained unchanged. The most compelling results were obtained upon the deletion of FFA2 in the MMTV-PyMT model. Here, we demonstrate that the loss of FFA2 significantly reduces tumor latency and also significantly improves tumor growth. Nevertheless, the formation of metastases in the LLC1 model and the MMTV-PyMT model did not show any changes upon the loss of any of the metabolite receptors.
Together, our results describe a tumor-protective effect of FFA2 with an unclear impact on metastatic processes. Considerations about putative mechanisms of short chain fatty acid (SCFA) mediated FFA2 signaling suggest potential targets for pharmacological interventions to treat mammary tumors.
Alzheimer’s disease (AD) is the most prevalent neurodegenerative disease causing dementia and poses significant health risks to middle-aged and elderly people. Brain magnetic resonance imaging (MRI) is the most widely used diagnostic method for AD. However, it is challenging to collect sufficient brain imaging data with high-quality annotations. Weakly supervised learning (WSL) is a machine learning technique aimed at learning effective feature representation from limited or low-quality annotations. In this paper, we propose a WSL-based deep learning (DL) framework (ADGNET) consisting of a backbone network with an attention mechanism and a task network for simultaneous image classification and image reconstruction to identify and classify AD using limited annotations. The ADGNET achieves excellent performance based on six evaluation metrics (Kappa, sensitivity, specificity, precision, accuracy, F1-score) on two brain MRI datasets (2D MRI and 3D MRI data) using fine-tuning with only 20% of the labels from both datasets. The ADGNET has an F1-score of 99.61% and sensitivity is 99.69%, outperforming two state-of-the-art models (ResNext WSL and SimCLR). The proposed method represents a potential WSL-based computer-aided diagnosis method for AD in clinical practice.
Most fungal fatty acid synthases assemble from two multidomain subunits, α and β, into a heterododecameric FAS complex. It has been recently shown that the complex assembly occurs in a cotranslational manner and is initiated by an interaction between the termini of α and β subunits. This initial engagement of subunits may be the rate-limiting phase of the assembly and subject to cellular regulation. Therefore, we hypothesized that bypassing this step by genetically fusing the subunits could be beneficial for biotechnological production of fatty acids. To test the concept, we expressed fused FAS subunits engineered for production of octanoic acid in Saccharomyces cerevisiae. Collectively, our data indicate that FAS activity is a limiting factor of fatty acid production and that FAS fusion proteins show a superior performance compared to their split counterparts. This strategy is likely a generalizable approach to optimize the production of fatty acids and derived compounds in microbial chassis organisms.
Genetic code expansion facilitates position-selective modification of nucleic acids and proteins
(2020)
Transcription and translation obey to the genetic code of four nucleobases and 21 amino acids evolved over billions of years. Both these processes have been engineered to facilitate the use of non-natural building blocks in both nucleic acids and proteins, enabling researchers with a decent toolbox for structural and functional analyses. Here, we review the most common approaches for how labeling of both nucleic acids as well as proteins in a site-selective fashion with either modifiable building blocks or spectroscopic probes can be facilitated by genetic code expansion. We emphasize methodological approaches and how these can be adapted for specific modifications, both during as well as after biomolecule synthesis. These modifications can facilitate, for example, a number of different spectroscopic analysis techniques and can under specific circumstances even be used in combination.
Molecular analysis of the ribosome recycling factor ABCE1 bound to the 30S post-splitting complex
(2020)
Ribosome recycling by the twin-ATPase ABCE1 is a key regulatory process in mRNA translation and surveillance and in ribosome-associated protein quality control in Eukarya and Archaea. Here, we captured the archaeal 30S ribosome post-splitting complex at 2.8 Å resolution by cryo-electron microscopy. The structure reveals the dynamic behavior of structural motifs unique to ABCE1, which ultimately leads to ribosome splitting. More specifically, we provide molecular details on how conformational rearrangements of the iron–sulfur cluster domain and hinge regions of ABCE1 are linked to closure of its nucleotide-binding sites. The combination of mutational and functional analyses uncovers an intricate allosteric network between the ribosome, regulatory domains of ABCE1, and its two structurally and functionally asymmetric ATP-binding sites. Based on these data, we propose a refined model of how signals from the ribosome are integrated into the ATPase cycle of ABCE1 to orchestrate ribosome recycling.
Fragment-based screening has evolved as a remarkable approach within the drug discovery process both in the industry and academia. Fragment screening has become a more structure-based approach to inhibitor development, but also towards development of pathway-specific clinical probes. However, it is often witnessed that the availability, immediate and long-term, of a high quality fragment-screening library is still beyond the reach of most academic laboratories. Within iNEXT (Infrastructure for NMR, EM and X-rays for Translational research), a EU-funded Horizon 2020 program, a collection of 782 fragments were assembled utilizing the concept of “poised fragments” with the aim to facilitate downstream synthesis of ligands with high affinity by fragment ligation. Herein, we describe the analytical procedure to assess the quality of this purchased and assembled fragment library by NMR spectroscopy. This quality assessment requires buffer solubility screening, comparison with LC/MS quality control and is supported by state-of-the-art software for high throughput data acquisition and on-the-fly data analysis. Results from the analysis of the library are presented as a prototype of fragment progression through the quality control process.
At the beginning of the 1980s, an increased frequency of immune deficiency was discovered in a population of homosexual men, which is nowadays known as the Acquired Immune Deficiency Syndrome (AIDS). A few years later, the retro virus Human Immunodeficiency Virus 1(HIV-1) has been discovered as the cause of AIDS. Since the beginning of the pandemic, more that 74 million people have become infected and more than 32 million people died. In 2018, it was estimated that 38 million people where living with HIV-1 of which 24.5 million had access to Highly Active Antiretroviral Therapy (HAART), which blocks viral replication and prevents the progression towards AIDS. In the most cases an HIV-1 infection leads to the patient’s death within a few years Without HAART.
Taken together, this thesis shows that hematopoietic stem and progenitor cells harbor the prerequisites and characteristics to form an HIV-1 reservoir in vivo. The subsets of HSCs, MPPs and CD34+CD38+ progenitors harbor CD4 & CXCR4 double-positive cells as well as a lower amount of CD4 & CCR5 doublepositive cells. In addition, the susceptibility to X4-tropic HIV-1 is shown in vitro. Susceptibility to R5-tropic HIV-1 is only seen to a very low amount for CD34+CD38+ progenitors. The results also show that transduced HSPCs are capable to pass on integrated viral genomes via proliferation and differentiation during in vitro colony formation. More over the experiments provide evidence that this can take place for long time span as the outcome of the replating assays shows. Ex vivo analysis of HSPCs isolated from PLHIV also suggests that these cells are susceptible to HIV-1. Proviral DNA detection using a nested PCR showed infection of Lin- cells of a single donor with an R5-tropic subtype B HIV-1 clone. However, the assay could not detect infection of CD34+ cells. The
received results of this thesis are in agreement with previously published results. Albeit the obvious susceptibility to HIV-1 and existing reports of viral survival within HSPCs for several years, the low frequency of detected in vivo infected HSPCs could be related to the cytopathic effects of HIV-1 during replication resulting in cell death of potentially infected CD34+ cells. Other reasons could be associated with assay sensitivity or the small number of available patient samples. This makes hematopoietic stem and progenitor cells a target, which can be infected by HIV-1. The role and the clinical relevance of hematopoietic stem and progenitor cells in contribution to the latent viral HIV-1 reservoir within an HIV-1 infected patient needs to be further analyzed.
In optogenetischen Anwendungen, welche die Manipulation von zellulären Aktivitäten durch Licht ermöglichen, werden die Eigenschaften von mikrobiellen Rhodopsinen, einer Familie natürlich vorkommender lichtgesteuerter Proteine, ausgenutzt.
In der vorliegenden Arbeit wurden die einwärts transportierende Protonenpumpe NsXeR, sowie die auswärts Natriumionenpumpe KR2 untersucht. Des Weiteren wurden Tandem Proteine betrachtet, die mikrobielle Rhodopsine kombinieren mit dem Chemokinrezeptor CXCR4, der durch SDF1 aktiviert und anschließend in Endosomen internalisiert wird.
Für die Untersuchung des Mechanismus, der die Vektorialität in NsXeR bestimmt, wurde eine umfassende elektrophysiologische Studie durchgeführt. In Patch Clamp Messungen an NsXeR exprimierenden NG108-15 Zellen wurden bei kontinuierlicher 561 nm Beleuchtung aktive Einwärtsströme entgegen eines elektrochemischen Gradienten gemessen. Ein Einfluss des intrazellulären pHs auf die steady-state Ströme und deren Abfallkinetik konnte nicht festgestellt werden. Der Vergleich der exponentiellen Abfallrate k2 mit den Übergängen im NsXeR Photozyklus, lässt den Schluss zu, dass der ratenlimitierende Schritt der MII Zerfall ist.
Die elektrogenen Schritte im NsXeR Photozyklus wurden mit elektrischen Messungen an der black lipid membrane (BLM) an NsXeR Proteoliposomen bestimmt. Die Belichtung mit 20 ns Lichtpulsen bei 556 nm rufen Spannungssignale hervor, die exponentiell gefittet wurden, wobei drei elektrogene Schritte identifiziert werden konnten. Bei pH 7.4 betrugen die ermittelten Zeitkonstanten etwa 220 µs, 1 ms und 15 ms, denen 42%, 10% und 48% an der Gesamtladungsverschiebung zugeordnet wurden. Die elektrogenen Schritte konnten den Übergängen im Photozyklus zugeordnet werden, wobei der erste Schritt mit t1 dem MI Aufbau (Deprotonierung Schiff’sche Base, Protonenabgabe zur intrazellulären Seite) zugeschrieben wurde. t2 wurde dem MI→MII Übergang (Switch, Zugänglichkeitsänderung vom Intra- zum Extrazellulären) zugeordnet und t3 korreliert mit dem MII Zerfall (Reprotonierung Schiff’sche Base, Protonenaufnahme von der extrazellulären Seite).
Die Kinetik und der Ladungstransportanteil des zweiten elektrogenen Schritts haben keine starke pH Abhängigkeit, was sich dadurch erklären lässt, dass t2 durch eine Konformationsänderung bestimmt wird. t1 und t3 werden bei höheren pH Werten beschleunigt, was sich bei t1 mit einer erleichterten intrazellulären Protonenabgabe erklären lässt. Für t3 wurde eine Reprotonierung durch eine Donor Gruppe Asp76 vorgeschlagen. Die pH-sensitive Änderung der relativen Ladungstransferanteile des ersten und dritten elektrogenen Schrittes (∆ΨI und ∆ΨIII) wurden durch eine mögliche Verzögerung der frühen Protonenabgabe bei niedrigen pH Werten erklärt.
Der mutmaßliche Protonenakzeptor Asp220 wurde gegen Asn und Glu ausgetauscht und in Patch Clamp sowie UV-Vis Spektroskopie Messungen untersucht. Für D220N wurden keine Pumpströme und kein Einfluss auf die maximale Absorptionswellenlänge λmax festgestellt. D220E dagegen führte zu einer Erniedrigung des pKa-Werts der Schiff’schen Base und zu einer Verminderung der Iss-Abfallsrate k2 in Patch Clamp Dauerbelichtungsmessungen (D220E k2 = 27.1 ± 1.8 Hz, Wildtyp k2 = 83.1 ± 2.6 Hz). Daraus konnte geschlossen werden, dass Asp220 wesentlich für den Protonentransport ist und nicht als Gegenion für die protonierte Schiff’sche Base dient.
In Patch Clamp Experimenten bei 561 nm Dauerbelichtung und zusätzlicher gepulster Belichtung bei 355 nm wurde der Blaulichteffekt an NsXeR untersucht, bei dem Proteine im M Intermediat ein Photon absorbieren und unter Reprotonierung der Schiff’schen Base in den Grundzustand zurückkehren.
Für NsXeR konnte eine Potentialabhängigkeit für die Richtung der transienten Ströme, die durch die
355 nm Belichtung hervorgerufen wurden, festgestellt werden. Beim NsXeR Blaulichteffekt scheint eine
Reprotonierung der Schiff’schen Base von beiden Seiten möglich zu sein, was auf die unterschiedlichen Zugänglichkeiten in den beiden M Zuständen MI und MII zurückgeführt wurde. Es wurde ein Modell vorgeschlagen, welches auf einem potentialabhängigen Gleichgewicht zwischen MI und MII basiert.
In Patch Clamp Messungen an KR2 exprimierenden NG108-15 Zellen wurden die Pumpströme untersucht, die durch den auswärts Transport von Na+ und H+ hervorgerufen wurden. Die Na+-Konzentrationen der intra- und extrazellulären Lösungen wurden symmetrisch variiert und die steady-state Ströme Iss bei 532 nm Dauerbelichtung betrachtet. Mit steigender Na+-Konzentration zeigte sich ein Übergang von einer linearen Potentialabhängigkeit der Iss, zu einem sättigungsähnlichen Verhalten bis hin zu einer fast glockenförmigen Form. Da die exponentielle Abfallrate der steady-state Ströme k2 in ihrer Potentialabhängigkeit mit den Iss korrelierte, konnte geschlossen werden, dass die Ströme überwiegend kinetisch limitiert sind. Die Erhöhung der Rate k2 mit steigender Na+-Konzentration zwischen -120 mV und -60 mV deutet darauf hin, dass die Na+-Aufnahme von der intrazellulären Seite bei diesen Bedingungen die Limitierung für die Pumpe darstellt.
Unter Na+-“freien” Bedingungen wurde der Einfluss des intrazellulären pHs untersucht. Für die Rate k2 wurde eine Erhöhung bei niedrigen pH Werten festgestellt und die Potentiale E0 (Iss = 0 pA) verschoben bei niedrigem intrazellulärem pH zu hyperpolarisierenden Potentialen. Daraus lässt sich schließen, dass die steady-state Ströme durch den Transport von Protonen hervorgerufen wurden.
In Messungen mit gepulster 530 nm Belichtung wurden die transienten Pumpströme gemessen und durch exponentielles Fitten des Stromabfalls drei elektrogene Schritte identifiziert. Eine Abhängigkeit vom Potential und der Na+-Konzentration konnte nur für den dritten Schritt mit der Rate 1/τ3 festgestellt werden, wobei 1/τ3 mit der Na+-Konzentration und bei positiveren Potentialen steigt. Unter Na+-“freien” Bedingungen steigt 1/τ3 auch mit niedrigeren intrazellulären pH Werten. Die elektrogenen Schritte wurden dem KR2 Photozyklus zugeordnet, wobei ein Modell angewendet wurde, das einen M1→M2 Übergang einführt. Diesem wurde der zweite elektrogene Schritt zugeordnet. Die relativen Ladungstransportanteile Q2 und Q3 des zweiten und dritten elektrogenen Schrittes sind sowohl potential- als auch Na+-abhängig. Um dieses Verhalten zu erklären, wurde ein Modell vorgeschlagen, bei dem ein Ausgleichsladungstransfer in Form von einer Protonenabgabe und -wiederaufnahme während des Photozyklus eingeführt wurde.
In Patch Clamp Messungen wurde die erhaltene Funktionalität der ChR2 Mutante ChR2(L132C) mit erhöhter Ca2+-Permeabilität im Tandem Protein tCXCR4/CatCh nachgewiesen. Auch die Internalisierung von tCXCR4/CatCh konnte anhand der zeitabhängigen Abnahme des CatCh-Signals nach der CXCR4-Aktivierung durch SDF1 in Strommessungen beobachtet werden. Für tCXCR4/Arch, ein Tandem Protein mit einer Protonenpumpe, wurde die SDF1-induzierte Internalisierung mit Hilfe der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie betrachtet und eine Kolokalisierung der Fluoreszenz des im Tandem exprimierten YFP und der eines gelabelten CXCR4-spezifischen Antikörpers in intrazellulären Vesikeln beobachtet. Bei Behandlung mit dem CXCR4 Antagonisten AMD3100 wurde die Kolokalisierung hauptsächlich in der Zellmembran festgestellt, da die Internalisierung blockiert war. Die Tandem Protein könnten als in intrazellulären Organellen wirkende optogenetische Werkzeuge eingesetzt werden für z.B. die Manipulation der intrazellulären Ca2+-Konzentration.