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Nematophilic bacteria as a source of novel macrocyclised antimicrobial non-ribosomal peptides
(2020)
A solution to ineffective clinical antimicrobials is the discovery of new ones from under-explored sources such as macrocyclic non-ribosomal peptides (NRP) from nematophilic bacteria. In this dissertation an antimicrobial discovery process –from soil sample to inhibitory peptide– is demonstrated through investigations on six nematophilic bacteria: Xenorhabdus griffiniae XN45, X. griffiniae VH1, Xenorhabdus sp. nov. BG5, Xenorhabdus sp. nov. BMMCB, X. ishibashii and Photorhabdus temperata. To demonstrate the first step of bacterium isolation and species delineation, endosymbionts were isolated from Steinernema sp. strains BG5 and VH1 that were isolated directly from soil samples in Western Kenya. After genome sequencing and assembly of novel Xenorhabdus isolates VH1 and BG5, species delineation was done via three overall genome relatedness indices. VH1 was identified as X. griffiniae VH1, BG5 as Xenorhabdus sp. nov. BG5 and X. griffiniae BMMCB was emended to Xenorhabdus sp. nov. BMMCB. The nematode host of X. griffiniae XN45, Steinernema sp. scarpo was highlighted as a putative novel species. To demonstrate the second step of genome mining and macrocyclic non-ribosomal peptide structure elucidation, chemosynthesis and biosynthesis, the non-ribosomal peptide whose production is encoded by the ishA-B genes in X. ishibashii was investigated. Through a combination of refactoring the ishA-B operon by a promoter exchange mechanism, isotope labelling experiments, high resolution tandem mass spectrometry analysis, bioinformatic protein domain analysis and chemoinformatic comparisons of actual to hypothetical mass spectrometry spectra, the structures of Ishipeptides were elucidated and confirmed by chemical synthesis. Ishipeptide A was a branch cyclic depsidodecapeptide macrocyclised via an ester bond between serine and the terminal glutamate. It chemosynthesis route was via a late stage macrolactamation and linearised Ishipeptide B was synthesised via solid phase iterative synthesis. Ishipeptides were not N-terminally acylated despite being biosynthesised from the IshA protein that had a C-starter domain. It was highlighted that more than restoration of the histidine active site of this domain is required to restore N-terminal acylation activity.
To demonstrate the final step of determination of antimicrobial activity, minimum inhibitory concentrations of Ishipeptides and Photoditritide from Photorhabdus temperata against fungi and bacteria were determined. None were antifungal while only the macrocyclic compounds were inhibitory, with Ishipeptide A inhibitory to Gram-positive bacteria at 37 µM. The cationic Photoditritide, a cyclic hexapeptide macrocyclised via a lactam bond between homoarginine and tryptophan, was 12 times more inhibitory (3.0 µM), even more effective than a current clinical compound, Ampicillin (4.2 µM). For both, macrocyclisation was hypothesised to contribute to antimicrobial activity. Ultimately, this dissertation demonstrated not only nematophilic bacteria as a source of novel macrocyclic antimicrobial non-ribosomal peptides but also a process of antimicrobial discovery–from soil sample to inhibitory peptide– from these useful bacteria genera. This is significant for the fight against antimicrobial resistance.
Although immune checkpoint inhibitors such as anti-PD-1 antibodies have shown remarkable clinical success in many different tumor types, the proportion of patients benefiting from this treatment option remains low. Therefore, there is a need to sensitize tumors for immune checkpoint blockade. In this study two approaches were tested, a chemoimmunotherapy approach combining PD-1 checkpoint blockade with doxorubicin (DOX) chemotherapy, and ablation of the sphingosine-1-phosphate (S1P) receptor (S1PR4) based on the following rationale. Chemotherapy was shown to induce immune paralysis which contributes to tumor relapse, while PD-1 signaling was shown to facilitate the acquisition of chemoresistance. Thus, combinatorial chemoimmunotherapy is expected to be beneficial by maintaining or even activating anti-tumor immunity during chemotherapy. S1PR4 is an immune cell specific receptor, whose ablation slowed tumor progression by activating anti-tumor immunity in a mouse model that was previously insensitive to anti-PD-1 monotherapy. This suggested that S1PR4 ablation might pre-activate immunity to sensitize for anti-PD-1 therapy.
To test these combinatorial approaches, two tumor mouse models were employed, namely the MC38 murine adenocarcinoma model as well as the transgenic polyoma middle T oncogene (PyMT) breast cancer model. In the MC38 model, a mild synergistic effect of PD-1 immune checkpoint blockade and S1PR4 ablation was observed, indicated by improved tumor progression and survival as compared to the WT control, and an increased number of tumor-free mice compared to anti-PD-1 therapy alone in WT mice. These observations correlated with an enhanced natural killer (NK) cell infiltrate and increased CXCL9 and CXCL10 production in anti-PD-1 treated S1PR4 KO tumors. As noted before, the PyMT model was largely resistant to anti-PD-1 monotherapy in a therapeutic setting. S1PR4 ablation alone showed significant tumor reduction that was not further enhanced by anti-PD-1 treatment. The same was observed when chemotherapy with DOX was added, where WT tumors relapsed, while S1PR4 KO tumor did not. Addition of anti-PD-1 did only mildly increase tumor control in S1PR4 KO mice, indicating that S1PR4 KO per se very efficiently re-activated anti-tumor immunity. Since S1PR4 KO induces type I 12 interferon (IFN-1) over-production in S1PR4 KO PyMT tumors, a link between high IFN-1 levels and tumor immunity was tested by using mice deficient in the IFN-1 receptor (IFNAR1). Unexpectedly, DOX chemotherapy was most efficient in mice with IFNAR ablation only as compared to WT, S1PR4 KO or S1PR4 and IFNAR1 double KO mice, although deficiency in IFNAR signaling is predominantly regarded as tumor promoting. The underlying mechanisms need to be tested in future studies. Interestingly, chemoimmunotherapy in WT mice prevented tumor relapse to a similar extent than S1PR4 KO and was superior to chemotherapy or immune checkpoint blockade alone. To investigate mechanisms of chemoimmunotherapy success compared to monotherapy, whole transcriptome analysis was used, which identified a set of genes that were upregulated specifically upon chemoimmunotherapy. This gene signature and, more specifically, a condensed four-gene signature predicted favorable survival of human mammary carcinoma patients in the METABRIC cohort.
Moreover, PyMT tumors treated with chemoimmunotherapy contained higher levels of cytotoxic lymphocytes, particularly NK cells. Gene set enrichment analysis and ELISA measurements revealed increased IL-27 production and signaling in PyMT tumors upon chemoimmunotherapy. Moreover, IL-27 improved NK cell cytotoxicity against PyMT cells in vitro. These data supported recent clinical observations indicating a benefit of chemoimmunotherapy compared to monotherapy in breast cancer and suggested potential underlying mechanisms.
Taken together the present work revealed new strategies to reactivate tumor immunity leading to improved chemotherapy response, namely a combination with immune checkpoint blockade and ablation of S1PR4, which activated different lymphocyte compartments within tumors.
The interleukin (IL)-1 family has been described for its numerous involvement in the regulation of inflammatory processes. Certain members are able to induce inflammation, whereas others have the capacity to inhibit inflammation. The newly discovered IL-1 family member IL-38 shows interesting and innovative properties. While most of these cytokines are pro-inflammatory mediators, IL-38 appears to enter the smaller circle of anti-inflammatory mediators. As a pattern, IL-38 appears to suppress IL-17-driven chronic or auto-inflammation by working as receptor antagonist. These properties, as well as its beneficial effects in models of inflammatory and autoimmune diseases suggest the possibility of IL-38-based therapies. Nevertheless, its role in the resolution of acute inflammation, thereby preventing chronic inflammation, remains unclear.
The first part of my thesis elucidated the role of IL-38 in the resolution of inflammation. I found that the complete absence of IL-38 in IL-38 KO mice leads to a delayed resolution of inflammation in the zymosan-induced peritonitis mouse model, compared to WT mice. This was marked by a persistent neutrophilia and a lower production of pro-resolving mediators during the resolution phase, such as TGFβ1 production from macrophages following efferocytosis of apoptotic cells. Reduced TGFβ1 production from macrophages coincided with reduced levels of regulatory T cells (Tregs), which are known to promote the resolution of inflammation. Unexpectedly, the TGFβ1 production capacity of macrophages did not influence the induction of Tregs from naïve T cells. Rather, IL-38 KO mice had an accumulation of Tregs in the thymus compared to WT mice. This was caused by an impairment of CD62L expression at the surface of Tregs, which is required for Tregs migration outside of the thymus. Higher Treg numbers in the thymus correlated with lower level of Tregs in peripheral lymphoid organs. Importantly, CD62L expression at the surface of IL-38 KO Tregs in the thymus was restored by injecting IL-38 i.p. for 24h. These data indicate a potential key function of IL-38 in the regulation of Treg migration, which is triggered in many cases of autoimmunity.
The second part of my thesis was to study the role of IL-38 in experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) development, given that EAE is IL-17-dependent. Unexpectedly, IL-38-deficient mice showed strongly reduced clinical scores and histological markers of EAE. This came with reduced inflammatory cell infiltrates, as well as reduced expression of inflammatory markers in the spinal cord. IL-38 mRNA was detected in the spinal cord, mainly by resident and infiltrated phagocytes, but also by other cells, such as ependymal cells. IL-38 was upregulated upon pro-inflammatory stimulation of bone marrow-derived macrophages, and its presence was necessary for a complete activation of inflammatory macrophages. My data suggest an alternative cell-intrinsic role of IL-38 in macrophages to promote inflammation in the central nervous system.
In the last part of my thesis, I initiated a project on the function of IL-38 in B cell physiology and antibody production, given the fact that IL-38 is expressed by B cells. I generated preliminary data showing that the absence of IL-38 in mice decreased antibody production. Furthermore, I showed that IL-38 is particularly expressed by plasma cells in human tonsils. This project remains open and further studies will be conducted to investigate how IL-38 regulates antibody production, both in physiological and autoimmune settings. Understanding the role of IL-38 in autoantibody production could lead to original and innovative therapy for patients suffering from auto-inflammatory disease.
In summary, the different projects of my thesis provide evidence that the pro-resolving function of IL-38 may be indirectly linked to the retention of Tregs in the thymus. Moreover, a possible intracellular role of IL-38 within macrophages was described showing opposite properties in the regulation of inflammation. This function could be causatively involved in EAE development. However, further studies remain to be done to find the mechanism of action by which IL-38 regulates Tregs egression and how it influences the EAE development. Complete understanding of the IL-38 biology and differentiation between its extra- vs potential intracellular functions could make it a promising therapeutic target for chronic inflammatory or autoimmune diseases.
The compound class of the fabclavines was described as secondary or specialized metabolites (SM) for Xenorhabdus budapestensis and X. szentirmaii. Their corresponding structure was elucidated by NMR and further derivatives could be identified in both strains. Biochemically, fabclavines are hybrid SMs derived from two non-ribosomal-peptide-synthetases (NRPS), one type I polyketide-synthase (PKS) and polyunsaturated fatty acid (PUFA) synthases. In detail, a hexapeptide is connected via partially reduced polyketide units to an unsual polyamine. Structurally, they are related to the (pre-)zeamines, described for Serratia plymuthica and Dickeya zeae. Fabclavines exhibit a broad-spectrum bioactivity against a variety of different organisms like Grampositive and Gram-negative bacteria, fungi, protozoa but also against eukaryotic celllines.
In this work, the fabclavine biosynthesis was elucidated and assigned to two independently working assembly lines. The NRPS-PKS-pathway is initiated by the first NRPS FclI via generation of a tetrapeptide, which is elongated by the second NRPS FclJ, leading to a hexapeptide. Alternatively, FclJ can also act as direct start of the biosynthesis, resulting in the final formation of shortened fabclavine derivatives with a diinstead of a hexapeptide. In both cases, the peptide moiety is transferred to the iterative type I PKS FclK, leading to an elongation with partially reduced polyketide units. The resulting NRPS-PKS-intermediate is still enzyme-bound. The PUFA-homologues FclC, FclD and FclE in combination with FclF, FclG and FclH belong to the polyamine-forming pathway. Briefly, repeating decarboxylative Claisen thioester condensation reactions of acyl-coenzym A building blocks lead to the generation of an acyl chain in a PKS- or fatty acid biosynthesis-like manner. The corresponding β-keto-groups are either completely reduced or transaminated in a specific and repetitive way, resulting in the concatenation of so-called amine-units. The final β-keto-group is reduced to a hydroxy-group and the intermediate is reductively released by the thioester reductase FclG. A subsequent transamination step leads to the final polyamine. The NRPS-PKS- as well as the polyamine-pathway are connected by FclL. This condensation domain-like protein catalyzes the condensation of the polyamine with the NRPS-PKS-part, which results in the release of the final fabclavine. The results are described in detail in the first publication (first author).
Fabclavine biosynthesis gene cluster (BGC) are widely spread among the genus Xenorhabdus and Photorhabdus. In Xenorhabdus strains a high degree of conservation regarding the BGC synteny as well as the identity of single proteins can be observed. However, Photorhabdus strains harbor only the PUFA-homologues. While in Photorhabdus no product could be detected, our analysis revealed that the Xenorhabdus strains produce a large chemical diversity of different derivatives. Briefly, the general backbone of the fabclavines is conserved and only four chemical moieties are variable: The second and last amino acids of the NRPS-part, the number of incorporated polyketide units as well as the number of amine units in the polyamine. In combination with the elucidated biosynthesis, these variables could be assigned to single biosynthesis components as diversity mechanisms. Together with the 10 already described derivatives, a total of 32 derivatives could be detected. Interestingly, except for taxonomic closely related strains, all analyzed strains produce their own set of derivatives. Finally, we could confirm that the fabclavines are the major bioactive compound class in the analyzed strains under laboratory conditions. The results are described in detail in the second publication (first author).
Together with our collaboration partner Prof. Selcuk Hazir a potent bioactivity against Enterococcus faecalis, which is associated with endodontic infections, could be contributed to X. cabanillasii. Here, we could confirm that this bioactivity can be assigned to the fabclavines. The results are described in detail in the third publication(co-author).
Among the genus Xenorhabdus, X. bovienii represents an exception as its NRPS and PKS genes of the fabclavine BGC are missing or truncated, resulting in the exclusive production of polyamines. Furthermore, its PUFA-homologue FclC harbors an additional dehydratase (DH) domain. Upon extensive analysis a yet unknown deoxy-polyamine was identified and assigned to this additional domain. Finally, the DH domain was transferred into other polyamine pathways. Regardless of an in cis or in trans integration, the chimeric pathways produced deoxy-derivatives of its naturally occurring polyamines, suggesting that this represents another diversification mechanism. The results are described in detail in the attached manuscript (first author).
Guanosine triphosphate (GTP) cyclohydrolase I (GCH1) catalyzes the conversion of GTP to dihydroneopterin triphosphate (H2NTP), the initiating step in the biosynthesis of tetrahydrobiopterin (BH4). Besides other roles, BH4 functions as cofactor in neurotransmitter biosynthesis. The BH4 biosynthetic pathway and GCH1 have been identified as promising targets to treat pain disorders in patients. The function of mammalian GCH1s is regulated by a metabolic sensing mechanism involving a regulator protein, GCH1 feedback regulatory protein (GFRP). GFRP binds to GCH1 to form inhibited or activated complexes dependent on availability of cofactor ligands, BH4 and phenylalanine, respectively. We determined high-resolution structures of human GCH1−GFRP complexes by cryoelectron microscopy (cryo-EM). Cryo-EM revealed structural flexibility of specific and relevant surface lining loops, which previously was not detected by X-ray crystallography due to crystal packing effects. Further, we studied allosteric regulation of isolated GCH1 by X-ray crystallography. Using the combined structural information, we are able to obtain a comprehensive picture of the mechanism of allosteric regulation. Local rearrangements in the allosteric pocket upon BH4 binding result in drastic changes in the quaternary structure of the enzyme, leading to a more compact, tense form of the inhibited protein, and translocate to the active site, leading to an open, more flexible structure of its surroundings. Inhibition of the enzymatic activity is not a result of hindrance of substrate binding, but rather a consequence of accelerated substrate binding kinetics as shown by saturation transfer difference NMR (STD-NMR) and site-directed mutagenesis. We propose a dissociation rate controlled mechanism of allosteric, noncompetitive inhibition.
Monoterpenes and their monoterpenoid derivatives form a subclass of terpene(oid)s. They are widely used in medicines/pharmaceuticals, as flavor and fragrance compounds, or in agriculture and are also considered as future biofuels. However, for many of these substances, the extraction from natural sources poses challenges such as occurring at low concentrations in their raw material or because the natural sources are diminishing. Furthermore, many of the structurally more complex terpenoids cannot be chemically synthesized in an economic way. Therefore, microbial production provides an attractive alternative, taking advantage of the often distinct regio- and stereoselectivity of enzymatic reactions. However, monoterpenes and monoterpenoids are challenging products for industrial biotechnology processes due to their pronounced cytotoxicity, which complicates the production in microorganisms compared to longer-chain terpenes (sesquiterpenes, diterpenes, etc.).
The aim of this thesis was to generate a biotechnological complement to fossil-resources-based chemical processes for industrial monoterpenoid production. Therefore, a starting point for the further development of a microbial cell factory based on the microbe Pseudomonas putida KT2440 was aimed to be created. This production organism should be able to conduct a whole- cell biocatalysis to selectively oxyfunctionalize monoterpene hydrocarbons using renewable industrial by-products and waste streams as raw material for monoterpenoid production (Figure 1). As a model substance, the production of (-)-menthol should be addressed due to its industrial significance. (-)-Menthol is one of the world’s most widely-used flavor and fragrance compounds by volume as well as a medical component, having an annual production volume of over 30,000 tons. An approach for (-)-menthol production from renewable resources could be a biotechnological(-chemical) two-step conversion (Figure 1), starting from (+)-limonene, a by-product of the citrus fruit processing industry.
The thesis project was divided into three parts. In the first part, enzymes (limonene-3- hydroxylases) were to be identified that can convert (+)-limonene into the precursor of (-)-menthol, (+)-trans-isopiperitenol. To counteract product toxicity, in the second part, the tolerance of the intended production organism P. putida KT2440 towards monoterpenes and their monoterpenoid derivatives should be increased. Finally, in the third part, the identified hydroxylase enzymes would be expressed in the improved P. putida KT2440 strain to create a whole-cell biocatalyst for the first reaction step of a two-step (-)-menthol production, starting from (+)-limonene.
To achieve these objectives, different genetic/molecular biology and analytical methods were applied. In this way, two cytochrome P450 monooxygenase enzymes from the fungi Aureobasidium pullulans and Hormonema carpetanum could be identified and functionally expressed in Pichia pastoris, which can catalyze the intended hydroxylation reaction on (+) limonene with high stereo- and regioselectivity. A further characterization of the enzyme from A. pullulans showed that apart from (+) limonene the protein can also hydroxylate ( ) limonene, - and -pinene, as well as 3-carene.
Furthermore, within this thesis, mechanisms of microbial monoterpenoid resistance of P. putida could be identified. It was shown that the different monoterpenes and monoterpenoids tested have very different toxicity levels and that mainly the Ttg efflux pumps of P. putida GS1 are responsible for the tolerance to many of these compounds. Based on these results, a P. putida KT2440 strain with increased resistance to various monoterpenoids, including isopiperitenol, could then be generated, which can be used as a host organism for the further development of monoterpenoid-producing cell factories.
While within the scope of this work the heterologous expression of the fungal gene in prokaryotic cells in a functional form could not be realized despite different approaches, the identified enzymes, the monoterpenoid-tolerant P. putida strain and a plasmid developed for heterologous gene expression in P. putida provide a starting point for the further design of a microbial cell factory for biotechnological monoterpenoid production.
Reliable and efficient recording of the error-related negativity with a speeded Eriksen Flanker task
(2020)
There is accumulating evidence that the error-related negativity (ERN), an event-related potential elicited after erroneous actions, is altered in different psychiatric disorders and may help to guide treatment options. Thus, the ERN is a promising candidate as a psychiatric biomarker. Basic methodological requirements for a biomarker are standardized and reliable measurements. Additional psychiatry specific requirements are time efficiency and patient-friendliness.
The aim of the present study is to establish ERN acquisition in a reliable, time-efficient and patient-friendly way for use in clinical practice.
Healthy subjects (N=27) performed a modified Eriksen Flanker Task with adaptive reaction time window and only incongruent stimuli that maximizes the number of errors. All participants were tested for mental health by the Mini International Neuropsychiatric Interview (M.I.N.I.). The first N=12 subjects were part of a pilot study and further N=14 subjects were included for analysis (one subject was excluded due to technical problems). In a test-retest design with two sessions separated by 28 days the reliability of the ERN has been assessed. To ensure external validity, we aimed to replicate previously reported correlation patterns of ERN amplitude with (1) number of errors and (2) negative affect. State affect of each subject was measured by the Positive and Negative Affect Schedule. In order to optimize the clinical use of the task, we determined to which extent the task can be shortened while keeping reliability >0.80.
We found excellent reliability of the ERN (intraclass correlation coefficient =0.806-0.947) and replicated specific correlation patterns (ERN amplitude with relative number of errors: r=0.394; p=0.082; ERN amplitude with negative affect: r=-0.583, p=0.014). The task can be shortened to a patient-friendly and clinically feasible length of only 8 minutes keeping reliability >0.80.
To conclude, the present modified task provides reliable and efficient recording of the ERN, facilitating its use as a psychiatric biomarker.
This thesis primarily investigates an (hitherto unnoticed) agreement alternation between Romance and Germanic in D>N>&>N constructions (e.g. “these walls and ceiling”). While Romance exhibits left conjunct agreement, Germanic shows morphologically resolved agreement on the determiner, i.e. the phi-feature mismatching conjuncts can only be licensed if a syncretic form is available. To handle these data the author suggests a theory in which coordination is syntactically and morphologically unspecified and multiple agree is a general option. Infelicitous derivations are ruled out by interface conditions on the semantic and the phonological well formedness. The complete results of the corpus research conducted to deliver a sound empirical basis for the phenomena investigated in this thesis can be found in the appendix.
Evidence is increasingly pointing towards a significant global decline in biodiversity. The drivers of this decline are numerous, including habitat change and overexploitation, rapid deforestation, pollution, exotic species and disease, and finally climate change as an emerging driver of biodiversity change (Nakamura, et al., 2013; Hancocks, 2001; Pereira, Navarro & Martins, 2012). Raising public awareness of the need to conserve biological diversity is essential to safeguard the richness of life forms all over the world (Lindemann-Matthies, 2002). In this regard, institutions such as science museums, zoos and aquariums have the potential to play an important role (Rennie & Stocklmayer, 2003). Especially, zoos can provide a productive learning environment (Miles & Tout, 1992), facilitating the promotion of public conservation awareness and the adoption of pro-environmental behaviours that would reduce negative human impacts on biodiversity (Barongi, et al., 2015).
Based on these concepts, my study contributes to the developing field of visitor studies. Taking as reference non-zoo visitors and zoo visitors, I have focused on reviewing some aspects of conservation education, such as people's awareness of conservation, people's interest in animals and people's feelings towards animals and attitudes towards zoos. The study identified differences between non-regular and regular zoo visitors in interests in animals, as well as visitor attitudes towards conservation issues and zoos. Therefore, the present study indicated that positive emotional reactions and, in particular, a perceived sense of connection to the animal were linked and depended on the frequency of zoo visits. It was as well remarkable, that conservation awareness was influenced by the interest in animals, the interest in visiting zoos, the attitudes towards these institutions, and the age and the country of origin. All these variables had a greater effect in the conservation consciousness of the participants. Additionally interestingly, the main reason for visiting zoos in every country was to learn something about animals. This highlights the educational role of zoos and broadly supports the idea that people want to visit zoos to learn something about animals, in turn facilitating pro-conservation learning and changes in attitude. They are uniquely positioned to interact with visitors, communities, and society and to contribute by providing an informative and entertaining environment. Visiting zoos could led to contribute to promoting animal connectedness and interest in species.
Das Hepatozelluläre Karzinom (HCC) ist die sechsthäufigste Krebsart mit der zweithäufigsten krebsbedingten Letalität. Sorafenib ist bereits seit über 10 Jahren die einzige verfügbare und zugelassene systemische Chemotherapie. Allerdings zeigen Patienten oft eine Resistenz gegenüber Sorafenib.
In zahlreichen Krebsarten konnte bereits gezeigt werden, dass Sphingolipide bei der Tumorentwicklung und Chemoresistenz eine wichtige Rolle spielen. Sphingolipide sind bioaktive Lipidmoleküle, welche unteranderem für die Beeinflussung verschiedener Signalwege intra- und extrazellulär verantwortlich sind. So konnte gezeigt werden, dass das Verhältnis zwischen Sphingosin-1-Phosphat (S1P) und Ceramiden eine wichtige Rolle für das Überleben von Zellen spielt, wobei eine Verschiebung des Verhältnisses zugunsten des S1P meist eine proliferative Wirkung auf Zellen hat. Für die Phosphorylierung des Sphingosins zu S1P sind die zwei Enzyme Sphingosinkinase 1 und 2 (SPHK1/2) verantwortlich.
Es gibt bereits Studien, die nachweisen konnten, dass diese Enzyme gerade in Tumorzellen verstärkt exprimiert werden. Auf der anderen Seite kann eine verstärkte Bildung von Ceramiden die Apoptose der Tumorzellen verstärken. Daher ist es nicht verwunderlich, dass der Sphingolipid-Stoffwechsel einen interessanten Angriffspunkt für die Krebstherapie darstellt. Aus diesem Grund sollte in der vorliegenden Arbeit zunächst untersucht werden, ob Sorafenib einen Einfluss auf den Sphingolipid Stoffwechsel hat. Weiter sollte untersucht werden, ob die Beeinflussung des Sphingolipid-Stoffwechsels die Effekte von Sorafenib potenzieren könnte.
Es konnte zunächst gezeigt werden, dass Sorafenib die mRNA-Expression verschiedener Enzyme, die das Verhältnis zwischen Ceramiden und S1P regulieren, beeinflussen kann. Es wurde weiter untersucht, wie sich der Ceramidsynthase Inhibitor FB1 auf die Proliferation und die Induktion der Apoptose auswirkt. Dies wurde ebenfalls mit SLP (SPHK1 Inhibitor), SLM (SPHK2 Inhibitor) und SKI II, einem unspezifischen Inhibitor beider Sphingosinkinasen, untersucht. Es wurden weiter die Einflüsse aller verwendeten Substanzen auf die Bildung verschiedener Sphingolipide untersucht.
Hierbei konnte gezeigt werden, dass Sorafenib in der Lage ist, die Proliferation der Zellen zu hemmen und die Apoptose-Induktion zu fördern. Weiter führte Sorafenib zu einer Akkumulation der Dihydroceramide. Was wiederrum weder mit SKI II, FB1; SLP noch SLM beobachtet werden konnte. Der signifikante Anstieg der Dihydroceramid-Konzentrationen konnte mit dem durch Sorafenib induzierten oxidativen Stress in Verbindung gebracht werden.
SLP und SLM waren nicht in der Lage, die Effekte von Sorafenib auf die Proliferation zu potenzieren. Die Kombination von Sorafenib mit SLP oder SLM führte jedoch in den Huh7.5 Zellen zu einer drastischen Reduktion des S1P-Spiegel.
FB1 und SKI II führten zu einer stärkeren Hemmung der Proliferation als Sorafenib. Wobei gezeigt werden konnte, dass beide Substanzen die Ceramid-Spiegel tendenziell eher vermindern und die S1P-Spiegel erhöhen. Durch die Stimulation mit FB1 kam es sogar zu einer signifikanten Erhöhung der S1P-Spiegel. Es scheint, dass der Einfluss von FB1 und SKI II auf die Proliferation der Zellen unabhängig vom Sphingolipid-Stoffwechsel ist. Diese scheinen eher über andere Mechanismen zu wirken. Es könnte von Interesse sein, gerade diese Signalwege von SKI II im HCC weiter zu untersuchen, da SKI II bereits in Mausmodellen anderer Krebsarten vielversprechende Ergebnisse zeigte.
The post-transcriptional modification of the canonical nucleoside uridine into its rotational isomer pseudouridine occurs in non-coding as well as coding RNA and is the most abundant post-transcriptional modification in all kingdoms of life. While the occurrence of pseudouridine has been linked to the enhancement of stability and the codon-anticodon interaction in tRNAs, enhancement of the translation efficiency in rRNAs, regulatory functions in spliceosomal snRNA and nonsense codon suppression in mRNA, its exact role in many RNAs is still ambiguous. The uridine to pseudouridine isomerization can either be catalyzed by one of various standalone pseudouridylases or it can be performed in an RNA-guided manner by H/ACA ribonucleoproteins. In eukaryotes, the guide RNA always adapts a conserved bipartite, double-hairpin conformation. Each hairpin contains an internal RNA-loop motif, which can recruit a specific substrate RNA via base pairing. The catalytically active RNP is formed by the interactions of the guide RNA with four proteins. While Cbf5 forms the catalytically active center, Nop10 and Nhp2 perform auxiliary functions and Gar1 is involved in substrate turnover. Up until now, most structural knowledge about H/ACA RNPs has been derived from archaeal complexes, while the exact structure-function-relationships between RNA and proteins in eukaryotic RNPs is still ambiguous. While archaeal H/ACA RNPs share many similarities with eukaryotic RNPs and act as good model system, there are also many differences between them like eukaryotic specific protein domains as well as the overall bipartite complex structure, dictated by the snoRNA. Investigating pseudouridylation by eukaryotic H/ACA RNPs opens up a broad area of research and helps to gain a better understanding of this enzyme class – especially since malfunction of H/ACA RNPs has been linked to the genetic disease Dyskeratosis congenita as well as several types of cancer.
The main goal of this thesis was to gain new insights into the RNA/protein interactions in the eukaryotic snR81 H/ACA snoRNP from Saccharomyces cerevisiae on a structural as well as dynamical level. In the first part of this thesis, the main goal was to in vitro prepare a functionally active snR81 H/ACA RNP. The guiding snoRNA was prepared by in vitro transcription and purification, while the Saccharomyces cerevisiae proteins were recombinantly expressed from Escherichia coli. Apart from the full length, bipartite snR81 snoRNP, several sub-complexes of the RNP were reconstituted. Therefore, snoRNA constructs were designed and prepared, which only contained a single hairpin motif of the complex. Furthermore, snoRNA constructs in which the apical hairpin stem was replaced by a stable tetraloop were prepared, to investigate the influence of the apical stem on protein binding and activity. Also, for the eukaryotic proteins, a shortened version of Gar1 (Gar1Δ) was utilized, which lacks the eukaryotic specific RGG domains, that have been characterized as accessory RNA binding motifs. Reconstituted snoRNPs were utilized in catalytic activity assays, monitoring the turnover rate of uridine to pseudouridine. For this purpose, radioactively labeled substrate RNAs were prepared by phosphorylation and splinted ligation of oligonucleotides and were objected to reconstituted H/ACA RNPs under single as well as multiple turnover conditions. In the second part of this thesis, the RNA/protein interactions were dissected via single molecule FRET spectroscopy. Therefore, the snoRNA was labeled with an acceptor fluorophore via NHS ester/amine-reaction. Furthermore, the snoRNA contained a biotin-handle, allowing immobilization of the complex during the experimental time-window of the spectroscopic analysis. Eukaryotic specific protein Nhp2 was labeled with a donor fluorophore via “click” chemistry, which included the chemical synthesis and incorporation by genetic code expansion of non-canonical amino acids. The interactions of Nhp2 with the different snoRNA constructs (standalone-hairpins “H5” and “H3”, as well as hairpins lacking the apical binding motif “H5Δ” and “H3Δ”) were monitored on a single molecule level.
In summary, it was possible to gain new insights into the complex structure and the dynamical behavior of the still sparsely characterized eukaryotic H/ACA RNPs. Especially, new knowledge could be obtained about the hairpin specific behavior on the bipartite RNA complex structure, including the rather ambiguous role of the protein Nhp2 and the contribution of the eukaryotic specific features of Gar1 in their interaction with the guide/substrate RNA.
Carotinoide sind Pigmente, die in Pflanzen, Algen, einigen Pilzen und Bakterien vorkommen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Photosynthese durch Absorption von Licht und beim Lichtschutz. Sie sind verantwortlich für die braunen, roten, orangen und gelben Farben von Obst, Gemüse, Herbstblättern und die Farbe einiger Blumen und Algen. Tiere können keine Carotinoide synthetisieren, daher ist ihre Anwesenheit auf die Nahrungsaufnahme zurückzuführen. Carotinoide sind Tetraterpenoide (40C), die aus Isoprenoidmolekülen (5C) synthetisiert werden. Der Methylerythritol-phosphatweg ist der Carotinoid-Vorläuferweg, der die Isoprenoideinheiten bildet. Carotinoide haben aufgrund ihrer gesundheitlichen Vorteile das Interesse der Nutrazeutika-Industrie geweckt.
Fucoxanthin ist ein Carotinoid, das nur in Kieselalgen, Braunalgen, Haptophyten und einigen Dinoflagellaten vorkommt. Aufgrund seiner Vorteile zur Vorbeugung von Krebs, kognitiven Erkrankungen und Fettleibigkeit sowie seiner antioxidativen Eigenschaften ist Fucoxanthin ein sehr interessantes Molekül fur die Nutrazeutikabranche.
Fucoxanthin hat eine komplexe chemische Struktur mit einer Allenbindung und einer Epoxyketogruppe. Daher wäre seine chemische Synthese kompliziert, da es auch eine stereokontrollierte Synthese erfordert86. Aus diesem Grund ist die Extraktion aus Makroalgen oder Mikroalgen die Methode der Wahl für die kommerzielle Herstellung von Fucoxanthin.
In dieser Arbeit bestand das Ziel darin, die Fucoxanthin-Produktivität in Kieselalgen mit gentechnischen Methoden zu steigern, damit die Zellen mehr Fucoxanthin produzieren. Zu diesem Zweck wurde der Effekt der Insertion zusätzlicher Kopien von Genen in das Genom untersucht, die für geschwindigkeitsbestimmende oder Schlüsselenzyme im Carotinoid- und MEP-Weg kodieren.
Zu Beginn wurden diese Effekte bei einzelnen Mutanten beobachtet. Letztendlich ist es jedoch das Ziel, eine Mutante zu erzeugen, die mehrere geschwindigkeitsbestimmende Enzyme überexprimiert, um auf diese Weise Engpässe zu vermeiden. In früheren Studien erreichten Eilers et al.54 durch die einmalige Überexpression der psy- und dxs-Gene in der Kieselalge P. tricornutum einen 2.4- und 1.8-fachen Anstieg der Fucoxanthin-Spiegel.
In dieser Arbeit führte die Insertion zusätzlicher Kopien der Gene idi und pds2 nicht dazu, dass die Zellen mehr Fucoxanthin produzieren. Im Gegensatz dazu erreichten die Mutanten mit zusätzlichen Kopien der Gen ggpps und mit zusätzlichen Kopien sowohl von psy als auch von dxs seine um 28% bzw. 10% höhere Fucoxanthin-Produktivität pro Million Zellen. Bei diesen Mutanten ist die Gesamtproduktivität jedoch geringer als beim Wildtyp, da ihr Wachstum langsamer als beim Wildtyp ist.
Unter Berücksichtigung der besten Zielgene wurden Mutanten erzeugt, die gleichzeitig zusätzliche Kopien von psy, dxs und ggpps enthielten. Die Mutanten hatten unter sehr niedriegen Lichtbedingungen eine um bis zu 61% höhere Produktivität pro Million Zellen als der Wildtyp. Ausnahmsweise wurden diese Mutanten bei sehr schwachem Licht (10 µE m-2 s-1) gezüchtet, da sie sehr gestresst waren und als Zellklumpen wuchsen. Obwohl die Gesamt-Fucoxanthin-Spiegel in diesen Mutanten unter diesen Bedingungen höher sind als im Wildtyp, sind sie daher niedriger als die Fucoxanthin-Spiegel bei den in anderen Experimenten verwendeten Lichtbedingungen (50 µE m-2 s-1). Als Ergebnis dieser Experimente kann gesagt werden, dass die Belastung der Zellen nach den genetischen Veränderungen untersucht werden muss, da dies zu einer Abnahme der Biomasse und folglich zu einer Abnahme der Fucoxanthinproduktion führt. Alternativ könnte auch eine 2-Stufen-Kultur etabliert werden, in der in einem ersten Schritt eine hohe Biomasse erreicht wird und im zweiten Schritt die Expression der interessierenden Gene induziert wird.
Aufgrund der antioxidativen Eigenschaften von Carotinoiden besteht eine übliche Strategie zur Akkumulation von Carotinoiden darin, die Zellen unter oxidative Stressbedingungen zu setzen. Diese Strategie ist jedoch nicht wirksam für die Anreicherung von Fucoxanthin unter hohen Salzkonzentrationen oder hohen Lichtbedingungen. Bessere Versuchspläne könnten jedoch eine 2-Stufen-Kultur oder adaptive Laborbedingungen gewesen sein.
Eine andere mögliche Strategie zur Erhöhung des Fucoxanthinspiegels wäre die Durchführung einer zufälligen Mutagenese der Zellen. Auf diese Weise sind keine Vorkenntnisse über den Carotinoidsyntheseweg und seine Regulation erforderlich und es kann zu Veränderungen in Genen führen, die keine offensichtlichen Ziele sind.
Experimente mit zufälliger Mutagenese erfordern ein Hochdurchsatz-Screeningsystem, da Hunderte oder sogar Tausende von Mutanten erhalten werden. Eine mögliche Strategie, um die Kultivierung der hohen Anzahl von Mutanten zu vereinfachen, ist die Einkapselung dieser Mutanten in Alginatkügelchen. Auf diese Weise können alle Mutanten in demselben Gefäß kultiviert werden. Die eingekapselten Zellen können dann beispielsweise mit einem Durchflusszytometer auf große Partikel durch Fluoreszenz- oder Absorptionsmessungen gescreent werden.
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Im Mittelpunkt der Studie steht die Überprüfung der Wirksamkeit der Fortbildungs¬reihe zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten, die von der Verfasserin konzipiert und hessenweit für Lehrpersonen aller Schulformen angeboten wurde. Bislang sind kohärente Konzepte zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten oder zur individuellen Förderung zumindest nicht weit verbreitet. Das Erkenntnisinteresse der vorliegenden Studie war daher auf die Frage gerichtet, ob sich durch eine dieser Art konzipierten Fortbildungsreihe tatsächlich die Nutzung ausgewählter Prinzipien, Instrumente und Verfahren sowie die Selbstwirksamkeitserwartungen bezüglich der Steuerung und Unterstützung von Lernprozessen verändern und beeinflussen lassen. Diese Fragestellung kann aufgrund der empirischen Daten bejaht werden.
Als wichtige Voraussetzung für den Erfolg der Fortbildungsreihe zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten kann die in den formativen Evaluationen ermittelte Akzeptanz der Fortbildung und der Fortbildungsinhalte angesehen werden. Sie bildet die Grundlage für Veränderungsprozesse, die sich messbar insbesondere in der Follow-Up-Erhebung in der Zunahme der Nutzung von Prinzipien, Instrumente und Verfahren und in den Selbstwirksamkeitserwartungen der Lehrpersonen niederschlagen. Dieser Veränderungsprozess kann als bemerkenswert bezeichnet werden, da in den formativen Evaluationen die Frage nach der Nutzung und Umsetzbarkeit im eigenen Unterricht stets durch niedrigere Zustimmungswerte gekennzeichnet war und damit das Zutrauen und die Überzeugung in den persönlichen Veränderungsprozess zurückhaltend war im Vergleich zu den Zustimmungswerten zu den Inhalten der Fortbildungsreihe sowie zu deren Sinnhaftigkeit.
Akzeptanz, Zustimmung und die Einsicht in die Sinnhaftigkeit sowie die Überzeugung der Umsetzbarkeit im eigenen Unterricht können als Schlüsselelemente für die Veränderung der Handlungskompetenz von Lehrpersonen gesehen werden und stehen in Übereinstimmung mit entsprechenden Befunden der Conceptual-Change-Forschung. Damit konnte ein wesentliches Element erfolgreicher, da wirksamer Fortbildung insbesondere durch die Follow-Up-Erhebung empirisch belegt. Diese sollte nach ca. einem halben Jahr nach dem Ende der Fortbildungsreihe Aufschluss über die Nachhaltigkeit der Wirkung der Fortbildungsinhalte erbringen. Einschränkend soll hier jedoch auf die Reduktion der Stichprobe hingewiesen werden: Waren es zum 1.MZP 422 Lehrpersonen (270 FG, 152 KG), die an der Erhebung teilgenommen haben, waren es zum 2.MZP noch 347 Lehrpersonen (229 FG, 118 KG) und zum 3. Messzeitpunkt nur 172 Lehrpersonen (101 FG, 71 KG).
Insbesondere die durch die Fortbildungsreihe erzielten positiven Veränderungen der Selbstwirksamkeitserwartungen unterstreichen den Forschungsstand zu deren Bedeutung für nachhaltige Veränderung des Unterrichtshandelns von Lehrpersonen aller Schulformen. Von besonderem Interesse für die Konzeptualisierung von Lehrerfortbildungen erscheint der Zusammenhang zwischen der Vermittlung von Wissen und den Selbstwirksamkeitserwartungen. Aufgrund von Forschungsbefunden kann angenommen werden, dass ohne die Überzeugung und die Zuversicht, das erworbene Wissen erfolgreich im eigenen Unterricht umsetzen und in Handlungskompetenz überleiten zu können, keine Veränderungsprozesse und Lernen ausgelöst und ermöglicht werden. Dieser Zusammenhang sollte stärker in weiteren Studien überprüft werden, um Lehrpersonen künftig gezielter für und auf Veränderungen im Unterrichtshandeln vorbereiten und unterstützen zu können. Desweiteren gilt es, die Anleitung der Lehrpersonen zur Reflexion ihres Unter¬richtshandelns genauer in den Blick zu nehmen. Nach dem kompetenztheoretischen Ansatz von Baumert und Kunter (2006) und entsprechenden Forschungsbefunden kann die Selbstreflexion als ein wesentlicher Faktor für Veränderungsprozesse und vor allem für die Selbstwirksamkeitserwartungen angenommen werden. In der Fortbildungsreihe zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten wurden die Lehrpersonen jeweils zu Beginn jeder Veranstaltung zur Reflexion angeleitet über die umgesetzten Fortbildungsinhalte sowie deren Wirkung auf die Schülerinnen und Schüler. Hierzu sind weitergehende Forschungen wünschenswert, um auf der Grundlage entsprechender Befunde wirksame Fortbildungsangebote gestalten zu können.
Weiterer Klärungsbedarf besteht hinsichtlich der Implementation von Fortbil¬dungsinhalten in die Unterrichtspraxis. In der vorliegenden empirischen Studie konnte insbesondere durch die Follow-Up-Erhebung gezeigt werden, dass die Umsetzung und Implementation der Fortbildungsinhalte gelungen zu sein scheint und die Verbesserung der Nutzung von Prinzipien, Instrumenten und Verfahren zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten sowie die Steigerung der Selbstwirksamkeitserwartungen erkennbar sind. Dabei gilt als einschränkend zu bedenken, dass es sich bei den erhobenen Werten um Selbstauskünfte der Teilnehmer/-innen handelt. Gleichwohl kann insbesondere der signifikante Zuwachs in den Selbstwirksamkeitserwartungen als bedeutsam eingeschätzt werden, nachdem durch Forschungsbefunde nachdrücklich darauf verwiesen wird, dass gerade Überzeugungen von Lehrpersonen schwer zugänglich und veränderbar sind.
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Für ausgewählten Patienten mit Aortenklappeninsuffizienz (AI) bietet die Aortenklappenrekonstruktion eine sehr attraktive Alternative zum Klappenersatz, wodurch mögliche prothesenbezogene Komplikationen vermieden werden können.
Die begrenzte Zahl der Langzeitstudien sowie das Fehlen von standardisierten Verfahren machen die klappenerhaltende Aortenklappenchirurgie technisch anspruchsvoll.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Langzeitergebnisse nach Aortenklappenrekonstruktion zu erfassen und die Haltbarkeit sowie die klappenbezogenen Komplikationen nach klappenerhaltender Aortenklappenchirurgie zu untersuchen.
Hierzu analysierten wir die klinischen Daten von 560 Patienten, die eine operative Versorgung mittels Aortenklappenrekonstruktion erhielten. Dabei wurden sowohl Segelpathologien (bikuspid sowie trikuspid) als auch Aortenwurzelpathologien berücksichtigt. Bei 56% der Patienten (n=313) wurde eine Reimplantation nach David durchgeführt. Bei 247 Patienten wurde bei isolierter Segelpathologie ohne Aortenwurzelbeteiligung eine Segelrekonstruktion durchgeführt. Pathologien der Aortenwurzel konnten mit subkommissuralen Nähten (bei 62 Patienten) oder mit Rekonstruktion des sinotubulären Übergangs (bei 60 Patienten) behoben werden. Begleitende Aorteneingriffe bei Aneurysma oder Dissektion der thorakalen Aorta wurden ebenfalls durchgeführt. So wurden bei 78 Patienten ein partieller Aortenbogenersatz, bei 12 Patienten ein kompletter Aortenbogenersatz und bei 14 Patienten ein Bogenersatz mit „Elephant Trunk“ Technik durchgeführt.
Die Nachuntersuchungen erfolgten anhand eines standardisierten Fragebogens 5 sowie durch transthorakal echokardiographische Verlaufskontrollen. Die durchschnittliche Nachuntersuchungszeit betrug 6.3 ± 4.6 Jahre, 97% der Patienten konnten dabei erfasst werden.
Die 30-Tage-Mortalität betrug 1,4%. Im Langzeitverlauf wurden 132 Verstorbene beobachtet, wobei 13 Patienten aufgrund eines kardiovaskulären Ereignisses verstarben. Das 10-Jahres-Überleben betrug 70%. Eine Reoperation war bei 39 Patienten notwendig, in 25 Fällen aufgrund von signifikanter Restinsuffizienz der Aortenklappe, in 5 Fällen aufgrund eines kombinierten Aortenklappenvitium. Endokarditis führte in 9 Fällen zur Reoperation (0,2% pro Patientenjahr). Die Freiheit von Reoperation betrug 88% nach 10 Jahren. Die klappenbezogenen Komplikationen ergaben eine kumulative linearisierte Inzidenz von 2% pro Patientenjahr.
Schlussfolgernd kann man sagen, dass die Aortenklappenrekonstruktion für ausgewählte Patienten eine gute Alternative zum Aortenklappenersatz darstellt. Die Haltbarkeit der Klappenfunktion erwies sich in der Langzeitbeobachtung als gut. Die adäquate Wahl der Operationstechnik bezogen auf die Pathologie führen zu guten Ergebnissen der Aortenklappenrekonstruktion mit akzeptabler Mortalität und Morbidität im Langzeitverlauf.
Schwerverletzte Patienten folgen einem biphasischen Mortalitätsmuster, mit einem ersten frühen Mortalitätsgipfel aufgrund von schweren Verletzungen des zentralen Nervensystems oder durch massiven Blutverlust. Der zweite, später auftretende Traumatod ist mit einer immunologischen Dysregulierung verbunden, welche durch eine ausgeprägte Inflammation häufig im (Multi)-Organversagen endet. Insbesonders thorakale Verletzungen sowie das Erleiden eines hämorrhagischen Schocks prädisponieren den Organismus für die Entwicklung von pulmonalen Komplikationen im klinischen Folgevelauf. Alkohol spielt hierbei eine wichtige Rolle. In den vergangenen 15 Jahren hat sich zwar die Anzahl der „Alkoholunfälle“ mit Personenschaden reduziert, dennoch tritt Alkohol als eine der häufigsten Unfallursachen bei 18-34jährigen auf. Zudem hat Alkohol durch seine immunmodulatorischen Eigenschaften einen signifikanten Einfluss auf die Entwicklung und Prognose von (infektiösen) Komplikationen im klinischen Folgeverlauf. Verunfallte Patienten mit einer akuten Alkoholintoxikation zeigen im Vergleich zu chronisch Alkoholisierten eine verringerte 24-Stunden-Letalität nach Trauma. Die Studienlage zu den Hintergründen ist äußerst kontrovers, und stellt den Kern der vorliegenden Arbeit dar. Eine zentrale Rolle in der Genese der post-traumatisch inflammatorischen Immunantwort nehmen die Monozyten, sowie die Alveolarmakrophagen (AM) in der Lunge, aber auch zirkulierende polymorphonukleäre Leukozyten (PMNL) insbesondere neutrophile Granulozyten ein. Die Monozyten aktivieren bspw. über die Inflammasomassemblierung Caspase-1 (Pyroptose), die das inaktive Interleukin (IL)-1β in seine aktive Form prozessiert, aktiviert und seine Sezernierung induziert. Neutrophile Granulozyten, die ebenfalls durch inflammatorische und chemotaktische Reize aktiviert werden, infiltieren durch Modifikationen ihrer Oberflächenrezeptoren wie CD11b, CD62L und CD31 entzündetes Gewebe. Am Ort der „Schädigung“ weisen sie eine prolongierte Lebensspanne auf, und tragen durch ihre verstärkte Akkumulation so zu einem hyper-inflammatorischen Zustand bei. Folglich wird das eigene Gewebe geschädigt, was im Verlust der Zell- und Organintegrität enden kann. Die zugrundeliegenden Pathomechanismen wurden in diversen Studien mit der Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-κB assoziiert. Interessanterweise konnte die anti-inflammatorische Wirkung einer akuten Alkoholexposition mit der Hemmung des NF-κB, aber auch mit einer reduzierten Inflammasomassemblierung in vitro assoziiert werden.
Für die Untersuchung der akuten Alkoholwirkung wurde ein klinisch relevantes double hit Modell bestehend aus stumpfen Thoraxtrauma und hämorrhagischem Schock mit anschließender Flüssigkeitstherapie (TxT+H/R) genutzt. Um den Einfluss von Alkohol auf die posttraumatische Immunantwort mit Fokus auf die Rolle der zirkulierenden neutrophilen Granulozyten und Monozyten in der Genese pulmonaler Schädigungen zu untersuchen, erfolgte im vorliegenden Modell eine akute Gabe von Ethanol (5 g/kg, 30%, EtOH) zwei Stunden vor Hämorrhagie und Reperfusion. Zwei Stunden nach Reperfusion wurden die inflammatorischen Prozesse und das Outcome der Tiere untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass TxT+H/R zu diffusen histopathologischen Lungenschäden führt, welche mit einer erhöhten Proteinkonzentration in der bronchoalveolären Lavage (BAL), verstärkten Infiltration des Lungengewebes mit PMNL sowie einer systemischen Aktivierung von neutrophilen Granulozyten und Monozyten verbunden war. Neutrophile Granulozyten zeigten eine signifikante Reduktion der Oberflächenexpression von CD62L und einen signifikanten Anstieg von CD11b und CD31; in zirkulierenden Monozyten konnte eine Inflammasomaktivierung durch direkten Nachweis der aktiven Caspase-1 gezeigt werden. Die Analyse der aktiven Effektorcaspasen der Apoptose Caspase-3 und -7 zeigte eine reduzierte Apoptose in zirkulierenden neutrophilen Granulozyten. Orale Gavage EtOH reduzierte signifikant die lokale Inflammation in der Lunge, welche mit einer verminderten PMNL Infiltration, verminderten IL-6 Genexpression und reduziertem BAL Proteingehalt einherging. Während die reduzierte Proteinkonzentration in der BAL durchaus für einen verminderten Lungenschaden spricht, war dieser histopathologisch nicht festellbar. Systemisch modulierte die akute EtOH-Gabe Oberflächenrezeptorexpression auf zirkulierenden neutrophilen Granulozyten, was deren reduzierte Aktivierung bestätigt. Die verminderte inflammatorische Aktivierung von zirkulierenden Monozyten und Granulozyten zeigte sich ebenfalls in der reduzierten Inflammasomaktivität.
Wir konnten wichtige Erkenntnisse für das Verständnis der Genese von pulmonalen Komplikationen nach TxT und HS, sowie die immunmodulatorischen Eigenschaften von Alkohol auf das angeborene Immunsystem darstellen. Die akute Alkoholexposition reduzierte die systemische Immunantwort, welcher in diesem klinisch relevanten Kombinationstrauma vermutlich eine reduzierte lokale Inflammationsantwort folgte. In weiterführenden Studien sollten die zugrundeliegenden Signalwege, Einfluss der Traumachwere sowie der Schwere der Alkoholintoxikation untersucht werden.
Autophagy, together with the ubiquitin-proteasome system, is the main quality control pathway responsible for maintaining cell homeostasis. There are several types of autophagy distinguished by cargo selectivity and means of induction. This thesis focuses on macroautophagy, hereafter autophagy, where a double-layered membrane is formed originating from the endoplasmatic reticulum (ER) engulfing cargo selectively or unselectively. Subsequently, a vesicle forms around the cargo, an autophagosome, and eventually fuses with the lysosome leading to degradation of the vesicle content and release of the cargo “building blocks”. Basal autophagy continuously occurs, unselectively engulfing a portion of the cytoplasm. However, autophagy can also be induced by stress such as starvation, protein aggregation, damaged organelles, intracellular pathogens etc. In this case, the cargo is selectively targeted, and the fate of the autophagosome is the same as in basal autophagy. In recent years, interest in identifying mechanisms of autophagy regulation has risen due to its importance in neurodegenerative diseases and cancer. Given the complexity of the process, its execution is tightly regulated from initiation, autophagosome formation, expansion, closure, and finally fusion with the lysosome. Each of the steps involves different protein complexes, whose timely activity is orchestrated by post-translational modifications. One of them is ubiquitination. Ubiquitin is a small, 76-amino acid protein conjugated in a 3-step reaction to other proteins, in a reversible manner, meaning undone by deubiquitinases. Originally described as a degradation signal targeting proteins to the proteasome, today it is known it has various additional non-proteolytic functions, such as regulating a protein’s activity, localization, or interaction partners. The role of ubiquitin in autophagy has already been shown. However, given the reversibility and fine-tuning of the ubiquitin signal, many expected regulators remain unidentified. This work aimed to identify novel deubiquitinating enzymes that regulate autophagy. We identified ubiquitin-specific protease 11 (USP11) as a novel, negative regulator of autophagy. Loss of USP11 leads to an increase in autophagic flux, whereas overexpression of USP11 attenuates it. Moreover, this observation was reproducible in model organism Caenorhabditis elegans, emphasizing the importance of USP11 in autophagy regulation. To identify the mechanism of USP11-dependent autophagy regulation, we performed a USP11 interactome screen after 4 hour Torin1 treatment and identified a plethora of autophagy-related proteins. Following the most prominent hits, we have investigated versatile ways in which USP11 regulates autophagy. USP11 interacts with the PI3KC3 complex, the role of which is phosphorylating lipids of the ER, thereby initiating the formation of the autophagosomal membrane. Phosphorylated lipids serve as a recruitment signal for downstream effector proteins necessary for the membrane expansion. The core components of the complex are VPS34, the lipid kinase, ATG14, the protein responsible for targeting the complex to the ER, VPS15, a pseudokinase with a scaffolding role, Beclin1, a regulatory subunit, and NRBF2, the dimer-inducing subunit. We have found USP11 interacts with the complex and, based on its activity, USP11 influences post-translational status of all the aforementioned subunits, except for ATG14. Moreover, we have found that loss of USP11 leads to an increase in NRBF2 levels, whereas it does not change the levels of the other proteins. Given that the dimerization of the complex leads to an increase in complex activity, we investigated if the complex is more tightly formed in the absence of USP11, and if it is more active. We have found both to be the case. Although the exact mechanism of USP11-dependent PI3KC3 complex regulation remains to be identified, we found that loss of USP11 stimulates the complex formation and activity, likely contributing to the general effect of USP11 on autophagy flux. Additionally, we found that USP11 modulates levels of mTOR, the most upstream kinase in autophagy initiation steps and general multifaceted metabolism regulator. Loss of USP11 led to downregulation of mTOR levels, suggesting USP11 may rescue mTOR from proteasome-mediated degradation. Furthermore, we found mTOR to be differentially modified depending on the activity of USP11. However, it remains to be shown if USP11-dependent mTOR regulation contributes to the observed autophagy phenotype. Taken together, USP11 is a novel, versatile, negative regulator of autophagy, and an important addition to our knowledge on the regulation of autophagy by the ubiquitin system.
In vitro release testing as an alternative to establishing bioequivalence of drug products in vivo
(2020)
Generische Arzneimittel werden als Arzneimittel definiert, die im Vergleich zu einem Referenzarzneimittel hinsichtlich der meisten pharmazeutischen Aspekte identisch sind.
Um die therapeutische Äquivalenz zum Referenzprodukt sicherzustellen, sind Bioverfügbarkeitsstudien erforderlich. Für Arzneimittel, die als feste, perorale, schnell freisetzende Darreichungsformen formuliert sind, kann auf den Nachweis der Bioäquivalenz in vivo zugunsten eines vergleichenden Freisetzungstests in vitro im Rahmen eines sogenannten Biopharmaceutics Classification System (BCS) basierten Biowaivers verzichtet werden.
Der BCS-basierte Biowaiver ist ein vielversprechendes Instrument, welches Kosteneinsparungen sowie eine Verringerung des regulatorischen Aufwands im Zuge der behördlichen Zulassung von Generika ermöglicht und dazu beitragen kann, die Zugänglichkeit unentbehrlicher Arzneimittel zu verbessern. Dabei gibt es jedoch auch Hürden, welche die weitläufige Anwendung des Verfahrens verhindern: Unklare Löslichkeits- und Permeabilitätsklassifizierungen von Wirkstoffen, Arzneimittel, welche die in vitro Freisetzungskriterien nicht erfüllen, sowie Zweifel an der Eignung der regulatorischen Spezifikationen, Freisetzungsunterschiede in vitro erfassen zu können, die für das Verhalten in vivo relevant sind.
In der vorliegenden Dissertation werden diese Probleme thematisiert, indem eine umfassende Bewertung der Anwendbarkeit und Einschränkungen des BCS-basierten Biowaivers in seinem aktuell regulatorisch vorgeschriebenen Ablauf vorgenommen wird. Mögliche Anpassungen des Verfahrens wurden auf der Grundlage experimenteller in vitro Daten untersucht, bewertet und mithilfe von in silico Simulationsmodellen auf die Situation in vivo extrapoliert.
Ziel dieser klinischen Studie war es, die Ergebnisse der operativen Behandlung eines idiopathischen Makulaforamens durch Vitrektomie, ggf. in Kombination mit einer Phakoemulsifikation, ILM-Peeling und einer Tamponade entweder mit Luft oder mit 20%-igem SF6-Gas zu vergleichen. Primärer Endpunkt war die Verschlussrate nach einer Vitrektomie und die Reoperationsrate bei primär nicht geschlossenen Makulaforamina. Sekundärer Endpunkt war die Visusentwicklung in der ersten postoperativen Woche und nach 3 Monaten.
In der vorliegenden Arbeit wurden hierzu retrospektiv 117 Augen von 117 konsekutiven Patienten analysiert. Es wurden die Ergebnisse von 2 Patientengruppen verglichen. In der ersten Gruppe wurden 66 Augen (m=27, w=39, Altersmedian 70 Jahre), bei denen am Ende der Vitrektomie eine Tamponade mit Luft erfolgte, untersucht. In der zweiten Gruppe wurden die Ergebnisse von 51 Augen (m=20, w=31, Altersmedian 71 Jahre), bei denen 20%-SF6-Gas als Tamponade verwendet wurde, ausgewertet. Bei etwa 70 % der Augen beider Gruppen erfolgte eine simultane Phakoemulsifikation. Der Verschluss des Makulaforamens wurde bereits in den ersten postoperativen Tagen mit einem modifizierten Fourier Domain-OCT untersucht. Sobald der Verschluss des Makulaforamens im OCT gesichert werden konnte, wurde die postoperative „Gesicht nach unten“-Lagerung („Bauchlage“) beendet. Die mediane Lagerungszeit betrug 1 Tag (Spanne 1-6 Tage). Der Zeitraum der Nachbeobachtung betrug 3 Monate (Median).
Die Verschlussrate nach einer Vitrektomie aller Makulaforamina betrug 87,2% (102/117 Augen). Die primäre Verschlussrate der Luft-Gruppe und der SF6-Gas-Gruppe betrug 83,3% (55/66 Augen) bzw. 92,2% (47/51 Augen). Bei Augen mit einem persistierenden Foramen erfolgte eine frühe Reoperation. Die Verschlussrate nach 3 Monaten lag insgesamt bei 99,1% (116/117 Augen), in der Luft-Gruppe bei 98,5% (65/66 Augen) und in der SF6-Gas-Gruppe bei 100% (51/51 Augen). Es zeigte sich kein statistisch signifikanter Unterschied der Verschlussrate bzw. der anatomischen Ergebnisse zwischen den beiden Endotamponade-Gruppen.
Es konnte jedoch ein statistisch signifikanter Unterschied des Fernvisus bei der Entlassung zwischen beiden Endotamponadegruppen nachgewiesen werden. Der logMAR-Visus bei Entlassung lag in der Luft-Gruppe mit 1,3 (Median) deutlich unter dem Visus der SF6-Gas-Gruppe mit 1,9 (Median). Die Anwendung von Luft führte somit im Vergleich zu SF6 zu einem schnelleren postoperativen Visusanstieg. In beiden Gruppen zeigte sich nach 3 Monaten eine signifikante Visusbesserung. Es ließ sich kein signifikanter Unterschied des Fernvisus zwischen den beiden Gruppen mehr nachweisen.
Die Makulaforamenchirurgie mit pars plana Vitrektomie und Peeling der ILM erzielte sowohl mit einer Luft- als auch mit einer 20%-SF6-Gas-Tamponade guten anatomischen und funktionellen Ergebnissen. Mit einer kurz wirksamen Endotamponade erscheint eine postoperative Lagerung essenziell, dürfte aber in den meisten Fällen nur wenige Tage erforderlich sein, um den Verschluss eines durchgreifenden Makulaforamens zu erreichen. Die Reoperations-Rate nach einer Lufttamponade war bei sehr großen Foramina (> 600 µm) signifikant höher als bei Foramina mit einem Durchmesser kleiner 600 µm. Daher scheint die Anwendung von Gasen, die länger als Luft wirken, nur bei sehr großen Foramina erforderlich zu sein. Vorteil einer kurz wirkenden Lufttamponade ist die postoperativ um einige Tage schneller einsetzende visuelle Rehabilitation, so dass die Patienten früher in ihren Alltag zurückkehren können. Eine frühe postoperative Untersuchung der Makula unter Einsatz der optischen Kohärenztomographie ist Voraussetzung für eine individualisierte Steuerung der Lagerung und für eine möglichst frühe Erkennung und Reoperation von nicht geschlossenen Makulalöchern.
Throughout their life cells of eukaryotic organisms can be confronted with a variety of proteotoxic stresses and in order to survive, corresponding resistance mechanisms had to evolve. Proteotoxic stresses can cause misfolding of proteins and accumulation of toxic protein aggregates. Failure to remove aggregates of misfolded proteins compromises cellular function and can ultimately cause cell death and disease. To deal with this challenge, cells utilize a complex network of protein quality control pathways, including chaperones, the ubiquitin-proteasome system and the autophagy system.
Another mechanism to cope with proteotoxic stresses is the stalling of translation initiation in order to save valuable resources and prevent faulty translation. Upon stress, intrinsically disordered RNA-binding proteins such as TIA-1 or G3BP1/2 are recruited to stalled preinitiation complexes and a network of multivalent interactions between RNAs and proteins is formed. These mRNP networks can merge with each other and phase separate into membraneless liquid-like structures called stress granules (SGs). Once stress is released, SGs are quickly resolved and translation continues. Yet, chronic stress or mutations of SG-associated proteins can cause persistent SGs, which can sequester misfolded proteins and have been linked to neurodegenerative diseases such as amyotrophic lateral sclerosis or frontotemporal dementia.
In mammalian cells, three isoforms of the small ubiquitin-related modifier (SUMO), SUMO1, SUMO2 and SUMO3 are covalently attached to lysine residues of target proteins. SUMO conjugation is catalyzed via an enzymatic cascade of an heteromeric E1 activating enzyme, the E2 conjugating enzyme Ubc9 and in some cases one of a limited number of E3 SUMO ligases. SUMOylation is a dynamic modification and can be reversed by SUMO isopeptidases, the best characterized of which belong to the SENP family. Cellular stresses such as heat or oxidative stress strongly induce SUMOylation resulting in increased numbers of poly-SUMOylation (formation of SUMO2/3 chains) on nuclear proteins.
The SUMO-targeted ubiquitin ligase (STUbL) RNF4 harbors four SUMO interaction motifs in its N-terminal domain. This feature allows RNF4 to specifically bind poly-SUMOylated proteins and catalyze their proteolytic or non-proteolytic ubiquitylation.
A variety of substrate proteins have been shown to undergo SUMO-primed ubiquitylation by RNF4 in response to stress or DNA damage. RNF4-mediated ubiquitylation is often a signal for proteolytic degradation of these substrates.
In this work we aimed by identify novel RNF4 targets, in heat-stressed cells in order to gain a wider understanding of the nuclear proteotoxic stress response. Analysis by mass spectrometry revealed that a large fraction of RNF4-interacting proteins in heatstressed cells are nuclear RNA-binding proteins, many of which shuttle outside the nucleus and associate with SGs upon stress. We validated, that nuclear RNA-binding proteins, such as TDP-43 and hnRNP M are indeed heat-induced targets of SUMOprimed ubiquitylation by RNF4.
These initial results led us to further investigate the links between the SUMO/RNF4-mediated, nuclear protein quality control and the dynamics of cytosolic heat- or arsenite-induced SGs. SUMO2/3 and RNF4 are mainly nuclear proteins and we confirmed that they do not associate with SGs. Yet, we could demonstrate that depletion of SUMO2/3, the E3 SUMO ligase PML or RNF4 as well as chemical inhibition of SUMOylation strongly delayed SG clearance upon stress release, indicating that a functional STUbL pathway is essential for the timely clearance of SGs.
Next, we investigated how stress-induced poly-SUMOylation is regulated. Our data shows that SENP levels and activities are reduced in response to heat and arsenite stress, which allows the buildup of poly-SUMO chains on nuclear proteins. Limitation of poly-SUMOylation by overexpression of the SUMO chain-specific isopeptidases SENP6 and SENP7 induced SG formation. In contrast, poly-SUMO-priming by chemical depletion of SENP6 with the drug hinokiflavone drastically limited SG formation upon stress treatment. These results indicate a clear role of chain-specific SENPs in the regulation of stress-induced poly-SUMOylation and SG dynamics.
Last, we investigated whether the STUbL pathway could affect the phase separation of FUSP525 (an ALS-linked mutant of the SG-associated protein FUS) and observed that perturbations of the STUbL pathway lead to an increased phase separation of FUSP525L.
Thus, our work connects the SUMO/RNF4 protein quality control mechanism to the dynamics of SGs supporting the hypothesis that release of proteotoxic stress in the nucleus facilitates the clearance of cytosolic SGs. Thereby, we discovered a previously unknown link between the nuclear and cytosolic axis of proteotoxic stress response.
In the past decade, tissue-resident innate lymphoid cells (ILC) have become a central field of immunological research. ILC are a family of innate immune cells comprising cytotoxic Natural Killer (NK) cells and the non-cytotoxic helper like ILC1, ILC2 and ILC3. They mirror the functions and phenotypes of T cells, but do not require rearranged antigen-specific receptors for their rapid response to signals from injured or infected tissue. As potent cytokine producers being enriched in mucosal tissue, ILC play an essential role in tissue maintenance and regulating immunity to chronic inflammation and infection (Vivier et al., 2018). Although heterogeneity and plasticity of ILC complicates their classification, the pathophysiology of a broad variety of autoimmune and chronic inflammatory diseases have been associated with dysregulations in ILC subset distribution and functions (Dzopalic et al., 2019). This highlights their importance in human health and disease and accounts for the need for markers unambiguously describing the different ILC subtypes. This work introduces NKp65, a C-type lectin-like receptor (CTLR) encoded in the natural killer gene complex by the KLRF2 gene, as an exclusive marker for human ILC3. NKp65 expression especially discerns ILC3-like NK cell precursor from mature NK cells which express the NKp65-relative NKp80. Moreover, flow cytometric analysis of NKp65 expression aids in the demarcation of natural cytotoxicity receptor (NCR) expressing ILC3, from the closely related but functionally distinct RORt+ LTi cells and NCR- ILC3. This work further provides insights into NK cell development by in vitro differentiation studies in which NKp65 expressing cells are generated in presence of OP9 feeder cells and cytokines to support development. In such cultures, NKp65 expressing in vitro ILC (ivILC) acquire NKp80 expression in a Notch-dependent manner indicating their differentiation into mature NK cells. Acquisition of NK cell phenotypic markers is accompanied by NKp65 downregulation which leads to the mutually exclusive expression of NKp80 on NK cells and NKp65 on ILC3-like cells. Further insights are provided into the functional consequences of NKp65 engagement by its cognate high affinity ligand ‘keratinocyte-associated C-type lectin’ (KACL) which is selectively expressed on human keratinocytes (Bauer et al., 2015; Spreu et al., 2010). Expressed on ivILC, NKp65 mediates killing of KACL expressing target cells, suggesting that NKp65-KACL interaction promotes cellular cytotoxicity. In this context, the observed metalloproteinase dependent shedding of NKp65 might play a role in the termination of the cellular interaction. The findings on the regulation of NKp65 expression demonstrate the presence of a functional STAT5 response element in the KLRF2 promoter endowing a transcriptional control of NKp65 expression by IL-7 signaling. This provides an interesting link between the dependency of ILC3 on IL-7 signaling for their maintenance and the specific expression of NKp65 on these cells.
In summary, this study provides new insights into the physiologic expression of the CTLR NKp65 on human ILC3. The dependency of NKp65 surface expression on sustained STAT5 signaling provided by IL-7 underlines the connection of NKp65 expression and an ILC3 phenotype which might contribute to promote future research in discerning the interspersed pathways of ILC3 and NK cell development. The tissue and cell specific expression of NKp65 on ILC3 and its ligand KACL on keratinocytes of the human skin further suggests an important role of this genetically coupled receptor-ligand pair in tissue specific immunosurveillance.