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In dieser Arbeit wurden die Strukturen von drei Membranproteinen mittels Einzelpartikel-Kryo‑Elektronenmikroskopie (Kryo‑EM) gelöst. Bei den Membranproteinen handelt es sich um den humanen TRP-Kanal Polycystin‑2, den sekundär-aktiven Transporter BetP aus Corynebacterium glutamicum und den Rotor-Ring der N‑Typ ATPase aus Burkholderia pseudomallei.
Kanäle sind Membranproteine, die Ionen durch eine Pore über die Membran diffundieren lassen. Durch einen präzisen, kanalabhängigen Regulationsmechanismus wird die Pore nur bei Bedarf geöffnet. TRP (transient receptor potential) Kanäle sind anhand von DNA-Sequenzvergleichen identifiziert worden und kommen ausschließlich in Eukaryonten vor. In dieser Arbeit lag der Fokus auf der Strukturbestimmung des humanen TRP Kanals Polycystin‑2 (PC‑2). PC‑2 wurde in einer Studie entdeckt, in der Patienten mit der autosomal dominanten Erbkrankheit „polyzystische Nierenerkrankung“ untersucht wurden. Patienten mit dieser Krankheit tragen eine Mutation in einem der beiden Gene PKD1 oder PKD2, welche für die Proteine Polycystin‑1 und ‑2 kodieren. In dieser Arbeit wurden verschiedene Deletionsmutanten von PC‑2 hergestellt und in das Genom menschlicher HEK293 GnTI‑ Zellen inseriert. Die Zellen, die PC‑2 bzw. die Deletionskonstrukte am stärksten synthetisierten, wurden isoliert und für die rekombinante Proteinherstellung verwendet. Die Expression von PC‑2 führte zu der Entstehung von kristalloidem endoplasmatischem Retikulum. Mutationsstudien in dieser Arbeit zeigen, dass diese morphologische Veränderung durch die Akkumulation von Membranproteinen, die mit sich selbst interagieren, begünstigt wird. Weiter ist es in dieser Arbeit gelungen, PC‑2 zu reinigen und die Struktur des Proteins mit Hilfe von Einzelpartikel Kryo-EM mit einer Auflösung von 4.6 Å zu bestimmen. Die Membrandomäne von PC‑2 ist sehr ähnlich zu den bekannten TRP Kanal Strukturen. Ein Vergleich der PC‑2 Struktur mit dem offenen und geschlossenen TRPV1 Kanal legt nahe, dass PC‑2 in seiner offenen Konformation gelöst wurde.
Der sekundär aktive Transporter BetP von C. glutamicum gehört zu der Familie der BCC- (betaine-carnitine-choline) Transporter und wird durch osmotischen Schock aktiviert. Nach seiner Aktivierung importiert BetP zwei Natriumionen und ein Glycinbetain Molekül. Durch die Akkumulierung von Glycinbetain in der Zelle steigt das osmotische Potential des Zytoplasmas, was den Wasserausstrom aus der Zelle stoppt. Viele Strukturen, die BetP in unterschiedlichen Stadien des Transportprozesses zeigen, konnten bereits mittels Röntgenkristallographie gelöst werden. Allerdings ist die N‑terminale Domäne für die Kristallisation entfernt worden und die C‑terminale Domäne, die komplett aufgelöst ist, ist an einem wichtigen Kristallkontakt beteiligt. Um strukturelle Informationen über die N‑ und C‑terminale Domäne ohne Kristallisationsartefakte zu erhalten, wurde in dieser Arbeit die Struktur von BetP mittels Einzelpartikel Kryo‑EM bestimmt. Die Struktur mit einer Auflösung von 6.8 Å zeigt BetP in einem zum Zytoplasma geöffneten Zustand. Der größte Unterschied zu allen Kristallstrukturen ist die Position der C‑terminalen α‑Helix, die um ~30° rotiert ist und dadurch deutlich enger am Protein zu liegen kommt. Da BetP in Abwesenheit von aktivierenden Stoffen analysiert wurde, wird vermutet, dass es sich bei der gelösten Struktur um den inaktiven Zustand von BetP handelt.
Rotierende ATPasen sind membrangebunden Enzymkomplexe, die bei der zellulären Energieumwandlung eine entscheidende Rolle einnehmen. Sie bestehen aus einem löslichen und einem membrangebundenen Teil. Während in dem löslichen Teil der zelluläre Energieträger Adenosintriphosphat (ATP) entweder synthetisiert oder hydrolysiert wird, baut der membrangebundene Teil entweder einen Ionengradienten auf oder nutzt die Energie eines existierenden Gradienten für die ATP Synthese. Ein wesentlicher Bestandteil des membrangebundenen Teils einer rotierenden ATPase ist der Rotor-Ring. Dieser transportiert Ionen über die Membran und rotiert dabei um seine eigene Achse. In dieser Arbeit wurde eine Studie fortgesetzt, die den Rotor-Ring der N‑Typ ATPase von B. pseudomallei mittels Kryo‑EM untersuchte und zeigte, dass der Rotor-Ring aus 17 identischen Untereinheiten aufgebaut ist. Damit hat die N‑Typ ATPase das größte Ionen-zu-ATP-Verhältnis aller bisher charakterisierten ATPasen. In dieser Arbeit wurde die c17 Stöchiometrie des N‑Typ ATPase Rotor-Rings bestätigt und die Struktur mittels Kryo‑EM bestimmt. Im besonderen Fokus lag dabei der Einfluss von Detergenzien auf die Strukturbestimmung. Es konnte gezeigt werden, dass die beiden Parameter Dichte und Mizellengröße der verwendeten Detergenzien ausschlaggebend für den Erfolg der Strukturbestimmung dieses sehr kleinen Membranproteins sind.
An optochemokine tandem was developed to control the release of calcium from endosomes into the cytosol by light and to analyze the internalization kinetics of G-protein coupled receptors (GPCRs) by electrophysiology. A previously constructed rhodopsin tandem was re-engineered to combine the light-gated Ca2+-permeable cation channel Channelrhodopsin-2(L132C), CatCh, with the chemokine receptor CXCR4 in a functional tandem protein tCXCR4/CatCh. The GPCR was used as a shuttle protein to displace CatCh from the plasma membrane into intracellular areas. As shown by patch-clamp measurements and confocal laser scanning microscopy, heterologously expressed tCXCR4/CatCh was internalized via the endocytic SDF1/CXCR4 signaling pathway. The kinetics of internalization could be followed electrophysiologically via the amplitude of the CatCh signal. The light-induced release of Ca2+ by tandem endosomes into the cytosol via CatCh was visualized using the Ca2+-sensitive dyes rhod2 and rhod2-AM showing an increase of intracellular Ca2+ in response to light.
A growing body of evidence suggests that macrophage polarization dictates the expression of iron-regulated genes. Polarization towards iron sequestration depletes the microenvironment, whereby extracellular pathogen growth is limited and inflammation is fostered. In contrast, iron release contributes to cell proliferation, which is important for tissue regeneration. Moreover, macrophages constitute a major component of the infiltrates in most solid tumors. Considering the pivotal role of macrophages for iron homeostasis and their presence in association with poor clinical prognosis in tumors, we approached the possibility to target macrophages with intracellular iron chelators. Analyzing the expression of iron-regulated genes at mRNA and protein level in primary human macrophages, we found that the iron-release phenotype is a characteristic of polarized macrophages that, in turn, stimulate tumor cell growth and progression. The application of the intracellular iron chelator (TC3-S)2 shifted the macrophage phenotype from iron release towards sequestration, as determined by the iron-gene profile and atomic absorption spectroscopy (AAS). Moreover, whereas the addition of macrophage supernatants to tumor cells induced tumor growth and metastatic behavior, the supernatant of chelator-treated macrophages reversed this effect. Iron chelators demonstrated potent anti-neoplastic properties in a number of cancers, both in cell culture and in clinical trials. Our results suggest that iron chelation could affect not only cancer cells but also the tumor microenvironment by altering the iron-release phenotype of tumor-associated macrophages (TAMs). The study of iron chelators in conjunction with the effect of TAMs on tumor growth could lead to an improved understanding of the role of iron in cancer biology and to novel therapeutic avenues for iron chelation approaches.
The P300/CBP-associated factor plays a central role in retroviral infection and cancer development, and the C-terminal bromodomain provides an opportunity for selective targeting. Here, we report several new classes of acetyl-lysine mimetic ligands ranging from mM to low micromolar affinity that were identified using fragment screening approaches. The binding modes of the most attractive fragments were determined using high resolution crystal structures providing chemical starting points and structural models for the development of potent and selective PCAF inhibitors.
The ability of endothelial cells to properly adapt to changes in a dynamic blood perfused environment is essential to maintain the physiological function of the vascular system and of the organs. Epigenetic control of gene expression is believed to be the mechanism controlling cell-fate determination and cell-phenotype maintenance. In the thesis, two JmjC demethylases were screened for their function in endothelial biology. Both of them were proved to play a central role in angiogenesis.
The histone 3 lysine 4 demethylase JARID1B was identified as the most highly expressed demethylase in endothelial cell. Knockdown of JARID1B in human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) attenuated cell migration, angiogenic sprouting and tube formation. Jarid1b null mice exhibited attenuated retinal angiogenesis and reduced endothelial sprout outgrowth from aortic segments. Microarray data identified that the antiangiogenic transcription factor HOXA5 was suppressed by JARID1B. Consistently, chromatin immunoprecipitation experiment revealed that JARID1B occupies and reduces the histone 3 lysine 4 methylation levels at the HOXA5 promoter, demonstrating a direct function of JARID1B in endothelial HOXA5 gene regulation. Hence, as a highly expressed JmjC protein in endothelial cells, JARID1B fundamentally maintains endothelial angiogenic phenotypes perhaps through suppression of HOXA5.
As second enzyme it was identified that the histone plant homeodomain finger protein 8 (PHF8) plays a role in endothelial angiogenic sprouting as well as tube formation and cell migration. Overexpression of PHF8 catalyzed the removal of methyl-groups from histone 3 lysine 9 (H3K9) and H4K20, whereas knockdown of the enzyme increased H3K9 methylation. Knockdown of PHF8 by RNAi also attenuated endothelial proliferation and survival. To characterize the underlying mechanism, E2F transcription factors were screened, which led to the identification of the gene repressor E2F4 to be controlled by PHF8. Importantly, PHF8 maintains E2F4, but not E2F1, expression in endothelial cells. Likewise, chromatin immunoprecipitation revealed that PHF8 reduces the H3K9me2 level at the E2F4 transcriptional start site, demonstrating a direct function of PHF8 in endothelial E2F4 gene regulation. Thus, it is proposed that PHF8 maintains endothelial function by controlling E2F4 expression. On the other hand, microarray and subsequent qPCR validation revealed that the expressions of small nuclear RNAs (snRNAs) were regulated by PHF8. Co-immunoprecipitation experiment demonstrated that PHF8 interacts with spliceosome related proteins SNRP70 and SRPK1 as well as snRNA. Indeed, PHF8 contributed to splicing: GLS and VEGF-A displayed alternative splicing in PHF8 depleted cells. In addition, c-FOS introns were showed to be retained after knockdown of PHF8 in endothelial cells. These results demonstrated that, by controlling angiogenic mRNA splicing, PHF8 could affect endothelial properties.
Collectively, the results uncover the important roles of JARID1B and PHF8 in endothelial cells in the control of angiogenesis. Changing histone modifiers appears as an attractive concept for pro- and antiangiogenic therapy. The present work adds JARID1B and PHF8 as novel potential targets to this emerging field.
Die NADPH-Oxidasen stellen eine wichtige Quelle für reaktive Sauerstoffspezies (Reactive oxygen species; ROS) im Organismus dar. Hierbei dienen die NADPH-Oxidasen nicht nur der Pathogenabwehr, sondern haben einen Einfluss auf eine Vielzahl an oxidativen, physiologischen Prozessen. Unter den NADPH-Oxidasen ist NOX4 einzigartig, da es hauptsächlich im endoplasmatischen Retikulum (ER) lokalisiert ist, konstitutiv aktiv ist und Wasserstoffperoxid (H2O2) produziert. Wir vermuten, dass diese besonderen Eigenschaften eine Konsequenz aus der Interaktion mit bislang unentdeckten NOX4-interagiereden Proteinen ist.
Zweidimensionale blau-native Polyacrylamid-Gelelektrophorese (BN-PAGE) kombiniert mit SDS-PAGE zeigte NOX4 in makromolekularen Komplexen. Interagierende Proteine wurden durch eine quantitative SILAC (stable isotope labeling of amino acids in cell culture)-Co-immunopräzipitation (Co-IP) in NOX4-überexprimierenden HEK293-Zellen gescreent. Hierdurch konnten verschiedene interagierende Proteine identifiziert werden, wobei Calnexin die robusteste Interaktion aufwies. Calnexin konnte zudem in NOX4-haltigen Komplexen durch Complexome Profiling der BN-PAGE oder gleichzeitiger Antikörperfärbung nachgewiesen werden. Die Calnexin-NOX4-Interaktion konnte mittels reverser Co-IP und Proximity ligation assay bestätigt werden, während NOX1, NOX2 und NOX5 nicht mit Calnexin interagierten. Calnexin-Defizienz, untersucht in embryonalen Mausfibroblasten oder durch shRNA gegen Calnexin, reduzierte die NOX4-Proteinexpression und ROS-Bildung, wobei die mRNA-Expression unverändert blieb. Des Weiteren wurde untersucht, ob der bekannte Interaktionspartner von NADPH-Oxidasen, p22phox, wirklich essentiell für die Expression oder Aktivität von NOX4 ist, da es nur in manchen der NOX4-Co-IPs nachgewiesen wurde. Um den Einfluss von p22phox für NOX4 aufzuklären wurde ein CRISPR/Cas9 Knockdown in NOX4-überexprimierenden HEK293 Zellen etabliert. p22phox zeigte keinen Einfluss auf die NOX4-Expression, jedoch war die NOX4-abhängige ROS-Produktion in p22phox-Knockout Zellen verschwunden.
Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass endogenes NOX4 makromolekulare Komplexe mit Calnexin ausbildet, welches für die korrekte Reifung, Prozessierung und Funktion von NOX4 im ER nötig ist. Darüber hinaus ist p22phox nicht für die Reifung von NOX4, aber für dessen Aktivität nötig. Diese Ergebnisse zeigen eine vielfältige Regulation von NOX4 auf Proteinebene.
Cytochrome c oxidases (CcOs), members of the heme-copper containing oxidase (HCO) superfamily, are the terminal enzymes of aerobic respiratory chains. The cbb3-type cytochrome c oxidases (cbb3-CcO) form the C-family and have only the central catalytic subunit in common with the A- and B-family HCOs. In Pseudomonas stutzeri, two cbb3 operons are organized in a tandem repeat. The atomic structure of the first cbb3 isoform (Cbb3-1) was determined at 3.2 Å resolution in 2010 (S. Buschmann, E. Warkentin, H. Xie, J. D. Langer, U. Ermler, and H. Michel, Science 329:327-330, 2010, http://dx.doi.org/10.1126/science.1187303). Unexpectedly, the electron density map of Cbb3-1 revealed the presence of an additional transmembrane helix (TMH) which could not be assigned to any known protein. We now identified this TMH as the previously uncharacterized protein PstZoBell_05036, using a customized matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI)-tandem mass spectrometry setup. The amino acid sequence matches the electron density of the unassigned TMH. Consequently, the protein was renamed CcoM. In order to identify the function of this new subunit in the cbb3 complex, we generated and analyzed a CcoM knockout strain. The results of the biochemical and biophysical characterization indicate that CcoM may be involved in CcO complex assembly or stabilization. In addition, we found that CcoM plays a role in anaerobic respiration, as the ΔCcoM strain displayed altered growth rates under anaerobic denitrifying conditions.om Pseudomonas stutzeri, a bacterium closely related to the human pathogen Pseudomonas aeruginosa.
Bacterial sugar symporters in the Major Facilitator Superfamily (MFS) use the H+ (and in a few cases Na+) electrochemical gradients to achieve active transport of sugar into the cell. Because a number of structures of MFS sugar symporters have been solved recently, molecular insight into the transport mechanism is possible from detailed functional analysis. We present here a comparative electrophysiological study of the lactose permease (LacY), the fucose permease (FucP) and the xylose permease (XylE), which reveals common mechanistic principles and differences. In all three symporters energetically downhill electrogenic sugar/H+ symport is observed. Comparison of the pH dependence of symport at symmetrical pH exhibits broad bell-shaped pH profiles extending over 3 to 6 pH units and a decrease at extremely alkaline pH ≥ 9.4 and at acidic to neutral pH = 4.6–7.5. The pH dependence can be described by an acidic to neutral apparent pK (pKapp) and an alkaline pKapp. Experimental evidence suggests that the alkaline pKapp is due to H+ depletion at the protonation site, while the acidic pKapp is due to inhibition of deprotonation. Since previous studies suggest that a single carboxyl group in LacY (Glu325) may be the only side chain directly involved in H+ translocation and a carboxyl side chain with similar properties has been identified in FucP (Asp46) and XylE (Asp27), the present results imply that the pK of this residue is switched during H+/sugar symport in all three symporters.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zum Vergleich die Strukturen der ATP-Synthasen von Arabidopsis thaliana, Asparagus officinalis, Allium cepa, Helianthus annus, Solanum tuberosum, Bos taurus und Saccharomyces cerevisiae gelöst. Die ATP-Synthase von S. cerevisiae konnte mit einer Auflösung von 19 Å gelöst werden. Der Winkel zwischen den zwei ATP-Synthase-Monomeren in dem ATP-Synthase-Dimer hatte für jede Spezies einen bestimmten Wert. Dieser Winkel änderte sich innerhalb einer Spezies nur wenig im Gegensatz zu Untersuchungen mit Einzelpartikelanalyse.
Die ATP-Synthase-Dimere aus den untersuchten Spezies besitzen unterschiedliche Winkel zwischen 78˚ und 122˚. Der Winkel des ATP-Synthase-Dimers aus S. tuberosum (122˚) viel größer als der in anderen Pflanzen (~98˚), B. taurus (105˚) und S. cerevisiae (78˚). Die Proben von S. tuberosum und B. taurus waren jedoch dünner, was den Winkel eventuell beeinflussen könnte. Um dies auszuschließen müssen in Zukunft weitere Untersuchungen durchgeführt werden.
Des Weiteren wurde im peripheren Stiel der ATP-Synthasen von allen Pflanzenspezies eine Dichte entdeckt, die in B. taurus und S. cerevisiae nicht vorhanden ist. Die Dichte könnte durch eine zusätzliche Untereinheit oder veränderte Untereinheit im Vergleich zu B. taurus und S. cerevisiae kommen.
Weiterhin wurde die Bildung von Reihen aus ATP-Synthase-Dimeren untersucht. Es wurden ATP-Synthase-Dimere von Polytomella sp. gereinigt und in Lipid rekonstituiert. Es wurde das ATP-Synthase-Dimer von Polytomella sp. verwendet, da dieses besonders stabil ist und während der Reinigung nicht zum ATP-Synthase-Monomer zerfällt. Zur Rekonstitution wurde die milde GRecon-Methode verwendet. Hierbei werden Membranproteine in einem Zuckergradienten gleichzeitig in Lipid rekonstituiert und nach ihrer Dichte getrennt. Abhängig von der Dichte der Proteoliposomen ist die Konzentration an Membranproteinen unterschiedlich. In Proteoliposomen mit einer hohen Konzentration bilden sich dünne Schichten in denen die ATP-Synthase-Dimeren Zickzack-Muster formen. Dies deutet darauf hin, dass das ATP-Synthase-Dimer die Membran verformt. In Proteoliposomen mit einer niedrigeren Konzentration an ATP-Synthase-Dimeren wurden runde Vesikel detektiert, in denen die ATP-Synthase-Dimere lange Reihen bilden und die Membran innerhalb jedes ATP-Synthase-Dimer ebenfalls verformt ist. Molekulare Simulationen bestätigen dieses Ergebnis.
Zudem wurde das ATP-Synthase-Dimer in zwei verschiedene Lipide ohne Cardiolipin rekonstituiert, da Cardiolipin ein Lipid ist welches in der bakteriellen und mitochondrialen Membran gefunden wurde und in hohen Konzentrationen in Membrankrümmungen lokalisiert ist (Huang et al., 2006), wie auch die ATP-Synthase-Dimere. Ohne Cardiolipin ist die Rekonstitution nicht geglückt beziehungsweise sind die ATP-Synthase-Dimere weniger gut zueinander angeordnet. Das deutet auf die Wichtigkeit von Cardiolipin in der Stabilisierung der Reihen von ATP-Synthase-Dimeren hin. Weitere Experimente mit verschiedenen ATP-Synthase-Dimeren in verschiedenen Lipiden sind nötig um dies zu untermauern.
Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es ein klonierbares Label zu etablieren, um ein bestimmtes Protein in Kryo-Elektronentomogramme zu identifizieren. Das Label sollte klein sein, um das zu identifizierbare Protein nicht zu beeinflussen und groß genug um in Kryo-Elektronentomogramme identifizierbar zu sein. In Einzelbildern wurde das 6 kDa große Metallothionein gebunden mit Gold identifiziert, wenn zwei Metallothioneine an dem gewünschten Protein kloniert wurden. Metallothionein besteht zu 33 % aus Cysteinen, welche Schwermetalle binden.
In meinen Studien habe ich bewiesen, dass drei Metallothioneine, gebunden mit Gold, in Kryo-Elektronentomogramme detektiert werden können. Jedoch tritt bei der Verwendung von Metallothionein durch die hohe Anzahl an Cysteinen vermehrt Aggregation auf. Bei meinen Untersuchungen fand ich heraus, dass auch das Maltose-Binde-Protein (MBP) ein Signal gleicher Intensität erzeugt. Durch Verwendung von MBP tritt aber keine Aggregation auf und man kann MBP auch zum Reinigen des Proteins verwenden.
This thesis is concerned with protein structures determined by nuclear magnetic resonance (NMR), and the text focuses on their analysis in terms of accuracy, gauged by the correspondence between the structural model and the experimental data it was calculated from, and in terms of precision, i.e. the degree of uncertainty of the atomic positions. Additionally, two protein structure calculation projects are described...
Photoinduzierte Energietransferprozesse und -reaktionen spielen in vielen Gebieten von Chemie, Physik und Biologie eine wichtige Rolle. Zu den prominentesten Beispielen zählen der Lichtsammelprozess in der Photosynthese und der Anregungsenergietransfer in funktionellen Materialien. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf letzterem Bereich, genauer auf organischer Elektronik und flexiblen Donor-Akzeptor-Bausteinen und Schaltern. Im Besonderen werden hier zwei verschiedene Typen von funktionellen organischen Systemen betrachtet: zum einen oligomere Fragmente organischer halbleitender Polymere wie Oligo-p-Phenylen-Vinylen (OPV) und Oligo-Thiophen (OT), welche als Bausteine für neuartige organische Solarzellen dienen, und zum anderen kleine funktionelle Donor-Akzeptor-Einheiten wie Dithienylethen-Bordipyrromethen (DTE-BODIPY). Letzteres wurde in Kooperation mit den experimentellen Gruppen von K. Rück-Braun (TU Berlin) und J. Wachtveitl (Goethe Universität) untersucht. Um die relevanten Energietransfermechanismen genauer zu verstehen, wurden an diesen Systemen elektronische Strukturrechnungen und quantendynamische Untersuchungen durchgeführt. Hierzu wurden mittels ab initio-Methoden Modell-Hamiltonians parametrisiert und mit hochdimensionalen quantendynamischen oder semiklassischen Methoden kombiniert. Während die Parametrisierung für kleinere Fragmente durchgeführt wurde, lässt sich der so parametrisierte Hamiltonian ohne Weiteres auf größere Systeme erweitern. Die dynamischen Studien der betreffenden Systeme wurden mittels der Multikonfigurationellen Zeitabhängigen Hartree (MCTDH) Methode durchgeführt, welche eine vollständige quantendynamische Beschreibung des Systems zulässt. Für größere Systeme wurde die semiklassische Ehrenfest Methode in Verbindung mit dem Langevin-Ansatz zur Beschreibung von Umgebungseffekten genutzt. Hierzu wurde ein eigens für diese Methode und Systeme geschriebenes Programm eingesetzt. Im Falle der OT- und OPV-Oligomere wurde die Dynamik bei Vorliegen eines strukturellen Defekts untersucht. Ziel war es hierbei, die dynamischen Phänomene, welche durch die Photoanregung induziert werden, zu untersuchen. Des Weiteren wurde untersucht, ob das Konzept von „spektroskopischen Einheiten“, welche die Lokalisierung der Anregung durch strukturelle Defekte beschreibt, in diesen Systemen zutrifft. Hierzu wurden die Systeme in einer Frenkel-Basis definiert, welche ein auf einem Monomer lokalisiertes Elektron-Loch-Paar beschreibt. Delokalisierte elektronische Anregungen können somit als Superposition solcher Frenkel-Zustände beschrieben werden. Neben der Frenkel-Basis wurde aber auch eine verallgemeinerte Elektron-Loch-Basis verwendet, welche über zusätzliche Ladungstransferzustände eine räumliche Separation von Elektronen und Löchern erlaubt.Die Parametrisierung des OPV- und OT-Hamiltonians erfolgte mittels der Algebraischen Diagrammatischen Konstruktions (ADC(2))-Methode, welche in Kombination mit einer Übergangs-Dichte-Matrix-Analyse eine sehr akkurate Beschreibung der Frenkel- und Ladungstransferzustände basierend auf den supermolekularen Zuständen erlaubt. Um vibronische Effekte auf die Dynamik miteinzubeziehen,wurden nieder- und hochfrequente Torsions- und alternierende Bindungslängenmoden des Systems im Hamiltonian berücksichtigt. Hierzu wurden eindimensionale Schnitte der Potentialflächen entlang dieser Koordinaten berechnet und mittels einer Transformation in diabatische Potentialflächen überführt. Mit diesem Setup wurden die quantendynamischen und semiklassischen Simulationen für ein OPV/OT-Hexamer und ein 20-mer durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Simulationen zeigen, dass der Energietransfer auf einer Subpikosekunden-Zeitskala stattfindet und eine starke Abhängigkeit vom Vorliegen eines strukturellen Defekts aufweist. Des Weiteren konnte auf einer Zeitskala von 100 Femtosekunden eine Lokalisierung des Exzitons beobachtet werden. Fluktuationseffekte werden zudem über Quantenfluktuationen im Falle von MCTDH bzw. über thermische Fluktuationen im Falle des Ehrenfest-/Langevin-Ansatzes berücksichtigt. Letzterer ist jedoch nicht in der Lage, die kohärente Charakteristik der mit den Schwingungsmoden gekoppelten Exziton- und Lokalisierungsdynamik wiederzugeben. Dagegen kann dieser Ansatz erfolgreich genutzt werden, um eine fluktuationsgetriebene „Hopping“-Dynamik des quasi- stationären Zustandes auf einer längeren Zeitskala in Abhängigkeit von der Temperatur zu beschreiben. Die Beschreibung der Photodynamik der DTE-BODIPY-Dyade zielt darauf ab, experimentell beobachtete vibrationelle Schwingungen des BODIPY-Fragments zu erklären, die ohne eine direkte Anregung dieses Fragments zustande kommen. Diese wurden nach einer selektiven Anregung des DTE-Fragments in zeitaufgelösten UV/Vis Anreg-Abtast-Experimenten beobachtet. Der Fokus der Untersuchung liegt daher auf der Beschreibung der photoinduzierten intramolekulare Energieumverteilung (IVR) auf einer Subpikosekunden-Zeitskala. Die DTE-BODIPY Dyade wurde mittels eines Hamiltonians, welcher durch TDDFT Rechnungen parametrisiert wurde, dargestellt. Basierend auf den Normalmoden des Systems, wurden lokale DTE- und BODIPY-Moden konstruiert, wobei einige dieser Moden miteinander gekoppelt sind und die Photoanregung des DTE auf das BODIPY-Fragment übertragen. Hierbei zeigte sich, dass die Zeitskala und die charakteristischen Frequenzen des Experiments mittels der hochdimensionalen MCTDH-Methode gut reproduziert wurden. Aus den Simulationen ergab sich zudem, dass der beobachtete Energietransfer stark von einem Reservoir von vibrationell angeregten lokalen DTE-Moden beeinflusst wird. Der untersuchte IVR- Prozess zeigt zudem eine ausgeprägte Abhängigkeit von lokalen Kopplungen und der Kopplung an eine Umgebung.
Recently, two of the most common types of bone cancers in children and young adults have been proven to exhibit vulnerability to poly(ADP)-ribose polymerase, (PARP) inhibitors (e.g. olaparib, talazoparib). Ewing’s sarcoma (ES) are reported to harbor a fusion gene EWS-FLI1 (85%), inducing tumorigenesis. Additional, as the fusion gene acts as aberrant transcription factor, it similarly induces elevated PARP expression levels sensitizing ES to PARP inhibition. Second, by an exome sequencing approach in a set of primary osteosarcomas (OS) we identified mutation signatures being reminiscent of BRCA deficiency. Therefore, the sensitivity of a panel of OS cell lines to either talazoparib single treatment or in combination with several chemotherapeutic drugs was investigated.
To screen ES tumor cell lines against PARP inhibitors we applied four different PARP inhibitors (talazoparib, olaparib, niraparib and veliparib) that are frequently being used for clinical studies. We combined those PARP inhibitors with a set of chemotherapeutics (temozolomide (TMZ), SN-38, etoposide, ifosfamide, doxorubicin, vincristine and actinomycin D) that are part of the first-line therapy of ES patients. Here, we demonstrate how PARP inhibitors synergize with TMZ or SN-38 to induce apoptosis, whereas the combination of PARP inhibitors with the other drugs are not favorable. By investigation of key checkpoints in the molecular mechanisms of cell death, the pivotal role of the mitochondrial pathway of apoptosis mediating the synergy between olaparib and TMZ was revealed.
Employing talazoparib monotherapy in combination with or without several chemotherapeutic drugs (TMZ, SN-38, cisplatin, doxorubicin, methotrexate and etoposide/carboplatin), the correlation between homologous recombination (HR) repair deficiency (BRCAness) and the response to talazoparib as prototypical PARP inhibitor was validated in different OS cell lines. By calculation of combination indices (CI) and fraction affected (Fa) values, we identified TMZ as the most potent chemotherapeutic drug in combination with talazoparib inducing the mitochondrial apoptotic pathway in OS.
In our studies of two independent tumor entities with contrary genetic background we identified the combination of PARP inhibitor and TMZ as being most effective. Our studies point out that after TMZ induced DNA methylation and concomitant PARP trapping, DNA damage-imposed checkpoint kinase activation consequently induces G2-cell cycle arrest. Subsequent, PARP inhibitor/TMZ causes MCL-1 degradation, followed by activation of BAK and BAX, succeeding in loss of mitochondrial outer membrane potential (LMMP) and activation of downstream effector-caspases in mitochondrial apoptosis. Our findings emphasize the importance of PARP inhibition in order to chemosensitize ES, which express high PARP levels, or OS that bear features of BRCAness.
Functional dynamics of ribonucleic acids : development and application of spectroscopic tools
(2016)
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wird der Aufbau eines zeitaufgelösten Fluorimeters, die photophysikalische Grundcharakterisierung der drei 2-(Pyrenylethinyl)-Adenosine (PyAs) und das Wechselwirkungsgeflecht des tetracyclinbindenden Aptamers (TC-Aptamer) mit seinem Liganden Tetracycyclin (TC) und Mg2+ dargestellt.
Das zeitaufgelöste Fluorimeter basiert auf der experimentellen Technik des zeitkorrelierten Einzelphotonenzählens. Es verfügt über zwei Anregungsquellen: gepulste UV-LEDs und einen frequenzverdoppelten titandotierten Saphirlaser. Diese Quellen Decken einen Wellenlängenbereich von (310 - 550) nm ab. Das Spektrometer kann unter günstigen Umständen eine Zeitauflösung von 50 ps erreichen bei einer zeitlichen Messungenauigkeit von weniger als 0,02 %.
Die Leistungsfähigkeit des Aufbaus wird anhand einer umfangreichen Studie an den drei PyAs demonstriert.
Die drei PyAs 2-(1-Pyrenylethinyl)-Adenosine (1PyA), 2-(2-Pyrenylethinyl)-Adenosine (2PyA) und 2-(4-Pyrenylethinyl)-Adenosine (4PyA) sind eine Gruppe fluoreszierender RNA-Nukleosidanaloga, welche die Gesamtheit aller möglichen Konfigurations-isomere der Grundverbindung PyA umfassen. Ihre zeitabhängigen Fluoreszenzzerfallseigenschaften werden ergänzt von stationären Absorptions- und Fluoreszenzspektren, ultraschneller transienter Absorptionsspektroskopie und quantenchemischen Rechnungen. Die Fluoreszenz von 1PyA und 4PyA gehorchen der Regel von Kasha, wohingegen 2PyA einen triexponentiellen Zerfall mit ausgeprägter Abhängigkeit von der Anregungswellenlänge zeigt. Die transienten Absorptionsspektren aller drei Isomere weisen im gesamten Spektrum dominante, wenig strukturierte Absorptionsbanden des ersten angeregten Zustands auf, welche im nahen UV in unterschiedlichem Maße vom Grundzustandsbleichen und stimulierter Emission überlagert werden. 2PyA zeigt eine deutlich ausgeprägte Signatur für eine interne Umwandlung hin zum S1, wenn es in höhere angeregte Zustände angeregt wird.
Das Fluoreszenzverhalten von 2PyA wird mithilfe eines lokal angeregten (LE) und zweier intramolekularer Ladungstransferzustände, von denen einer der koplanaren Orientierung von Pyren und Adenin (MICT) und der andere einer um 90 ° verdrehten Orientierung (TICT) entspricht. Der LE-Zustand ist hierbei verknüpft mit dem S2 von 2PyA, welcher einer rein pyrenlokalisierten Anregung entspricht. Dieser Zustand existiert so in 1PyA und 4PyA nicht. Der verdrehte TICT-Zustand ist nur in 2PyA bevölkerbar, weil für 2PyA die Barriere zur Bildung von Rotameren am niedrigsten ist und das Molekül nach Anregung daher in diese Geometrie kommen kann und dann durch die stärkere elektrostatische Anziehung stabilisiert wird. 1PyA und 4PyA emittieren hingegen nur aus dem MICT-Zustand.
Die Komplexbildung des TC-Aptamers mit seinem Liganden TC in Lösung wird empfindlich beeinflusst durch die-Konzentration von Magnesiumkationen. Dies wird untersucht durch Bindungs- und Faltungs- und Denaturierungsstudien mit verschiedenen Mg- und Harnstoffkonzentrationen. Als experimentelle Observable dienen hierbei die konformationsabhängige Nukleobasenabsorption und ihr Zirkulardichroismus im fernen UV, die Fluoreszenz des Liganden TC und die freiwerdende Wärme der exothermen Bindungsreaktion des Aptamers mit Mg in An- und Abwesenheit von TC.
Ohne Mg ist eine Interaktion des TC-Aptamers mit TC nicht nachweisbar. Dies liegt daran, dass Mg die notwendige elektrostatische Abschirmung der negativen elektrischen Ladung am RNA-Rückgrat zur Verfügung stellt. Die Abschirmung erlaubt es dem Aptamer kompakte Strukturen mit tertiären Kontakten auszubilden. Wenn die Mg-Konzentration die Faltung des Aptamers vollständig unterstützt (> 1 mM), so befindet sich das Aptamer weitgehend in einer vorgefalteten Konformation, welche der bindungskompetenten stark ähnelt. In diesem Zustand kann das Aptamer seinen Liganden extrem schnell, nämlich annähernd diffusionslimitiert binden. Unter diesen Bedingungen hat TC kaum Einfluss auf die Konformation seines Aptamers.
Bei physiologischen Mg-Konzentrationen (0,2 - 0,8 mM) kann das Aptamer kompakte Konformationen mit tertiären Strukturen einnehmen. Diejenige Konformation, welche der bindenden sehr stark ähnelt, dominiert das konformationelle Gleichgewicht jedoch noch nicht vollständig, es ist lediglich eine Konformation von vielen möglichen. Daher eröffnen physiologische Mg-Konzentrationen dem TC-Aptamer Teile des Konformationsraumes, welche andernfalls nicht zugänglich wären und TC stabilisiert selektiv die native Konformation. Diese konformationelle Verschiebung liefert kann hierbei zur robusten Signalgebung für die Funktion als Riboschalter dienen.
This thesis deals with the NMR characterization of the structure and the folding dynamics of DNA G quadruplexes as potential therapeutic target in cancer therapy and building block for DNA based nanotechnology.
The first part of this thesis (Chapters 1-5) introduces the reader to the world of G quadruplexes.
The main features of the classic Watson Crick double helix and alternative non B DNA structures are illustrated in Chapter 1. Many different base pairing schemes are possible, besides the canonical Watson Crick motif, thereby expanding the structural complexity of DNA. Non canonical base pairing, such as Hoogsteen hydrogen bonding, enables the assembly of triplets and quartets, which are the building blocks of triplex and quadruplex structures, respectively.
The structural characteristics of DNA G quadruplexes are delineated in detail in Chapter 2.
G quadruplex structures are extremely polymorphic, in terms of strands orientation, loops geometry, grooves width and arrangement of the glycosidic torsion angles. The various structural elements as well as the different cation coordination geometries are here presented, with a special emphasis on the diversity of conformations reported for the telomeric DNA G quadruplexes.
Chapter 3 describes the biological roles of G quadruplex structures in the genome. After introducing the architecture of the telomeric DNA and its interacting proteins, the mechanism of the telomeres elongation catalysed by the telomerase enzyme and its implications for cancer are discussed. The occurrence of G quadruplex structures in functional regions of the genome, such as promoter regions of oncogenes, and their possible roles in regulating the gene transcription are then outlined in the second part of the chapter.
The potential of G quadruplex as a novel anti cancer target is examined in Chapter 4 and the proposed anti cancer mechanisms for a ligand stabilizing G quadruplex structures are discussed.
RNA G quadruplexes and their putative role in gene regulation at the level of translation are briefly illustrated at the end of the chapter.
A general overview on the NMR methods to investigate the G quadruplex structures is presented in Chapter 5. The experimental set up used for the real time NMR studies of the G quadruplex folding is also described.
The second part of the thesis (Chapters 6-8), which is the cumulative part, comprises the original publications grouped in three Chapters according to the topic.
The state of the art on small molecules targeting G quadruplex structures is given at the beginning of Chapter 6, including a summary of the experimental structures of G quadruplexes in complex with ligands available up to date. The publications presented in Chapters 6.1-6.3 are concerned with the elucidation of the interaction modes between DNA G quadruplexes and selected ligands with potential therapeutic applications.
The binding ability of two natural alkaloids (berberine and sanguinarine) to telomeric G quadruplexes is examined in Chapter 6.1. The ability of carbazole and diguanosine derivatives (synthetized in the group of Prof. Dash, IISER, Kolkata) to interact with c-MYC G quadruplex and down regulate c-MYC expression is explored in Chapter 6.2 and Chapter 6.3, respectively.
The energy landscape of human telomeric G quadruplex structures is discussed in Chapter 7, in light of the experimental kinetic studies as well as molecular dynamics simulations reported in literature until now. Up to date there is no general consensus regarding the folding pathway of unimolecular human telomeric G quadruplex, in particular due to the lack of atomic resolution data on the species involved in the folding. Chapter 7.1 presents the first real time NMR study of the human telomeric G quadruplex folding kinetics.
The final chapter of this thesis (Chapter 8) outlines the potential of G-quadruplex structures as building blocks in nanotechnology. After illustrating briefly the additional possibilities offered by alternative non B DNA structures to programme nanomaterials, a number of applications employing G quadruplex structures in different fields of nanotechnology are described. The article presented in Chapter 8.1 investigates the structural and photoswitching properties of a novel intermolecular azobenzene containing G quadruplex synthetized in the group of Prof. Heckel (Goethe University, Frankfurt).
The high selectivity of biological transformations taking place in Nature have long inspired synthetic chemists to develop analogous chemical processes. Similarly, transient intermediates identified in chemical transformations often provide a basis to understand biological processes. Therefore, new insights gained in biological studies are often useful for chemistry and vice versa.
Proteins, and catalytically active enzymes, are among the most essential units of living cells. Metalloproteins or -enzymes, i.e., proteins or enzymes that contain transition metal ions such as copper, nickel, iron or zinc are often involved in processes like (1) metal-ion storage and transport, (2) exchange of electrons with the environment in catalysis and electron transfer reactions, and (3) dioxygen storage, transport, and metabolization.
For decades, copper-mediated biological oxidations have spurred a great deal of interest among synthetic and catalytic chemists. Copper enzymes such as dopamine β-monooxygenase (DβM), peptidylglycine α-hydroxylating monooxygenase (PHM),particulate methane monooxygenase (pMMO) and tyrosinase activate molecular oxygen (O2) and incorporate one of the oxygen atoms selectively into C−H bonds yielding hydroxylated organic substrates. Remarkable progress in bioinorganic research has led to the development of a large number of copper-based model systems supported by various nitrogen donor ligands that bind O2, cleave the O−O bond, and/or afford hydroxylation reactions similar to copper enzymes. These synthetic model systems have helped to understand the structureactivity relationships of their biological role models and supporting theoretical studies have contributed substantially to the development of the field. Specifically, several density functional theory (DFT) studies have provided detailed mechanistic insights into coppermediated aliphatic and aromatic hydroxylation reactions. Until to date, however, pertinent quantum chemical research still suffers from severe problems as to identify sufficiently accurate and efficient methods for mechanistic studies, and conflicting literature reports have created confusions within the scientific community. Therefore, the first aim of this thesis is to identify a DFT method well suited to describe copper-mediated hydroxylation reactions. With this method at hand a number of interesting hydroxylation reactions is investigated aiming at a detailed understanding of the underlying reaction mechanisms.
The thesis is divided into four chapters of which the first, the introductory chapter, is further divided into three sections (1) copper proteins and enzymes, (2) copper-O2 reactivity in enzymes and (3) biomimetic Cu/O2 chemistry. The first section gives a brief overview of a number of copper enzymes. The second section provides a concise introduction to the biochemical transformations brought about by those copper enzymes that perform aliphatic and aromatic hydroxylation reactions. It is shown that such copper enzymes carry different types of active sites which are responsible for their specific biological functions. These copper enzymes with their biological function are the role models for synthetic chemistry. In the third section, biomimetic Cu/O2 chemistry, the insights gathered in the past 35 years of extensive research on copper-based synthetic model systems that mimic various aspects of copper-enzyme reactivity are reviewed. Various types of active copper sites have been realized in these synthetic model systems and a brief introduction to the respective reactivities towards C−H bonds is presented. We will specifically focus on isomerization processes of dinuclear active Cu2O2 sites and the specific reactivity aspects of these isomers, as these phenomena have been the subject of enormous research efforts aiming at the understanding of the function of the enzyme tyrosinase.
Theory has been integral part of this research and density functional theory (DFT) has effectively taken over the role as a working horse in most studies. Therefore, the second chapter is devoted to an exposition of earlier DFT applications in mechanistic studies of Cu/O2 chemistry. We specifically highlight the problems related to the use of DFT in this field and illustrate the present state of knowledge.
The third chapter of this thesis provides results and discussion of (1) DFT benchmark studies and (2) mechanistic studies. In the first section, the results of a careful benchmark study on the performance of various DFT methods to study the μ-η2:η2-peroxodicopper(II)/bis(μ-oxo)dicopper(III) core isomerization and the C–H hydroxylation processes are compared with available experimental reference data. We provide an assessment of the effects of relativity, counteranions, and dispersion on the reference reactions. The most suitable DFT method evolving from this study, BLYP-D/def2-TZVP including solvent and relativistic corrections, is applied in the next sections to investigate the mechanistic scenario underlying three copper-dioxygen mediated hydroxylation reactions of aliphatic and aromatic C–H bonds. Our mechanistic studies show that bis(μ-oxo)dicopper(III) complexes are capable of achieving selective aliphatic and aromatic C–H hydroxylations. The study of substituent effects in these reactions has further shown that the bis(μ-oxo)dicopper complex acts as an electrophile in hydroxylation.
The fourth chapter presents the conclusions of our investigations. Part of the work presented in this thesis has been published in a peer reviewed journal and enclosed in appendix 1. Further research work, not presented in chapters 1-4, was conducted during my PhD time. This has led to two publications which are added in the appendix.