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Biological drug substance (DS) is typically stored frozen to increase stability. However, freezing and thawing (F/T) of DS can impact product quality and therefore F/T processes need to be controlled. Because active F/T systems for DS bottles are lacking, freezing is often performed uncontrolled in conventional freezers, and thawing at ambient temperature or using water baths.
In this study, we evaluated a novel device for F/T of DS in bottles, which can be operated in conventional freezers, generating a directed air stream around bottles. We characterized the F/T geometry and process performance in comparison to passive F/T using temperature mapping and analysis of concentration gradients. The device was able to better control the F/T process by inducing directional bottom-up F/T. As a result, it reduced cryo-concentration during freezing as well as ice mound formation. However, freezing with the device was dependent on freezer performance, i.e. prolonged process times in a highly loaded freezer were accompanied by increased cryo-concentrations. Thawing was faster compared to without the device, but had no impact on concentration gradients and was slower compared to thawing in a water bath.
High-performance freezers might be required to fully exploit the potential of directional freezing with this device and allow F/T process harmonization and scaling across sites.
Die sekretorischen Phospholipasen A2 (sPLA2) sind eine Familie von Enzymen, die von Glycerophospholipiden spezifisch Fettsäuren abspalten. Bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt wurden im Menschen neun verschiedene sPLA2-Subtypen identifiziert, die in zahlreiche physiologische und pathophysiologische Prozesse involviert sind. So sind sPLA2s in der humanen Epidermis maßgeblich am Aufbau der Permeabilitätsbarriere beteiligt. Darüber hinaus kontrollieren sie die Freisetzung von Arachidonsäure für die Produktion von Eicosanoiden, die sowohl für die Proliferation der Keratinozyten als auch für inflammatorische Prozesse und die Entstehung von Tumoren in der Haut von entscheidender Bedeutung sind.
Da bislang weder das detaillierte Expressionsmuster der einzelnen sPLA2-Enzyme noch deren spezifische Funktion in humaner Epidermis bekannt war, wurde in der vorliegenden Arbeit eine umfassende Analyse an Biopsien gesunder und erkrankter humaner Haut durchgeführt. Zusätzlich zum Nachweis der sPLA2-Expression in vivo wurden humane primäre Keratinozyten in vitro verwendet, um die Auswirkungen der Differenzierung der Keratinozyten auf die Expression der verschiedenen sPLA2-Enzyme zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen sowohl in gesunder Haut als auch in primären Keratinozyten eine starke Expression der sPLA2-IB, -IIF und -X in differenzierten Zellen, während die der sPLA2-IID und -V auf proliferierende Zellen beschränkt war. Die sPLA2-IIA hingegen wurde in gesunder Haut vor allem in der äußersten, verhornten Schicht der Epidermis nachgewiesen. Die Analyse der Haut von Patienten mit Psoriasis oder Atopischer Dermatitis, beides Erkrankungen, die mit einer Störung der Permeabilitätsbarriere assoziiert sind, zeigte im Vergleich zu gesunder Haut ein deutlich verändertes Expressionsmuster. So konnte in Biopsien kranker Haut eine verstärkte Expression der sPLA2-IIA und -IID nachgewiesen werden, während die sPLA2-V nicht detektiert werden konnte. Besonders auffallend war das Verteilungsmuster der sPLA2-X, die, im Gegensatz zu gesunder Haut, in der Epidermis erkrankter Haut nicht zu detektieren war. Dagegen konnte hier eine starke Färbung der Dermis nachgewiesen werden. Die Abwesenheit der sPLA2-X in der Epidermis unter entzündlichen Bedingungen könnte durch die Sekretion des Enzyms erklärt werden. So führte die Behandlung von HaCaT-Zellen, die als in vitro Modellsystem dienten, mit Psoriasistypischen TH-1-Zytokinen wie TNF a und IFN g zur Freisetzung der sPLA2-X ins Kulturmedium. Zudem induzierte die exogene Stimulation der Zellen mit rekombinanter sPLA2-X die Synthese des Eicosanoids Prostaglandin E2 (PGE2), das zu Entzündungsreaktionen in der Haut entscheidend beiträgt. Die weitere Analyse des Signaltransduktionsweges zeigte, dass der Effekt der exogenen sPLA2-X sowohl durch den Einsatz des sPLA2-spezifischen Inhibitors Methyl-Indoxam als auch durch die Hemmung der katalytischen Aktivität der zytosolischen PLA2 a (cPLA2 a) blockiert werden konnte. Da zudem Hydrolyse-Produkte der PLA2s, wie freie Fettsäuren und deren Metabolite, endogene Aktivatoren der Transkriptionsfaktoren PeroxisomProliferator-aktivierte Rezeptoren (PPAR) darstellen, wurde auch deren Rolle bei der PGE2-Produktion untersucht. Experimente mit dem PPAR g Antagonisten GW 9662 und dem PPAR g Aktivator Ciglitazon und die Untersuchung des Bindungsverhaltens der PPARs an ihre DNA-Konsensus-Sequenz nach Stimulation mit exogener sPLA2-X zeigten, dass insbesondere PPAR g (PPAR g) an der Signalweiterleitung beteiligt ist. Zudem hatte die Herunterregulation der sPLA2-X mittels RNA-Interferenz die Suppression von differenzierungsassoziierten Proteinen wie Involucrin und PPAR g zur Folge.
Die unterschiedliche Lokalisation der untersuchten sPLA2-Enzyme in gesunder und erkrankter Haut lässt darauf schließen, dass die einzelnen Subtypen in der humanen Epidermis unterschiedliche Funktionen wahrnehmen. So ist einerseits die sPLA2-IIA mit inflammatorischen Prozessen der Haut verbunden, andererseits korreliert insbesondere der Verlust der sPLA2-X in der Epidermis mit einer Störung der epidermalen Permeabilitätsbarriere, so dass dieses Enzym offenbar zum Aufbau der Permeabilitätsbarriere beiträgt. Unter entzündlichen Bedingungen kommt es allerdings, induziert durch Zytokine, zur Sekretion der sPLA2-X. In großen, nicht-physiologischen Mengen freigesetzt, ist das Enzym in der Lage, die Synthese von Eicosanoiden wie PGE2 zu steigern, und unterstützt dadurch die Entzündungsreaktionen in der Haut.
Four different structural models, which all fit the same X-ray powder pattern, were obtained in the structure determination of 4,11-difluoroquinacridone (C20H10N2O2F2) from unindexed X-ray powder data by a global fit. The models differ in their lattice parameters, space groups, Z, Z′, molecular packing and hydrogen bond patterns. The molecules form a criss-cross pattern in models A and B, a layer structure built from chains in model C and a criss-cross arrangement of dimers in model D. Nevertheless, all models give a good Rietveld fit to the experimental powder pattern with acceptable R-values. All molecular geometries are reliable, except for model D, which is slightly distorted. All structures are crystallochemically plausible, concerning density, hydrogen bonds, intermolecular distances etc. All models passed the checkCIF test without major problems; only in model A a missed symmetry was detected. All structures could have probably been published, although 3 of the 4 structures were wrong. The investigation, which of the four structures is actually the correct one, was challenging. Six methods were used: (1) Rietveld refinements, (2) fit of the crystal structures to the pair distribution function (PDF) including the refinement of lattice parameters and atomic coordinates, (3) evaluation of the colour, (4) lattice-energy minimizations with force fields, (5) lattice-energy minimizations by two dispersion-corrected density functional theory methods, and (6) multinuclear CPMAS solid-state NMR spectroscopy (1H, 13C, 19F) including the comparison of calculated and experimental chemical shifts. All in all, model B (perhaps with some disorder) can probably be considered to be the correct one. This work shows that a structure determination from limited-quality powder data may result in totally different structural models, which all may be correct or wrong, even if they are chemically sensible and give a good Rietveld refinement. Additionally, the work is an excellent example that the refinement of an organic crystal structure can be successfully performed by a fit to the PDF, and the combination of computed and experimental solid-state NMR chemical shifts can provide further information for the selection of the most reliable structure among several possibilities.
The evolution of cell-free protein synthesis (CFPS) over recent decades has made it a widely used system for expressing membrane proteins (MPs). Unlike traditional methods, CFPS allows direct and translocon-independent expression of MPs within lipid membranes, such as liposomes or nanodiscs (NDs), without the need for detergent solubilization. This open nature of CF systems enables customization of the experimental environment, including expression conditions, choice of nanoparticles (NPs), lipid composition, and addition of stabilizing molecules.
Membrane scaffold protein (MSP)-based NDs emerged as a gold standard for cotranslational solubilization of MPs using the CF-system. This approach allowed not only biochemical characterization, but also structural studies of MPs and even GPCRs. However, to solubilize MPs inside nanoparticles via the traditional reconstitution route, apart from MSPs other scaffolds were successfully implemented, e.g. the saposin A (commercially known as Salipro) scaffold system or the synthetic styrene maleic acid lipid particles (SMALPs). In this study the potential of saposin A-based nanoparticles (SapNPs) was explored for cotranslational MP solubilization.
Three strategies for applying SapNPs in CF systems were investigated: preassembly, (i) coassembly (ii), and coexpression (iii). (i) Preassembly involved forming SapNPs before CF expression and adding them to the CF reaction. In coassembly mode SapA and lipids were mixed in the CF reaction for spontaneous assembly with the synthesized MP. In coexpression mode lipids were added to the CF reaction while coexpressing SapA with the MP target. Proteorhodopsin (PR) served as a model protein to evaluate these strategies due to its ability to oligomerize and straightforward quantification using the cofactor retinal. Preassembled SapNPs provided homogeneous, aggregate-free particles yielding up to 200 µM solubilized PR inside in the CF reaction. Coassembly was also successfully applied to produce PR/SapNP complexes at slightly lower yields, however the system was prone to produce soluble aggregates at too high PR template concentrations and overall needed more adjustments. Coexpression resulted in PR yields below 20 µM and was not considered viable for MP production. Finally, the preassembled SapNPs were used to produce functional G-protein coupled receptor probes. Despite lower overall performance compared to MSP-based systems, SapNPs showed potential as an alternative in CF systems for specific MPs.
The second optimization approach was directed at the CF lysate itself. CF synthesis for NMR analysis benefits from selective labeling schemes enabled by truncated amino acid (AA) metabolic pathways in lysates, reducing spectral ambiguity. However, residual enzymatic AA conversions persist, leading to label dilution and ambiguous NMR spectra. This study aimed to eliminate these residual activities in the E. coli A19 strain, generating optimized CF lysates for NMR applications.
The approach involved cumulative gene deletions of the most problematic scrambling enzymes. The new strain, “Stablelabel,” included deletions and modifications in genes asnA, ansA, ansB, glnA, aspC, and ilvE, effectively eliminating background activities of L-Asn, L-Asp, and conversions of L-Glu to L-Asp and L-Gln. However, residual conversion of L-Gln to L-Glu persisted due to glutaminase activity of several glutaminases using the inhibitor 6 diazo-5-oxo-L-norleucine (DON). Stablelabel showed a slightly slower growth than A19, and an overall good performance with 2.7 mg/mL GFP expressed in the reaction mixture (RM) compared to the parental A19 strain with 3.5 mg/mL. Furthermore, the strain was successfully applied to demonstrate methyl group labeling of MPs using preconverted L-val and L-leu from their respective precursors 2-ketoisovalerate and 4-methyl-2-oxovalerate.
In this study, lipid nanoparticle particle-and strain engineering vividly demonstrated the potential of CFPS systems and their versatility. While the SapNP system requires further engineering to potentially reach the efficiency of the well-studied MSP NDs, this study provides an example of nanoparticle characterization allowing new insights into NP behavior in CF systems. Furthermore, it was shown that strain engineering is a straightforward solution to tailor CF lysates to the individual requirements. After this thesis was submitted, Stablelabel in fact was successfully applied for backbone assignment of casein kinase 1, thereby demonstrating its suitability to express complex targets for NMR studies.
Human 5-lipoxygenase (5-LO) is the key enzyme of leukotriene biosynthesis, mostly expressed in leukocytes and thus a crucial component of the innate immune system.
In this study, we show that 5-LO, besides its canonical function as an arachidonic acid metabolizing enzyme, is a regulator of gene expression associated with euchromatin. By Crispr-Cas9-mediated 5-LO knockout (KO) in MonoMac6 (MM6) cells and subsequent RNA-Seq analysis, we identified 5-LO regulated genes which could be clustered to immune/defense response, cell adhesion, transcription and growth/developmental processes. Analysis of differentially expressed genes identified cyclooxygenase-2 (COX2, PTGS2) and kynureninase (KYNU) as strongly regulated 5-LO target genes. 5-LO knockout affected MM6 cell adhesion and tryptophan metabolism via inhibition of the degradation of the immunoregulator kynurenine. By subsequent FAIRE-Seq and 5-LO ChIP-Seq analyses, we found an association of 5-LO with euchromatin, with prominent 5-LO binding to promoter regions in actively transcribed genes. By enrichment analysis of the ChIP-Seq results, we identified potential 5-LO interaction partners. Furthermore, 5-LO ChIP-Seq peaks resemble patterns of H3K27ac histone marks, suggesting that 5-LO recruitment mainly takes place at acetylated histones.>
In summary, we demonstrate a noncanonical function of 5-LO as transcriptional regulator in monocytic cells.
The hepatitis B virus is one of the most common causes of virus-related chronic liver disease and remains a major global health problem affecting 296 million people worldwide. Despite an available and highly effective vaccination, hepatitis B infections lead to an annual mortality rate of approximately 0.8 million people. The global prevalence is heterogeneously distributed and reflects a high infections and chronicity, particularly in low-income countries, due to a lack of vaccination strategies, underdiagnosis and low treatment rates. A complete cure remains undiscovered to this day. Based on their genetic makeup, the virus is categorized into nine genotypes with a genetic difference of more than 8% within the sequence. In addition to their geographical distribution, hepatitis B virus genotypes also differ in terms of their clinical outcome, pathogenesis and treatment response.
The viral protein HBx is known to interact with several cellular signaling pathways and is thereby accounted as the driving force in the development of hepatitis B virus-associated pathogenesis and progression of hepatocellular carcinoma. In particular, HBx interacts with mitochondria and induces profound alterations in the mitochondrial morphology and function with a severe impact on the liver’s physiology and with an emerging role in liver-related disease progression.
This study aims to investigate the genotype-related impact of HBx with regard to their interaction with cellular signaling pathways. A particular focus was placed on mitochondria-dependent interactions and signaling pathways in order to broaden the understanding of the genetic diversity of the genotypes.
Differences between genotypes of HBx were examined and compared through in vitro experiments based on a cell culture-based system. Plasmid DNA encoding the HBx protein of the different genotypes was transiently transfected into Huh7 or HepG2 cells and examined for molecular and protein-biochemical effects on the host cell, usually 72 hours after transfection. This study focused on the most common genotypes A, B, C, D, E and G worldwide.
Based on initial kinome profiling analyses, it was found that HBx differs greatly within their genetic variants and suggests different effects on overall cell function and in particular on mitochondrial kinases. Furthermore, confocal laser scanning microscopy reveals profound HBx-mediated changes in the mitochondrial network structure, however with major differences among the different genotypes. In particular, HBx of genotypes A and G causes enormous fragmentation of mitochondrial structures, accompanied by emergent changes in mitochondrial function. Due to an increased interaction with the voltage-dependent anion channel 3, a significant loss of mitochondrial membrane potential was also observed, together with an increased radial oxygen stress level and an induction of central mitochondria-dependent inflammatory mediators. In contrast, the contribution of HBx-genotype B and E reveals only moderate effects in these regards. Using a pH-sensitive reporter system, HBx genotypes which previously indicated a strong distribution in the mitochondrial morphology and function, also showed an elevated mitophagy through the PINK1/Parkin-mediated pathway. This study provides direct evidence that HBx-mediated changes in host cell signaling pathways, especially in mitochondrial-associated pathways, fundamentally dependent on the different genotypes. In addition, the results also indicate an important role of HBx in the process of genotype-dependent liver pathogenesis and provide insight into the underlying cellular mechanisms and signaling pathways.
Molecular concepts for pandemic viruses : membrane fusion assays and targeting of reservoir cells
(2024)
In den letzten Jahren haben verschiedene pandemische Viren zu beträchtlichen Krankheits- und Todesfällen geführt. Um dieser ständigen Bedrohung entgegenzuwirken, ist es wichtig diagnostische Testsysteme und Therapien anzupassen oder neu zu etablieren. Diese Arbeit konzentriert sich auf die pandemischen Viren SARS-CoV-2 und HIV.
Der Zelleintritt von SARS-CoV-2 wird durch das Spike-Protein (S) ausgelöst, welches die Fusion der Virushülle mit der zellulären Membran bewirkt. Erste Studien haben gezeigt, dass das S-Protein eine hohe Fusionsaktivität aufweist. Aus diesem Grund sollten in dieser Arbeit neue Fusionstests etabliert werden, um potenzielle Inhibitoren der Zellfusion zu evaluieren. Im ersten Teil dieser Thesis wird die Etablierung von quantitativen Tests zur Evaluierung der Zell-Zell und Partikel-Zell Fusionsaktivität, welche durch S bewirkt wird, demonstriert.
Trotz jahrelanger Forschung können HIV-Patienten nicht geheilt werden und Virusinfektionen treten weiterhin weltweit auf. Das größte Problem bei der Entwicklung eines Heilmittels ist die frühe Bildung von Reservoirzellen während einer Infektion. Um diese Reservoirzellen zu identifizieren, wurde der Oberflächenmarker CD32a vorgeschlagen. Die Nutzung von Cas9-Nukleasen zur Inaktivierung von HIV ist in vitro erfolgreich, aber der effiziente Transfer in Reservoirzellen bleibt weiterhin herausfordernd. Im zweiten Teil dieser Thesis werden Rezeptor-gerichtete Adeno-assoziierte Vektoren (AAVs) für die HIV-Gentherapie präsentiert, die CD4 und CD32a für den Zelleintritt nutzen.
Zur Charakterisierung der Fusionsaktivität von SARS-CoV-2 wurden drei quantitative Fusionstests etabliert, welche Partikel- und Zell-Zell Fusionen berücksichtigen. Für den Partikel-Zell Fusionstest wurden lentivirale Vektoren (LV) verwendet, welche das S-Protein auf ihrer Oberfläche präsentierten. Die Transduktionseffizienz von S-LV erreichte auf Zellen, die den SARS-CoV-2 Rezeptor ACE2 exprimieren, ein Signal-zu-Hintergrund Verhältnis von über 2000. Durch die Präsentation von S auf leeren LV-Partikeln konnte die Fusion von benachbarten Zellen detektiert und quantifiziert werden („fusion-from-without“ (FFWO)). Für die Quantifizierung wurde ein Reporter-Komplementationstest etabliert. Hierbei wurden die Alpha- und Omega-Fragmente der β-Galaktosidase getrennt in zwei Zielzellpopulationen exprimiert, die beide ACE2 exprimierten. Durch die Zugabe von S-Partikeln kam es zur Fusion der Zielzellen und zur Komplementation der Alpha- und Omega-Fragmente. Die resultierende β-Galaktosidase-Aktivität konnte anschließend quantifiziert werden. Unter optimalen Versuchsbedingungen erreichte dieser Assay ein Signal-zu-Hintergrund Verhältnis von 2,7 Größenordnungen. Anschließend wurde der Komplementationstest für die Messung der Zell-Zell Fusion verwendet. In diesem Test exprimierten Effektorzellen S und das Alpha-Fragment, Zielzellen ACE2 und das Omega-Fragment. Obwohl die S-Expression auf den Effektorzellen sehr gering war, konnte dennoch eine signifikante Fusion nachgewiesen werden. Auch hier konnte unter optimalen Versuchsbedingungen ein hohes Signal-zu-Hintergrund Verhältnis von 2,9 Größenordnungen festgestellt werden. Nach der Etablierung der Testsysteme wurden S-spezifische Inhibitoren verwendet. Im Gegensatz zu Partikel-Zell-Fusionen wurde die Fusionsaktivität von S auf Zellen nur mäßig inhibiert. Dies deutet daraufhin, dass das Eindringen von Partikeln in Zellen wirksamer verhindert werden kann als die Ausbreitung durch Zell-Zell Fusionen.
Um AAVs spezifisch an HIV-Reservoirzellen zu binden, wurden CD4- und CD32a-spezifische DARPins („designed ankyrin repeat proteins“) in Rezeptor-verblindete AAVs eingebaut. Ebenso wurden beide DARPins gleichzeitig auf dem Kapsid präsentiert, um eine höhere Spezifität für doppelt-positive Zellen zu erreichen. Wenn diese Partikel einer Zellmischung aus CD4-, CD32a- und CD4/CD32a-exprimierenden Zellen zugesetzt wurden, transduzierten die bispezifischen Vektoren vorzugsweise doppelt-positive Zellen. Diese Präferenz war am höchsten in Zellkulturen, die stark unterrepräsentierte CD4/CD32a-exprimierende Zellen enthielten. Unter diesen Voraussetzungen erreichten bispezifische Vektoren eine bis zu 66-fach höhere Transduktionseffizienz auf CD4/CD32a-positive Zellen im Vergleich zu CD32a-exprimierenden Zellen. Darüber hinaus zeigten bispezifische AAV eine präferentielle Bindung und Transduktion von isolierten Primärzellen und Zellen in Vollblut. Selbst nach systemischer Injektion in humanisierte Mäuse wurden doppelt-positive Zellen effizienter von bispezifischen als von monospezifischen AAVs transduziert. Schließlich zeigten die generierten Vektoren, welche die Cas9 Nuklease transferierten, eine effiziente Inhibition der HIV-Replikation.
Autophagy is an important degradation pathway mediating the engulfment of cellular material (cargo) into autophagosomes followed by degradation in autophagosomes.
Different stress stimuli, e.g. nutrient deprivation, oxidative stress or organelle damage, engage autophagy to maintain cellular homeostasis, recycle nutrients or remove damaged cell organelles. Autophagy not only degrades bulk cytoplasmic material but also selective autophagic cargo, for example lysosomes (lysophagy), mitochondria (mitophagy), ER (ER-phagy), lipid droplets (lipophagy), protein aggregates (aggrephagy) or pathogens (xenophagy). Selective autophagy pathways are regulated by selective autophagy receptors which bind to ubiquitinated cargo proteins and link them to LC3 on the autophagosomal membrane.
Ubiquitination is an essential post-translational modification controlling different cellular processes such as proteasomal and lysosomal degradation or innate immune signaling.
M1-linked (linear) poly-Ubiquitin (poly-Ub) chains are exclusively assembled by the E3 ligase linear ubiquitin chain assembly complex (LUBAC) and removed by the M1 poly-Ub-specific OTU domain-containing deubiquitinase with linear linkage specificity (OTULIN). In addition to key functions in innate immune signaling and nuclear factor-κB (NF-κB) activation, M1 ubiquitination is also implicated in the regulation of autophagy.
LUBAC and OTULIN control autophagy initiation and maturation and the autophagic clearance of invading bacteria via xenophagy. However, additional functions of LUBAC- and OTULIN-regulated M1 ubiquitination in autophagy are largely unknown and it also remains unexplored if LUBAC and OTULIN control other selective autophagy pathways in addition to xenophagy. This study aimed to unravel the role of LUBAC- and OTULIN-controlled M1 ubiquitination in bulk and selective autophagy in more detail.
In this study, characterization of OTULIN-depleted MZ-54 glioblastoma (GBM) cells revealed that OTULIN deficiency results in enhanced LC3 lipidation in response to autophagy induction and upon blockade of late stage autophagy with Bafilomycin A1 (BafA1). Furthermore, electron microscopy analysis showed that OTULIN-deficient cells have an increased number of degradative compartments (DGCs), confirming enhanced autophagy activity upon loss of OTULIN. APEX2-based autophagosome content profiling identified various OTULIN-dependent autophagy cargo proteins. Among these were the autophagy receptor TAX1BP1 which regulates different forms of selective autophagy (e.g. lysophagy, aggrephagy) and the glycan-binding protein galectin-3 which serves key functions in lysophagy, suggesting a role of OTULIN and M1 poly-Ub in the regulation of aggrephagy and lysophagy.
Abstract 2
To study aggrephagy, protein aggregation was induced with puromycin which causes premature termination of translation and accumulation of defective ribosomal products (DRiPs). Loss of OTULIN increased the number of M1 poly-Ub-positive foci and insoluble proteins and reduced the levels of soluble TAX1BP1 and p62 in response to puromycin-induced proteotoxic stress.
Intriguingly, upon induction of lysosomal membrane permeabilization (LMP) with the lysosomotropic drug L-Leucyl-L-Leucine methyl ester (LLOMe), M1 poly-Ub strongly accumulated at damaged lysosomes and colocalized with TAX1BP1- and galectin-3-positive puncta. M1 poly-Ub-modified lysosomes formed a platform for NF-κB essential modulator (NEMO) and inhibitor of κB (IκB) kinase (IKK) complex recruitment and local NF-κB activation in a K63 poly-Ub- and OTULIN-dependent manner. Furthermore, inhibition of lysosomal degradation enhanced LLOMe-induced cell death, suggesting pro-survival functions of lysophagy following LMP. Enrichment of M1 poly-Ub at damaged lysosomes was also observed in human dopaminergic neurons and in primary mouse embryonic cortical neurons, confirming the importance of M1 poly-Ub in the response to lysosomal damage.
Together, these results identify OTULIN as a negative regulator of autophagy induction and the autophagic flux and reveal OTULIN-dependent autophagy cargo proteins.
Furthermore, this study uncovers novel and important roles of M1 poly-Ub in the response to lysosomal damage and local NF-κB activation at damaged lysosomes.
Der Natrium-abhängige Kaliumkanal Slack (KNa1.1, Slo2.2, KCNT1) nimmt eine Schlüsselrolle in der Regulation neuronaler Erregbarkeit ein, indem er die Ausbildung und Feuerungsfrequenz von Aktionspotentialen kontrolliert. Sowohl in Mäusen als auch in Menschen wird Slack besonders hoch in nicht-peptidergen C-Faser-Neuronen exprimiert. Wissenschaftliche Erkenntnisse der letzten Jahre konnten die Beteiligung von Slack-Kanälen in der Signalverarbeitung neuropathischer Schmerzen, aber auch in verschiedenen Arten von Pruritus, feststellen. Dabei zeigen Slack-defiziente Mäuse ein verstärktes mechanisches Schmerzverhalten nach einer peripheren Nervenverletzung und ein erhöhtes Kratzverhalten in akuten Juckreiz-Modellen. Das als Slack-Aktivator identifizierte trizyklische Neuroleptikum Loxapin zeigt sowohl analgetische als auch antipruritische Effekte in Mäusen, jedoch ist sein klinischer Einsatz auf Grund schwerwiegender antipsychotischer Nebenwirkungen limitiert. Basierend auf Loxapins Leitstruktur wurden daher in dieser Arbeit neue Slack-Aktivatoren mit einem verbesserten pharmakologischen Profil designed und ihr Potential für die Therapie von Schmerzen sowie akutem und chronischem Pruritus in vivo untersucht.
A plethora of modified nucleotides extends the chemical and conformational space for natural occurring RNAs. tRNAs constitute the class of RNAs with the highest modification rate. The extensive modification modulates their overall stability, the fidelity and efficiency of translation. However, the impact of nucleotide modifications on the local structural dynamics is not well characterized. Here we show that the incorporation of the modified nucleotides in tRNAfMet from Escherichia coli leads to an increase in the local conformational dynamics, ultimately resulting in the stabilization of the overall tertiary structure. Through analysis of the local dynamics by NMR spectroscopic methods we find that, although the overall thermal stability of the tRNA is higher for the modified molecule, the conformational fluctuations on the local level are increased in comparison to an unmodified tRNA. In consequence, the melting of individual base pairs in the unmodified tRNA is determined by high entropic penalties compared to the modified. Further, we find that the modifications lead to a stabilization of long-range interactions harmonizing the stability of the tRNA’s secondary and tertiary structure. Our results demonstrate that the increase in chemical space through introduction of modifications enables the population of otherwise inaccessible conformational substates.
This work aimed to investigate the regulation and activity of 5-lipoxygenase (5-LO), the central enzyme in leukotriene biosynthesis, in two colorectal cancer cell lines. The leukotriene pathway is positively correlated with the progression of several solid malignancies; however, factors regulating 5-LO expression and activity in tumors are poorly understood.
Cancer development, as well as cancer progression, are strongly dependent on the tumor microenvironment. In the conventional monolayer culture of cancer cell lines, cell-matrix and cell-cell interactions present in native tumors are absent. Furthermore, it is already known that various colon cancer cell lines dysregulate several important signaling pathways due to 3D growth. Therefore, the expression of the leukotriene cascade in HT-29 and HCT-116 colorectal cancer cells was investigated within a three-dimensional context using multicellular tumor spheroids to mimic a more physiological environment compared to conventional cell culture. Especially the expression of 5-LO, cPLA2α, and LTA4 hydrolase was altered due to threedimensional (3D) cell growth, which was investigated by qPCR and Western blot analysis. High cellular density in monolayer cultures led to similar results. The observed 5-LO upregulation was found inversely correlated with cell proliferation, determined by cell cycle analysis, and activation of PI3K/mTORC-2- and MEK-1/ERK-dependent pathways, determined using pharmacological pathway inhibition, stable shRNA knockdown cell lines, and analysis via qPCR and Western blot analysis. Following, the transcription factor E2F1 and its target gene MYBL2 were identified to play a role in the repression of 5-LO during cell proliferation. For this purpose, several stable MYBL2 over-expression and ALOX5 reporter cell lines were prepared and analyzed. Since 5-LO was already identified as a direct p53 target gene, the influence of p53, which is variably expressed in the cell lines (HT-29, p53 R273H mut; HCT-116 p53 wt; HCT-116 p53 KO), was investigated as well. Furthermore, HCT-116 cells carrying a p53 knockout were investigated. The PI3K/mTORC-2- and MEK-1/ERK-dependent suppression of 5-LO was also found in tumor cells from other origins (Capan-2, Caco-2, MCF-7), which was determined using pharmacological pathway inhibition and following analysis via qPCR. This suggests that the identified mechanism might apply to other tumor entities as well.
5-LO activity was previously described as attenuated in HT-29 and HCT-116 cells compared to polymorphonuclear leukocytes, which express a highly active 5-LO. However, the present study showed that the enzyme activity is indeed low but inducible in HT-29 and HCT-116 cells. Of note, the general lipid mediator profile and the mediator concentrations were comparable to those of M2 macrophages. Finally, the analysis of substrate availability in HT-29 and HCT-116 cells revealed a vast difference between formed metabolite concentrations and supplemented fatty acid concentrations, indicating that the substrates are either transformed into lipoxygenase-independent metabolites or are esterified into the cellular membrane.
In summary, the data presented in this work demonstrate that 5-LO expression and activity are tightly regulated in HT-29 and HCT-116 cells and fine-tuned due to environmental conditions. The cells suppress 5-LO during proliferation but upregulate the expression and activity of the enzyme under cellular stress-triggering conditions. This implies a possible role of 5-LO in manipulating the tumor stroma to support a tumor-promoting microenvironment.
Fluorescence microscopy has significantly impacted our understanding of cell biology. The extension of diffraction-unlimited super-resolution microscopy opened an observation window that allows for the scrutiny of cellular organization at a molecular level. The non-invasive nature of visible light in super-resolution microscopy methods renders them suitable for observations in living cells and organisms. Building upon these advancements, a promising synergy between super-resolution fluorescence microscopy and deep learning becomes evident, extending the capabilities of the imaging methods. Tasks such as image modality translation, restoration, single-molecule fitting, virtual labeling, spectral demixing, and molecular counting, are enabled with high precision. The techniques explored in this thesis address three critical facets in advanced microscopy, namely the reduction in image acquisition time, saving photon budget during measurement, and increasing the multiplexing capability. Furthermore, descriptors of protein distributions and their motion on cell membranes were developed.
Chronische Entzündungen und die daraus resultierenden Morbiditäten gehören zu den häufigsten Ursachen für einen frühen Tod beim Menschen. Einer der Hauptfaktoren für die Verschlechterung des Gesundheitszustands bei Patienten mit chronischen-entzündlichen Erkrankungen ist die pathologische Infiltration von Leukozyten in gesundes Gewebe, die zu Gewebeschäden und dem Fortschreiten der Krankheit führt. Das vaskuläre Endothel, das die Innenseite der Blutgefäße auskleidet, spielt eine entscheidende Rolle bei der Entzündungsreaktion, da es als Schnittstelle für die Interaktion mit Leukozyten fungiert, um die Extravasation von Leukozyten aus dem Blutstrom in das Gewebe zu ermöglichen. Die Adhäsion von Leukozyten an die Zellen des Endothels wird dabei hauptsächlich durch die von Zytokinen ausgelösten pro-inflammatorischen NFκB- und AP-1-Signalkaskaden ermöglicht, die die Hochregulierung der wichtigsten endothelialen Adhäsionsmoleküle – ICAM-1, VCAM-1 und E-Selektin – bewirken. Eine Klasse von Wirkstoffen, die für ihre entzündungshemmenden Eigenschaften und ihren Nutzen bei der Behandlung chronischer Entzündungskrankheiten bekannt sind, sind die Mikrotubuli-bindenden-Substanzen (microtubule-targeting-agents; MTAs), die nachweislich auch den Entzündungszustand in den Zellen des Endothels und die Leukozyten-Adhäsionskaskade beeinflussen können. MTAs lassen sich in Mikrotubuli-Destabilisatoren, die eine Depolymerisation des Mikrotubuli-Zytoskeletts bewirken, und Mikrotubuli-Stabilisatoren, die die Depolymerisation der Mikrotubuli verhindern, unterteilen. Die zugrundeliegenden biomolekularen Vorgänge und Wirkungen, die die MTAs auf die Zellen des Gefäßendothels haben, und wie sie die Adhäsionskaskade der Leukozyten beeinflussen, sind jedoch weitgehend unbekannt.
Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen des neuartigen Mikrotubuli-Destabilisators Prätubulysin, eines Vorläufers der Tubulysine, die ursprünglich in Stämmen des Myxobakteriums Angiococcus disciformis entdeckt wurden, auf die entzündlichen Prozesse zu untersuchen, die die Leukozyten-adhäsion in TNF-aktivierten primären Endothelzellen aus der menschlichen Nabelschnurvene (HUVECs) ermöglichen. Zusätzlich wurden auch die Auswirkungen der bereits klinisch etablierten Mikrotubuli-Destabilisatoren Colchicin und Vincristin sowie des Mikrotubuli-Stabilisators Paclitaxel untersucht.
Das entzündungshemmende Potenzial von Prätubulysin wurde daher zunächst in vivo in einem Imiquimod-induzierten psoriasiformen Dermatitis-Mausmodell getestet, wobei sich zeigte, dass Prätubulysin den Entzündungszustand deutlich verringert. Um zu beweisen, dass der entzündungshemmende Effekt mit einer verringerten Interaktion von Leukozyten mit dem Endothel zusammenhängt, wurde die Wirkung von Prätubulysin in vivo mittels Intravitalmikroskopie des TNF-aktivierten Kremaster-Muskels der Maus untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Behandlung mit Prätubulysin zu einer signifikant verringerten Adhäsion von Leukozyten an die Zellen des Gefäßendothels führte. Die verringerte Adhäsion von Leukozyten an Endothelzellen wurde auch in der in vitro Umgebung bestätigt, indem die Adhäsion von Leukozyten unter Flussbedingungen getestet wurde. Mittels Durchflusszytometrie, Western-Blot-Analyse, sowie qRT-PCR-Analyse der jeweiligen mRNA-Level konnte gezeigt werden, dass die verringerten Leukozyten-Interaktionen auf der verringerten Expression der Zelladhäsionsmoleküle ICAM-1 und VCAM-1 sowie teilweise von E-Selektin nach Behandlung mit Prätubulysin, Vincristin und Colchicin beruhen, wobei Paclitaxel keine signifikanten hemmenden Auswirkungen hatte. Weitere Untersuchungen des Einflusses von Prätubulysin auf die NFκB- und AP-1-Signalübertragung zeigten, dass diese intrazellulären Signalkaskaden durch Prätubulysin nicht behindert werden, wobei NFκB und AP-1 weitgehend in den Promotoren der Zelladhäsionsmoleküle angereichert waren, wie durch Chromatin-Immunpräzipitation nachgewiesen wurde. Darüber hinaus induzierte die Behandlung mit Prätubulysin die Aktivität der NFκB-induzierenden Kinase IKK und führte zu einem signifikanten Anstieg der Aktivität der AP-1 Upstream-Kinase JNK, wie eine Western Blot Analyse ergab. Die Prüfung der Transkriptionsaktivität von NFκB und AP-1 in Reportergen Assays zeigte, dass insbesondere die Mikrotubuli-Destabilisatoren die Promotoraktivität dieser Transkriptionsfaktoren in einer konzentrationsabhängigen Weise verringerten. Weitere Tests zur Abhängigkeit der durch Prätubulysin induzierten Hemmung der Zelladhäsionsmoleküle von der Aktivität der JNK zeigten, dass die Hemmung empfindlich auf die Aktivität dieser Kinase reagiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Inhibition der Aktivität der JNK die Expression der Zelladhäsionsmoleküle durch die Behandlung mit Prätubulysin auf mRNA und Proteinebene wiederherstellt. Mit Hilfe der Chromatin-Immunpräzipitation konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Behandlung mit Prätubulysin zunächst die Assoziation des Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 mit den Promotoren/Genen von ICAM-1 und VCAM-1 erhöhte, aber zu einem behandlungszeitabhängigen Rückgang der Anreicherung führte. Darüber hinaus wurde durch die Behandlung mit Prätubulysin auch der Abbau dieses Proteins leicht erhöht. Durch den Einsatz eines JNK Inhibitors konnte gezeigt werden, dass die Verdrängung des Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 von icam-1 und vcam-1, sowie der erhöhte Abbau dieses Faktors auch von der Aktivität der JNK abhängig sind. Die Verdrängung des Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 induzierte auch das Vorhandensein von repressiven Chromatinmarkierungen in den Genen von ICAM-1 und VCAM-1. Die Prüfung der Anreicherung der RNA-Polymerase II an den Promotoren/Genen von ICAM-1 und VCAM-1 zeigte jedoch auch eine behandlungszeitabhängige differentielle Anreicherung dieser Polymerase, wobei die Anreicherung nach kurzen Behandlungszeiten reduziert war, sich nach mittleren Behandlungszeiten erholte und nach längeren Behandlungszeiten wieder stark reduziert war. Die anschließende Prüfung der Bedeutung des Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 für die Expression von ICAM-1 und VCAM-1 durch Knock-down-Experimente ergab, dass das vcam-1 Gen durch Knock-down dieses Proteins unterdrückt, das icam-1 Gen jedoch induziert wird. Dies deutet auf das Vorhandensein zusätzlicher Faktoren hin, die auch auf die Aktivität der JNK reagieren und neben dem Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 die Transkriptionsverlängerung des icam-1 Gens bewirken.
This work focused on the biosynthesis and characterization of esterified lipid mediators. Lipid mediators were generally thought to exert their effects as free molecules, and their esterification was regarded as a storage mechanism. However, more recent studies indicate that esterified lipid mediators are a distinct class of mediators. When this thesis started back in 2017, the idea of esterified lipids as a new class of mediators was relatively new so that respective compounds were either quite expensive or not commercially available at all. Therefore, a biosynthetic approach had to be established first to enable the study of the new lipid mediator class. Within the cell, esterified lipids are produced by activation and subsequent incorporation of polyunsaturated fatty acids. These steps are enzymatically catalyzed by members of the acyl-CoA synthetase family and the lysophosphatidylcholine acyltransferase family, respectively. Therefore, the enzymes acyl-CoA synthetase long-chain family member 4 (ACSL4) and lysophosphatidylcholine acyltransferase 2 (LPCAT2) were selected for a biosynthetic approach due to their broad substrate acceptance.
In a first attempt, recombinant protein expression in E. coli was studied. While the expression and purification of C-terminally His6x-tagged ACSL4 resulted in a pure and active protein, the expression of LPCAT2 turned out quite troublesome. Although several expression and purification parameters were varied, including purification tags, buffer compositions, and chromatography strategies, successful purification of LPCAT2 was not achieved.
Instead, a second approach was studied. This time, stably transfected cells overexpressing ACSL4 and/or LPCAT2 were generated from the human embryonal kidney (HEK) 293T cell line. Stably transfected cell lines were characterized on protein level and regarding their oxylipin profile. After confirming the overexpression and functionality of the enzymes, lipoxygenases (LOs) were co-expressed in a doxycycline-inducible manner to prevent premature cell death due to increased oxidative stress. As a result, LO product formation was enhanced and enabled the investigation of specific oxylipins. Since increased lipid peroxidation is also a key component of the ferroptosis cell death mechanisms, cell lines were investigated towards their cell viability. Indeed, expression of ACSL4 and/or LPCAT2 promoted cell death when treated with the ferroptosis inducers erastin or RSL3, even in the absence of LO expression. Furthermore, analysis by laser scanning confocal microscopy revealed that the localization of 15-LO1 was altered in the presence of LPCAT2, similar to treatment with RSL3 in vector control cells.
In conclusion, a stable overexpression system of ACSL4 and/or LPCAT2 was successfully established in HEK293T cells, which enabled the synthesis and characterization of esterified oxylipins. Interestingly, characterization of the cell lines revealed a correlation with the cell death mechanism ferroptosis. Although the expression of ACSL4 has already been reported as a biomarker for ferroptosis, this is the first time that a potential connection of LPCAT2 with ferroptosis was demonstrated. As a result, this may provide new therapeutic options for ferroptosis-related pathologies such as neurodegeneration, autoimmune diseases, or tumorigenesis.
Die Verwendung von Photoschaltern zur gezielten Kontrolle von Systemen birgt ein hohes Potential hinsichtlich biologischer Fragestellungen, bis hin zu optoelektronischen Anwendungen. Infolge einer Photoanregung kommt es zu Geometrieänderungen, die einen erheblichen Einfluss auf ihr photophysikalisches Verhalten haben. Die Änderungen der photochemischen, wie photophysikalischen Eigenschaften, beruht entweder auf der Isomerisierung von Doppelbindungen oder auf perizyklischen Reaktionen. Durch sorgfältige Modifikationen, wie beispielsweise die Änderung der Konjugation durch unterschiedlich große π-Elektronensysteme, der Molekülgeometrie oder der Veränderung des Dipolmoments, lassen sich intrinsische Funktionen variieren.
Die Kombination dieser Eigenschaften stellt eine komplexe Herausforderung dar, da diese Änderungen einen direkten Einfluss auf wichtige Charakteristika wie die Adressierbarkeit, die Effizienz und die Stabilität der Moleküle haben. Darüber hinaus spielt die thermische Stabilität eine erhebliche Rolle im Hinblick auf die Speicherung von Energie oder Informationen für Anwendungsbereiche in der Energiegewinnung und Datenverarbeitung.
Für die Anwendung solcher photochromen Moleküle ist hinsichtlich der oben genannten Eigenschaften auch das Wissen über den photoinduzierten Reaktionsmechanismus unabdingbar.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss auf die Isomerisierungsdynamik organischer Photoschalter durch unterschiedliche Modifikationen mittels stationärer und zeitaufgelöster Spektroskopie untersucht. Im Bereich der Merocyanine konnte ein Derivat vorgestellt werden, das ausschließlich zwischen zwei MC-Formen (trans/cis) isomerisiert. Die interne Methylierung am Phenolatsauerstoff der Chromeneinheit verhindert die Ringschlussreaktion zum SP und somit seinen zwitterionischen Charakter. Die stabilen Grundzustandsisomere TTT und CCT weisen durch den Methylsubstituenten eine hypsochrome Verschiebung ihrer Absorptionsmaxima auf, während TTT das thermodynamisch stabilste Isomer darstellt. Das MeMC wies eine erstaunlich hohe Effizienz seiner Schaltamplituden, insbesondere der TTT → CCT Photoisomerisierung auf, sowie eine überaus hohe Quantenausbeute.
Das MeMC wies zudem eine signifikante Lösungsmittelabhängigkeit auf, die sich insbesondere in der Photostabilität bemerkbar macht. Während das MeMC in MeCN und EtOH photodegradiert, konnte in EtOH/H2O eine konstante Reliabilität festgestellt werden. Diese Zuverlässigkeit impliziert nicht nur eine Stabilisierung durch das Wasser, sondern auch eine Resistenz gegenüber Hydrolysereaktionen. Darüber hinaus konnten kinetische Studien eine hohe thermische Rückkonversion von CCT zu TTT bei Raumtemperatur nachweisen, womit auf schädliche UV-Bestrahlung verzichtet werden könnte.
Die Untersuchung der Kurzzeitdynamiken beider Grundzustandsisomere gab Aufschluss über die Beteiligung anderer möglicher MC-Intermediate und den Einfluss der Methylgruppe auf das System. Mittels quantenchemischer Berechnungen konnte eine erste Initiierung um die zentrale Doppelbindung beider Isomere bestimmt werden, die jeweils zu einem heißen Grundzustandsintermediat führt, bis nach einer zweiten Isomerisierung der endgültige Grundzustand der Photoprodukte populiert wird. Dies bedeutet, dass die trans/cis-Isomerisierung über TTT-TCT-CCT und die Rückkonversion über CCT-CTT-TTT erfolgt.
Im Bereich der Hydrazon-Photoschalter konnten unterschiedlich substituierte Derivate mittels statischer und zeitaufgelösten UV/Vis-Studien untersucht werden. Da ESIPT Prozesse eine wichtige Funktion bei der Kontrolle von biologischen Systemen spielen, wurden verschiedene Hydrazonderivate hinsichtlich ihrer Reaktionsmechanismen untersucht. Als Rotoreinheit diente zum einen eine Benzothiazolkomponente, die die interne H-Bindung des angeregten Z-Hydrazons schwächen sollte und zum anderen wurde ein Chinolinsubstituent eingesetzt, der als Elektronenakzeptor diente und den H-Transfer begünstigt. Der Einsatz der Benzothiazolkomponente bewirkte die gewünschte Vergrößerung der bathochromen Verschiebung des E-Isomers, sowie eine deutliche Erhöhung der thermischen Stabilität des metastabilen
Zustands. Dies bestätigten die zeitaufgelösten Studien der Z zu E Isomerisierung, bei denen die Isomere im Vergleich zum Chinolinhydrazonderivat, in beiden ausgewählten Lösungsmitteln metastabile Z-Intermediate zeigten und eine Lebenszeit bis in den µs-Zeitbereich aufwiesen. Die Rückreaktion beider Derivate (HCN) und (HBN) hingegen zeigte eine barrierelose Umwandlung in die beteiligten Photoprodukte. Trotz der Verwendung des Chinolinsubstituenten zusammen mit Naphthalin als Rotoreinheit (HCN), konnte kein ESIPT Prozess beobachtet werden. HCB mit einer Kombination aus einem Chinolinrotor und eines Benzothiazolsubstituenten, wies eine Hydrazon-Azobenzol-Tautomerie auf, die ein prototropes Gleichgewicht zwischen dem E-Hydrazon und der E-Azobenzolform (E-AB) ausbildete. Die Reaktionsdynamiken des Z-Hydrazons zum E-AB wiesen eine ultraschnelle Bildung des Photoproduktes auf, während die Rückreaktion über einen ESIPT im sub-ps-Bereich erfolgte. Dieser H-Transfer hat die Bildung des angeregten E-Hydrazons zur Folge. Interessanterweise wurde kein Rückprotonentransfer nachgewiesen, sondern die mögliche Formation eines Z-AB gefunden. Damit unterscheidet sich dieser Reaktionsmechanismus erheblich von den typischen ESIPT Prozessen, die normalerweise zu ihrem Ausgangsmolekül zurückrelaxieren. Des Weiteren konnte ein Pyridinoxid und Benzoylpyridin-substituiertes Hydrazon charakterisiert werden, bei denen die stationären Studien kein Schaltverhalten, sondern Photodegradation aufwiesen. Die zeitaufgelösten Daten ergaben ebenfalls keine Photoproduktbildung, was die These der Photozersetzung unterstützt. Die Verwendung von zusätzlich substituierten Rotoreinheiten, wie beispielsweise Pyridinoxid und Benzoylpyridin, die aufgrund fehlender Protonenakzeptormöglichkeit keine interne H-Bindung ausbilden, erlaubt keine Bildung des Z-Hydrazon Isomers.
The ligand-sensing transcription factor Nurr1 emerges as a promising therapeutic target for neurodegenerative pathologies but Nurr1 ligands for functional studies and therapeutic validation are lacking. Here pronounced Nurr1 modulation by statins for which clinically relevant neuroprotective effects are demonstrated, is reported. Several statins directly affect Nurr1 activity in cellular and cell-free settings with low micromolar to sub-micromolar potencies. Simvastatin as example exhibits anti-inflammatory effects in astrocytes, which are abrogated by Nurr1 knockdown. Differential gene expression analysis in native and Nurr1-silenced cells reveals strong proinflammatory effects of Nurr1 knockdown while simvastatin treatment induces several neuroprotective mechanisms via Nurr1 involving changes in inflammatory, metabolic and cell cycle gene expression. Further in vitro evaluation confirms reduced inflammatory response, improved glucose metabolism, and cell cycle inhibition of simvastatin-treated neuronal cells. These findings suggest Nurr1 involvement in the well-documented but mechanistically elusive neuroprotection by statins.
Thermally stable and highly conductive SAMs on Ag substrate — the impact of the anchoring group
(2021)
Self-assembled monolayers (SAMs) on metal substrates are an important part of modern interfacial chemistry and nanotechnology. The robustness of SAMs strongly depends on their thermal stability, which, together with electric conductivity, crucial for their applications in molecular/organic electronics. In this context, using a multidisciplinary approach, the structure, stability, and conductivity properties of conjugated aromatic SAMs featuring the naphthalene backbone and S, Se, or COO group, mediating bonding to the Ag substrate are addressed. Whereas thermal stability of these SAMs exhibits a strong dependence on anchoring group, their conductivity is similar, which is rationalized by tentative model considering redistribution of charge density along the molecular framework. The thermal stability of model naphthalenethiol SAM, emphasized by desorption energy of ≈1.69 eV, is better than that of typical N-heterocyclic carbene (NHC) monolayers considered currently as the most stable SAMs on metal substrates. However, in contrast to NHC SAMs, which are highly insulating, the naphtalene-based SAM, with S, Se or COO anchoring groups, are highly conductive, even in comparison with analogous oligophenyl SAMs (by a factor of 10). A unique combination of the ultimate thermal stability and superior conductivity for the naphthalenethiol SAM on Ag makes it highly attractive for applications.
Biological membranes serve as physical barriers in cells and organelles, enabling the maintenance of chemical or ionic gradients that are essential for triggering various integral, peripheral, or lipid-anchored membrane proteins, necessary for their life-essential functions. The study of membrane proteins has unique challenges due to their hydrophobic nature, limited expression levels, and inherent flexibility. Single-particle analysis (SPA) enables the determination of high-resolution three-dimensional structures using minimal amounts of specimen without the need for crystallization. Additionally, cryogenic electron tomography (cryo-ET) and subtomogram averaging (StA) offer the ability to study membrane protein complexes, cellular architecture, and molecular interactions while preserving close-to-life conditions. With ongoing improvements in cryo-EM technologies, obtaining high-resolution structures of membrane proteins in vitro can allow people to understand their mechanisms and functions, and to facilitate the design and optimization of new therapeutic agents. Furthermore, there has been significant growth in the structural characterization of membrane proteins in situ, as studying biomolecules within their physiological context is an ultimate goal in structural biology for a comprehensive understanding of molecular networks in cells.
Due to the amphipathic nature of membrane proteins, their production, purification, and isolation pose significant challenges compared to soluble proteins. To maintain the membrane protein fold in an aqueous buffer after disrupting lipid membranes, the use of detergents, amphipols, lipid nanodiscs, saposin-lipoprotein (salipro), styrene-maleic acid co-polymer lipid particles (SMALPS) is common and often essential. A limitation of the membrane-mimetic systems is the absence of an actual lipid bilayer environment. To address this issue, membrane proteins can be reconstituted into liposomes, and this closed membrane environment closely mimics the physiological conditions of the proteins. The use of liposomes for structure determination is expected to significantly expand in the in vitro study of membrane proteins and membrane-associated proteins, particularly for capturing transient complexes in specific functional states.
Resolving the structures of membrane proteins in their native cellular context is considered the ideal approach for understanding their functions and associated molecular networks. While single-particle cryo-EM can achieve higher resolution than subtomogram averaging, it often requires at least partial purification of the target molecules from their native environment inside cells and tissues. By combining averaging tools on subvolumes obtained through cryo-ET, structures can currently be determined at resolutions of 10-30 Å. With ongoing advancements and refinements in cryo-ET methodologies, routine high-resolution structure determination in situ is poised to become a valuable tool for both structural and cell biologists in the long run, and the field holds great promise for further expanding our understanding of cellular structures and processes at the molecular level.
The main aim of this thesis is to further our knowledge of the structure and function of a small prokaryotic voltage-gated sodium ion channel, NaChBac in liposomes, and a large knob complex found on the surface of Plasmodium falciparum-infected human erythrocyte by cryo-ET and StA.
Chapter 2 presents the first StA map of the 120-kDa NaChBac embedded in liposomes under a resting membrane potential at a modest resolution of 16 Å. The approach presented in this study, which can be widely applied to cryo-EM analysis of membrane proteins, with a specific focus on membrane proteins with small soluble domains, lays the foundation for cryo-ET and StA of integral or peripheral membrane proteins whose functions are affected by transmembrane electrochemical gradients and/or membrane curvatures. Chapter 3 shows the first cryo-EM structure of the supramolecular knob complex in P. falciparum-infected human erythrocyte. While a previous study provided an overall architectural view of knobs using negative stain tomography, the in situ structure bridges this gap, guiding future investigations into the molecular composition and the role of these native knobs in Plasmodium infection and immunity.
This thesis opens up several promising lines for future studies of membrane proteins in vitro and in situ, where other membrane proteins can be studied in physiologically relevant environments. Already with the present generation of cryo-EM hardware and software, this thesis represents pioneering research in the field of membrane protein structural biology.