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Den photoaktivierbaren Schutzgruppen PPGs wurde als wichtige Werkzeuge, um z. B. biologische Prozesse zu untersuchen, in den letzten Jahren eine beachtliche Aufmerksamkeit zuteil. Der Einsatz von PPGs weist gegenüber chemischen Schutzgruppen wertvolle Vorteile auf, was deren Einsatz für biologische Konzepte attraktiv macht. Insbesondere, da keine weiteren Reagenzien außer Licht als Mittel für die Photolyse benötigt werden. Darüber hinaus ist es möglich, durch Einsatz moderner Lasertechnik, eine homogene Bestrahlung des Reaktionsvolumens mit einer hohen Lichtdosis auf einer, im Vergleich zu klassischen Lichtquellen, kürzeren Zeitskala zu gewährleisten.
Die Diversität der einsetzbaren photosensitiven Schutzgruppen, kommt einerseits der Vielfalt der anwachsenden biochemischen Fragestellungen insofern zugute, als dass die ausgewählten PPGs auf verschiedenste Anforderungen der zu untersuchenden Systeme zugeschnitten werden können. Anderseits kann die, durch einige Problemstellungen, erforderte chromatische Orthogonalität der eingesetzten Schutzgruppen, gewährleistet
werden, deren Umsetzung sich in den letzten Jahren in zahlreichen Studien als erfolgsversprechend erwies. Beide Aspekte sind unter anderem Gegenstand der vorliegenden Arbeit.
Zum einen sollte das Photocaged Puromycin als photolabiles Antibiotikum Derivat, mithilfe der Cumarinylmethyl-Schutzgruppe (DEACM-Puromycin) optimiert werden und mit dem vorherigen Nitrobenzyl-geschützten NVOC-Puromycin mittels spektroskopischer und biochemischer Methoden verglichen werden. Zum anderen sollte eine neue Strategie etabliert werden, mit deren Hilfe das photolytisch entschützte Puromycin erneut deaktiviert werden kann.
DEACM-Puromycin konnte mithilfe eines fünfstufigen Syntheseweges hergestellt werden. Ausgehend von 7-Amino-4-methylcumarin, dessen allylische Methylgruppe durch die Riley-Reaktion mit Selendioxid Se2O zum entsprechenden DEACM-Aldehyd oxidiert wurde und anschließende Reduzierung in Anwesenheit von NaBH4 zum Cumarinalkohol DEACM-OH. Eine nicht toxische Variante, bei welcher Selendioxid umgangen wurde, zeichnete sich ebenso als zielführend aus. DEACM-OH und Puromycin konnten im Anschluss über ein Carbonat-Intermediat miteinander als Carbamat verknüpft und mithilfe von HPLC aufgetrennt werden.
Die Vorrangigkeit des neuen photolabilen Puromycin Derivates (DEACM-Puromycin), wurde zuerst mithilfe der Laser-NMR-Spektroskopie sowie HPLC Verfahren erfasst. Spektroskopische Analysen im Rahmen einer Kollaboration mit dem AK von Professor Wachtveitl bestätigten, dass DEACM-Puromycin für biologische Anwendungen geeignetere photolytische Eigenschaften, wie z. B. einen höheren Extinktionskoeffizienten, eine bathochrome Verschiebung des Absorptionsmaximums, sowie eine höhere Quantenausbeute und Uncaging Effizienz der Photolyse, aufwies. Basierend auf einer vergleichbaren HOMO-LUMO Differenz beider Verbindungen (DEACM-OH und DEACM-Puromycin), konnte die Spaltung der Schutzgruppe mithilfe der Differenz der Fluoreszenzslebensdauern mit einer Rate von 0,71*108 s-1 charakterisiert werden. Dies war im Vergleich zum vorherigen NVOC-Puromycin um eine Größenordnung höher. Weitere durchgeführte spektroskopische Methoden wurden mittels quantenchemischer Rechnungen unterstützt, um wichtige Erkenntnisse der kinetischen und dynamischen Abläufe der Photolyse des geschützten Puromycins anzueignen, z. B.:
• Der zur Photolyse von DEACM-Puromycin konkurrierende Fluoreszenzprozess, kann durch protische Medien unterdrückt werden. Dies und die somit ermöglichten Wasserstoffbrückenbindungen, welche die entstehenden ionischen Intermediate während der Photolyse stabilisieren, könnten sich für die Erhöhung der Quantenausbeute der photolytischen Abspaltung von DEACM-Puromycin zu Nutze gemacht werden.
• Anhand von Experimenten auf der ultrakurzen Zeitskala wurde die Population eines angeregten S1-ICT-Zustandes detektiert. Bei diesem findet, in Anwesenheit von polarem Lösungsmittel, einen Ladungstransfer der Diethylaminoreste auf den Cumarinring statt.
• Polare Lösungsmittel bewirken ebenfalls den Übergang zu einem TICT Zustand, welcher als nichtstrahlende Relaxation die Fluoreszenz des DEACM-Puromycins reduziert. Die Auswahl von Substituenten sowie polaren und protischen Lösungsmitteln zur Begünstigung der ICT- sowie TICT- Zustände, könnte zukünftig zur Optimierung der Photolyse Effizienz herangezogen werden.
Die gelungene Optimierung des geschützten Puromycins als ein photosensitives Antibiotikum, durch die DEACM-Schutzgruppe, konnte mittels eines XTT-Zellviabilität-Experimentes mit sf9-Insektenzellen nachgewiesen werden. Zusätzlich konnte die lichtkontrollierte Puromycylierung zur Visualisierung neu synthetisierter Proteine als weitere Funktion des optimierten photoaktivierbaren Puromycins in Zusammenarbeit mit dem AK. Schumann (MPI für
Hirnforschung, Frankfurt am Main) nachgeprüft werden. Obwohl beide photocaged Verbindungen, DEACM- sowie das vorherige NVOC-Puromycin, eine vergleichbare Zellpermeabilität zu den präparierten Neurozellen aufwiesen, zeigte DEACM-Puromycin unter gleichen Bedingungen nach der Belichtung ein signifikant intensiveres Puromycylierungsignal als NVOC-Puromycin. Unter der Annahme, dass sich mehr NVOC- als DEACM-Puromycin in
den Zellen befand, bestätigt diese Beobachtung die Vorrangigkeit des DEACM-Derivates, aufgrund seiner bereits optimierten photochemischen Eigenschaften. Durch den Einsatz eines Zwei-Photonen-Lasers, konnte die Eignung von DEACM-Puromycin für die raumselektive Steuerung der Detektion von neu exprimierten Proteinen, mit größerer Auflösung auf subzellularem Level, nachgewiesen werden.
...
Das Hepatozelluläre Karzinom (HCC) ist die sechsthäufigste Krebsart mit der zweithäufigsten krebsbedingten Letalität. Sorafenib ist bereits seit über 10 Jahren die einzige verfügbare und zugelassene systemische Chemotherapie. Allerdings zeigen Patienten oft eine Resistenz gegenüber Sorafenib.
In zahlreichen Krebsarten konnte bereits gezeigt werden, dass Sphingolipide bei der Tumorentwicklung und Chemoresistenz eine wichtige Rolle spielen. Sphingolipide sind bioaktive Lipidmoleküle, welche unteranderem für die Beeinflussung verschiedener Signalwege intra- und extrazellulär verantwortlich sind. So konnte gezeigt werden, dass das Verhältnis zwischen Sphingosin-1-Phosphat (S1P) und Ceramiden eine wichtige Rolle für das Überleben von Zellen spielt, wobei eine Verschiebung des Verhältnisses zugunsten des S1P meist eine proliferative Wirkung auf Zellen hat. Für die Phosphorylierung des Sphingosins zu S1P sind die zwei Enzyme Sphingosinkinase 1 und 2 (SPHK1/2) verantwortlich.
Es gibt bereits Studien, die nachweisen konnten, dass diese Enzyme gerade in Tumorzellen verstärkt exprimiert werden. Auf der anderen Seite kann eine verstärkte Bildung von Ceramiden die Apoptose der Tumorzellen verstärken. Daher ist es nicht verwunderlich, dass der Sphingolipid-Stoffwechsel einen interessanten Angriffspunkt für die Krebstherapie darstellt. Aus diesem Grund sollte in der vorliegenden Arbeit zunächst untersucht werden, ob Sorafenib einen Einfluss auf den Sphingolipid Stoffwechsel hat. Weiter sollte untersucht werden, ob die Beeinflussung des Sphingolipid-Stoffwechsels die Effekte von Sorafenib potenzieren könnte.
Es konnte zunächst gezeigt werden, dass Sorafenib die mRNA-Expression verschiedener Enzyme, die das Verhältnis zwischen Ceramiden und S1P regulieren, beeinflussen kann. Es wurde weiter untersucht, wie sich der Ceramidsynthase Inhibitor FB1 auf die Proliferation und die Induktion der Apoptose auswirkt. Dies wurde ebenfalls mit SLP (SPHK1 Inhibitor), SLM (SPHK2 Inhibitor) und SKI II, einem unspezifischen Inhibitor beider Sphingosinkinasen, untersucht. Es wurden weiter die Einflüsse aller verwendeten Substanzen auf die Bildung verschiedener Sphingolipide untersucht.
Hierbei konnte gezeigt werden, dass Sorafenib in der Lage ist, die Proliferation der Zellen zu hemmen und die Apoptose-Induktion zu fördern. Weiter führte Sorafenib zu einer Akkumulation der Dihydroceramide. Was wiederrum weder mit SKI II, FB1; SLP noch SLM beobachtet werden konnte. Der signifikante Anstieg der Dihydroceramid-Konzentrationen konnte mit dem durch Sorafenib induzierten oxidativen Stress in Verbindung gebracht werden.
SLP und SLM waren nicht in der Lage, die Effekte von Sorafenib auf die Proliferation zu potenzieren. Die Kombination von Sorafenib mit SLP oder SLM führte jedoch in den Huh7.5 Zellen zu einer drastischen Reduktion des S1P-Spiegel.
FB1 und SKI II führten zu einer stärkeren Hemmung der Proliferation als Sorafenib. Wobei gezeigt werden konnte, dass beide Substanzen die Ceramid-Spiegel tendenziell eher vermindern und die S1P-Spiegel erhöhen. Durch die Stimulation mit FB1 kam es sogar zu einer signifikanten Erhöhung der S1P-Spiegel. Es scheint, dass der Einfluss von FB1 und SKI II auf die Proliferation der Zellen unabhängig vom Sphingolipid-Stoffwechsel ist. Diese scheinen eher über andere Mechanismen zu wirken. Es könnte von Interesse sein, gerade diese Signalwege von SKI II im HCC weiter zu untersuchen, da SKI II bereits in Mausmodellen anderer Krebsarten vielversprechende Ergebnisse zeigte.
Two main types of methods are used in gene therapy: integrating vectors and nuclease-based genome engineering. Nucleases are site-specific and are efficient for knock-outs, but inefficient at inserting long DNA sequences. Integrating vectors perform this task with high efficiency, but their insertion occurs at random genomic positions. This can result in transformation of target cells, which leads to severe adverse events in a gene therapy context. Thus, it is of great interest to develop novel genome engineering tools that combine the advantages of both technologies. The main focus of this thesis is on generating such a targetable integrating vector.
The integrating vector used in this project is the Sleeping Beauty (SB) transposon, a DNA transposon characterized by high activity across a wide range of cells. The SB transposase was combined with an RNA-guided Cas9 nuclease domain. This nuclease component was meant to direct transposase integration to specific targets defined by RNAs. The SB transposase was fused to cleavage-inactivated Cas9 (dCas9) to tether it to the target sites. In addition, adapter proteins consisting of dCas9 and domains non-covalently interacting with SB transposase or the SB transposon were generated. All constituent domains of these fusion proteins were tested in enzymatic assays and almost all enzymatic activities could be verified.
Combining the fusion protein dCas9-SB100X with a gRNA binding a sequence from the AluY repetitive element resulted in a weak, but statistically significant enrichment around sites bound by the gRNA. This enrichment was ca. 2-fold and occurred within a 300 bp window downstream of target sites, or within the AluY element.
Targeting with adapter proteins and targeting of other targets (L1 elements or single-copy targets) did not result in statistically significant effects. Single-copy targets tested included the HPRT gene and three specifically selected GSH targets that were known to be receptive to SB insertions. The combination with a more sequence-specific transposase mutant also failed to increase specificity to a level allowing targeting of single-copy loci. Genome-wide analysis of insertions however demonstrated, that dCas9-SB100X has a different insertion profile than SB100X, regardless of the gRNA used.
As low efficiency of retargeting is likely a consequence of the high background activity of the SB100X transposase in the fusion constructs, a SB mutant with reduced DNA affinity, SB(C42), was generated. For this mutant, transposition activity was partly dependent on a dCas9 domain being supplied with a multi-copy target gRNA, specifically a 2-fold increase in the presence of a AluY-directed gRNA. Whether using this mutant results in improved targeting remains to be determined.
In a side project, an attempt was made to direct SB insertions to ribosomal DNA by fusing the transposase to a nucleolar protein. This fusion transposase partially localized to nucleoli and insertions catalyzed by this transposase were found to be enriched in nucleolus organizer regions (NORs) and nucleolus-associated domains (NADs).
The aim of a second side project was increasing the ratio between homology-directed repair (HDR) and non-homologous end-joining (NHEJ) at Cas9-mediated double-strand breaks (DSBs). To achieve this, Cas9 was fused to DNA-interacting domains and corresponding binding sequences were fused to the homology donors. While an increased HDR/NHEJ ration could be observed for the fusion proteins, it was not dependent on the presence on the binding sequences in the donor molecules.
Schätzungen zufolge sind weltweit etwa 71 Millionen Menschen chronisch mit dem Hepatitis-C-Virus (HCV) infiziert. Im Jahre 2016 sind rund 400.000 Menschen an einer HCV-bedingten Lebererkrankung gestorben, insbesondere aufgrund der Entwicklung von Leberzirrhose und Lebertumoren. Trotz der großen Unterschiede in den Prävalenzschätzungen und der Qualität der epidemiologischen Daten zeigt die jüngste weltweite Bewertung, dass die virämische Ausbreitung der HCV-Infektion (Prävalenz der HCV-RNA) in den meisten Industrieländern, einschließlich der USA, weniger als 1,0% beträgt (www .cdc.gov / Hepatitis / HCV). In einigen osteuropäischen Ländern wie Lettland (2,2%) oder Russland (3,3%) und bestimmten Ländern in Afrika, Ägypten (6,3%) und Gabun (7,0%) oder im Nahen Osten Syriens (3,0%) ist die Prävalenz bemerkenswert höher. In den USA und den am weitesten entwickelten Ländern gilt die gemeinsame Nutzung von Werkzeugezur Herstellung von Arzneimitteln und zur Injektion von Medikamenten (Nadeln) als die häufigste derzeitige Übertragungsart. Die vorherrschende Übertragungsart in Ländern, in denen die Ausbreitung von HCV-Infektionen im Vergleich zu den Industrieländern höher ist, beruht jedoch auf schlechten Methoden zur Infektionskontrolle und unsicherer Handhabung von Injektionsnadeln.
Wenn die chronische Infektion unbehandelt bleibt, kann sich im fortschreitenden Verlauf eine Zirrhose oder ein hepatozelluläres Karzinom bilden (Alter H. J. und Seef L. B. 2000). Die Doppeltherapie, bei der es sich um eine Kombination aus pegyliertem Interferon-α (PEG IFNα) und Ribavirin (riba) handelt, war in einigen Ländern der Dritten Welt bis vor kurzem der goldene Standard für die Behandlung von Patienten mit chronischer Hepatitis C und hat eine anhaltende virologische Reaktion erzielt. Mit nur 50% der mit HCV-Genotyp 1 infizierten Patienten (der häufigere) im Vergleich zu 80% mit Genotyp 2 oder 3, obwohl sie kostspielig und langwierig sind (z. B. 24-48 Wochen) und zahlreiche harte Nebenwirkungen aufweisen, die schwer zu bekämpfen sind tolerieren (Erklärung der National Institutes of Health Consensus Development Conference: Management von Hepatitis C: 2002 - 10.-12. Juni 2002 2002). Die Identifizierung des JFH1 (japanische fulminante Hepatitis Typ 1) -Isolats wurde in einigen in vitro-Studien zu HCV als wichtiger Durchbruch bei der HCV-Behandlung angesehen. Die Verwendung dieses Isolats führte nachfolgend zu einem besseren Verständnis des HCV-Lebenszyklus und der 3D-Strukturen der viralen Proteine. Basierend auf dieser Erkenntnis konnten die ersten direkt wirkenden antiviralen Mittel (DAAs) entwickelt werden, die spezifisch virale Proteine beeinflussen. Die beiden Proteasehemmer (PI) Telaprevir und Boceprevir hemmen die virale NS3-4A-Protease und wurden 2011 als Kombinationstherapie mit PEG IFNα und Ribavirin zugelassen, was die anhaltende virologische Reaktion auf 67-75% erhöhte (Pawlotsky et al. 2015).
Die Optimierung der gegenwärtigen Arzneimittelregime, die Einschränkung des Problems der Mutationsresistenz, die Gestaltung einer individualisierten Therapie, der Zugang zu diesen therapeutischen antiviralen Arzneimitteln und ihr hoher Preis bleiben weiterhin eine Herausforderung (Pawlotsky 2016; Pawlotsky et al. 2015; Sarrazin 2016). Die Entwicklung eines Impfstoffs wird jedoch als größte Herausforderung für die weltweite Kontrolle von HCV angesehen (Bukh 2016). Aus diesem Grund ist es wichtig, weiterhin mehr über den HCV-Lebenszyklus und die Faktoren zu erfahren, die sich auf die Replikation und den gesamten Lebenszyklus auswirken können, um effiziente, qualitativ hochwertige und vor allem leicht zugängliche Behandlungen für alle Menschen weltweit zu entwickeln.
Der Lipidstoffwechsel und insbesondere das Cholesteringleichgewicht werden durch die HCV-Infektion beeinflusst. Die Korrelation zwischen Lipidstoffwechsel und HCV wurde klinisch seit langem beobachtet. In den Leberbiopsien von mit HCV infizierten Patienten wurde ein Anstieg der in den Lipidtröpfchen im Cytosol akkumulierten neutralen Lipide festgestellt (Dienes et al. 1982). Das Hepatitis-C-Virus wurde auch von Hypobetalipoproteinämie, Hypocholesterinämie und Lebersteatose begleitet (Schaefer und Chung 2013). Die Leber ist der primäre Ort für die Synthese, Speicherung und Oxidation von Lipiden und anderen Makromolekülen. Daher ist der Fettstoffwechsel in der Leber für die Aufrechterhaltung der systemischen Nährstoffhomöostase von wesentlicher Bedeutung. Eine Dysregulation des Leberlipidstoffwechsels ist ein Kennzeichen mehrerer Krankheiten wie Diabetes, alkoholische und nichtalkoholische Fettlebererkrankungen sowie parasitäre und virale Infektionen, einschließlich einer HCV-Infektion. (Erklärung der National Institutes of Health Consensus Development Conference: Management von Hepatitis C: 2002 - 10.-12. Juni 2002 2002; Fon Tacer und Rozman 2011; Chen et al. 2013; Reddy und Rao 2006; Visser et al. 2013; Wu und Parhofer 2014)
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Three types of post-translation modifications (PTMs) containing N-glycosylation, phosphorylation, ubiquitylation were characterized in diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) on a global scale using quantitative mass spectrometry based proteomics technology in this study.
DLBCL is the most common type of malignant lymphomas and has a heterogeneous gene expression profiling, phenotype and clinical response to chemotherapy. DLBCL is a good model for the correct classification of cancers into molecularly different subtypes, which benefits for the selection of rational therapeutic strategies. It resulted in two histologically indistinguishable subtypes-activated B-cell-like (ABC) subgroup and germinal center B-cell-like (GCB) subgroup according to gene expression profiling. Signals originating from the B-cell receptor (BCR), the key protein on the surface of B cells, promote growth and survival of DLBCL. Antigen-dependent/independent BCR signaling is found in DLBCL subtypes.
Recent researches reveal that glycosylation plays role in human cells via site-specific regulation. Aberrant N-glycosylation in BCR-related effectors, such as, CD79a, immunoglobulin M or G (IgM or IgG), has been found to be associated with lymphoid malignancies. However, accurate quantification of intact glycopeptides and their individual glycan moieties in a cell-wide manner is still challenging. Here we established a site-specific quantitative N-glycoproteomics platform termed SugarQuant. It included a fast sample preparation workflow using Protein Aggregation Capture (PAC), an optimized multi-notch MS3 acquisition workflow (Glyco-SPS-MS3), a self-developed R-based tool (GlycoBinder). The robustness and accuracy of quantitation in SugarQuant were proved in a study using the different amounts of TMT-labelled IgM N-glycopeptides spiked into a background of TMT-labelled yeast peptides. Next, we used SugarQuant to identify and quantify more than 5000 unique glycoforms in Burkitt’s lymphoma cells treated with a series of doses of 2-deoxy-2-fluoro-L-fucose (2FF) and determine the more accurate site-specific glycosylation changes that occurred upon inhibition of fucosylation compared to using MS2 analysis. It revealed that 2FF-sensitive N-glycosylation on key players in BCR-mediated signaling in DG75. Furthermore, 2FF treatment also affects phosphorylation of the key players involving in B cell receptor signaling.
Then we investigated the site-specific quantitative N-glycoproteome in the cell lines of DLBCL subtypes using SugarQuant. More than 7000 unique intact glycopeptides (glycoforms) were quantified in five ABC DLBCL and four GCB DLBCL cell lines. The glycoproteome mapping (intact glycopeptide expressions) in each cell line allows to segregate DLBCL subtypes. The majority of these glycoforms were from the key cell-surface BCR effectors, such as IgM, CD79 and PTPRC. Lastly, we investigated the change of fucosylated glycopeptides in TMD8 cell line upon knockout of the fucosyltransferase FUT8, which is responsible for core-fucose synthesis, and by the treatment with 2FF. The results revealed that FUT8 might also regulate the synthesis of sub/terminal fucose on glycan chain and the inhibition of fucosylation increased the sialyated glycopeptide expression.
Phosphorylation is involved in regulating multiple processes as an important mediator in BCR signaling. Likewise, ubiquitylation plays vital roles in the activation of the nuclear factor-kappaB (NF-κB) pathway in BCR signaling. There are two vital upstream BCR-proximal tyrosine kinases, Bruton’s tyrosine kinase (BTK) and spleen tyrosine kinase (SYK), which regulate the auto-phosphorylation and phosphorylation of other proteins in BCR signaling pathway. Here we investigated the dynamics of downstream phosphorylation and ubiquitylation signaling in ABC DLBCL and GCB DLBCL cell lines upon the inhibitions of BTK and SYK using quantitative proteomics strategy. In the phosphoproteome analysis, a large dataset of quantified phosphorylation sites was obtained in the three ABC and four GCB DLBCL cell lines. BCR signaling in the subtypes of DLBCL cell lines was found to be highly individual in distinct cell lines. These significantly regulated phosphorylation events in each cell line with individual treatment were involved in multiple Reactome pathways, such as, M phase, signaling by Rho GTPases and diseases of signal transduction. Moreover, the gene regulation-related biological processes including chromosome organization and medication, DNA metabolic process, nuclear export, were involved in the DLBCL cell lines. In the ubiquitinome analysis, we identified more than 15,000 ubiquitylation sites in two ABC and one GCB cell lines upon the inhibition of BTK and SYK. The different ubiquitylation events observed in ABC and GCB subtypes revealed distinct BCR signaling pathways in two subtypes. The similar signaling perturbations across each cell line upon BTK and SYK inhibition, which were obtained from the significantly regulated ubiquitylated peptides expression, revealed the cell-type-specific concordance in ubiquitylation regulation upon BTK and SYK inhibition. These ubiquitylation modified proteins who bore the significantly regulated ubi-peptides in the samples were also found to be highly involved in gene regulatory processes.
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Acute lymphoblastic leukemia (ALL), a neoplastic disorder of blood cells of the lymphoid lineage, is the most frequent childhood cancer. In spite of increasing survival rates, the outcome for adults, infants or relapsed patients is still less favorable, highlighting the need for novel treatment options. Reactive oxygen species (ROS) are important signaling molecules that are involved in a variety of cellular pathways. As high ROS levels lead to oxidative stress and irreversible oxidation of cellular macromolecules, the production and elimination of ROS is tightly controlled. Therefore, cells express several antioxidant molecules and enzymes, including glutathione, catalase and the thioredoxin (Trx) system, to balance ROS levels. As cancer cells were found to have increased ROS levels that could contribute to tumor progression and metastasis, they rely strongly on these antioxidant systems to prevent oxidative damage, making cancer cells especially vulnerable to ROS-inducing treatments. ROS and oxidative stress have been shown to induce programmed cell death via different pathways, however the exact mechanisms that couples oxidative signaling and cell death is not completely understood.
As a disturbance of the cellular redox homeostasis was reported during leukemia development and progression, we wanted to determine the potential of Trx inhibitors for ALL therapy. Additionally, we aimed to further understand the role of ROS and subsequent protein oxidation in the induction and execution of programmed cell death.
First, we demonstrated that the Trx1 inhibitor PX-12 induced cell death in three ALL cell lines. Further analysis of the events leading to PX-12-induced cell death in FADD-deficient (FD) Jurkat cells revealed an increase in ROS levels and oxidation-mediated dimer formation of peroxiredoxin 3 (PRDX3). Interestingly cell death was inhibited by the thiol-containing antioxidant N-acetylcysteine (NAC), but not by non-thiol-containing ROS scavengers. PX-12 treatment further induced cleavage of caspase-9 and -3 and activation of the pro-apoptotic BCL-2 protein BAK, leading us to the conclusion that mitochondria-dependent apoptosis was induced. Interestingly, we could demonstrate an important role for the BH3-only protein NOXA in the mediation of PX-12-induced apoptosis as knock-down of NOXA prevented cell death induction and BAK activation. Our findings give novel insights into the mechanism of PX-12-induced cell death in ALL cell lines and underscores the potential of PX-12 for the treatment of ALL.
To further understand the processes leading to cell death upon inhibition of the Trx system, we analyzed global protein oxidation in Jurkat FD cells upon treatment with the Trx reductase inhibitor Auranofin. In line with previous results, Auranofin induced intrinsic apoptosis that was dependent on BAK and accompanied by increased ROS levels. Using a BIAM Switch Assay followed by mass spectrometry, we demonstrated that Auranofin treatment induced oxidation of over 200 proteins. We identified several proteins whose oxidation upon Auranofin treatment was expected, like Trx1, Trx2 and several peroxiredoxins. Additionally, we verified oxidation of APAF1-interacting protein (APIP) and protein arginine N-methyltransferase (PRMT1) that are both implicated in the regulation of apoptosis. With this analysis we were able to demonstrate that Auranofin treatment leads to changes in global protein oxidation. Whether oxidation of the determined proteins changes their functionality and contributes to apoptosis induction remains to be elucidated.
As we identified BAK as an important player in PX-12- and Auranofin-induced cell death in the previous parts of this study, we wanted to further understand its involvement in ROS-mediated cell death. First analyses in wild-type (WT) and BAK-/- murine embryonic fibroblasts (MEFs) revealed that BAK was essential for Auranofin-induced cell death and that this cell death was caspase-independent in MEFs. Interestingly, BAK oxidation was induced upon treatment with Auranofin, but not upon stimulation with the apoptosis-inducing compound Etoposide. Expression of mutated BAK, with either one or both oxidation-sensitive cysteines mutated to oxidation-insensitive serines, revealed that mutating already one cysteine protected cells from Auranofin , but not Etoposide-induced cell death. Of note, mutation of the BAK BH3 domain rescued MEFs from both, Auranofin- and Etoposide-mediated cell death. The presence of cysteine residues also altered BAK interactions as observed by a mass spectrometric analysis of Auranofin-treated MEFs expressing either WT or cysteine-less BAK. We identified interactions of WT BAK with proteins involved in mitochondrial fission and vesicle transport upon Auranofin treatment. Of note, interaction with proteins involved in apoptosis, like BAX or BCL-XL, was not changed between WT and cysteine-less BAK. Our results demonstrate a critical role for BAK oxidation in Auranofin-induced cell death. Furthermore, we identified novel oxidation-dependent BAK interaction partners.
To conclude, this study highlights the potential of ROS-inducing treatments for ALL therapy and provides novel insights into the redox regulation of programmed cell death.
Inhibitoren der Apoptose (IAP, inhibitor of apoptosis) Proteine spielen eine wichtige Rolle in Bezug auf Zelltodregulation und es ist anzunehmen, dass eine Dysregulation dieser Proteine zu einer Tumorentwicklung und Tumorprogression beiträgt. Erhöhte Expressionslevel von IAP Proteinen verhindern die Aktivierbarkeit des Zelltodprogrammes von Tumorzellen und eine Reihe von Studien konnte bereits erhöhte IAP Level in Tumorzelllinien sowie in primären Tumorproben nachweisen. Des Weiteren korrelieren erhöhte Expressionslevel von IAPs in Tumoren mit Behandlungsresistenzen und schlechten Prognosen für die Patienten.
Das diffuse großzellige B-Zell Lymphom (DLBCL, diffuse large B-cell lymphoma) zählt zu den häufigsten Subtypen der Non-Hodgkin Lymphome (NHL) mit 40 % aller neu diagnostizierten NHL Fälle. DLBCL ist eine sehr heterogene Erkrankung die in drei verschiedene Gruppen klassifiziert wurde: aktivierter B-Zell Typ (ABC, activated B-cell), Keimzentrum B-Zell Typ (GCB, germinal center B-Cell) und Mediastinaler großzelliger B-Zell Typ (PMBL, primary mediastinal B-cell lymphoma). Erhöhte Expressionslevel von zellulärem IAP1 (cIAP, cellular IAP) und cIAP2 wurden ebenfalls in primären Tumorproben von DLBCL Patienten nachgewiesen. Smac mimetics wurden entwickelt, um IAPs zu antagonisieren und stellen damit eine Behandlungsstrategie für DLBCL Patienten dar, denn ca. 40 % aller DLBCL Patienten entwickeln ein Rezidiv oder erreichen gar keine Remission unter Standardtherapie. Jedoch ist der Effekt von Smac mimetics in einer Einzelbehandlung limitiert, weswegen Kombinationstherapien mit Smac mimetics eine vielversprechende Strategie für ihren klinischen Einsatz darstellen. Aus diesem Grund haben wir in dieser Arbeit den Effekt von Smac mimetic in Kombination mit Proteasom-Inhibitoren analysiert und einen speziellen Fokus auf den molekularen Mechanismus des ausgelösten Zelltodsignalweges gelegt.
Die Kombination verschiedener Konzentrationen des Smac mimetics BV6 mit dem Proteasom-Inhibitor carfilzomib (CFZ) löst in allen drei getesteten DLBCL Subtypen (ABC, GCB und PMBL) Zelltod aus. Die Kalkulation des Kombinationsindexes (CI, combination index) sowie des Bliss Scores, zwei quantitative Parameter zur Bestimmung eines Synergismus, zeigen, dass fast alle getesteten Kombinationen einen Synergismus aufweisen. Dies verdeutlicht, dass eine Co-Behandlung von BV6 und CFZ eine wirksame Kombination ist um Zelltod in DLBCL Zelllinien auszulösen. Außerdem zeigt eine Kombination von BV6 mit anderen Proteasom-Inhibitoren wie ixazomib (IXA) oder oprozomib (OPR), ebenfalls eine synergistische Reduktion der Zellviabilität. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der detektierte Effekt nicht auf eine Substanz limitiert ist, sondern, dass ein genereller Effekt von Smac mimetic und Proteasom-Inhibitoren vorliegt, um Zellviabilität in DLBCL zu reduzieren. BV6 und CFZ induzieren einen apoptotischen Zelltod, da sie die Spaltung und Aktivierung von Initiator- und Effektorcaspasen (Caspasen-3, -7, -8 und -9) initiieren und sich der induzierte Zelltod mit Hilfe des Caspasen-Inhibitors zVAD.fmk verhindern lässt. Die Behandlung mit BV6 und CFZ führt zu einer Akkumulation von NIK, ein Protein welches zur Aktivierung des non-kanonischen NF-kB Signalweges benötigt wird. Weitere Untersuchungen zeigen jedoch, dass NIK nicht an der Zelltodinduktion beteiligt ist, da eine siRNA-basierte Herunterregulierung des NIK Proteins keinen Einfluss auf die Zelltodinduktion nimmt. Ebenfalls ist der Zelltod unabhängig von dem TNFa Signalweg, da weder eine Behandlung mit dem TNFa Inhibitor Enbrel den Zelltod verringern kann noch eine zusätzliche Gabe von TNFa den Zelltod erhöht. Weitere mechanistische Studien zeigen eine kritische Rolle der mitochondrialen Apoptose für den BV6/CFZ-vermittelten Zelltod. Unter Behandlung mit BV6/CFZ wurde eine Aktivierung von BAX und BAK nachgewiesen, welche beide mit verantwortlich für die Porenbildung in der mitochondrialen Membran sind. Eine Herunterregulation dieser beiden Proteine mittels siRNA reduziert signifikant den durch BV6/CFZ-induzierten Zelltod auf ein Minimum. Gleichzeitig löst eine Co-Behandlung mit BV6/CFZ einen Verlust des mitochondrialen Membranpotentials (LOMMP, loss of mitochondrial membrane potential) aus. In Übereinstimmung mit den vorherigen Experimenten, zeigen wir eine Akkumulation von mitochondrialen reaktiven Sauerstoffspezies (ROS; reactive oxygen species), sowie einen generellen Anstieg des allgemeinen ROS Levels. Eine Behandlung mit BV6/CFZ zeigt eine deutliche Akkumulation des pro-apoptotischen Proteins NOXA. Um dessen funktionelle Relevanz zu überprüfen, wurde die Proteinmenge von NOXA mittels siRNA stark reduziert. Eine Behandlung mit der Kombination aus BV6 und CFZ zeigt daraufhin eine signifikant reduzierte Zelltodinduktion, was die funktionelle Relevanz von NOXA für den BV6/CFZ-vermittelten Zelltod unterstreicht. Immunopräzipitationsstudien zeigen, dass in RIVA und U2932 Zellen NOXA konstitutiv an seinen anti-apoptotischen Bindungspartner MCL-1 gebunden ist, was die Zellen bereits darauf vorbereitet Apoptose zu durchlaufen. Dieses sogenannte „primen“ für Apoptose wird durch die Behandlung mit BV6 und CFZ weiter verstärkt, da es die Bindung zwischen NOXA und MCL-1 weiter erhöht. Dadurch wird die Balance zwischen pro- und anti-apoptotischen Proteinen zu Gunsten der pro-apoptotischen Proteine verschoben und die Induktion von Apoptose begünstigt.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass DLBCL Zelllinien sensitiv auf eine Behandlung mit Smac mimetic und Proteasom-Inhibitor reagieren und damit eine mögliche neue Behandlungsstrategie für diese heterogene Tumorerkrankung darstellt.
The p38α mitogen-activated protein kinase (MAPK) is activated through stress stimuli such as heat shock or hypoxia. In the nucleus, p38α modulates the activity of other kinases and transcription factors, a process that regulates the expression of specific target genes, most importantly pro-inflammatory cytokines. Dysregulation of p38α therefore plays a major role in the development of inflammatory diseases such as rheumatoid arthritis. Despite many years of intensive research, no p38 small-molecule inhibitors have been approved yet. Several inhibitor design strategies have been reported, leading to >100-fold selective compounds for α/β over the γ and δ isoforms. Achieving such a selectivity among the two structurally most related α and β isoforms, however, remains a challenging task. Targeting an inactive DFG-out conformation offers another strategy for the development of potent kinase inhibitors (type-II), exemplified by the BCR/ABL-inhibitor Imatinib. Achieving selectivity with type-II binders is challenging, because many kinases can adopt an inactive DFG-out conformation. This is exemplified by the p38 type-II inhibitor BIRB-796, which exhibits picomolar on-target affinity but only a poor kinome-wide selectivity. A potent and selective type-II chemical probe for p38α/β was still lacking at the start of this thesis.
The promising hit VPC-00628, was chosen for a combinatorial synthetic approach to develop a type-II chemical probe. The studies covered the optimization of the hinge-binding head group, the hydrophobic region I and the DFG-out deep pocket of the lead compound VPC-00628. Selectivity for the p38α and p38β isoforms was monitored during the optimization process, which identified several inhibitors with favorable isoform selectivity, providing valuable insights into the potential of isoform-selective inhibitor design for p38. A potent and highly selective p38 MAPK probe (SR-318) was discovered, which showed IC50 values in the low nanomolar range in HEK293T cells. An unusual P-loop conformation induced upon binding of SR-318 to p38α contributed most likely to the impressive selectivity profile within the kinome that surpassed both the parent compound and BIRB-796. A negative control compound, SR-321, was developed, to distinguish between on-target effects and non-specific effects due to cross-reactivity with other cellular proteins. Studies of the metabolic stability in human liver microsomes revealed a high stability of the compounds, with only a small amount of metabolites formed over several hours. Compound SR-318 also exhibited a good in vitro efficacy, quantitatively reducing the LPS-stimulated TNF-α release in whole blood. Taken together, SR-318 is a highly potent and selective type-II p38α/β chemical probe, which will help to gain a better understanding of the catalytic and non-catalytic functions of these key signaling kinases in physiology and pathology.
The next studies focused on the exploration of the highly dynamic allosteric back pocket of p38 MAPK, and allosteric BIRB-796 derived compounds for targeting the αC- and DFG-out pockets were synthesized. Kinase activities of allosteric pyrazole-urea fragments were analyzed against a comprehensive set of 47 diverse kinases by differential scanning fluorimetry (DSF), revealing that BIRB-796 off-targets remain a problem when targeting this back-pocket binding motif. Revisiting the recently published compound MCP-081, which combines the allosteric part of BIRB-796 with the active-site directed part of VPC-00628, showed that it displays a clean selectivity profile in our kinase panel. Because the potency of MCP-081 was slightly reduced compared with VPC-00628 and the allosteric tert-butyl pyrazole moiety seemed suboptimal, a set of VPC-00628 derivatives for targeting the αC-out pocket region was synthesized. Through structure-guided extension of the terminal amide of VPC-00628 toward this allosteric site, the potent and selective compound SR-43 was developed, which showed excellent cellular activity on p38 MAPK in NanoBRETTM assays (IC50 [p38α/β] = 14.0 ± 0.1/ 16.8 ± 0.1 nM). SR-43 showed a dose-dependent inhibition of activating phosphorylation of p38 in HCT-15 cells as well as inhibition of phosphorylation of p38 downstream substrates MK2 and Hsp27. In addition, SR-43 induced an anti-inflammatory response by blocking TNF-α release in whole blood and displayed a high metabolic stability. Selectivity profiling of SR-43 revealed a narrow selectivity for additional targets such as the discoidin domain receptor kinases (DDR1/2). DDR kinases play a central role in fibrotic disorders, such as renal and pulmonale fibrosis, atherosclerosis and different forms of cancer. Since selective and potent inhibitors for these important therapeutic targets are largely lacking and the existing inhibitors are of low scaffold diversity, the next study focused on the optimization of SR-43 toward DDR1/2 kinase inhibition. The synthetic work covered the optimization of the hinge-binding head group and the allosteric part of SR-43 toward DDR1/2 kinase inhibition. These studies provided novel insights into the P-loop folding process of p38 MAPK and how targeting of non-conserved amino acids affects inhibitor selectivity. Importantly, they led to the development of a selective dual DDR/p38 inhibitor probe, SR-302, with picomolar affinity for DDR2. SR-302 was efficient in vitro and showed a destabilizing effect on the surface adhesion protein E-cadherin in epithelial cells. In summary, SR-302 and its negative control SR-301 provide a valuable tool set for studying the phenotypic effects of DDR1/2 signaling, e.g., in cancer cell lines.
Guanosine triphosphate (GTP) cyclohydrolase I (GCH1) catalyzes the conversion of GTP to dihydroneopterin triphosphate (H2NTP), the initiating step in the biosynthesis of tetrahydrobiopterin (BH4). Besides other roles, BH4 functions as cofactor in neurotransmitter biosynthesis. The BH4 biosynthetic pathway and GCH1 have been identified as promising targets to treat pain disorders in patients. The function of mammalian GCH1s is regulated by a metabolic sensing mechanism involving a regulator protein, GCH1 feedback regulatory protein (GFRP). GFRP binds to GCH1 to form inhibited or activated complexes dependent on availability of cofactor ligands, BH4 and phenylalanine, respectively. We determined high-resolution structures of human GCH1−GFRP complexes by cryoelectron microscopy (cryo-EM). Cryo-EM revealed structural flexibility of specific and relevant surface lining loops, which previously was not detected by X-ray crystallography due to crystal packing effects. Further, we studied allosteric regulation of isolated GCH1 by X-ray crystallography. Using the combined structural information, we are able to obtain a comprehensive picture of the mechanism of allosteric regulation. Local rearrangements in the allosteric pocket upon BH4 binding result in drastic changes in the quaternary structure of the enzyme, leading to a more compact, tense form of the inhibited protein, and translocate to the active site, leading to an open, more flexible structure of its surroundings. Inhibition of the enzymatic activity is not a result of hindrance of substrate binding, but rather a consequence of accelerated substrate binding kinetics as shown by saturation transfer difference NMR (STD-NMR) and site-directed mutagenesis. We propose a dissociation rate controlled mechanism of allosteric, noncompetitive inhibition.
Diese Arbeit etabliert eine nicht-invasive, volloptische Methode zur in-vivo Beobachtung des Membranpotentials in erregbaren Zellen des Fadenwurms C. elegans, die als Ersatz oder komplementär zu invasiven, elektrophysiologischen Methoden verwendet werden kann.
In the context of data science, data projection and clustering are common procedures. The chosen analysis method is crucial to avoid faulty pattern recognition. It is therefore necessary to know the properties and especially the limitations of projection and clustering algorithms. This report describes a collection of datasets that are grouped together in the Fundamental Clustering and Projection Suite (FCPS). The FCPS contains 10 datasets with the names "Atom", "Chainlink", "EngyTime", "Golfball", "Hepta", "Lsun", "Target", "Tetra", "TwoDiamonds", and "WingNut". Common clustering methods occasionally identified non-existent clusters or assigned data points to the wrong clusters in the FCPS suite. Likewise, common data projection methods could only partially reproduce the data structure correctly on a two-dimensional plane. In conclusion, the FCPS dataset collection addresses general challenges for clustering and projection algorithms such as lack of linear separability, different or small inner class spacing, classes defined by data density rather than data spacing, no cluster structure at all, outliers, or classes that are in contact. This report describes a collection of datasets that are grouped together in the Fundamental Clustering and Projection Suite (FCPS). It is designed to address specific problems of structure discovery in high-dimensional spaces.
Background: Physiologically-based population pharmacokinetic modeling (popPBPK) coupled with in vitro biopharmaceutics tools such as biorelevant dissolution testing can serve as a powerful tool to establish virtual bioequivalence and set clinically relevant specifications. One of several applications of popPBPK modeling is in the emerging field of virtual bioequivalence (VBE), where it can be used to streamline drug development by implementing model-informed formulation design and to inform regulatory decision-making e.g., with respect to evaluating the possibility of extending BCS-based biowaivers beyond BCS Class I and III compounds in certain cases.
Methods: In this study, Naproxen, a BCS class II weak acid was chosen as the model compound. In vitro biorelevant solubility and dissolution experiments were performed and the resulting data were used as an input to the PBPK model, following a stepwise workflow for the confirmation of the biopharmaceutical parameters. The naproxen PBPK model was developed by implementing a middle-out approach and verified against clinical data obtained from the literature. Once confidence in the performance of the model was achieved, several in vivo dissolution scenarios, based on model-based analysis of the in vitro data, were used to simulate clinical trials in healthy adults. Inter-occasion variability (IOV) was also added to critical physiological parameters and mechanistically propagated through the simulations. The various trials were simulated on a “worst/best case” dissolution scenario and average bioequivalence was assessed according to Cmax, AUC and tmax.
Results: VBE results demonstrated that naproxen products with in vitro dissolution reaching 85% dissolved within 90 minutes would lie comfortably within the bioequivalence limits for Cmax and AUC. Based on the establishment of VBE, a dissolution “safe space” was designed and a clinically relevant specification for naproxen products was proposed. The interplay between formulation-related and drug-specific PK parameters (e.g., t1/2) to predict the in vivo performance was also investigated.
Conclusion: Over a wide range of values, the in vitro dissolution rate is not critical for the clinical performance of naproxen products and therefore naproxen could be eligible for BCS-based biowaivers based on in vitro dissolution under intestinal conditions. This approach may also be applicable to other poorly soluble acidic compounds with long half-lives, providing an opportunity to streamline drug development and regulatory decision-making without putting the patient at a risk.
The overall survival for patients with acute lymphoblastic leukemia (ALL) often is the function of age, in particular in 2019 analysis revealed that 5-year overall survival for patients older than 20 years remains below 35% (American Cancer Society, Cancer Facts &Figures 2019). Importantly, one of the major issues in ALL therapy is the ability of tumor cells to escape the treatment via the establishment of an immunosuppressive environment. The tumor microenvironment has gained tremendous importance in the past decade. This is largely based on the reasoning that, in order to devise better therapeutic strategies for patients, we need to gain better understanding into how malignant cells transform their microenvironment to promote growth, escape immune control and gain therapeutic resistance.
TAM receptors (TAMRs) are engaged in innate immune cells as a feed-back mechanism to terminate the immune response and promote the return to homeostasis (Rothlin et al. 2007). In the context of cancers, aberrant TAMR signaling was mainly explored concerning its pro-oncogenic function (Paolino and Penninger 2016). There are only limited data available suggesting the modulation of cancer immune response via TAMR signaling in highly immunogenic solid tumor models (Paolino et al. 2014; Ubil et al. 2018). So far, however, little is known about their potential indirect immune-modulatory function in hematological malignancies. Taking into account the pronounced importance of TAMR signaling in immune cells combined with the leukemic immune tolerance, the current study focused on the function of TAMR and their ligands in anti-leukemic immunity.
This work uncovers the mechanism of dampening anti-leukemic immune response via TAMR signaling on macrophages using the syngeneic BCR-ABL1 B-ALL mouse model. Using genetic depletion of GAS6 in the host environment or ablation of AXL and/or MERTK receptors in macrophages the bone marrow microenvironment could be rewired in order to achieve an efficient anti-leukemic immune response. In particular, the GAS6/AXL blockade triggers an effective NKand T- cell-dependent anti-leukemic response that results in prolonged survival. This finding specifically tackles the obstacle of inefficient bridging between innate and adaptive immune response typical for hematological malignancies in contrast to solid tumors (E. K. Curran, Godfrey, and Kline 2017).
Besides establishing the vital function of TAMR signaling in anti-leukemic immunity using murine models, the analysis of human blood plasma revealed that age-related immune dysregulation was manifested by significant GAS6 decrease and PROS1 upregulation among elderly donors (>60 y.o.) compared to controls (<25 y.o.). These data are indicative that TAMR signaling likely favors the age-dependent immune system decline, which in turn is associated with a poor survival rate of elderly patients diagnosed with leukemia.
In conclusion, using a preclinical ALL model here it was identified in vivo, that Axl significantly increases upon B-ALL challenge in Mph and NK cells. Therefore, AXL targeting, using the orally bioavailable selective inhibitor Bemcentinib, could serve as a powerful approach to revert early immunosuppression created by leukemia.
Taken together these data propose the AXL receptor as a novel immune checkpoint and attractive candidate for the development of a new therapeutic approach via unleashing the patient’s own immune system to combat leukemic cells.
Nuclear receptor related 1 (Nurr1) is an orphan ligand-activated transcription factor and considered as neuroprotective transcriptional regulator with great potential as therapeutic target for neurodegenerative diseases. However, the collection of available Nurr1 modulators and mechanistic understanding of Nurr1 are limited. Here, we report the discovery of several structurally diverse non-steroidal anti-inflammatory drugs as inverse Nurr1 agonists demonstrating that Nurr1 activity can be regulated bidirectionally. As chemical tools, these ligands enable unraveling the co-regulatory network of Nurr1 and the mode of action distinguishing agonists from inverse agonists. In addition to its ability to dimerize, we observe an ability of Nurr1 to recruit several canonical nuclear receptor co-regulators in a ligand-dependent fashion. Distinct dimerization states and co-regulator interaction patterns arise as discriminating factors of Nurr1 agonists and inverse agonists. Our results contribute a valuable collection of Nurr1 modulators and relevant mechanistic insights for future Nurr1 target validation and drug discovery.
Hepatocyte nuclear factor 4α (HNF4α) is a ligand-sensing transcription factor and presents as a potential drug target in metabolic diseases and cancer. In humans, mutations in the HNF4α gene cause maturity-onset diabetes of the young (MODY), and the elevated activity of this protein has been associated with gastrointestinal cancers. Despite the high therapeutic potential, available ligands and structure–activity relationship knowledge for this nuclear receptor are scarce. Here, we disclose a chemically diverse collection of orthogonally validated fragment-like activators as well as inverse agonists, which modulate HNF4α activity in a low micromolar range. These compounds demonstrate the druggability of HNF4α and thus provide a starting point for medicinal chemistry as well as an early tool for chemogenomics.
ABC transporters fulfill diverse physiological functions in different cellularlocalizations ranging from the plasma membrane to intracellular membranouscompartments. Several ABC transporters have been spotted in the endolyso-somal system, which consists of endosomes, autophagosomes, lysosomes, andlysosome-related organelles. In this review, we present an overview of lysoso-mal ABC transporters including ABCA2, ABCA3, ABCA5, ABCB6,ABCB9, and ABCD4, discussing their trafficking routes, putative substrates,potential physiological functions, and associated diseases. In addition, weoffer a critical evaluation of the literature linking ABC transporters to lyso-somal drug sequestration, examining pitfalls associated with in vitro modelsof drug resistance.
Die Aufdeckung krankheitsbedingter Unterschiede und die Identifizierung neuer Biomarker sind essenziell für Diagnose und Behandlung verschiedener Erkrankungen. Unterschiede zwischen Erkrankungen können u.a. durch Analyse des Lipidprofils aufgedeckt werden, da dieses eng mit dem Phänotyp verknüpft ist. Ein unvoreingenommenes Screening gewährt einen umfassenderen Einblick in den metabolischen Zustand als eine gezielte Untersuchung weniger Analyten und kann neue Hypothesen generieren. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Screening-Methode zur untargeted Untersuchung des Lipidoms in biologischen Proben entwickelt. Durch die Kombination aus Umkehrphasenchromatographie und hochauflösender Massenspektrometrie mit datenabhängiger Aufnahme von MS/MS-Spektren konnten in Humanplasma 440 Lipide aus mehr als 15 Lipidklassen identifiziert werden. Die mehrstufige Identifizierung der Analyten, basierend auf der exakten Masse ±5 ppm, der Isotopenverteilung, der MS/MS-Fragmentierungsmuster in beiden Ionisationsmodi sowie der chromatographischen Auftrennung von Isomeren und Isobaren, erfolgte mit hoher Selektivität. Mit der vorgestellten Methode können sowohl Lipidklassen als auch einzelne Lipide relativ zu den internen Standards quantifiziert werden.
Der Probendurchsatz wurde erhöht, um den Einsatz der Methode im Rahmen größerer klinischer Studien zu ermöglichen und vorhandene Ressourcen effizient einzusetzen. Dabei wurden die Inkubationszeiten während der Flüssig-Flüssig-Extraktion mit MTBE:Methanol deutlich reduziert und die Handhabung vereinfacht bei gleichbleibend hoher Wiederfindung. Der hohe Probendurchsatz wird weiter unterstützt durch die kurze chromatographische Laufzeit von 17 min pro Ionisationsmodus. Die Auswertung der Ergebnisse ist der heikelste und zeitintensivste Schritt bei der Entwicklung und Anwendung von Screening-Methoden, deshalb wurde der Arbeitsablauf zur univariaten Analyse durch Entwicklung von R Skripten vereinfacht und beschleunigt.
Die Qualität und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse sind essenziell. Aus diesem Grund wurde die Qualität der entwickelten Methode, angelehnt an den strikten Vorgaben der FDA und EMA zur Validierung von quantitativen Methoden, sichergestellt, obwohl eine Methodenüberprüfung im Bereich von untargeted Methoden nicht verbreitet ist. Die Reproduzierbarkeit der relativen Lipidkonzentrationen konnte z.B. durch die Messung von Kontrollplasmaproben über einen Zeitraum von 10 Monaten gezeigt werden. Außerdem wurde die Linearität der Verdünnung von Plasmaproben bestätigt und eine Verschleppung in darauffolgende Proben ausgeschlossen. Die Stabilität der Proben muss in jeder Messphase inklusive der Präanalytik durch geeignete Untersuchungen und Maßnahmen sichergestellt werden. Anhand einer Studie zur präanalytischen Stabilität humaner Blutproben konnte ein Protokoll zur Probennahme und -vorbereitung für weitere klinische Studien erarbeitet werden. Die Stabilität des Lipidoms in Vollblut und Plasma konnte durch den Einsatz von Natriumfluorid/Citrat als Antikoagulans verbessert werden. Auch die Stabilität der Proben während der Lipidextraktion und Messung konnte gezeigt werden. Es wurden 16 verschiedene Probenarten analysiert, darunter Plasmaproben, verschiedene Mausgewebe und Zellpellets.
Mit der entwickelten Methode wurden die Unterschiede im Lipidprofil im Plasma und Gewebe von Mäusen mit einer akuten Entzündung durch LPS bzw. Zymosan-Injektion aufgedeckt. Dabei wurden die Ether-Phosphatidylcholine als potenzielle Entzündungsmarker identifiziert. Die entwickelte Methode wurde außerdem erfolgreich im Rahmen anderer Arbeiten für die Untersuchung verschiedener Erkrankungen angewendet.
In der vorliegenden Arbeit wird demnach eine schnelle, reproduzierbare und vor allem selektive LC-MS-Screening-Methode vorgestellt, die Veränderungen des Lipidstoffwechsels aufdecken und potenzielle Biomarker identifizieren kann.
Die Forschung beschrieben in dieser Dissertation ist ein Teil der "European Research and Innovation Programme - PEARRL", und wurde von Horizon 2020 Marie Sklodowska-Curie actions der Europäischen Union, unter Förderungsnummer 674909 unterstützt.
In den letzten Jahren, wurde Senkung der Intensität der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung beobachtet, da die Weiterentwicklung der Wirkstoffmolekülen hinzu einer "handlichen" Formulierung viele Schwierigkeiten aufweist. Meiste der neuen Wirkstoffkandidaten, die sich in Entwicklung befinden, haben suboptimale Eigenschaften in Bezug zur Löslichkeit und Auflösung und zeigen schlechte Bioverfügbarkeit, wenn eingenommen. Deswegen verlangen meiste neue Wirkstoffkandidate einen besonderen Ansatz in Bezug auf Formulierung, um akzeptable orale Bioverfügbarkeit zu erreichen. Diese neue Formulierungen werden meistens als “bio-enabling” Formulierungen bezeichnet und werden in Heilmittelentwicklung immer häufiger verwendet.
Hauptziel dieser Dissertation ist zu erforschen ob, durch Verbinden von biorelevanten in vitro Werkzeugen mit in silico Modeling und Simulationen, die in vitro Löslichkeit und Auflösung von bio-enabling Formulierungen mechanistisch erkläert und besser verstanden werden kann und somit eine erfolgreiche Simulation von in vivo Leistung erreicht werden kann.
Als Erstes wurden die physiologische Parameter, die die pharmakokinetik oraler Formulierungen beeinflüssen, identifiziert, indem die Auswirkung der Wirkstoffe, die zur Behandlung Magen-Darm-Krankheiten genutzt werden, sowie deren Pharmakokinetik, beurteilt wurde. Unter anderem wurde pH als einer der entscheinenden phyisiologischen Parameter erkannt, da es die Pharmakokinetik peroral verabreichter Stoffe signifikant beeinflüssen kann.
Als zweiter Schritt, mit besonderer Beachtung auf die Verwendung der biorelevanten in vitro Werkzeugen für die Erforschung der in vivo Auflösungsprozesse von bio-enabling Formulierungen, Fokus auf die biorelevante Medien und in vitro Apparaturen, die mögliche Prezipitationskinetik einschätzen können, wurde gesetzt. Biorelevante Medien sind wässrige Flüssigkeiten, die die Zusammensetzung der gastrointestinaler Flüssigkeiten nachmachen und für die Auflösungsuntersuchungen genutzt werden. Bis heute beinhalten die Aspirationsstudien die wichtigsten Hinweise und Informationen für den Design biorelevanter Medien. Es wurde beobachtet, dass die berichteten Werte mancher phyisiologisher Parameter erhebliche Unterschiede zwischen den Aspirationsstudien zeigen. Deswegen wurde untersucht, ob die Ergebnisse durch die Auswahl an Methodologie, die für die Entnahme und die Auswertung der Proben genutzt worden sind, beeinflusst werden können, wobei besondere Aufmerksamkeit den pH und der Pufferkapazität geschenkt wurde. Es wurde gezeigt, dass Unterschiede im Prozess der Probenhandhabung, z.B. Zentrifugieren und Lagerung einen deutlichen Einfluss auf die gemessenen Werte haben kann. Ausserdem, wurden in dieser Arbeit die in vitro Setups, die bisher in der Literatur zur Beurteilung der Übersättigung u.o. Ausfällung von Arzneimitteln im oberen Magen-Darm-Trakt vorgeschlagen wurden, überprüft und ihre Nützlichkeit und aktuelle Anwendung bewertet.
Nach Behebung der oben genannten Probleme, wurden zwei Fallbeispielformulierungen ausgewählt, um die Haupthypothese zu untersuchen. Die erste Formulierung ist auf den Markt unter dem Namen EMEND® und enthält den Wirkstoff in Nanoform. Die zweite Formulierung wird als INTELENCE® vermarktet und ist eine amorphe feste Dispersion des Wirkstoffs Etravirin. Durch die Wahl zwei unterschiedlicher Formulierungsansätzen konnten unterschiedliche Fallszenarien untersucht werden, wodurch umfassendere Vorschläge für die Bewältigung der Herausforderungen bei in vitro Experimenten und in silico Modelling mit bio-enabling Formulierungen möglich waren.
Bezogen auf den in dieser Dissertation beschriebenen Ansatz, ein mechanistisches Verständnis des in vivo Absorptionsprozesses, sowie eine erfolgreiche Simulation der nach der Verabreichung resultierenden Plasmaprofile einer bio-enabling-Formulierung der Nanoskala- und einer amorphen festen Dispersion wurde erreicht. Darüber hinaus wurden mögliche Wege vorgeschlagen, um einige Herausforderungen im Hinblick auf die Entwicklung von PBPK-Modellen für biofähige Formulierungen anzugehen. Diese Arbeit zeigt die mögliche Anwendung und Bedeutung der Absorptionsmodellierung für die rationale Formulierungsentwicklung und für die Stärkung des Wissens über Bio-Heilmittel in Bezug auf bio-enabling Formulierungen. Mithilfe dieses Ansatzes können die wesentlichen Parameter identifiziert werden, die das pharmakokinetische Verhalten schwerlöslicher Wirkstoffe beeinflussen, die als bio-enabling Formulierungen formuliert sind, und ermöglichen wiederum eine robuste Vorhersage der klinischen Ergebnisse.
Introduction: In the development of bio-enabling formulations, innovative in vivo predictive tools to understand and predict the in vivo performance of such formulations are needed. Etravirine, a non-nucleoside reverse transcriptase inhibitor, is currently marketed as an amorphous solid dispersion (Intelence® tablets). The aims of this study were 1) to investigate and discuss the advantages of using biorelevant in vitro setups in simulating the in vivo performance of Intelence® 100 mg and 200 mg tablets, in the fed state, 2) to build a Physiologically Based Pharmacokinetic (PBPK) model by combining experimental data and literature information with the commercially available in silico software Simcyp® Simulator V17.1 (Certara UK Ltd.), and 3) to discuss the challenges when predicting the in vivo performance of an amorphous solid dispersion and identify the parameters which influence the pharmacokinetics of etravirine most.
Methods: Solubility, dissolution and transfer experiments were performed in various biorelevant media simulating the fasted and fed state environment in the gastrointestinal tract. An in silico PBPK model for healthy volunteers was developed in the Simcyp® Simulator, using in vitro results and data available from the literature as input. The impact of pre- and post-absorptive parameters on the pharmacokinetics of etravirine was investigated using simulations of various scenarios.
Results: In vitro experiments indicated a large effect of naturally occurring solubilizing agents on the solubility of etravirine. Interestingly, supersaturated concentrations of etravirine were observed over the entire duration of dissolution experiments on Intelence® tablets. Coupling the in vitro results with the PBPK model provided the opportunity to investigate two possible absorption scenarios, i.e. with or without implementation of precipitation. The results from the simulations suggested that a scenario in which etravirine does not precipitate is more representative of the in vivo data. On the post-absorptive side, it appears that the concentration dependency of the unbound fraction of etravirine in plasma has a significant effect on etravirine pharmacokinetics.
Conclusions: The present study underlines the importance of combining in vitro and in silico biopharmaceutical tools to advance our knowledge in the field of bio-enabling formulations. Future studies on other bio-enabling formulations can be used to further explore this approach to support rational formulation design as well as robust prediction of clinical outcomes.
Formulation scientists have developed a toolkit of strategies that can improve the solubility and subsequent bioavailability of poorly soluble candidates. Amorphous formulations are especially appealing due to the significant improvement in solubility the amorphous form can provide, but must be stabilized for effective performance (Timpe, 2007).
2. The Importance of Drug Polymer Interactions in Precipitation Inhibition
Polymeric “precipitation inhibitors” have seen widespread usage in the literature (Warren, 2010). The precipitation inhibition effect of polymers on precipitations is related to interference with nucleation and crystal growth (Xu, 2013). Many techniques have been reported in the literature to predict these interactions, however, they are not suitable to screening due to API and time resources required, which are not amenable to early stage pharmaceutical development.
3. Mesoporous Silica: An Emerging Formulation Technology
Mesoporous silicon dioxide has emerged in recent years as a new option for stabilizing the amorphous form. Upon impregnation of the silica with a concentrated drug solution, the drug can be molecularly adsorbed and locally and sterically confined, preventing recrystallization (Ditzinger, 2018). Upon administration of mesoporous silica formulations to the body the amorphous formulation generates supersaturation which must be stabilized using precipitation inhibitors (Guzman, 2007).
4. Co-incorporation: A New Method to Combine Precipitation Inhibitors with Mesoporous Silica
There has been no systematic study of how best to incorporate precipitation inhibitors into mesoporous silica formulations. The current standard practice involves combining inhibitors in a physical mixture with the drug-loaded silica, either by pestle and mortar or overhead stirring. Due to the lack of a defined protocol, there is uncertainty about how reliably the precipitation inhibitor is combined with the drug-loaded silica on a batch to batch basis. In this work, a novel co-incorporated formulation of glibenclamide and the precipitation inhibitor, HPMCAS, onto mesoporous silica was described. By co-incorporating the precipitation inhibitor, the formulation significantly outperformed the commonly applied simple physical blend due to the formation of drug-polymer interactions in the solid state.
5. In Silico Pharmaceutics: A New Method to Select Precipitation Inhibitors for Mesoporous Silica
An approach that can incorporate understanding of the drug-polymer interactions with a quick and efficient screening process would be very useful. The COnductor like Screening MOdel for Real Solvents (COSMO-RS) is a quantum mechanical theory, which can be used to derive thermodynamic properties of interest. (Klamt, 1993, 1995, 2003). We proposed excess mixing enthalpies of drug and polymer could be calculated using the COSMO-RS theory. This new approach was applied to screen precipitation inhibitors for three model compounds, all of which showed a strong positive correlation between the rank assigned based on the calculated free enthalpy of mixing and the overall formulation performance.
6. Conclusion
This body of work aimed to improve the processes underpinning the design and development of mesoporous silica with precipitation inhibitors. Firstly, this involved two extensive literature reviews in the area of solubility enhancement formulation technologies and precipitation inhibition. Secondly, a mechanistic rational and experimental approach was developed to improve the formulation of precipitation inhibitors with mesoporous silica, the “co-incorporation” approach significantly improved process efficiency and formulation performance. Finally, combining insights from the aforementioned review, and learnings from the mechanistic analysis of the “co-incorporation” approach, an in silico screening protocol was developed to calculate the enthalpy of interaction between drug and polymer, to identify the most optimal precipitation inhibitor for a given formulation.
Central cholinergic function and metabolic changes in streptozotocin‐induced rat brain injury
(2020)
As glucose hypometabolism in the brain is an early sign of Alzheimer´s dementia (AD), the diabetogenic drug streptozotocin (STZ) has been used to induce Alzheimer‐like pathology in rat brain by intracereboventricular injection (icv‐STZ). However, many details of the pathological mechanism of STZ in this AD model remain unclear. Here, we report metabolic and cholinergic effects of icv‐STZ using microdialysis in freely moving animals. We found that icv‐STZ at a dose of 3 mg/kg (2 × 1.5 mg/kg) causes overt toxicity reflected in body weight loss. Three weeks after STZ administration, histological examination revealed a high number of glial fibrillary acidic protein reactive cells in the hippocampus, accompanied by Fluoro‐Jade C‐positive cells in the CA1 region. Glucose and lactate levels in microdialysates were unchanged, but mitochondrial respiration measured ex vivo was reduced by 9%–15%. High‐affinity choline uptake, choline acetyltransferase, and acetylcholine esterase (AChE) activities in the hippocampus were reduced by 16%, 28%, and 30%, respectively. Importantly, extracellular acetylcholine (ACh) levels in the hippocampus were unchanged and responded to behavioral and pharmacological challenges. In comparison, extracellular ACh levels and cholinergic parameters in the striatum were unchanged or slightly increased. We conclude that the icv‐STZ model poorly reflects central cholinergic dysfunction, an important characteristic of dementia. The icv‐STZ model may be more aptly described as an animal model of hippocampal gliosis.
Currently, due to the misuse of antibiotics, we are facing a major public health problem. The resistance to antibiotics of certain bacterial strains makes the treatment of infections very complex.
In this context, the present thesis project concerns the study of a bacterial efflux complex capable of transporting antibiotics from the cytoplasm to the outside of the cell. This complex is composed of an inner-membrane Major Facilitator Superfamily (MFS) transporter (EmrB, E. coli multidrug resistance), a channel of the outer membrane TolC (Tolerance to Colicin E1) and a periplasmic adapter (EmrA, E. coli multidrug resistance). Unlike RND-type efflux systems (such as AcrAB-TolC), little is known about the MFS-type EmrAB-TolC system. It is therefore important to study the entire complex on a structural and functional level, to analyse the marked differences between these two types of transport systems. The goal of my thesis project was to study at least one EmrAB-TolC complex from a structural point of view. For my studies the aim was to isolate the complex directly from bacteria overexpressing the three protein partners. In a first step, 15 homologous EmrAB-TolC systems were identified and their corresponding genes amplified from genomic DNA of different Gram-negative bacteria. Among the genes of the 15 systems, the genes coding for the E. coli and V. cholerae systems were further studied. The expression vectors encoded fluorescent markers for the monitoring of the expression levels of different proteins and for studying the formation of complexes. In a first step, the different protein expression levels (EmrB-mRFP1 and EmrA-sfGFP) were studied for several expression strains of E. coli by measuring the red and green fluorescence levels and by Western blot (anti-His, Myc, and Strep for EmrB, EmrA, and TolC). The E. coli strain C41(DE3) was best suited for co-expression of EmrAB-TolC. In a second step, the FSEC (Fluorescence detection Size Exclusion Chromatography) methodology was used to identify a complex suitable for structural study. Thus this method enabled the observation that the EmrAB-TolC complex of E. coli was produced in higher amount than that of V. cholerae. The final co-purification protocol consists in perfoming a gentle lysis of the bacteria using lysozyme, then after solubilization with DDM, the purification is started by a Ni2+-NTA affinity chromatography step followed by a size exclusion chromatography step. Finally, the fractions containing the three protein partners are used for the detergent-exchange by amphipol A8-35 before the structural study by electron microscopy. Negative stain EM-micrographs displayed elongated objects with a length of 33 nm in side view. An average image of EmrAB-TolC shows similarities to that of the AcrAB-TolC complex observed under similar conditions. Similarities included the characteristic densities of TolC. Whereas differences were found in the lower part of EmrAB which is thinner than the lower part of AcrAB. The densities visible above the amphipol-ring correspond to EmrA, which displays a channel-like structure as in AcrA. The channel however seems to extend further towards the amphipol belt. Since EmrB does not have an extended periplasmic domain as the RND proteins have, these densities are therefore solely assigned to EmrA. EmrA, on the other side, contacts TolC akin to the interaction of AcrA/MexA to their cognate outer membrane channels (TolC/OprM) in a ‘tip-to-tip’ fashion.
Während hohe Spiegel von reaktiven Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS) in Form von oxidativem Stress schädliche Auswirkungen auf den Körper haben können, zeigen aktuelle Forschungsarbeiten, dass Redox-Modifikationen an Thiolresten von Proteinen reversible Signalprozesse steuern können. Dieses Prinzip der posttranslationalen Proteinmodifikation durch Redox-Signale scheint auch bei der Verarbeitung und Chronifizierung von Schmerzen von Bedeutung zu sein. Über die potenziellen Redox-modulierten Zielstrukturen im nozizeptiven System ist jedoch bisher nur wenig bekannt.
Ein potentielles Redoxtarget im nozizeptiven System ist das kleine EF-Hand Ca2+-bindende Protein S100A4. Wie die anderen Familienmitglieder der S100-Proteinfamilie enthält S100A4 Cysteinreste, die in der Lage sind, redoxabhängig modifiziert zu werden. Studien an menschlichen Biopsien nach Gehirnverletzungen und an Mäusen in Verletzungsmodellen konnten zeigen, dass S100A4 neuroprotektiv wirkt. Darüber hinaus kann S100A4 sezerniert werden und vermittelt extrazellulär insbesondere regulatorische Funktionen innerhalb der Angiogenese, bei der Zellmigration sowie bei zellulären Differenzierungsprozessen. Die Funktionen von S100A4 im nozizeptiven System sind jedoch weitgehend unbekannt. In Vorarbeiten zu diesem Projekt wurde in einem Proteom-Screen beobachtet, dass S100A4 nach einer peripheren Nervenverletzung redoxabhängig im verletzten Nervengewebe hochreguliert wird. Darauf basierend wurde im Rahmen dieser Arbeit die Lokalisation von S100A4 innerhalb des nozizeptiven Systems sowie die funktionelle Bedeutung nach peripherer Nervenverletzung genauer untersucht.
Anhand von Immunfluoreszenzaufnahmen konnte gezeigt werden, dass S100A4 basal in Subpopulationen Peripherin- und NF200-positiver sensorischer Neurone lokalisiert ist. Interessanterweise führt eine Nervenverletzung nicht nur zu einer deutlichen Steigerung der S100A4-Expression im Bereich der Verletzungsstelle, sondern auch zu einer Änderung des neuronalen Verteilungsmusters. Die funktionelle Bedeutung von S100A4 für die Verarbeitung von Schmerzen wurde anhand von Verhaltenstests an Mäusen näher charakterisiert. Dafür wurden gewebsspezifische S100A4 Knockout Mäuse (Adv-S100A4-/-) und globale S100A4 Knockout Mäuse (S100A4-/-) generiert. In Modellen der akuten Nozizeption zeigten sowohl Adv-S100A4-/- als auch S100A4-/- Mäuse eine normale Reaktion auf thermische und mechanische Stimuli. Im „Spared Nerve Injury“ (SNI) Modell für periphere Neuropathien zeigten die S100A4-/- Mäuse eine im Vergleich zu wildtypischen (WT) Mäusen signifikant reduzierte mechanische Hyperalgesie, während bei den gewebsspezifischen Adv-S100A4-/- Mäusen kein verändertes Schmerzverhalten beobachtet werden konnte. Im „Crush Injury“ Modell für periphere Neuropathien war die mechanische Hyperalgesie der S100A4-/- Mäuse im Vergleich zu WT Tieren jedoch nicht verändert. Zusätzlich zur mechanischen Hyperalgesie wurden auch weitere Methoden der Quantifizierung des Schmerzverhaltens (Sciatic Functional Index, Brush Test und Wühlverhalten) etabliert. Allerdings war auch hier das Verhalten der S100A4-/- Mäuse mit dem der WT Mäuse vergleichbar. Darüber hinaus war das durch Applikation eines ROS-Donors induzierte nozizeptive Verhalten von S100A4-/- und WT Mäusen ähnlich. Man kann daher schlussfolgern, dass nach einer peripheren Nervenverletzung die S100A4-Expression insbesondere im Bereich der Verletzungsstelle hochreguliert wird. Dem gegenüber scheint S100A4 jedoch für die Schmerzverarbeitung funktionell nur von untergeordneter Bedeutung zu sein.
Ein weiteres potentielles Redoxtarget im nozizeptiven System ist die lösliche Epoxidhydrolase (soluble epoxide hydrolase, sEH). Die funktionelle Bedeutung von sEH für die Schmerzverarbeitung wurde bereits in früheren Studien belegt, da eine Behandlung mit sEH-Inhibitoren bei Ratten zu einer reduzierten Hypersensitivität in inflammatorischen und neuropathischen Schmerzmodellen führte. Während die analgetische Wirkung von sEH-Inhibitoren bereits gut bekannt ist, wurde eine redoxabhängige Modulation der sEH-Aktivität im nozizeptiven System in bisherigen Forschungsarbeiten kaum untersucht. Bestimmte Elektrophile können die sEH inhibieren, indem sie an das redoxaktive Cystein an Position 521 der sEH binden. Forschungsarbeiten konnten in diesem Zusammenhang bereits zeigen, dass die Cys521-vermittelte Inhibition von sEH durch das Prostaglandin 15d-PGJ2 oder 9-/10-Nitrooleonsäure (NO2-OA) im kardiovaskulären System zu einer Dilatation der Koronargefäße und einer Reduktion des Blutdrucks führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob es durch eine redoxabhängige Hemmung der sEH-Funktion auch innerhalb des nozizeptiven Systems zu einer veränderten Schmerzreaktion bei Mäusen kommt. Um diese Fragestellung beantworten zu können, wurden sEH-Knockin (sEH-KI) Mäuse verwendet, deren redox-sensitives Cystein 521 durch ein Serin ersetzt wurde. Bei diesen Knockin-Mäusen können Elektrophile wie 15d-PGJ2 oder 9-/10-NO2-OA keine Enzyminhibition erzeugen. Die Charakterisierung der sEH-KI Mäuse zeigte sowohl in akuten als auch inflammatorischen Schmerzmodellen (Formalin Test und Zymosan-Pfotenentzündungsmodell) keinen Zusammenhang der Redoxmodifikation mit dem Schmerzverhalten der Mäuse. Auch in neuropathischen und viszeralen Schmerzmodellen (SNI-Modell und Modell der Zymosan-induzierten Peritonitis) konnte kein verändertes Schmerzverhalten der sEH-KI-Mäuse im Vergleich zu Kontrolltieren beobachtet werden. Darüber hinaus war das nozizpetive Verhalten nach Applikation von 15d-PGJ2 bei sEH-KI und WT Mäusen vergleichbar. Die redoxabhängige Modulation der sEH an Cystein 521 scheint demnach, im Gegensatz zum kardiovaskulären System, im nozizeptiven System keine Rolle zu spielen.
Die Kommunikation von Zellen mit ihrer Umgebung wird durch Rezeptorproteine arrangiert, die sich in der Plasmamembran befinden. Membranrezeptoren werden durch die Bindung von extrazellulären Liganden, Pathogenen oder Zell-Zell-Interaktionen aktiviert, wodurch die Bildung eines aktiven Zustands gefördert wird, der eine intrazelluläre Reaktion einleitet. Eine Beschreibung auf molekularer Ebene, wie sich Membranrezeptoren in Proteinanordnungen organisieren und wie diese Proteinanordnungen eine spezifische funktionelle Aufgabe ausführen, ist der Ausgangspunkt für das Verständnis der molekularen Mechanismen, die Gesundheit und Krankheit zugrunde liegen.
Die Fluoreszenzmikroskopie gibt Aufschluss über die Lage von Proteinen in Zellen, und mit der Einführung der höchstauflösenden Mikroskopie wurde der Nachweis einzelner Proteingruppierungen möglich. Eine Einschränkung der meisten Methoden der höchstauflösenden Mikroskopie ist, dass einzelne Komponenten einer Proteingruppierung optisch nicht aufgelöst werden können, was an der geringen Größe und dichten Packung der Bestandteile im Vergleich zur erreichbaren räumlichen Auflösung liegt. Eine Lösung, die für Einzelmolekül-Lokalisierungsmethoden gezeigt wurde, besteht darin, zusätzliche experimentelle Informationen in die Analyse zu implementieren, also „die Aufl sungsgrenze der höchstauflösenden Mikroskopie zu umgehen". Bei der Einzelmolekül-Bildgebung kann diese zusätzliche Information zum Beispiel die Kinetik von mehrfachen und wiederkehrenden
Emissionsereignissen sein, die bei einzelnen Fluorophoren beobachtet werden, was als "Blinken" bezeichnet wird. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer höchstauflösenden Fluoreszenzmikroskopiemethode zur Detektion von Proteinmonomeren und -dimeren in der Plasmamembran von Zellen durch die Verwendung der kinetischen Information.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurden photoschaltbare fluoreszierende Proteine als Reporter verwendet, deren photoschaltbare Kinetik mit kinetischen Gleichungen analysiert wurden.
Synthetische, genetische und zelluläre Referenzproteine wurden konstruiert und dienten als Kalibrierungsreferenzen für monomere und dimere Proteine.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde das kinetische Modell, das zur Annäherung des Häufigkeitshistogramms von Blinkereignissen einzelner Fluorophore verwendet wird, auf Oligomere höherer Ordnung erweitert. Ein Vergleich mit einem zuvor entwickelten Modell zeigte, dass das erweiterte Modell genauere Ergebnisse für Oligomere höherer Ordnung und Mischungen verschiedener Oligomere liefert. Zusätzlich wird die Anwesenheit von unerkannten Oligomeren berücksichtigt. Die erweiterte Theorie bietet somit die Grundlage, um größere Oligomere und Mischungen unterschiedlicher Stöchiometrie mit besserer Genauigkeit zu untersuchen.
Im dritten Teil dieser Arbeit wurde eine Methode zur stöchiometrischen endogenen Markierung von Proteinen verwendet, um zwei Rezeptortyrosinkinasen, MET und EGFR, mit einem photoschaltbaren fluoreszierenden Protein zu markieren. Das Vorkommen von monomerem und dimerem MET-Rezeptor wurde auf der Plasmamembran von HEK293T- Zellen mittels quantitativer höchstauflösender Mikroskopie bestimmt. Der Diffusionskoeffizient und der Diffusionsmodus des MET-Rezeptors in lebenden HEK293T-Zellen wurden mit
Einzelpartikelverfolgung gemessen. Dieser Teil der Arbeit zeigte, dass die Kombination von CRISPR/Cas12a-gestützter endogener Markierung und Einzelmolekül-Lokalisierungsmikroskopie ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung der molekularen Organisation und Dynamik von Membranproteinen ist.
Im vierten Teil dieser Arbeit wurde die Einzelmoleküldatenanalyse durch ein Softwaretool beschleunigt, das eine automatisierte und unvoreingenommene Detektion von Einzelmolekül-Emissionsereignissen ermöglicht. Der Anteil von Monomeren und Dimeren von fluoreszierenden Reportern wurde durch die Implementierung eines neuronalen Netzwerks bestimmt (die Software wurde von Alon Saguy geschrieben; Gruppe von Prof. Yoav Shechtman, Technion, Israel). Der oligomere Zustand der monomeren und dimeren Referenzproteine CD86 und CTLA-4 wurde erfolgreich bestimmt. Die automatisierte Detektion einzelner Proteingruppierungen ermöglichte die Analyse von MET-mEos4b in einzelnen Zellen, wodurch die Heterogenität zwischen den Zellen bestimmt und das Expressionsniveau des Rezeptors mit der Dimerisierung korreliert werden konnte.
Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit Ergebnisse zu elementaren Aspekten hin zu einer molekularen Quantifizierung von Proteinzahlen mittels Einzelmolekül-
Lokalisationsmikroskopie generiert, die fluoreszierende Reporter, stöchiometrische Markierung von zellulären Proteinen und Bildanalyse umfassen. Das Potential dieser
Entwicklungen wurde anhand der Beobachtung der Liganden-induzierten Verschiebung von monomeren zu dimeren MET-Rezeptoren in einzelnen HEK293T-Zellen gezeigt.
Investigating the inhibition of anti-apoptotic BCL-2 family proteins in pediatric cancer cells
(2020)
Cancer is amongst the leading causes of death in childhood. Rhabdomyosarcoma (RMS) is the most frequently occurring soft tissue sarcoma in children and adolescents. It presumably arises from mesenchymal progenitors of skeletal muscle cells and presents with different subtypes that differ both histologically and genetically. Osteosarcoma (OS) and Ewing sarcoma (ES) are the most frequently diagnosed pediatric bone tumors. Even though the prognosis of these cancer entities improved significantly during recent decades, the survival rates are currently stagnating. Especially, dismal prognosis of relapsed and metastasizing cases of these malignancies urgently call for novel treatment options. BCL-2 proteins are vital guardians that control intrinsic apoptosis. Furthermore, it was shown that BCL-2 proteins critically regulate apoptosis in pediatric solid tumors. BH3 mimetics are small molecules that bind and inhibit anti-apoptotic BCL-2 proteins. They have already been investigated as cancer therapeutics for several years and show first encouraging clinical results. Therefore, we hypothesized that targeting BCL-2, MCL-1 and BCL-XL might be a promising approach to treat RMS, OS and ES.
In this study, we aimed to comprehensively evaluate the potential of anti-apoptotic BCL-2 family proteins as therapeutic targets for pediatric solid tumors such as RMS, OS and ES.
Notably, RMS, OS and ES cells largely expressed the most relevant BCL-2 family protein members. However, cells were widely insensitive to single pharmacological inhibition of either BCL-XL, BCL-2 or MCL-1 by A-1331852, ABT-199 and S63845, respectively. This finding was independent of their BCL-2 family protein expression levels. Significantly, co-administration of A-1331852 and S63845 induced cell death in RMS, OS and ES cell lines in a highly synergistic manner. Transient silencing of MCL-1 and/or BCL-XL verified the co-dependency of RMS cells on these proteins for survival. Importantly, A-1331852/S63845 co-treatment was more efficient in causing cell death in RMS, OS and ES cells than either inhibitor combined with ABT-199. Efficacy of A-1331852/S63845 co-treatment could be additionally demonstrated in a primary sample of pediatric malignant epithelioid mesothelioma.
Mechanistically, concomitant A-1331852/S63845 treatment mediated rapid intrinsic apoptosis involving swift loss of the mitochondrial outer membrane potential as well as activation of caspases-3, -8 and -9. An observed caspase dependent loss of MCL-1 might further amplify the A-1331852/S63845 triggered pro-death signaling. Furthermore, we identified BAX and BAK as key mediators of apoptosis caused by dual inhibition of MCL-1 and BCL-XL. A-1331852/S63845 induced cell death was relying on BAX and/or BAK in a cell line dependent manner. Interestingly, treatment with A-1331852 and S63845 liberated BAK from its interaction with MCL-1 and BCL-XL. Moreover, BAX and BAK were activated and interacted with each other to form a pore in the outer mitochondrial membrane. Further, in RD cells BIM and NOXA partially contributed to A-1331852/S63845 mediated cell death. Consistently, in this cell line BIM and NOXA were disrupted from their binding to BCL-XL and MCL-1 by A-1331852 and S63845, respectively. However, BH3 only proteins were not involved in A-1331852/S63845 induced cell death in Kym-1 cells. Therefore, we concluded that BH3 only proteins played only a marginal and cell line dependent role in mediating cell death caused by MCL-1 and BCL-XL co-repression.
Notably, A-1331852/S63845 co-treatment spared non-malignant fibroblasts, myoblasts and peripheral blood mononuclear cells, which suggests a therapeutic window for its application in vivo. Besides, we could demonstrate that sequential BH3 mimetic treatment still significantly induced cell death, albeit to minor extents compared to its dual administration. Importantly, we successfully evaluated concomitant treatment with A-1331852 and S63845 in multicellular RMS spheroids and in an in vivo embryonic chicken model of RMS. These findings stress the high transcriptional relevance of A-1331852/S63845 as an emerging novel cancer regimen.
Collectively, the thesis at hand explored the great potential of co-treatment with A-1331852 and S63845 in pediatric solid tumors and unveiled the underlying molecular mechanisms of cell death in RMS. Together, the current investigations support further preclinical and clinical studies to evaluate the effect of dual MCL-1 and BCL-XL targeting in pediatric solid tumors.
A plethora of data has highlighted the role of epigenetics in the development of cancer. Initiation and progression of different cancer types are associated with a variety of changes of epigenetic mechanisms, including aberrant DNA methylation, histone modifications, and miRNA expression. At the same time, advances in the available epigenetic tools allow to investigate and reverse these epigenetic changes and form the basis for the development of anticancer drugs in human oncology. Although human and canine cancer shares several common features, only recently that studies emerged investigating the epigenetic landscape in canine cancer and applying epigenetic modulators to canine cancer. This review focuses on the existing studies involving epigenetic changes in different types of canine cancer and the use of small-molecule inhibitors in canine cancer cells.
Metabolites such as lactate and free fatty acids (FFAs) abundantly occur in high concentrations in tumor and stromal cells of solid malignancies. Their known functions comprise the allocation of nutrients and intermediates for the generation of cell components, the evasion of immune destruction, the induction of vessel formation and the stimulation of cell migration in order to promote tumor growth, progression and metastasis. However, the role of metabolites as signaling molecules and the downstream mechanisms of metabolite receptor mediated signaling in tumor and stromal cells is poorly understood. Our study confirms the expression of Hydroxycarboxylic acid receptor 1 (HCA1) in solid human breast tumors and the expression of Free fatty acid receptor 4 (FFA4) in solid human colorectal tumors. In addition, the expression of HCA1 in human breast cancer cell lines as well as the expression of FFA4 in human colorectal cancer cell lines was proved. Moreover, our research reveals the expression HCA2, FFA2 and FFA4 in tumor associated macrophages (TAMs).
To test whether the loss of any of the metabolite receptors affects tumor growth and progression we utilized a syngeneic Lewis lung cancer (LLC1) tumor model, an azoxymethane (AOM) – dextran sulfate (DSS) colorectal cancer model and a Mouse mammary tumor virus Polyoma Virus middle T antigen (MMTV-PyMT) breast cancer model. The loss of HCA2 did not lead to a changed outcome compared to wild type littermates in any of the models. Likewise, the deletion of FFA4 had no influence on the LLC1 model and, surprisingly, tumor number and area in the AOM-DSS model also remained unaltered. The impact of HCA1 deficiency was investigated utilizing the MMTV-PyMT model and revealed a moderately improved tumor growth. The absence of FFA2 did not affect tumor growth in the LLC1 model but led to an increased number of colorectal tumors in the AOM-DSS model while the tumor area remained unchanged. The most compelling results were obtained upon the deletion of FFA2 in the MMTV-PyMT model. Here, we demonstrate that the loss of FFA2 significantly reduces tumor latency and also significantly improves tumor growth. Nevertheless, the formation of metastases in the LLC1 model and the MMTV-PyMT model did not show any changes upon the loss of any of the metabolite receptors.
Together, our results describe a tumor-protective effect of FFA2 with an unclear impact on metastatic processes. Considerations about putative mechanisms of short chain fatty acid (SCFA) mediated FFA2 signaling suggest potential targets for pharmacological interventions to treat mammary tumors.
Alzheimer’s disease (AD) is the most prevalent neurodegenerative disease causing dementia and poses significant health risks to middle-aged and elderly people. Brain magnetic resonance imaging (MRI) is the most widely used diagnostic method for AD. However, it is challenging to collect sufficient brain imaging data with high-quality annotations. Weakly supervised learning (WSL) is a machine learning technique aimed at learning effective feature representation from limited or low-quality annotations. In this paper, we propose a WSL-based deep learning (DL) framework (ADGNET) consisting of a backbone network with an attention mechanism and a task network for simultaneous image classification and image reconstruction to identify and classify AD using limited annotations. The ADGNET achieves excellent performance based on six evaluation metrics (Kappa, sensitivity, specificity, precision, accuracy, F1-score) on two brain MRI datasets (2D MRI and 3D MRI data) using fine-tuning with only 20% of the labels from both datasets. The ADGNET has an F1-score of 99.61% and sensitivity is 99.69%, outperforming two state-of-the-art models (ResNext WSL and SimCLR). The proposed method represents a potential WSL-based computer-aided diagnosis method for AD in clinical practice.
Most fungal fatty acid synthases assemble from two multidomain subunits, α and β, into a heterododecameric FAS complex. It has been recently shown that the complex assembly occurs in a cotranslational manner and is initiated by an interaction between the termini of α and β subunits. This initial engagement of subunits may be the rate-limiting phase of the assembly and subject to cellular regulation. Therefore, we hypothesized that bypassing this step by genetically fusing the subunits could be beneficial for biotechnological production of fatty acids. To test the concept, we expressed fused FAS subunits engineered for production of octanoic acid in Saccharomyces cerevisiae. Collectively, our data indicate that FAS activity is a limiting factor of fatty acid production and that FAS fusion proteins show a superior performance compared to their split counterparts. This strategy is likely a generalizable approach to optimize the production of fatty acids and derived compounds in microbial chassis organisms.
Genetic code expansion facilitates position-selective modification of nucleic acids and proteins
(2020)
Transcription and translation obey to the genetic code of four nucleobases and 21 amino acids evolved over billions of years. Both these processes have been engineered to facilitate the use of non-natural building blocks in both nucleic acids and proteins, enabling researchers with a decent toolbox for structural and functional analyses. Here, we review the most common approaches for how labeling of both nucleic acids as well as proteins in a site-selective fashion with either modifiable building blocks or spectroscopic probes can be facilitated by genetic code expansion. We emphasize methodological approaches and how these can be adapted for specific modifications, both during as well as after biomolecule synthesis. These modifications can facilitate, for example, a number of different spectroscopic analysis techniques and can under specific circumstances even be used in combination.
Molecular analysis of the ribosome recycling factor ABCE1 bound to the 30S post-splitting complex
(2020)
Ribosome recycling by the twin-ATPase ABCE1 is a key regulatory process in mRNA translation and surveillance and in ribosome-associated protein quality control in Eukarya and Archaea. Here, we captured the archaeal 30S ribosome post-splitting complex at 2.8 Å resolution by cryo-electron microscopy. The structure reveals the dynamic behavior of structural motifs unique to ABCE1, which ultimately leads to ribosome splitting. More specifically, we provide molecular details on how conformational rearrangements of the iron–sulfur cluster domain and hinge regions of ABCE1 are linked to closure of its nucleotide-binding sites. The combination of mutational and functional analyses uncovers an intricate allosteric network between the ribosome, regulatory domains of ABCE1, and its two structurally and functionally asymmetric ATP-binding sites. Based on these data, we propose a refined model of how signals from the ribosome are integrated into the ATPase cycle of ABCE1 to orchestrate ribosome recycling.
Unc-51-like kinase 4 (ULK4) is a pseudokinase that has been linked to the development of several diseases. Even though sequence motifs required for ATP binding in kinases are lacking, ULK4 still tightly binds ATP and the presence of the co-factor is required for structural stability of ULK4. Here, we present a high-resolution structure of a ULK4-ATPγS complex revealing a highly unusual ATP binding mode in which the lack of the canonical VAIK motif lysine is compensated by K39, located N-terminal to αC. Evolutionary analysis suggests that degradation of active site motifs in metazoan ULK4 has co-occurred with an ULK4-specific activation loop, which stabilizes the C helix. In addition, cellular interaction studies using BioID and biochemical validation data revealed high confidence interactors of the pseudokinase and armadillo repeat domains. Many of the identified ULK4 interaction partners were centrosomal and tubulin-associated proteins and several active kinases suggesting interesting regulatory roles for ULK4.
Fragment-based screening has evolved as a remarkable approach within the drug discovery process both in the industry and academia. Fragment screening has become a more structure-based approach to inhibitor development, but also towards development of pathway-specific clinical probes. However, it is often witnessed that the availability, immediate and long-term, of a high quality fragment-screening library is still beyond the reach of most academic laboratories. Within iNEXT (Infrastructure for NMR, EM and X-rays for Translational research), a EU-funded Horizon 2020 program, a collection of 782 fragments were assembled utilizing the concept of “poised fragments” with the aim to facilitate downstream synthesis of ligands with high affinity by fragment ligation. Herein, we describe the analytical procedure to assess the quality of this purchased and assembled fragment library by NMR spectroscopy. This quality assessment requires buffer solubility screening, comparison with LC/MS quality control and is supported by state-of-the-art software for high throughput data acquisition and on-the-fly data analysis. Results from the analysis of the library are presented as a prototype of fragment progression through the quality control process.
At the beginning of the 1980s, an increased frequency of immune deficiency was discovered in a population of homosexual men, which is nowadays known as the Acquired Immune Deficiency Syndrome (AIDS). A few years later, the retro virus Human Immunodeficiency Virus 1(HIV-1) has been discovered as the cause of AIDS. Since the beginning of the pandemic, more that 74 million people have become infected and more than 32 million people died. In 2018, it was estimated that 38 million people where living with HIV-1 of which 24.5 million had access to Highly Active Antiretroviral Therapy (HAART), which blocks viral replication and prevents the progression towards AIDS. In the most cases an HIV-1 infection leads to the patient’s death within a few years Without HAART.
Taken together, this thesis shows that hematopoietic stem and progenitor cells harbor the prerequisites and characteristics to form an HIV-1 reservoir in vivo. The subsets of HSCs, MPPs and CD34+CD38+ progenitors harbor CD4 & CXCR4 double-positive cells as well as a lower amount of CD4 & CCR5 doublepositive cells. In addition, the susceptibility to X4-tropic HIV-1 is shown in vitro. Susceptibility to R5-tropic HIV-1 is only seen to a very low amount for CD34+CD38+ progenitors. The results also show that transduced HSPCs are capable to pass on integrated viral genomes via proliferation and differentiation during in vitro colony formation. More over the experiments provide evidence that this can take place for long time span as the outcome of the replating assays shows. Ex vivo analysis of HSPCs isolated from PLHIV also suggests that these cells are susceptible to HIV-1. Proviral DNA detection using a nested PCR showed infection of Lin- cells of a single donor with an R5-tropic subtype B HIV-1 clone. However, the assay could not detect infection of CD34+ cells. The
received results of this thesis are in agreement with previously published results. Albeit the obvious susceptibility to HIV-1 and existing reports of viral survival within HSPCs for several years, the low frequency of detected in vivo infected HSPCs could be related to the cytopathic effects of HIV-1 during replication resulting in cell death of potentially infected CD34+ cells. Other reasons could be associated with assay sensitivity or the small number of available patient samples. This makes hematopoietic stem and progenitor cells a target, which can be infected by HIV-1. The role and the clinical relevance of hematopoietic stem and progenitor cells in contribution to the latent viral HIV-1 reservoir within an HIV-1 infected patient needs to be further analyzed.
In optogenetischen Anwendungen, welche die Manipulation von zellulären Aktivitäten durch Licht ermöglichen, werden die Eigenschaften von mikrobiellen Rhodopsinen, einer Familie natürlich vorkommender lichtgesteuerter Proteine, ausgenutzt.
In der vorliegenden Arbeit wurden die einwärts transportierende Protonenpumpe NsXeR, sowie die auswärts Natriumionenpumpe KR2 untersucht. Des Weiteren wurden Tandem Proteine betrachtet, die mikrobielle Rhodopsine kombinieren mit dem Chemokinrezeptor CXCR4, der durch SDF1 aktiviert und anschließend in Endosomen internalisiert wird.
Für die Untersuchung des Mechanismus, der die Vektorialität in NsXeR bestimmt, wurde eine umfassende elektrophysiologische Studie durchgeführt. In Patch Clamp Messungen an NsXeR exprimierenden NG108-15 Zellen wurden bei kontinuierlicher 561 nm Beleuchtung aktive Einwärtsströme entgegen eines elektrochemischen Gradienten gemessen. Ein Einfluss des intrazellulären pHs auf die steady-state Ströme und deren Abfallkinetik konnte nicht festgestellt werden. Der Vergleich der exponentiellen Abfallrate k2 mit den Übergängen im NsXeR Photozyklus, lässt den Schluss zu, dass der ratenlimitierende Schritt der MII Zerfall ist.
Die elektrogenen Schritte im NsXeR Photozyklus wurden mit elektrischen Messungen an der black lipid membrane (BLM) an NsXeR Proteoliposomen bestimmt. Die Belichtung mit 20 ns Lichtpulsen bei 556 nm rufen Spannungssignale hervor, die exponentiell gefittet wurden, wobei drei elektrogene Schritte identifiziert werden konnten. Bei pH 7.4 betrugen die ermittelten Zeitkonstanten etwa 220 µs, 1 ms und 15 ms, denen 42%, 10% und 48% an der Gesamtladungsverschiebung zugeordnet wurden. Die elektrogenen Schritte konnten den Übergängen im Photozyklus zugeordnet werden, wobei der erste Schritt mit t1 dem MI Aufbau (Deprotonierung Schiff’sche Base, Protonenabgabe zur intrazellulären Seite) zugeschrieben wurde. t2 wurde dem MI→MII Übergang (Switch, Zugänglichkeitsänderung vom Intra- zum Extrazellulären) zugeordnet und t3 korreliert mit dem MII Zerfall (Reprotonierung Schiff’sche Base, Protonenaufnahme von der extrazellulären Seite).
Die Kinetik und der Ladungstransportanteil des zweiten elektrogenen Schritts haben keine starke pH Abhängigkeit, was sich dadurch erklären lässt, dass t2 durch eine Konformationsänderung bestimmt wird. t1 und t3 werden bei höheren pH Werten beschleunigt, was sich bei t1 mit einer erleichterten intrazellulären Protonenabgabe erklären lässt. Für t3 wurde eine Reprotonierung durch eine Donor Gruppe Asp76 vorgeschlagen. Die pH-sensitive Änderung der relativen Ladungstransferanteile des ersten und dritten elektrogenen Schrittes (∆ΨI und ∆ΨIII) wurden durch eine mögliche Verzögerung der frühen Protonenabgabe bei niedrigen pH Werten erklärt.
Der mutmaßliche Protonenakzeptor Asp220 wurde gegen Asn und Glu ausgetauscht und in Patch Clamp sowie UV-Vis Spektroskopie Messungen untersucht. Für D220N wurden keine Pumpströme und kein Einfluss auf die maximale Absorptionswellenlänge λmax festgestellt. D220E dagegen führte zu einer Erniedrigung des pKa-Werts der Schiff’schen Base und zu einer Verminderung der Iss-Abfallsrate k2 in Patch Clamp Dauerbelichtungsmessungen (D220E k2 = 27.1 ± 1.8 Hz, Wildtyp k2 = 83.1 ± 2.6 Hz). Daraus konnte geschlossen werden, dass Asp220 wesentlich für den Protonentransport ist und nicht als Gegenion für die protonierte Schiff’sche Base dient.
In Patch Clamp Experimenten bei 561 nm Dauerbelichtung und zusätzlicher gepulster Belichtung bei 355 nm wurde der Blaulichteffekt an NsXeR untersucht, bei dem Proteine im M Intermediat ein Photon absorbieren und unter Reprotonierung der Schiff’schen Base in den Grundzustand zurückkehren.
Für NsXeR konnte eine Potentialabhängigkeit für die Richtung der transienten Ströme, die durch die
355 nm Belichtung hervorgerufen wurden, festgestellt werden. Beim NsXeR Blaulichteffekt scheint eine
Reprotonierung der Schiff’schen Base von beiden Seiten möglich zu sein, was auf die unterschiedlichen Zugänglichkeiten in den beiden M Zuständen MI und MII zurückgeführt wurde. Es wurde ein Modell vorgeschlagen, welches auf einem potentialabhängigen Gleichgewicht zwischen MI und MII basiert.
In Patch Clamp Messungen an KR2 exprimierenden NG108-15 Zellen wurden die Pumpströme untersucht, die durch den auswärts Transport von Na+ und H+ hervorgerufen wurden. Die Na+-Konzentrationen der intra- und extrazellulären Lösungen wurden symmetrisch variiert und die steady-state Ströme Iss bei 532 nm Dauerbelichtung betrachtet. Mit steigender Na+-Konzentration zeigte sich ein Übergang von einer linearen Potentialabhängigkeit der Iss, zu einem sättigungsähnlichen Verhalten bis hin zu einer fast glockenförmigen Form. Da die exponentielle Abfallrate der steady-state Ströme k2 in ihrer Potentialabhängigkeit mit den Iss korrelierte, konnte geschlossen werden, dass die Ströme überwiegend kinetisch limitiert sind. Die Erhöhung der Rate k2 mit steigender Na+-Konzentration zwischen -120 mV und -60 mV deutet darauf hin, dass die Na+-Aufnahme von der intrazellulären Seite bei diesen Bedingungen die Limitierung für die Pumpe darstellt.
Unter Na+-“freien” Bedingungen wurde der Einfluss des intrazellulären pHs untersucht. Für die Rate k2 wurde eine Erhöhung bei niedrigen pH Werten festgestellt und die Potentiale E0 (Iss = 0 pA) verschoben bei niedrigem intrazellulärem pH zu hyperpolarisierenden Potentialen. Daraus lässt sich schließen, dass die steady-state Ströme durch den Transport von Protonen hervorgerufen wurden.
In Messungen mit gepulster 530 nm Belichtung wurden die transienten Pumpströme gemessen und durch exponentielles Fitten des Stromabfalls drei elektrogene Schritte identifiziert. Eine Abhängigkeit vom Potential und der Na+-Konzentration konnte nur für den dritten Schritt mit der Rate 1/τ3 festgestellt werden, wobei 1/τ3 mit der Na+-Konzentration und bei positiveren Potentialen steigt. Unter Na+-“freien” Bedingungen steigt 1/τ3 auch mit niedrigeren intrazellulären pH Werten. Die elektrogenen Schritte wurden dem KR2 Photozyklus zugeordnet, wobei ein Modell angewendet wurde, das einen M1→M2 Übergang einführt. Diesem wurde der zweite elektrogene Schritt zugeordnet. Die relativen Ladungstransportanteile Q2 und Q3 des zweiten und dritten elektrogenen Schrittes sind sowohl potential- als auch Na+-abhängig. Um dieses Verhalten zu erklären, wurde ein Modell vorgeschlagen, bei dem ein Ausgleichsladungstransfer in Form von einer Protonenabgabe und -wiederaufnahme während des Photozyklus eingeführt wurde.
In Patch Clamp Messungen wurde die erhaltene Funktionalität der ChR2 Mutante ChR2(L132C) mit erhöhter Ca2+-Permeabilität im Tandem Protein tCXCR4/CatCh nachgewiesen. Auch die Internalisierung von tCXCR4/CatCh konnte anhand der zeitabhängigen Abnahme des CatCh-Signals nach der CXCR4-Aktivierung durch SDF1 in Strommessungen beobachtet werden. Für tCXCR4/Arch, ein Tandem Protein mit einer Protonenpumpe, wurde die SDF1-induzierte Internalisierung mit Hilfe der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie betrachtet und eine Kolokalisierung der Fluoreszenz des im Tandem exprimierten YFP und der eines gelabelten CXCR4-spezifischen Antikörpers in intrazellulären Vesikeln beobachtet. Bei Behandlung mit dem CXCR4 Antagonisten AMD3100 wurde die Kolokalisierung hauptsächlich in der Zellmembran festgestellt, da die Internalisierung blockiert war. Die Tandem Protein könnten als in intrazellulären Organellen wirkende optogenetische Werkzeuge eingesetzt werden für z.B. die Manipulation der intrazellulären Ca2+-Konzentration.
Zoos attract millions of visitors every year, many of whom are schoolchildren. For this reason, zoos are important institutions for the environmental education of future generations. Empirical studies on the educational impact of environmental education programs in zoos are still rare. To address this issue, we conducted two studies: In study 1, we investigated students’ interests in different biological topics, including zoos (n = 1,587). Data analysis of individual topics revealed large differences of interest, with advanced students showing less interest in zoos. In study 2, we invited school classes of this age group to visit different guided tours at the zoo and tested connection to nature before and after each educational intervention (n = 608). The results showed that the guided tours are an effective tool to raise students’ connection to nature. Add-on components have the potential to further promote connection to nature. The education programs are most effective with students with a low initial nature connection.
Tissue injury and inflammation may result in chronic pain, a severe debilitating disease that is associated with great impairment of quality of life. An increasing body of evidence indicates that members of the Rab family of small GTPases contribute to pain processing; however, their specific functions remain poorly understood. Here, we found using immunofluorescence staining and in situ hybridization that the small GTPase Rab27a is highly expressed in sensory neurons and in the superficial dorsal horn of the spinal cord of mice. Rab27a mutant mice, which carry a single-nucleotide missense mutation of Rab27a leading to the expression of a nonfunctional protein, show reduced mechanical hyperalgesia and spontaneous pain behavior in inflammatory pain models, while their responses to acute noxious mechanical and thermal stimuli is not affected. Our study uncovers a previously unrecognized function of Rab27a in the processing of persistent inflammatory pain in mice.
In the past decade, tissue-resident innate lymphoid cells (ILC) have become a central field of immunological research. ILC are a family of innate immune cells comprising cytotoxic Natural Killer (NK) cells and the non-cytotoxic helper like ILC1, ILC2 and ILC3. They mirror the functions and phenotypes of T cells, but do not require rearranged antigen-specific receptors for their rapid response to signals from injured or infected tissue. As potent cytokine producers being enriched in mucosal tissue, ILC play an essential role in tissue maintenance and regulating immunity to chronic inflammation and infection (Vivier et al., 2018). Although heterogeneity and plasticity of ILC complicates their classification, the pathophysiology of a broad variety of autoimmune and chronic inflammatory diseases have been associated with dysregulations in ILC subset distribution and functions (Dzopalic et al., 2019). This highlights their importance in human health and disease and accounts for the need for markers unambiguously describing the different ILC subtypes. This work introduces NKp65, a C-type lectin-like receptor (CTLR) encoded in the natural killer gene complex by the KLRF2 gene, as an exclusive marker for human ILC3. NKp65 expression especially discerns ILC3-like NK cell precursor from mature NK cells which express the NKp65-relative NKp80. Moreover, flow cytometric analysis of NKp65 expression aids in the demarcation of natural cytotoxicity receptor (NCR) expressing ILC3, from the closely related but functionally distinct RORt+ LTi cells and NCR- ILC3. This work further provides insights into NK cell development by in vitro differentiation studies in which NKp65 expressing cells are generated in presence of OP9 feeder cells and cytokines to support development. In such cultures, NKp65 expressing in vitro ILC (ivILC) acquire NKp80 expression in a Notch-dependent manner indicating their differentiation into mature NK cells. Acquisition of NK cell phenotypic markers is accompanied by NKp65 downregulation which leads to the mutually exclusive expression of NKp80 on NK cells and NKp65 on ILC3-like cells. Further insights are provided into the functional consequences of NKp65 engagement by its cognate high affinity ligand ‘keratinocyte-associated C-type lectin’ (KACL) which is selectively expressed on human keratinocytes (Bauer et al., 2015; Spreu et al., 2010). Expressed on ivILC, NKp65 mediates killing of KACL expressing target cells, suggesting that NKp65-KACL interaction promotes cellular cytotoxicity. In this context, the observed metalloproteinase dependent shedding of NKp65 might play a role in the termination of the cellular interaction. The findings on the regulation of NKp65 expression demonstrate the presence of a functional STAT5 response element in the KLRF2 promoter endowing a transcriptional control of NKp65 expression by IL-7 signaling. This provides an interesting link between the dependency of ILC3 on IL-7 signaling for their maintenance and the specific expression of NKp65 on these cells.
In summary, this study provides new insights into the physiologic expression of the CTLR NKp65 on human ILC3. The dependency of NKp65 surface expression on sustained STAT5 signaling provided by IL-7 underlines the connection of NKp65 expression and an ILC3 phenotype which might contribute to promote future research in discerning the interspersed pathways of ILC3 and NK cell development. The tissue and cell specific expression of NKp65 on ILC3 and its ligand KACL on keratinocytes of the human skin further suggests an important role of this genetically coupled receptor-ligand pair in tissue specific immunosurveillance.
The C40A/C82A double mutant of barstar has been shown to undergo cold denaturation above the water freezing point. By rapidly applying radio-frequency power to lossy aqueous samples, refolding of barstar from its cold-denatured state can be followed by real-time NMR spectroscopy. Since temperature-induced unfolding and refolding is reversible for this double mutant, multiple cycling can be utilized to obtain 2D real-time NMR data. Barstar contains two proline residues that adopt a mix of cis and trans conformations in the low-temperature-unfolded state, which can potentially induce multiple folding pathways. The high time resolution real-time 2D-NMR measurements reported here show evidence for multiple folding pathways related to proline isomerization, and stable intermediates are populated. By application of advanced heating cycles and state-correlated spectroscopy, an alternative folding pathway circumventing the rate-limiting cis-trans isomerization could be observed. The kinetic data revealed intermediates on both, the slow and the fast folding pathway.
Phytochrome photoreceptors operate via photoisomerization of a bound bilin chromophore. Their typical architecture consists of GAF, PAS and PHY domains. Knotless phytochromes lack the PAS domain, while retaining photoconversion abilities, with some being able to photoconvert with just the GAF domain. Therefore, we investigated the ultrafast photoisomerization of the Pr state of a knotless phytochrome to reveal the effect of the PHY domain and its “tongue” region on the transduction of the light signal. We show that the PHY domain does not affect the initial conformational dynamics of the chromophore. However, it significantly accelerates the consecutively induced reorganizational dynamics of the protein, necessary for the progression of the photoisomerization. Consequently, the PHY domain keeps the bilin and its binding pocket in a more reactive conformation, which decreases the extent of protein reorganization required for the chromophore isomerization. Thereby, less energy is lost along nonproductive reaction pathways, resulting in increased efficiency.
Extracellular signal-regulated kinase 3 (ERK3), known also as mitogen-activated protein kinase 6 (MAPK6), is an atypical member of MAPK kinase family, which has been poorly studied. Little is known regarding its function in biological processes, yet this atypical kinase has been suggested to play important roles in the migration and invasiveness of certain cancers. The lack of tools, such as a selective inhibitor, hampers the study of ERK3 biology. Here, we report the crystal structure of the kinase domain of this atypical MAPK kinase, providing molecular insights into its distinct ATP binding pocket compared to the classical MAPK ERK2, explaining differences in their inhibitor binding properties. Medium-scale small molecule screening identified a number of inhibitors, several of which unexpectedly exhibited remarkably high inhibitory potencies. The crystal structure of CLK1 in complex with CAF052, one of the most potent inhibitors identified for ERK3, revealed typical type-I binding mode of the inhibitor, which by structural comparison could likely be maintained in ERK3. Together with the presented structural insights, these diverse chemical scaffolds displaying both reversible and irreversible modes of action, will serve as a starting point for the development of selective inhibitors for ERK3, which will be beneficial for elucidating the important functions of this understudied kinase.
We report here the in-cell NMR-spectroscopic observation of the binding of the cognate ligand 2′-deoxyguanosine to the aptamer domain of the bacterial 2′-deoxyguanosine-sensing riboswitch in eukaryotic cells, namely Xenopus laevis oocytes and in human HeLa cells. The riboswitch is sufficiently stable in both cell types to allow for detection of binding of the ligand to the riboswitch. Most importantly, we show that the binding mode established by in vitro characterization of this prokaryotic riboswitch is maintained in eukaryotic cellular environment. Our data also bring important methodological insights: Thus far, in-cell NMR studies on RNA in mammalian cells have been limited to investigations of short (<15 nt) RNA fragments that were extensively modified by protecting groups to limit their degradation in the intracellular space. Here, we show that the in-cell NMR setup can be adjusted for characterization of much larger (≈70 nt) functional and chemically non-modified RNA.
The bacteriophage ΦX174 causes large pore formation in Escherichia coli and related bacteria. Lysis is mediated by the small membrane-bound toxin ΦX174-E, which is composed of a transmembrane domain and a soluble domain. The toxin requires activation by the bacterial chaperone SlyD and inhibits the cell wall precursor forming enzyme MraY. Bacterial cell wall biosynthesis is an important target for antibiotics; therefore, knowledge of molecular details in the ΦX174-E lysis pathway could help to identify new mechanisms and sites of action. In this study, cell-free expression and nanoparticle technology were combined to avoid toxic effects upon ΦX174-E synthesis, resulting in the efficient production of a functional full-length toxin and engineered derivatives. Pre-assembled nanodiscs were used to study ΦX174-E function in defined lipid environments and to analyze its membrane insertion mechanisms. The conformation of the soluble domain of ΦX174-E was identified as a central trigger for membrane insertion, as well as for the oligomeric assembly of the toxin. Stable complex formation of the soluble domain with SlyD is essential to keep nascent ΦX174-E in a conformation competent for membrane insertion. Once inserted into the membrane, ΦX174-E assembles into high-order complexes via its transmembrane domain and oligomerization depends on the presence of an essential proline residue at position 21. The data presented here support a model where an initial contact of the nascent ΦX174-E transmembrane domain with the peptidyl-prolyl isomerase domain of SlyD is essential to allow a subsequent stable interaction of SlyD with the ΦX174-E soluble domain for the generation of a membrane insertion competent toxin.
The structure and flexibility of RNA depends sensitively on the microenvironment. Using pulsed electron-electron double-resonance (PELDOR)/double electron-electron resonance (DEER) spectroscopy combined with advanced labeling techniques, we show that the structure of double-stranded RNA (dsRNA) changes upon internalization into Xenopus lævis oocytes. Compared to dilute solution, the dsRNA A-helix is more compact in cells. We recapitulate this compaction in a densely crowded protein solution. Atomic-resolution molecular dynamics simulations of dsRNA semi-quantitatively capture the compaction, and identify non-specific electrostatic interactions between proteins and dsRNA as a possible driver of this effect.
The genome of the halophilic archaeon Haloferax volcanii encodes more than 40 one-domain zinc finger µ-proteins. Only one of these, HVO_2753, contains four C(P)XCG motifs, suggesting the presence of two zinc binding pockets (ZBPs). Homologs of HVO_2753 are widespread in many euryarchaeota. An in frame deletion mutant of HVO_2753 grew indistinguishably from the wild-type in several media, but had a severe defect in swarming and in biofilm formation. For further analyses, the protein was produced homologously as well as heterologously in Escherichia coli. HVO_2753 was stable and folded in low salt, in contrast to many other haloarchaeal proteins. Only haloarchaeal HVO_2753 homologs carry a very hydrophilic N terminus, and NMR analysis showed that this region is very flexible and not part of the core structure. Surprisingly, both NMR analysis and a fluorimetric assay revealed that HVO_2753 binds only one zinc ion, despite the presence of two ZBPs. Notably, the analysis of cysteine to alanine mutant proteins by NMR as well by in vivo complementation revealed that all four C(P)XCG motifs are essential for folding and function. The NMR solution structure of the major conformation of HVO_2753 was solved. Unexpectedly, it was revealed that ZBP1 was comprised of C(P)XCG motifs 1 and 3, and ZBP2 was comprised of C(P)XCG motifs 2 and 4. There are several indications that ZBP2 is occupied by zinc, in contrast to ZBP1. To our knowledge, this study represents the first in-depth analysis of a zinc finger µ-protein in all three domains of life.
In dieser Studie haben wir die Modulation von Arachidonsäure (AA)-Stoffwechselwegen während einer Wurminfektionen mit dem Fadenwurm Heligmosomoides polygyrus bakeri (Hpb) als angeborene regulatorische Strategie zur Modulation der Typ-2-Entzündung untersucht. Wir zeigten, dass Hpb in frühen Stadien der Infektion (Tag 7) die Produktion von regulatorischen Prostaglandinen (PGE2 und 6-keto PGF1-α, ein Abbauprodukt von PGI2) und COX-Metaboliten (12-HHT und TXB2) fördert, jedoch die Sekretion von entzündungsfördernden Mediatoren PGD2 und LTs (LTB4, cysLTs) unterdrückt. Die Hpb-gesteuerte Regulierung des AA-Stoffwechsels könnte eine Strategie zur Immunsuppression/ Immunevasion dieses Parasiten darstellen, die darauf abzielt, die vom Wirt ausgelösten Immunantworten des Typs-2 zu unterbinden und sowohl die Infiltration und Rekrutierung von Granulozyten als auch die Schleimproduktion zu begrenzen und auf diese Weise das Abtöten bzw. Ausscheiden der Larven zu verhindern.
Als Schwerpunkt der Arbeit, konnten wir ebenso zeigen, dass ein Larvenextrakt aus Heligmosomoides polygyrus bakeri (HpbE) den AA Stoffwechsel in myeloiden Zellen wie Makrophagen und Granulozyten moduliert, indem die Synthese von 5-LOX in Richtung COX-Metaboliten verschoben wird. Die Behandlung von murinen und humanen Makrophagen mit HpbE induzierte die Synthese von regulatorischen Prostaglandinen (PGE2) und Prostaglandinen, die an der Wundheilung und Blutgerinnung beteiligt sind (12-HHT, TXB2), wohingegen die Produktion von entzündungsfördernden Lipidmediatoren (LTs, PGD2) unterdrückt wurde. Weiter induzierte HpbE in humanen und murinen Makrophagen die Synthese der Typ-2 hemmenden Mediatoren IL-10 und IL-1β und modulierte die Produktion von Zytokinen, die an der Regulierung von M2-Polarisierung und der Typ-2-Entzündung (IL-12, IL-28, IL-27 und TNF-α) in humanen Makrophagen beteiligt sind. Ähnlich zu der HpbE-vermittelten Eicosanoid-Umprogrammierung in Makrophagen, veränderte HpbE den AA-Stoffwechsel humaner Granulozyten und zeigt eine Verschiebung von LOX- in Richtung COX-Metabolismus. Außerdem kann HpbE direkt auf humane Granulozyten wirken und die Chemotaxis von Granulozyten effizienter hemmen als zur Asthmabehandlung verwendete Standardarzneimittel, indem es die Expression von LT synthetisierenden Enzymen (LTA4H und LTC4S) verringert und die Expression von chemotaktischen Rezeptoren (CCR3 und CRTH2) herunterreguliert.
Darüber hinaus, konnten wir die Mechanismen identifizieren, die der HpbE-gesteuerten Eicosanoid-Umprogrammierung in Makrophagen zugrunde liegen. Hpb Produkte induzierten die Aktivierung von p38 MAPK, welche COX und die Transkriptionsfaktoren HIF-1α und NFκβ aktiviert und die Produktion von Prostaglandinen (PGE2 and TXB2) sowie der Typ-2 unterdrückenden Zytokine IL-10 and IL-1β fördert. Der der Induktion des COX-Signalwegs zugrunde liegende Upstream-Mechanismus umfasste mehrere PPRs (TLR2, Dectin-1/2). Diese Rezeptoren waren allerdings nicht an der HpbE-gesteuerten Induktion von IL-10 beteiligt. Die Mechanismen der Modulation des 5-LOX-Signalweges muss noch in zukünftigen Studien weiter erforscht werden.
Das therapeutische Potential von HpbE oder HpbE-behandelten Makrophagen wurde in einem Maus Model mit HDM-induzierter allergischer Atemwegsentzündung in vivo gezeigt. Eine intranasale Behandlung mit HpbE vor HDM-Sensibilisierung und -Provokation führte zu einer Umprogrammierung des AA-Stoffwechsels und verhinderte die Allergie-induzierte Eosinophilie, Zellinfiltration, Atemwegsentzündung und Schleimproduktion. Die Modulation der Typ-2-Entzündung durch HpbE wurde vor allem durch COX-2-Metabolite vermittelt, die von HpbE-stimulierten Makrophagen freigesetzt wurden. Dies zeigte sich insbesondere darin, dass der Transfer von HpbE-stimulierten Wildtyp- aber nicht COX-2-defizienten Makrophagen vor Provokation die Granulozyten Rekrutierung und Typ-2-Entzündung während der HDM-induzierten Allergie in vivo abschwächte.
Mittels eines Maus Models für die allergische Atemwegsentzündung in unterschiedlichen Altersstufen (Neugeboren, Jungtier und Erwachsen) zeigte dieses Forschungsprojekt, dass das Alter der Sensibilisierung eine Schlüsselrolle bei der Produktion von LTs, der Expression von LT-Synthese Enzymen sowie von Faktoren, die zu strukturellen Veränderungen in den Atemwegen führen, spielt. Hier haben wir auch festgestellt, dass der Mechanismus hinter der LT-Produktion und dem Atemwegs-Remodeling im Epithel von ausgewachsenen sensibilisierten Mäusen die Aktivierung der Faktoren sPLA2X, TGM2 und Wnt5a beinhaltet.
Des Weiteren zeigte unsere Studie, dass eine Wechselwirkung zwischen entzündetem Atemwegsepithel und Alveolar-ähnlichen Makrophagen die Synthese von LTs fördern kann. Der vorgeschlagene Mechanismus startet mit der Sekretion von Wnt5a durch das entzündete Atemwegsepithel, welches die Expression von TGM2 in Makrophagen aktiviert und die Produktion von entzündungsfördernden LTs induziert, wodurch die Rolle der Makrophagen in entzündeten Atemwegen bei Erwachsenen weiter unterstützt wird. Die Relevanz der entdeckten Kaskade konnte auch in Geweben von Patienten mit chronischer Rhinosinusitis und Nasenpolypen (CRSwNP) bestätigt werden. Hohe Konzentrationen von LT Enzymen (5-LO, LTC4S LTA4H), sPLA2-X, TGM2 und Wnt5a wurden in humanen Nasenpolyp Geweben beobachtet, und hohe Konzentrationen von CysLTs wurden in Nasenpolyp Sekreten dieser Patienten gemessen. Dies lässt vermuten, dass die Expression von Atemwegs Remodeling-Faktoren, LT-Synthese Enzymen und die LT Synthese steroidresistent sind. Daher könnte diese entzündliche Kaskade ein alternatives therapeutisches Ziel für die Behandlung von Asthma darstellen, speziell bei Patienten mit steroidresistenten Formen von Atemwegsentzündungen.
Basierend auf den möglichen therapeutischen Anwendungen von HpbE haben wir begonnen, an der Charakterisierung der im HpbE vorhandenen immunmodulatorischen Wirkstoffe zu arbeiten. Glutamatdehydrogenase (GDH) und Ferritin wurden als potenzielle immunmodulatorische Komponenten von HpbE identifiziert. Es ist jedoch weitere Arbeit erforderlich, um diese in HpbE vorhandenen Proteine rekombinant herzustellen und den Wirkungsmechanismus im Bezug auf die Typ-2-Entzündung weiter aufzuklären.
Over the last decade, cryo-EM has developed exponentially due to improvements in both hardware (“machine”-based) and software (“algorithm”-based). These improvements have pushed the best achievable resolutions closer to atomic level, bridging “gaps” not covered by other biophysical techniques, and allowing more difficult biological questions to be addressed. Thus, this PhD project was designed and constructed to apply cryo-EM to answer biological questions, while allowing simultaneous cryo-EM method development.
The biological focus of this research is pentameric ligand-gated ion channels (pLGICs), specifically the serotonin receptor type-3 receptor (5HT3R), which also belongs to the Cys-loop receptor family. 5HT3R plays an important role in fast synaptic signal transduction in response to agonist and antagonist binding. Binding to its native ligand results in opening of the channel at the transmembrane domain, allowing cations to pass through, resulting in membrane depolarization and conversion of the chemical signal into an electrical one.
This work consisted mainly of two specific aims. One was focused on conformational investigation of 5HT3R in its ligand-bound open conformation, using cryo-electron microscopy (cryo-SPA), in order to understand the gating mechanism upon ligand activation. The other one was to combine SPA with cryo-ET and STA to push the resolution limitation of conventional cryo-ET and STA workflows.
In the end, three different cryo-EM conformations of membrane-embedded 5HT3R were resolved using cryo-SPA, two structures in resting closed forms, one C5-symmetric and one C1-asymmetric, and one serotonin-bound open form. These three structures presented a number of novel features related to the transition of the receptor to its ion-conductive state. Specifically, the serotonin-bound receptor shows asymmetric opening, which was speculated to occur via an intermediate asymmetric Apo state. In addition to the cryo-SPA work, application of cryo-ET and STA to the study of 5HT3R in native vesicles is described in this thesis. Additional work on methods development, focused on combining SPA and STA techniques, along with preliminary results on tobacco mosaic virus are also detailed and discussed.
Moreover, previously unreported asymmetric arrangements of the subunits of the homopentameric 5HT3R around the pore axis were revealed. The asymmetric open state is stabilized by phospholipids inserted at the interface between subunits, at a site well-documented for the binding of allosteric pLGIC modulators. These results not only give structural support to a large body of functional data on the effects of lipids on the function of this receptor family, but also provide structural guidance for future studies in this field. Meanwhile, the SPA-STA combined methods developed during the course of this work have the potential to help resolve higher resolution tomography-based structures, which would benefit researchers seeking to do in-situ-based structural studies.
Throughout their life cells of eukaryotic organisms can be confronted with a variety of proteotoxic stresses and in order to survive, corresponding resistance mechanisms had to evolve. Proteotoxic stresses can cause misfolding of proteins and accumulation of toxic protein aggregates. Failure to remove aggregates of misfolded proteins compromises cellular function and can ultimately cause cell death and disease. To deal with this challenge, cells utilize a complex network of protein quality control pathways, including chaperones, the ubiquitin-proteasome system and the autophagy system.
Another mechanism to cope with proteotoxic stresses is the stalling of translation initiation in order to save valuable resources and prevent faulty translation. Upon stress, intrinsically disordered RNA-binding proteins such as TIA-1 or G3BP1/2 are recruited to stalled preinitiation complexes and a network of multivalent interactions between RNAs and proteins is formed. These mRNP networks can merge with each other and phase separate into membraneless liquid-like structures called stress granules (SGs). Once stress is released, SGs are quickly resolved and translation continues. Yet, chronic stress or mutations of SG-associated proteins can cause persistent SGs, which can sequester misfolded proteins and have been linked to neurodegenerative diseases such as amyotrophic lateral sclerosis or frontotemporal dementia.
In mammalian cells, three isoforms of the small ubiquitin-related modifier (SUMO), SUMO1, SUMO2 and SUMO3 are covalently attached to lysine residues of target proteins. SUMO conjugation is catalyzed via an enzymatic cascade of an heteromeric E1 activating enzyme, the E2 conjugating enzyme Ubc9 and in some cases one of a limited number of E3 SUMO ligases. SUMOylation is a dynamic modification and can be reversed by SUMO isopeptidases, the best characterized of which belong to the SENP family. Cellular stresses such as heat or oxidative stress strongly induce SUMOylation resulting in increased numbers of poly-SUMOylation (formation of SUMO2/3 chains) on nuclear proteins.
The SUMO-targeted ubiquitin ligase (STUbL) RNF4 harbors four SUMO interaction motifs in its N-terminal domain. This feature allows RNF4 to specifically bind poly-SUMOylated proteins and catalyze their proteolytic or non-proteolytic ubiquitylation.
A variety of substrate proteins have been shown to undergo SUMO-primed ubiquitylation by RNF4 in response to stress or DNA damage. RNF4-mediated ubiquitylation is often a signal for proteolytic degradation of these substrates.
In this work we aimed by identify novel RNF4 targets, in heat-stressed cells in order to gain a wider understanding of the nuclear proteotoxic stress response. Analysis by mass spectrometry revealed that a large fraction of RNF4-interacting proteins in heatstressed cells are nuclear RNA-binding proteins, many of which shuttle outside the nucleus and associate with SGs upon stress. We validated, that nuclear RNA-binding proteins, such as TDP-43 and hnRNP M are indeed heat-induced targets of SUMOprimed ubiquitylation by RNF4.
These initial results led us to further investigate the links between the SUMO/RNF4-mediated, nuclear protein quality control and the dynamics of cytosolic heat- or arsenite-induced SGs. SUMO2/3 and RNF4 are mainly nuclear proteins and we confirmed that they do not associate with SGs. Yet, we could demonstrate that depletion of SUMO2/3, the E3 SUMO ligase PML or RNF4 as well as chemical inhibition of SUMOylation strongly delayed SG clearance upon stress release, indicating that a functional STUbL pathway is essential for the timely clearance of SGs.
Next, we investigated how stress-induced poly-SUMOylation is regulated. Our data shows that SENP levels and activities are reduced in response to heat and arsenite stress, which allows the buildup of poly-SUMO chains on nuclear proteins. Limitation of poly-SUMOylation by overexpression of the SUMO chain-specific isopeptidases SENP6 and SENP7 induced SG formation. In contrast, poly-SUMO-priming by chemical depletion of SENP6 with the drug hinokiflavone drastically limited SG formation upon stress treatment. These results indicate a clear role of chain-specific SENPs in the regulation of stress-induced poly-SUMOylation and SG dynamics.
Last, we investigated whether the STUbL pathway could affect the phase separation of FUSP525 (an ALS-linked mutant of the SG-associated protein FUS) and observed that perturbations of the STUbL pathway lead to an increased phase separation of FUSP525L.
Thus, our work connects the SUMO/RNF4 protein quality control mechanism to the dynamics of SGs supporting the hypothesis that release of proteotoxic stress in the nucleus facilitates the clearance of cytosolic SGs. Thereby, we discovered a previously unknown link between the nuclear and cytosolic axis of proteotoxic stress response.
Super-resolution optical fluctuation imaging (SOFI) is a super-resolution microscopy technique that overcomes the diffraction limit by analyzing intensity fluctuations of statistically independent emitters in a time series of images. The final images are background-free and show confocality and enhanced spatial resolution (super-resolution). Fluorophore photobleaching, however, is a key limitation for recording long time series of images that will allow for the calculation of higher order SOFI results with correspondingly increased resolution. Here, we demonstrate that photobleaching can be circumvented by using fluorophore labels that reversibly and transiently bind to a target, and which are being replenished from a buffer which serves as a reservoir. Using fluorophore-labeled short DNA oligonucleotides, we labeled cellular structures with target-specific antibodies that contain complementary DNA sequences and record the fluctuation events caused by transient emitter binding. We show that this concept bypasses extensive photobleaching and facilitates two-color imaging of cellular structures with SOFI.
Cerumen was found to be a promising alternative specimen for the detection of drugs. In a pilot study, drugs of abuse were identified at a higher detection rate and a longer detection window in cerumen than in urine. In this study, cerumen from subjects was analyzed after they ingested the designer stimulant 4-fluoroamphetamine (4-FA) in a controlled manner. Methods: Twelve subjects ingested placebo and 100 mg of 4-FA. Five of them were also given 150 mg of 4-FA in 150 mL Royal Club bitter lemon drink at least after 7 days. Cerumen was sampled using cotton swabs at baseline, 1 h after the ingestion of the drug and at the end of the study day (12 h). After extraction with ethyl acetate followed by solid-phase extraction, the extracts were analyzed using liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry (LC–MS/MS). Results and discussion: In the cerumen of all 12 subjects, 4-FA was detected 12 h after its ingestion; in most subjects, cerumen was detected after 1 h of ingestion, ranging from 0.06 to 13.90 (median 1.52) ng per swab. The detection of 4-FA in cerumen sampled 7 days or more after the first dose suggested a long detection window of cerumen. Conclusions: Cerumen can be successfully used to detect a single drug ingestion even immediately after the ingestion when a sufficient amount of cerumen is used.