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Deubiquitinases (DUBs) are vital for the regulation of ubiquitin signals, and both catalytic activity of and target recruitment by DUBs need to be tightly controlled. Here, we identify asparagine hydroxylation as a novel posttranslational modification involved in the regulation of Cezanne (also known as OTU domain–containing protein 7B (OTUD7B)), a DUB that controls key cellular functions and signaling pathways. We demonstrate that Cezanne is a substrate for factor inhibiting HIF1 (FIH1)- and oxygen-dependent asparagine hydroxylation. We found that FIH1 modifies Asn35 within the uncharacterized N-terminal ubiquitin-associated (UBA)-like domain of Cezanne (UBACez), which lacks conserved UBA domain properties. We show that UBACez binds Lys11-, Lys48-, Lys63-, and Met1-linked ubiquitin chains in vitro, establishing UBACez as a functional ubiquitin-binding domain. Our findings also reveal that the interaction of UBACez with ubiquitin is mediated via a noncanonical surface and that hydroxylation of Asn35 inhibits ubiquitin binding. Recently, it has been suggested that Cezanne recruitment to specific target proteins depends on UBACez. Our results indicate that UBACez can indeed fulfill this role as regulatory domain by binding various ubiquitin chain types. They also uncover that this interaction with ubiquitin, and thus with modified substrates, can be modulated by oxygen-dependent asparagine hydroxylation, suggesting that Cezanne is regulated by oxygen levels.
Decades of work have demonstrated that mRNAs are localized and translated within neuronal dendrites and axons to provide proteins for remodeling and maintaining growth cones or synapses. It remains unknown, however, whether specific forms of plasticity differentially regulate the dynamics and translation of individual mRNA species. To address these issues, we targeted three individual synaptically-localized mRNAs, CamkIIa, Beta actin, Psd95, and used molecular beacons to track endogenous mRNA movements and reporters and Crispr-Cas9 gene editing to track their translation. We found widespread alterations in mRNA behavior during two forms of synaptic plasticity, long-term potentiation (LTP) and depression (LTD). Changes in mRNA dynamics following plasticity resulted in an enrichment of mRNA in the vicinity of dendritic spines. Both the reporters and tagging of endogenous proteins revealed the transcript-specific stimulation of protein synthesis following LTP or LTD. The plasticity-induced enrichment of mRNA near synapses could be uncoupled from its translational status. The enrichment of mRNA in the proximity of spines allows for localized signaling pathways to decode plasticity milieus and stimulate a specific translational profile, resulting in a customized remodeling of the synaptic proteome.
With the emergence of immunotherapies, the understanding of functional HLA class I antigen presentation to T cells is more relevant than ever. Current knowledge on antigen presentation is based on decades of research in a wide variety of cell types with varying antigen presentation machinery (APM) expression patterns, proteomes and HLA haplotypes. This diversity complicates the establishment of individual APM contributions to antigen generation, selection and presentation. Therefore, we generated a novel Panel of APM Knockout Cell lines (PAKC) from the same genetic origin. After CRISPR/Cas9 genome-editing of ten individual APM components in a human cell line, we derived clonal cell lines and confirmed their knockout status and phenotype. We then show how PAKC will accelerate research on the functional interplay between APM components and their role in antigen generation and presentation. This will lead to improved understanding of peptide-specific T cell responses in infection, cancer and autoimmunity.
Metabolic differences between symbiont subpopulations in the deep-sea tubeworm Riftia pachyptila
(2020)
The hydrothermal vent tube worm Riftia pachyptila lives in intimate symbiosis with intracellular sulfur-oxidizing gammaproteobacteria. Although the symbiont population consists of a single 16S rRNA phylotype, bacteria in the same host animal exhibit a remarkable degree of metabolic diversity: They simultaneously utilize two carbon fixation pathways and various energy sources and electron acceptors. Whether these multiple metabolic routes are employed in the same symbiont cells, or rather in distinct symbiont subpopulations, was unclear. As Riftia symbionts vary considerably in cell size and shape, we enriched individual symbiont cell sizes by density gradient centrifugation in order to test whether symbiont cells of different sizes show different metabolic profiles. Metaproteomic analysis and statistical evaluation using clustering and random forests, supported by microscopy and flow cytometry, strongly suggest that Riftia symbiont cells of different sizes represent metabolically dissimilar stages of a physiological differentiation process: Small symbionts actively divide and may establish cellular symbiont-host interaction, as indicated by highest abundance of the cell division key protein FtsZ and highly abundant chaperones and porins in this initial phase. Large symbionts, on the other hand, apparently do not divide, but still replicate DNA, leading to DNA endoreduplication. Highest abundance of enzymes for CO2 fixation, carbon storage and biosynthesis in large symbionts indicates that in this late differentiation stage the symbiont’s metabolism is efficiently geared towards the production of organic material. We propose that this division of labor between smaller and larger symbionts benefits the productivity of the symbiosis as a whole.
Characterization of a dual BET/HDAC inhibitor for treatment of pancreatic ductal adenocarcinoma
(2020)
Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is resistant to virtually all chemo‐ and targeted therapeutic approaches. Epigenetic regulators represent a novel class of drug targets. Among them, BET and HDAC proteins are central regulators of chromatin structure and transcription, and preclinical evidence suggests effectiveness of combined BET and HDAC inhibition in PDAC. Here, we describe that TW9, a newly generated adduct of the BET inhibitor (+)‐JQ1 and class I HDAC inhibitor CI994, is a potent dual inhibitor simultaneously targeting BET and HDAC proteins. TW9 has a similar affinity to BRD4 bromodomains as (+)‐JQ1 and shares a conserved binding mode, but is significantly more active in inhibiting HDAC1 compared to the parental HDAC inhibitor CI994. TW9 was more potent in inhibiting tumor cell proliferation compared to (+)‐JQ1, CI994 alone or combined treatment of both inhibitors. Sequential administration of gemcitabine and TW9 showed additional synergistic antitumor effects. Microarray analysis revealed that dysregulation of a FOSL1‐directed transcriptional program contributed to the antitumor effects of TW9. Our results demonstrate the potential of a dual chromatin‐targeting strategy in the treatment of PDAC and provide a rationale for further development of multitarget inhibitors.
11,12-Dihydrodibenzo[c,g]-1,2-diazocines have been established as a viable alternative to azobenzene for photoswitching, in particular, as they show an inverted switching behavior: the ground state is the Z isomer. In this paper, we present an improved method to obtain dibenzodiazocine and its derivatives from the respective 2-nitrotoluenes in two reaction steps, each proceeding in minutes. This fast access to a variety of derivatives permitted the study of substitution effects on the synthesis and on the photochemical properties. With biochemical applications in mind, methanol was chosen as a protic solvent system for the photochemical investigations. In contrast to the azobenzene system, none of the tested substitution patterns resulted in more efficient switching or in significantly prolonged half-lives, showing that the system is dominated by the ring strain.
Acinetobacter baumannii is an important nosocomial pathogen that requires thoughtful consideration in the antibiotic prescription strategy due to its multidrug resistant phenotype. Tetracycline antibiotics have recently been re-administered as part of the combination antimicrobial regimens to treat infections caused by A. baumannii. We show that the TetA(G) efflux pump of A. baumannii AYE confers resistance to a variety of tetracyclines including the clinically important antibiotics doxycycline and minocycline, but not to tigecycline. Expression of tetA(G) gene is regulated by the TetR repressor of A. baumannii AYE (AbTetR). Thermal shift binding experiments revealed that AbTetR preferentially binds tetracyclines which carry a O-5H moiety in ring B, whereas tetracyclines with a 7-dimethylamino moiety in ring D are less well-recognized by AbTetR. Confoundingly, tigecycline binds to AbTetR even though it is not transported by TetA(G) efflux pump. Structural analysis of the minocycline-bound AbTetR-Gln116Ala variant suggested that the non-conserved Arg135 interacts with the ring D of minocycline by cation-π interaction, while the invariant Arg104 engages in H-bonding with the O-11H of minocycline. Interestingly, the Arg135Ala variant exhibited a binding preference for tetracyclines with an unmodified ring D. In contrast, the Arg104Ala variant preferred to bind tetracyclines which carry a O-6H moiety in ring C except for tigecycline. We propose that Arg104 and Arg135, which are embedded at the entrance of the AbTetR binding pocket, play important roles in the recognition of tetracyclines, and act as a barrier to prevent the release of tetracycline from its binding pocket upon AbTetR activation. The binding data and crystal structures obtained in this study might provide further insight for the development of new tetracycline antibiotics to evade the specific efflux resistance mechanism deployed by A. baumannii.
Membrane-suspended nanopores in microchip arrays for stochastic transport recording and sensing
(2021)
The transport of nutrients, xenobiotics, and signaling molecules across biological membranes is essential for life. As gatekeepers of cells, membrane proteins and nanopores are key targets in pharmaceutical research and industry. Multiple techniques help in elucidating, utilizing, or mimicking the function of biological membrane-embedded nanodevices. In particular, the use of DNA origami to construct simple nanopores based on the predictable folding of nucleotides provides a promising direction for innovative sensing and sequencing approaches. Knowledge of translocation characteristics is crucial to link structural design with function. Here, we summarize recent developments and compare features of membrane-embedded nanopores with solid-state analogues. We also describe how their translocation properties are characterized by microchip systems. The recently developed silicon chips, comprising solid-state nanopores of 80 nm connecting femtoliter cavities in combination with vesicle spreading and formation of nanopore-suspended membranes, will pave the way to characterize translocation properties of nanopores and membrane proteins in high-throughput and at single-transporter resolution.
The development of super-resolution microscopy (SRM) has widened our understanding of biomolecular structure and function in biological materials. Imaging multiple targets within a single area would elucidate their spatial localization relative to the cell matrix and neighboring biomolecules, revealing multi-protein macromolecular structures and their functional co-dependencies. SRM methods are, however, limited to the number of suitable fluorophores that can be imaged during a single acquisition as well as the loss of antigens during antibody washing and restaining for organic dye multiplexing. We report the visualization of multiple protein targets within the pre- and postsynapse in 350–400 nm thick neuronal tissue sections using DNA-assisted single-molecule localization microscopy (SMLM). In a single labeling step, antibodies conjugated with short DNA oligonucleotides visualized multiple targets by sequential exchange of fluorophore-labeled complementary oligonucleotides present in the imaging buffer. This approach avoids potential effects on structural integrity when using multiple rounds of immunolabeling and eliminates chromatic aberration, because all targets are imaged using a single excitation laser wavelength. This method proved robust for multi-target imaging in semi-thin tissue sections with a lateral resolution better than 25 nm, paving the way toward structural cell biology with single-molecule SRM.
Endolysosomal effectors and their relevance for antiviral activity against the Hepatitis E virus
(2021)
Mit über 20 Millionen registrierter Fälle pro Jahr, repräsentiert das Hepatitis-E-Virus (HEV) eine Hauptursache einer viralen Hepatitis weltweit und stellt ein erhebliches Risiko insbesondere für Schwangere und Immunsupprimierte dar. Jedoch sind Behandlungsoptionen stark limitiert und mit teils schweren Nebenwirkungen verbunden. Neue Erkenntnisse des Wechselspiels zwischen Wirtszelle und HEV werden deshalb benötigt, um neue antivirale Wirkstoffe zu entwickeln. Der Fokus der Arbeit wurde hierbei auf Effektoren des endosomalen Systems gesetzt, welches von HEV zur Freisetzung von Virionen genutzt wird.
Eine virale Infektion führt in der Zelle zur Produktion von Interferonen (IFNs) und weiters zu einer IFN-Antwort. Ein essenzielles Effektormolekül, welches HEV nachweislich effizient repressiert, ist die GTPase guanylate binding protein 1 (GBP1). In dieser Studie wurde beleuchtet, dass Letztere durch eine HEV-Infektion induziert wird. Zusätzlich reduziert die ektopische Expression von GBP1 sowohl die intrazelluläre Menge des HEV Kapsidproteins als auch die Menge freigesetzter Virionen. Mechanistisch liegt diesem Sachverhalt die GBP1-induzierte Inkorporation von Virionen in Lysosomen zugrunde, was schlussendlich deren Abbau nach sich zieht. Erkenntnisse über die Rolle verschiedener GBP1 Proteindomänen innerhalb des Mechanismus wurden unter Verwendung ektopischer Expression von GBP1-Mutanten erlangt. Inkorporation der Mutation R48A führt zum Verlust der GTPase-Aktivität. Andererseits führt eine Inkorporation der Mutation S73A zum Verlust der Homodimerisierung, was die nachfolgende Farnesylierung und gekoppelte Membranassoziation reduziert. Hierbei behält GBP1-R48A Fähigkeiten zur Induktion lysosomalen Abbaus von HEV bei, GBP1-S73A jedoch nicht. Dies wiederum bedeutet, dass eine GBP1 Homodimerisierung notwendig für den antiviralen Mechanismus ist, was eine Adapterfunktion des Moleküls für lysosomale Inkorporation nahelegt. Die Relevanz von GBP1 während einer IFNγ-Antwort wurde deshalb mittels siRNA-basiertem Silencing untersucht. Ähnlich der ektopischen Expression von GBP1 induziert IFNγ die lysosomale Degradation von HEV. In Abwesenheit von GBP1 jedoch, ist dieser Effekt signifikant geringer ausgeprägt, was zu einem Effizienzverlust von IFNy in Bezug auf dessen antiviralen Effekt bedeutet. Dies führte schlussendlich zur Identifizierung von GBP1 als essenziellen Restriktionsfaktor gegen HEV, was seine Rolle in Abhängigkeit seiner Homodimerisierung via Induktion lysosomalen Abbaus erfüllt.
Nebst der Induktion von GBP1, konnte eine Akkumulation von Cholesterin in Lysosomen durch IFNy nachgewiesen werden. Da dieses Lipid einen essenziellen Faktor für endosomale Reifung, Transport und Funktionalität darstellt, wurden Cholesterinspiegel und verbundene transkriptionelle Fußabdrücke im Kontext einer HEV Infektion untersucht. Letztere führt zu einer Dysregulation Cholesterin-assoziierter Genexpression, was eine Reduktion intrazellulären Cholesterins nach sich zieht. Auch in HEV infizierten Patienten liegt eine Abnahme des Serumcholesterins vor. Unter Modulation intrazellulären Cholesterins, wurde deutlich, dass die Inhibition der Cholesterinsynthese durch Simvastatin eine verstärkte Freisetzung von Virionen nach sich zieht, was ebenso in HEV infizierten Patienten nachweisbar war. Im Gegensatz hierzu zieht eine Erhöhung intrazellulären Cholesterins via Supplementierung von Lipoproteinpartikeln niedriger Dichte (LDL) oder 25-Hydroxycholesterin eine signifikante Reduktion des viralen Kapsidproteins und freigesetzter Virionen nach sich. Dem liegt eine verstärkte Inkorporation von HEV in Lysosomen mit anschließender Degradation zugrunde. Ob dieser Mechanismus pharmakologisch nutzbar ist, wurde mittels eines Screenings Lipid modulatorischer Medikamente untersucht. Der p-Glykoprotein Inhibitor PSC833 und besonders der PPARα-Agonist Fenofibrat stellten sich als äußerst effiziente Inhibitoren des HEV heraus. Beide führen zu einer Erhöhung und Akkumulation zellulären Cholesterins in vesikulären Strukturen. Dies zieht eine dramatische Erhöhung lysosomaler Lokalisation von HEV nach sich und führt letzten Endes zu einer signifikanten Reduktion freigesetzter Virionen.
Zusammenfassend konnten in dieser Studie essenzielle Funktionen von GBP1 in Bezug auf dessen restriktiven Effekt gegen HEV identifiziert werden. Weiters wurde dieses als entscheidender Wirtsfaktor für die IFNγ-Antwort gegen das Virus identifiziert. Andererseits legt diese Studie nahe, dass HEV niedrige Cholesterinspiegel innerhalb infizierter Zellen für die Freisetzung von Virionen benötigt. Andererseits sind erhöhte intrazelluläre Cholesterinspiegel schädlich für die virale Freisetzung, da der lysosomale Abbau von Virionen induziert wird. Dies führte zur erfolgreichen Entdeckung eines neuartigen antiviralen Wirkstoffes, welcher diesen cholesterinabhängigen Effekt effizient induziert: Fenofibrat.
Trotz der Verfügbarkeit von siRNA, dem aktuellen Goldstandard zur Generierung von RNAInterferenz-vermitteltem Gen-silencing, stellen unerwünschte Immunantworten des Organismus auf doppelsträngige RNA exogenen Ursprungs noch immer ein fundamentales Problem dar, besonders mit Hinblick auf die Entwicklung Oligonukleotid-basierter Wirkstoffe.
Durch das begrenzte Repertoire an Modifikationen, welches durch die Abhängigkeit von zelleigenen Faktoren unter anderem zur Steigerung der intrazellulären Stabilität und zur Reduktion unerwünschter Effekte zur Verfügung steht, konnte bis dato nur einer überschaubaren Anzahl entsprechender Oligonukleotide eine offizielle Zulassung für die therapeutische Anwendung in der Medizin erteilt werden.
Hier bergen künstliche Ribonukleasen, welche die Umesterungsreaktion unabhängig von der zellinternen Maschinerie ebenfalls effizient und sequenzspezifisch bewerkstelligen können, großes Potential als eine Alternative. Während Metall-basierte Systeme in der Regel auf unphysiologisch hohe Konzentrationen zweiwertiger Übergangsmetallionen, wie beispielsweise Lanthanoide oder auch Kupfer, angewiesen sind, könnten metallfreie Katalysatoren dahingehend eine wesentlich flexiblere Option darstellen. Die Optimierung Guanidin-basierter RNA-Spalter für den Einsatz in der Bioanalytik und Medizin stellt seit geraumer Zeit eines der obersten Ziele unseres Arbeitskreises dar. Unter diesen bewährte sich vor allem das Tris(2-aminobenzimidazol), welches in Form von Konjugaten mit Antisense-Oligonukleotiden kurze Modellsubstrate sequenzspezifisch spaltet.
Neben der äußerst mühseligen, vielstufigen Synthese eines konjugierbaren Tris(2-aminobenzimidazol)s waren die untersuchten Systeme mit Halbwertszeiten von teilweise über 20 Stunden jedoch viel zu langsam, um auch potentiell beobachtbare Veränderung des Phänotyps in vivo induzieren zu können. Ein weiterer begrenzender Faktor stellte die Konjugationstrategie des Spalters über Aktivester-Chemie und Aminolinker dar, welche eine Kupplungsausbeute von 0 % bis im besten Fall ca. 30 % lieferte. Um eine Methode zu erhalten, welche routinemäßig zur sequenzspezifischen Spaltung einer Vielzahl verschiedener RNA-Substrate genutzt werden kann, war folglich eine praktikablere Synthesestrategie zur Darstellung der Spalterkonjugate einerseits und zudem eine Erhöhung der Katalysatoraktivität andererseits notwendig, um auch kurzlebige Ziel-RNAs wirkungsvoll ausschalten zu können. In diesem Zusammenhang wurde eine neue Syntheseroute erarbeitet, welche den für die Konjugation funktionalisierten Spalter über wenige Stufen in Mengen von über 10 g lieferte. Daran anschließend konnte die Synthese eines Phosphoramidits realisiert werden, welches in einer manuellen Kupplungsprozedur die Darstellung von 5‘-Konjugaten des Tris(2-aminobenzimidazol)s in exzellenten Ausbeuten und, im Vergleich zur vorherigen Methode, wesentlich kürzeren Kupplungszeiten ermöglichte. Die vollständige Kompatibilität des Phosphoramidits mit der automatisierten Festphasensynthese konnte im Rahmen dieser Arbeit jedoch nicht erreicht werden. Während die manuelle Prozedur Konjugationsausbeuten von über 90 % lieferte, wurden an einem handelsüblichen Oligonukleotid-Synthesizer auch nach Modifikation der Kupplungsprotokolle und bei erhöhtem Amiditverbrauch lediglich 65 %erzielt. Durch Inkorporation von LNA-Nukleotiden in zwei gegen die PIM1-mRNA gerichtete 15mer DNA-Konjugate ließ sich eine Reduktion der Halbwertszeit von Cy5-markierten 22mer Modellsubstrate auf unter 4 h erreichen, wobei dieses Resultat auch anhand eines 412mer Modellsubstrats und in Gegenwart hoher Phosphatkonzentrationen reproduziert werden konnte. Darüber hinaus wurde die besondere Rolle des closing base pairs, sowohl bezüglich der Selektivität als auch der Kinetik der Spaltung, offensichtlich. Während stärker hybridisierende GC-Basenpaare generell eine hohe Präzision gewährleisteten, trat im Falle von AT-Basenpaaren fraying auf, d. h. es konnte auch innerhalb des vermeintlichen Duplex Spaltung beobachtet werden. Genauere Studien zur Positionierung von LNA-Nukleotiden ergaben bei unmittelbarer Lokalisation am 5‘-Terminus von AT-closing base pairs zwar einen selektivitätssteigernden Effekt, überraschenderweise konnte in diesem Fall jedoch auch eine Inhibierung der Spaltungskinetik festgestellt werden. Durch Verschiebung in die vorletzte Position konnte die Aktivität des Konjugats ohne Präzisionsverlust jedoch wiederhergestellt werden. Erste Experimente zur intrazellulären Stabilität der Spalterkonjugate ergaben quantitative, stufenweise Zersetzung, sowohl des DNA- als auch der Mixmer-Konjugate nach wenigen Stunden, was die Notwendigkeit weiterer stabilitätssteigernder Modifikationen zur Vorbereitung auf in vivo-Experimente impliziert. Auf der Suche nach neuen Spaltern stellte sich vor allem das 2-Aminoimidazol als einer der aussichtsreichsten Kandidaten für genauere Untersuchungen heraus. Das korrespondierende Tris(2-aminoimidazol) konnte über eine Marckwald-Synthese in wenigen Stufen dargestellt werden. Erste Spaltexperimente ergaben vor allem in niedrigen Konzentrationen (10 μM) eine im Vergleich zum Benzimidazol-Analogon vielfach höhere Aktivität. Obwohl die Synthese eines funktionalisierten Bisimidazol-benzimidazols gelang, steht dessen Konjugation mit Oligonukleotiden und deren Aktivitätsbestimmung noch aus.
Antibiotic treatment of tuberculosis (TB) is complex, lengthy, and can be associated with various adverse effects. As a result, patient compliance often is poor, thus further enhancing the risk of selecting multi-drug resistant bacteria. Macrophage mannose receptor (MMR)-positive alveolar macrophages (AM) constitute a niche in which Mycobacterium tuberculosis replicates and survives. Therefore, we encapsulated levofloxacin in lipid nanocarriers functionalized with fucosyl residues that interact with the MMR. Indeed, such nanocarriers preferentially targeted
MMR-positive myeloid cells, and in particular, AM. Intracellularly, fucosylated lipid nanocarriers favorably delivered their payload into endosomal compartments, where mycobacteria reside. In an in vitro setting using infected human primary macrophages as well as dendritic cells, the encapsulated antibiotic cleared the pathogen more efficiently than free levofloxacin. In conclusion, our results point towards carbohydrate-functionalized nanocarriers as a promising tool for improving TB treatment by targeted delivery of antibiotics.
Studies over the past decade have revealed that metabolism profoundly influences immune responses. In particular, metabolism causes epigenetic regulation of gene expression, as a growing number of metabolic intermediates are substrates for histone post-translational modifications altering chromatin structure. One of these substrates is acetyl-coenzyme A (CoA), which donates an acetyl group for histone acetylation. Cytosolic acetyl-CoA is also a critical substrate for de novo synthesis of fatty acids and sterols necessary for rapid cellular growth. One of the main enzymes catalyzing cytosolic acetyl-CoA formation is ATP-citrate lyase (ACLY). In addition to its classical function in the provision of acetyl-CoA for de novo lipogenesis, ACLY contributes to epigenetic regulation through histone acetylation, which is increasingly appreciated. In this review we explore the current knowledge of ACLY and acetyl-CoA in mediating innate and adaptive immune responses. We focus on the role of ACLY in supporting de novo lipogenesis in immune cells as well as on its impact on epigenetic alterations. Moreover, we summarize alternative sources of acetyl-CoA and their contribution to metabolic and epigenetic regulation in cells of the immune system.
Nuclear receptors (NRs) activate transcription of target genes in response to binding of ligands to their ligand-binding domains (LBDs). Typically, in vitro assays use either gene expression or the recruitment of coactivators to the isolated LBD of the NR of interest to measure NR activation. However, this approach ignores that NRs function as homo- as well as heterodimers and that the LBD harbors the main dimerization interface. Cofactor recruitment is thereby interconnected with oligomerization status as well as ligand occupation of the partnering LBD through allosteric cross talk. Here we present a modular set of homogeneous time-resolved FRET–based assays through which we investigated the activation of PPARγ in response to ligands and the formation of heterodimers with its obligatory partner RXRα. We introduced mutations into the RXRα LBD that prevent coactivator binding but do not interfere with LBD dimerization or ligand binding. This enabled us to specifically detect PPARγ coactivator recruitment to PPARγ:RXRα heterodimers. We found that the RXRα agonist SR11237 destabilized the RXRα homodimer but promoted formation of the PPARγ:RXRα heterodimer, while being inactive on PPARγ itself. Of interest, incorporation of PPARγ into the heterodimer resulted in a substantial gain in affinity for coactivator CBP-1, even in the absence of ligands. Consequently, SR11237 indirectly promoted coactivator binding to PPARγ by shifting the oligomerization preference of RXRα toward PPARγ:RXRα heterodimer formation. These results emphasize that investigation of ligand-dependent NR activation should take NR dimerization into account. We envision these assays as the necessary assay tool kit for investigating NRs that partner with RXRα.
The authors regret that there is an error present in the units displayed in the sentence “The dissociation constant of docking domains or modules connected by docking domains was found to be KD 70–130 mM (ref. 35) and KD 1–2 mM (ref. 59), respectively.” within Section 3.1. Module–module exchanges. The corrected version of this sentence is as follows:
The dissociation constant of docking domains or modules connected by docking domains was found to be KD 70–130 μM (ref. 35) and KD 1–2 mM (ref. 59), respectively.
The Royal Society of Chemistry apologises for these errors and any consequent inconvenience to authors and readers.
The p63 gene encodes a master regulator of epidermal commitment, development, and differentiation. Heterozygous mutations in the DNA binding domain cause Ectrodactyly, Ectodermal Dysplasia, characterized by limb deformation, cleft lip/palate, and ectodermal dysplasia while mutations in in the C-terminal domain of the α-isoform cause Ankyloblepharon-Ectodermal defects-Cleft lip/palate (AEC) syndrome, a life-threatening disorder characterized by skin fragility, severe, long-lasting skin erosions, and cleft lip/palate. The molecular disease mechanisms of these syndromes have recently become elucidated and have enhanced our understanding of the role of p63 in epidermal development. Here we review the molecular cause and functional consequences of these p63-mutations for skin development and discuss the consequences of p63 mutations for female fertility.
Wir untersuchen eine neuartige Gruppe von Polarisationsmitteln – gemischtvalente Verbindungen – mittels theoretischer und experimenteller Methoden und demonstrieren ihre Leistungsfähigkeit in NMR-Experimenten mit Hochfeld-DNP (DNP=Dynamic Nuclear Polarization, dynamische Kernpolarisation) im festen Zustand. Diese gemischtvalenten Verbindungen stellen eine Gruppe von Molekülen dar, bei denen die molekulare Mobilität auch in Festkörpern erhalten bleibt. Folglich können solche Polarisationsmittel unter günstigen Bedingungen für die dynamische Kernpolarisationsbildung bei ultrahohen Magnetfeldern verwendet werden, um Overhauser-DNP-Experimente im Festkörper durchzuführen.
Synthesis, crystal structure and structure–property relations of strontium orthocarbonate, Sr2CO4
(2021)
Carbonates containing CO4 groups as building blocks have recently been discovered. A new orthocarbonate, Sr2CO4 is synthesized at 92 GPa and at a temperature of 2500 K. Its crystal structure was determined by in situ synchrotron single-crystal X-ray diffraction, selecting a grain from a polycrystalline sample. Strontium orthocarbonate crystallizes in the orthorhombic crystal system (space group Pnma) with CO4, SrO9 and SrO11 polyhedra as the main building blocks. It is isostructural to Ca2CO4. DFT calculations reproduce the experimental findings very well and have, therefore, been used to predict the equation of state, Raman and IR spectra, and to assist in the discussion of bonding in this compound.
First crystal structure of a Pigment Red 52 compound: DMSO solvate hydrate of the monosodium salt
(2021)
Pigment Red 52, Na2[C18H11ClN2O6S], is an industrially produced hydrazone-laked pigment. It serves as an intermediate in the synthesis of the corresponding Ca2+ and Mn2+ salts, which are used commercially for printing inks and lacquers. Hitherto, no crystal structure of any salt of Pigment Red 52 is known. Now, single crystals have been obtained of a dimethyl sulfoxide solvate hydrate of the monosodium salt of Pigment Red 52, namely, monosodium 2-[2-(3-carboxy-2-oxo-1,2-dihydronaphthalen-1-ylidene)hydrazin-1-yl]-5-chloro-4-methylbenzenesulfonate dimethyl sulfoxide monosolvate monohydrate, Na+·C18H12ClN2O6S−·H2O·C2H6OS, obtained from in-house synthesized Pigment Red 52. The crystal structure was determined by single-crystal X-ray diffraction at 173 K. In this monosodium salt, the SO3− group is deprotonated, whereas the COOH group is protonated. The residues form chains via ionic interactions and hydrogen bonds. The chains are arranged in polar/non-polar double layers.
Ubiquitin fold modifier 1 (UFM1) is a member of the ubiquitin-like protein family. UFM1 undergoes a cascade of enzymatic reactions including activation by UBA5 (E1), transfer to UFC1 (E2) and selective conjugation to a number of target proteins via UFL1 (E3) enzymes. Despite the importance of ufmylation in a variety of cellular processes and its role in the pathogenicity of many human diseases, the molecular mechanisms of the ufmylation cascade remains unclear. In this study we focused on the biophysical and biochemical characterization of the interaction between UBA5 and UFC1. We explored the hypothesis that the unstructured C-terminal region of UBA5 serves as a regulatory region, controlling cellular localization of the elements of the ufmylation cascade and effective interaction between them. We found that the last 20 residues in UBA5 are pivotal for binding to UFC1 and can accelerate the transfer of UFM1 to UFC1. We solved the structure of a complex of UFC1 and a peptide spanning the last 20 residues of UBA5 by NMR spectroscopy. This structure in combination with additional NMR titration and isothermal titration calorimetry experiments revealed the mechanism of interaction and confirmed the importance of the C-terminal unstructured region in UBA5 for the ufmylation cascade.
Bioactive lipid mediators play a major role in regulating inflammatory processes. Herein, early pro-inflammatory phases are characterized and regulated by prostanoids and leukotrienes, whereas specialized pro-resolving mediators (SPM), including lipoxins, resolvins, protectins, and maresins, dominate during the resolution phase. While pro-inflammatory properties of prostanoids have been studied extensively, their impact on later phases of the inflammatory process has been attributed mainly to their ability to initiate the lipid-mediator class switch towards SPM. Yet, there is accumulating evidence that prostanoids directly contribute to the resolution of inflammation and return to homeostasis. In this mini review, we summarize the current knowledge of the resolution-regulatory properties of prostanoids and discuss potential implications for anti-inflammatory, prostanoid-targeted therapeutic interventions.
Es ist bekannt, dass die Aktivierung von S1P-Rezeptoren die Expression von profibrotischen Mediatoren, wie dem Bindegewebswachstumsfaktor CTGF, induzieren und deshalb auch eine Rolle bei der Entstehung der Nierenfibrose spielen kann. In diesem Kontext konnte unsere Arbeitsgruppe zeigen, dass die Aktivierung von S1P5 zur TGF-β2-induzierten CTGF-Expression in humanen glomerulären Mesangiumzellen beiträgt (Wünsche et al. 2015). Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde deshalb die Rolle von S1P5 in einem in vivo-Modell zur Nierenfibrose untersucht. Männliche S1P5-/--Mäuse und Wildtypmäuse mit C57BL/6J-Hintergrund wurden mit einer adeninreichen Diät für jeweils 7 und 14 Tage gefüttert, um eine tubulointerstitielle Fibrose hervorzurufen. Die Nieren von unbehandelten Mäusen des jeweiligen Genotyps dienten als Kontrolle. Die Ergebnisse zeigen, dass S1P5-/--Mäuse geringere Kreatininplasmaspiegel und weniger Schäden im Nierengewebe gegenüber Wildtypen zeigten. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die mRNA-Expression von mehreren Fibrosemarkern und proinflammatorischen Zytokinen in den S1P5-/--Mäusen schwächer war als in den Wildtypen. Die Auswertung von histochemischen Färbungen und Western Blots bestätigte diese Beobachtung. Zusammengefasst kann festgehalten werden, dass S1P5 eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Adenin-induzierter Entzündung in der Niere und nachfolgender Pathogenese wie Gewebeschäden und Fibrose spielt.
Ceramide sind ein Bestandteil der Lipiddoppelschicht, in allen eukaryotischen Zellen vorhanden und zentrale Moleküle des Sphingolipidstoffwechsels. Die Synthese und der Abbau der Ceramide werden von vielen verschiedenen Enzymen reguliert. Neben ihrer Aufgabe als strukturelle Elemente der Zellmembranen wurde herausgefunden, dass Ceramide auch in verschiedenen Signalwegen involviert sind, die auch bei Nierenerkrankungen eine Rolle spielen. In Bezug auf die Kettenlänge der angehängten Fettsäure können so genannte kurz- und langkettige Ceramide Apoptose induzieren, wohingegen sehr langkettige Ceramide Zellproliferation fördern. In mehreren Studien wurden bereits Konzentrationsänderungen von kettenlängenspezifischen Ceramiden im Plasma und Serum von Patienten gemessen, die zu diesem Zeitpunkt an einer Nierenerkrankung litten. In dieser Arbeit wurde daher untersucht, ob solche Konzentrationsänderungen auch im Nierengewebe von Patienten und Mäusen mit einer Nierenfibrose, dem Kennzeichen nahezu aller chronischen Nierenerkrankungen, zu sehen sind. Zu diesem Zwecke wurden Biopsien der Nierenrinde und des Nierenmarks von fibrotischen Nieren aus Patienten, die an Hydronephrose und/oder Pyelonephritis litten, und von gesunden Gewebeproben untersucht. Letztere wurden durch Nephrektomien zur Behandlung von Nierenkarzinomen gewonnen und dienten als nichtfibrotische Kontrolle. Zum Vergleich mit fibrotischen Nieren aus Mäusen wurden männliche Mäuse der Linie C57BL/6J mit einer adeninreichen Diät für 14 Tage gefüttert. Die Konzentrationen der Sphingolipide wurden mittels Massenspektrometrie gemessen und die Level der fibrotischen Marker wurden mit Hilfe von RT-qPCR und histologischen Färbungen analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die sehr langkettigen Ceramide Cer d18:1/24:0 und Cer d18:1/24:1 sowohl in fibrotischen Nierenrindenproben der Patienten als auch in fibrotischen Nieren der Mäuse im Vergleich zu den jeweiligen Kontrollproben signifikant geringer konzentriert waren. Diese Effekte korrelieren mit der Hochregulation der Fibrosemarker COL1α1, COL3α1 und αSMA in den fibrotischen Nieren. Es konnte gezeigt werden, dass nur bestimmte Ceramide in fibrotischem Nierengewebe in ihrer Konzentration verändert sind, was interessante Fragen hinsichtlich der Ursache dieser Veränderungen, ihrer funktionellen Aufgabe und zu möglichen Effekten einer Manipulation des Ceramidstoffwechsels mit dem Ziel der Behandlung der Nierenfibrose oder der Entdeckung neuer Biomarker aufwirft. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen zudem die Eignung von in vivo-Mausmodellen als translationalen Ansatz für das Verständnis der Beteiligung von Ceramiden in menschlichen Nierenerkrankungen.
Die in vitro-Untersuchungen zu der Rolle des S1P-Transporters Spns2 haben gezeigt, dass Spns2 die Expression von CTGF nach Stimulation von Mausmesangiumzellen mit TFG-β2 verstärkt. 24 Stunden nach Stimulation war im Zellkulturüberstand von Spns2-/--mMC im Gegensatz zu Spns2+/+-mMC keine Akkumulation des pro-fibrotischen Zytokins CTGF gegenüber der unstimulierten Kontrolle detektierbar. Nach 48 Stunden Stimulation mit TFG-β2 war die Menge an CTGF im Zelllysat als auch im Zellkulturüberstand von Spns2-/--mMC genauso hoch wie in der unstimulierten Kontrolle. Im Zelllysat und im Überstand der Spns2-/--mMC war die Expression von CTGF weiterhin deutlich höher im Vergleich zu den Proben der unstimulierten Zellen. Die basale und TFG-β2-induzierte Genexpression von S1P-synthetisierenden und S1P-degradierenden Enzymen, sowie die Konzentrationen an S1P und Sphingosin in den Zellen unterschieden sich zwischen Spns2-/--mMC und Spns2+/+-mMC nicht.
As cryo-EM approaches the physical resolution limits imposed by electron optics and radiation damage, it becomes increasingly urgent to address the issues that impede high-resolution structure determination of biological specimens. One of the persistent problems has been beam-induced movement, which occurs when the specimen is irradiated with high-energy electrons. Beam-induced movement results in image blurring and loss of high-resolution information. It is particularly severe for biological samples in unsupported thin films of vitreous water. By controlled devitrification of conventionally plunge-frozen samples, the suspended film of vitrified water was converted into cubic ice, a polycrystalline, mechanically stable solid. It is shown that compared with vitrified samples, devitrification reduces beam-induced movement in the first 5 e Å−2 of an exposure by a factor of ∼4, substantially enhancing the contribution of the initial, minimally damaged frames to a structure. A 3D apoferritin map reconstructed from the first frames of 20 000 particle images of devitrified samples resolved undamaged side chains. Devitrification of frozen-hydrated specimens helps to overcome beam-induced specimen motion in single-particle cryo-EM, as a further step towards realizing the full potential of cryo-EM for high-resolution structure determination.
Die Beteiligung an Schlüsselfunktionen in zellulären Signalwegen macht Kinasen zu einem vielversprechenden Ansatzpunkt in der Wirkstoffentwicklung bei verschiedenen menschlichen Erkrankungen wie z.B. Krebs oder auch Autoimmun- und Entzündungskrankheiten. Die Prävention von post-translationalen Modifikationen durch Phosphorylierung und somit die Regulierung der nachgeschalteten Signalwege ist das Ziel von Kinaseinhibitoren. Die katalytische Aktivität von Kinasen ist abhängig von ATP, welches im hochkonservierten aktiven Zentrum bindet. Bedingt durch diese kinomweite hohe Konservierung stellt die Entwicklung von hoch selektiven ATP-mimetischen Inhibitoren eine Herausforderung dar. Typische ATP-Mimetika sind flach und die oft hydrophoben Moleküle weisen meist eine große Zahl an frei rotierbaren Bindungen auf. Um das aus dieser Flexibilität hervorgehende Problem der teils mangelnden Selektivität zu umgehen, kann eine bioaktive Konformation des Inhibitors durch Makrozyklisierung fixiert werden. Als Konsequenz dieser konformationellen Einschränkung können die entropischen Kosten während des Bindens reduziert werden und folglich zu einer gesteigerten Affinität gegenüber der Kinase führen.
Der Grundstein dieser Arbeit war der makrozyklische Pyrazolo[1,5-a]pyrimidin basierte FLT3 Kinaseinhibitor ODS2004070 (37). Im Rahmen eines kinomweiten Screenings konnten hohe Affinitäten zu verschiedensten Kinasen detektiert werden, was 37 zu einer guten Leitstruktur für das Design von potenten und selektiven Kinaseinhibitoren machte. Im Rahmen dieser Arbeit blieb das literaturbekannte Pyrazolo[1,5-a]pyrimidin basierte ATP-mimetische Bindemotiv sowie das makrozyklische Grundgerüst 37 bis auf einige wenige Variation unverändert.
Strukturelle Optimierungen zur Fokussierung der Selektivität wurden am sekundären Amin zwischen Bindemotiv und Linker als auch über die freie Carbonsäure durchgeführt. Mit einer Anzahl von mehr als 430 identifizierten Phosphorylierungsstellen ist die pleiotropisch und konstitutiv aktive Casein Kinase 2 (CK2) an verschiedensten zellulären Prozessen wie dem Verlauf des Zellzyklus, der Apoptose oder der Transkription regulatorisch beteiligt. Die Fehlregulation von CK2 wird häufig mit der Pathologie von Krankheiten wie zum Beispiel Krebs assoziiert, was CK2 zu einem vielversprechenden Ziel klinischer Untersuchungen macht.
Im Rahmen des CK2-Projekts war es möglich, durch spezifische Modifikationen an 37, die hoch selektiven und potenten CK2-Inhibitoren 47 und 60 zu entwickeln. Ebenfalls gezeigt wurde, dass kleine strukturelle Veränderungen, wie z.B. Makrozyklisierung, einen signifikanten Effekt auf Selektivität und Potenz des Inhibitors haben kann.
Weiter Untersuchungen der Verbindungen lenkten den Fokus weiterer Arbeiten u.a. auf die Serin/Threonin Kinase 17A (STK17A) oder auch death-associated protein kinase-related apoptosis-inducing protein kinase 1 (DRAK1) genannt. Sie ist Teil der DAPK Familie und gehört zusammen mit anderen Kinasen zu den weniger erforschten Kinasen. Bis heute ist nicht viel über ihre zellulären Funktionen und die Beteiligung an pathophysiologischen Prozessen bekannt. Berichtet wurde jedoch eine Überexpression in verschiedenen Formen von Hirntumoren des zentralen Nervensystems (Gliom). Strukturelle Modifikationen, unter Erhalt des makrozyklischen Grundgerüsts 37, führten zu dem hoch selektiven und potenten DRAK1 Inhibitor 121, der alle Kriterien für eine chemical probe Verbindung erfüllt.
Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die AP-2-assoziierte Protein Kinase 1 (AAK1) aus der NAK Familie, bestehend aus AAK1, BIKE und GAK. Sie ist als potenzielles therapeutisches Ziel für viele verschieden Krankheiten wie z.B. neuropathische Schmerzen, Schizophrenie und Parkinson identifiziert. Durch die Regulierung der Clathrin-mediierten Endozytose ist AAK1 an intrazellulären Bewegungen verschiedener nicht zusammenhängenden RNS- und DNSViren, wie beispielsweise HCV, DENV oder EBOV, beteiligt. Ebenfalls berichtet wurde eine mögliche Assoziation mit dem SARS-CoV-2 Virus, was das Interesse an neuen selektiven AAK1 Inhibitoren verstärkte. Die Entwicklung der hochpotenten und selektiven AAK1 Inhibitoren 61 und 63 basierte ebenfalls auf dem makrozyklischen Grundgerüst 37, das bereits im CK2- und DRAK1-Projekt verwendet wurde.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es im Rahmen dieser Arbeit gelungen ist, ausgehend von einem höchst unselektiven makrozyklischen Grundgerüst, hochpotente und selektive Kinaseinhibitoren für CK2, DRAK1 und AAK1 zu entwickeln und zu charakterisieren. Im Zuge von Untersuchungen verschiedener Struktur-Wirkungsbeziehungen wurde gezeigt, dass es durch geringfügige strukturelle Modifikationen möglich ist, die kinomweite Selektivität zu variieren und auf eine Kinase zu fokussieren. Diese Arbeit brachte nicht nur die erwähnten Inhibitoren hervor, sondern bildet auch die Grundlage für weitere Projekte zur Entwicklung von hoch potenten und selektiven Verbindungen als potenzielle chemische Werkzeuge für den Einsatz in der Forschung.
The discovery of clustered regularly interspaced short palindromic repeats and their associated proteins (Cas) has revolutionized the field of genome and epigenome editing. A number of new methods have been developed to precisely control the function and activity of Cas proteins, including fusion proteins and small-molecule modulators. Proteolysis-targeting chimeras (PROTACs) represent a new concept using the ubiquitin-proteasome system to degrade a protein of interest, highlighting the significance of chemically induced protein-E3 ligase interaction in drug discovery. Here, we engineered Cas proteins (Cas9, dCas9, Cas12, and Cas13) by inserting a Phe-Cys-Pro-Phe (FCPF) amino acid sequence (known as the π-clamp system) and demonstrate that the modified CasFCPF proteins can be (1) labeled in live cells by perfluoroaromatics carrying the fluorescein or (2) degraded by a perfluoroaromatics-functionalized PROTAC (PROTAC-FCPF). A proteome-wide analysis of PROTAC-FCPF-mediated Cas9FCPF protein degradation revealed a high target specificity, suggesting a wide range of applications of perfluoroaromatics-induced proximity in the regulation of stability, activity, and functionality of any FCPF-tagging protein.
The aim of this work was to establish a new way of predicting novel dual active compounds by combining classical fingerprint representation with state-of-the-art machine learning algorithms. Advantages and disadvantages of the applied 2D- and 3D-fingerprints were investigated. Further, the impact of various machine learning algorithms was analyzed. The new method developed in this work was used to predict compounds, which inhibit two different targets (LTA4H and sEH) involved in the same disease pattern (inflammation). The development of multitarget drugs has become more important in recent years. Many widespread diseases like metabolic syndrome, or cancer are of a multifactorial nature, which makes them hard to be treated effectively with a single drug. The new in silico method presented in this work can help to accelerate the design and development of multitarget drugs, saving time and efforts.
The nowadays readily available access to a large number of 3D-structures of biological targets and published activity data of millions of synthesized compounds enabled this study and was used as a starting point for this work. Four different data sets were compiled (crystalized ligands from the PDB, active and inactive compounds from ChEMBL23, newly designed compounds using a combinatorial library). Those data sets were collected and processed using an automated KNIME workflow. This automation has the advantage of allowing easy change and update of compound sources and adapted processing ways.
In a next step, the compounds from the compiled data sets were represented using a variety of well-established 2D- and 3D-fingerprints (PLIF, AtomPair, Morgan, FeatMorgan, MACCS). All those fingerprints share the same underlying bit string scheme but vary in the way they describe the molecular structure. Especially the difference between 2D- and 3D-fingerprints was investigated. 2D-fingerprints are solely based on ligand information. 3D-fingerprints, on the other hand, are based on X-ray structure information of protein-ligand complexes. One major difference between 2D- and 3D-fingerprints usage is the need for a 3D-conformation (pose) of the compound in the targets of interest when using 3D-fingerprints. This additional step is time-consuming and brings further uncertainties to the method.
Based on the calculated fingerprints state-of-the-art machine learning algorithms (SVC, RF, XGB and ADA) were used to predict novel dual active compounds. The models were evaluated by 10-fold cross validation and accuracy as the primary measure of model performance was maximized. Second, individual parameters of the four machine learning algorithms were optimized in a grid search to achieve maximal accuracy using the optimized partitioning scheme. Overall accuracies, regardless of fingerprint and machine learning algorithm, are slightly better for LTA4H than for sEH.
The goal to predict dual active compounds was realized by comparing the set of predicted to be active compounds for LTA4H and sEH. For the 3D-fingerprint PLIF the machine learning algorithm Random Forest was chosen, from which compounds for synthesis and testing were selected. Of 115 predicted to be active compounds, six compounds were cherry picked. Two compounds showed very good/moderate dual inhibitory activity. Of the 2D-fingerprints, the AtomPair fingerprint in combination with the machine learning algorithm Random Forest was chosen from which compounds were selected for synthesis and testing. 116 compounds were predicted to be dual active against LTA4H and sEH. One of those compounds showed good dual inhibitory activity.
In this work it was possible to show advantages and disadvantages of using 2D- and 3D-fingerprints in combination with machine learning algorithms. Both strategies (2D: ligand-based, 3D: structure-based) lead to the prediction of novel dual active compounds with moderate to very good inhibitory activity. The method developed in this work is able to predict dual active compounds with very good inhibitory activity and novel (previously unknown) scaffolds inhibiting the targets LTA4H and sEH. This contribution to in silico drug design is promising and can be used for the prediction of novel dual active compounds. Those compounds can further be optimized regarding binding affinity, solubility and further pharmacological and physicochemical properties.
A simple and sustainable one-step strategy for the preparation of electron-deficient aryl trifluoromethyl ethers (ArOCF3) from the corresponding phenols by electrochemical synthesis is presented. Anodic oxidation of trifluoromethane sulfinate (Langlois reagent) leads to direct O-trifluoromethylation of phenol-derivatives bearing fluorine, chlorine, bromine and nitrile substituents under mild conditions in yields up to 75% and in gram-scale. This electrochemical protocol provides an economic and green synthesis for an otherwise inaccessible class of molecules without the need for expensive or toxic reagents, oxidants or metal catalysts.
Decades of work have demonstrated that messenger RNAs (mRNAs) are localized and translated within neuronal dendrites and axons to provide proteins for remodeling and maintaining growth cones or synapses. It remains unknown, however, whether specific forms of plasticity differentially regulate the dynamics and translation of individual mRNA species. To address this, we targeted three individual synaptically localized mRNAs, CamkIIa, β-actin, Psd95, and used molecular beacons to track endogenous mRNA movements. We used reporters and CRISPR/Cas9 gene editing to track mRNA translation in cultured neurons. We found alterations in mRNA dynamic properties occurred during two forms of synaptic plasticity, long-term potentiation (cLTP) and depression (mGluR-LTD). Changes in mRNA dynamics following either form of plasticity resulted in an enrichment of mRNA in the vicinity of dendritic spines. Both the reporters and tagging of endogenous proteins revealed the transcript-specific stimulation of protein synthesis following cLTP or mGluR-LTD. As such, the plasticity-induced enrichment of mRNA near synapses could be uncoupled from its translational status. The enrichment of mRNA in the proximity of spines allows for localized signaling pathways to decode plasticity milieus and stimulate a specific translational profile, resulting in a customized remodeling of the synaptic proteome.
Oncogenic transformation of lung epithelial cells is a multi-step process, frequently starting with the inactivation of tumor suppressors and subsequent activating mutations in proto-oncogenes, such as members of the PI3K or MAPK family. Cells undergoing transformation have to adjust to changes, such as metabolic requirements. This is achieved, in part, by modulating the protein abundance of transcription factors, which manifest these adjustments. Here, we report that the deubiquitylase USP28 enables oncogenic reprogramming by regulating the protein abundance of proto-oncogenes, such as c-JUN, c-MYC, NOTCH and ΔNP63, at early stages of malignant transformation. USP28 is increased in cancer compared to normal cells due to a feed-forward loop, driven by increased amounts of oncogenic transcription factors, such as c-MYC and c-JUN. Irrespective of oncogenic driver, interference with USP28 abundance or activity suppresses growth and survival of transformed lung cells. Furthermore, inhibition of USP28 via a small molecule inhibitor reset the proteome of transformed cells towards a ‘pre-malignant’ state, and its inhibition cooperated with clinically established compounds used to target EGFRL858R, BRAFV600E or PI3KH1047R driven tumor cells. Targeting USP28 protein abundance already at an early stage via inhibition of its activity therefore is a feasible strategy for the treatment of early stage lung tumours and the observed synergism with current standard of care inhibitors holds the potential for improved targeting of established tumors.
DNA points accumulation for imaging in nanoscale topography (DNA-PAINT) is a super-resolution technique with relatively easy-to-implement multi-target imaging. However, image acquisition is slow as sufficient statistical data has to be generated from spatio-temporally isolated single emitters. Here, we trained the neural network (NN) DeepSTORM to predict fluorophore positions from high emitter density DNA-PAINT data. This achieves image acquisition in one minute. We demonstrate multi-color super-resolution imaging of structure-conserved semi-thin neuronal tissue and imaging of large samples. This improvement can be integrated into any single-molecule microscope and enables fast single-molecule super-resolution microscopy.
The development of super-resolution microscopy (SRM) has widened our understanding of biomolecular structure and function in biological materials. Imaging multiple targets within a single area would elucidate their spatial localization relative to the cell matrix and neighboring biomolecules, revealing multi-protein macromolecular structures and their functional co-dependencies. SRM methods are, however, limited to the number of suitable fluorophores that can be imaged during a single acquisition as well as the loss of antigens during antibody washing and restaining for organic dye multiplexing. We report the visualization of multiple protein targets within the pre- and postsynapse in 350-400 nm thick neuronal tissue sections using DNA-assisted single-molecule localization microscopy. Using antibodies labeled with short DNA oligonucleotides, multiple targets are visualized successively by sequential exchange of fluorophore-labeled complementary oligonucleotides present in the imaging buffer. The structural integrity of the tissue is maintained owing to only a single labelling step during sample preparation. Multiple targets are imaged using a single laser wavelength, minimizing chromatic aberration. This method proved robust for multi-target imaging in semi-thin tissue sections, paving the way towards structural cell biology with single-molecule super-resolution microscopy.
A single model system for integrative studies on multiple facets of antigen presentation is lacking. PAKC is a novel panel of ten cell lines knocked out for individual components of the HLA class I antigen presentation pathway. PAKC will accelerate HLA-I research in the fields of oncology, infectiology, and autoimmunity.
Die Verwendung von photolabilen Schutzgruppen zur nicht-invasiven Kontrolle von Systemen birgt ein großes Potential für verschiedenste Anwendungsgebiete, die von der Erforschung und Regulation biologischer Prozesse, über den Einsatz in medizinischer Therapie bis hin zur Verwendung als molekulare Datenspeicher reichen. Für diese Umsetzung benötigt es allerdings eine breite Auswahl an entsprechenden PPGs und das Wissen über ihre Reaktionsmechanismen. Im Allgemeinen lässt sich die Konzeptionierung von PPGs in drei Prozesse einteilen, beginnend bei dem Design und der Synthese einer neuen PPG. Bei diesem Schritt liegt der Fokus auf ein oder zwei besonderen Eigenschaften, wie beispielsweise einer Absorptionswellenlänge in einem bestimmten Spektralbereich oder einer hohen Uncaging-Quantenausbeute. Im zweiten Schritt folgt die Untersuchung der PPG bezüglich spektroskopischer und mechanistischer Eigenschaften und ggf. anschließender Optimierung auf synthetischer Ebene. Die so gewonnenen Informationen sind dann hilfreich bei dem letzten Schritt, bei dem es um den Einsatz der PPG in einem entsprechenden System geht. Hierbei müssen die verwendeten PPGs genau auf das Zielsystem abgestimmt sein, dazu zählen verschiedenste Parameter wie Anregungswellenlänge, Extinktionskoeffizient, Art und Struktur der Photoprodukte sowie Uncaging-Effizienz und Geschwindigkeit.
In der vorliegenden Arbeit wurde über die drei vorgestellten Projekte mittels spektroskopischer Methoden zu allen drei genannten Stadien zur Konzeptionierung von PPGs ein Beitrag geleistet. Dazu zählt die Entwicklung der CBT-basierten PPGs, die Untersuchung der Struktur-Wirkungsbeziehung von (DMA)(2)F-PPGs und die Etablierung einer wellenlängenselektiven An-/Aus-Funktionalität eines Antibiotikums. In enger interdisziplinärer Zusammenarbeit zwischen theoretischen, synthetischen und biologischen Teilgebieten konnte jedes Projekt innerhalb der jeweiligen Entwicklungsstufe erfolgreich abgeschlossen werden.
Mithilfe des relativ neuen Ansatzes, bei dem durch quantenmechanische Berechnungen der vertikalen Anregungsenergie von der kationischen Spezies einer PPG-Grundstruktur eine Aussage über ihre Qualität postuliert werden kann, konnte ausgehend von der Fluoren-Grundstruktur eine neue Klasse von PPGs gefunden werden. Dabei erwies sich die CBT-Struktur mit den Schwefelatomen an der para-Position als besonders geeignet. Insbesondere konnte die Grundstruktur durch die (OMePh)2-Substitution, welche in einer signifikanten bathochromen Verschiebung des Absorptionsmaximums resultierte, optimiert werden. Die Untersuchung der Ultrakurzzeit-Dynamik beider p-CBT Strukturen gab Aufschluss über die unterschiedlichen photochemischen Eigenschaften als PPG.
Für die Stoffklasse der Dimethylamino-Fluorene wurde ein wichtiger Unterschied zwischen den einfach- und zweifach-substituierten Derivaten aufgedeckt, der entscheidend für einen signifikanten Uncaging-Effizienzunterschied ist. Dabei stellt sich die Stabilität des symmetrisch-substituierten Fluorenyl-Kations als der wichtigste Faktor bezüglich der Uncaging-Quantenausbeuten heraus. Beide Schutzgruppen sind in der Lage photoinduziert eine AG freizusetzen, wobei der Reaktionsmechanismus über die kationische Spezies (DMA)(2)F + abläuft. Der Unterschied hierbei liegt in der Lebensdauer der beiden Kationen, die im Falle der symmetrischen PPG stark lösungsmittelabhängig ist und bis zu mehreren Stunden betragen kann, was bis dato das langlebigste Kation dieser Molekülklasse darstellt. Für die zukünftige Optimierung dieser PPG-Klasse ist die Erkenntnis über die Gründe für die Stabilität des Kations von großem Vorteil. Der stabilisierende Faktor ist zum einen die zweite Dimethylamino-Gruppe der symmetrischen Verbindung, welche durch die Erweiterung der Mesomerie zur besseren Verteilung der positiven Ladung im Molekül führt. Zum anderen spielt das Lösungsmittel eine entscheidende Rolle. Dabei bieten protische, polare Medien eine zusätzliche Stabilisierung, die notwendig für die Langlebigkeit des Kations ist. Die Lebensdauer des Kations war zudem durch eine zweite Bestrahlungswellenlänge kontrollierbar. Ausgehend vom Kation konnte eine reversible Nebenreaktion in protischen Lösungsmitteln identifiziert werden, die einen Austausch der AG durch das Lösungsmittel darstellt.
Zusätzlich konnte die kleine Stoffklasse der bisher bekannten Photobasen durch die Verbindung (DMA)2F-OH erweitert werden. Genauer betrachtet handelt es sich dabei um eine photoinduzierte Hydroxidfreisetzung, wodurch je nach eingesetzter Konzentration ein pH-Sprung von bis zu drei Einheiten erreicht werden konnte. Dabei stellt sich die Lebensdauer des pH-Sprungs als ein entscheidender Parameter für Photobasen dar, welcher sich für die hier untersuchte Verbindung aufgrund der besonderen Stabilität des entsprechenden Kations, im Vergleich zu einigen der bereits bekannten Verbindungen, als besonders langlebig herausgestellt hat. Ein weiterer Vorteil des Einsatzes von (DMA)2F-OH als Photobase ist die Möglichkeit den pH-Sprung durch zwei verschiedene Wellenlängen sowohl zeitlich als auch örtlich zu kontrollieren, indem die Verbindung zwischen den zwei Spezies (DMA)2F-OH und (DMA)2F + geschaltet werden kann.
Im Hinblick auf die Anwendungen von PPGs zur verbesserten zeitlichen und örtlichen Kontrolle biologischer Zielsysteme ist im Rahmen dieser Arbeit das Prinzip vom wellenlängenselektiven Uncaging zweier PPGs an einem Molekül (two-PPG-one-molecule, TPOM) etabliert worden. Das Zielmolekül war hier das Antibiotikum Puromycin, welches durch seine Fähigkeit an das Ribosom zu binden, die Proteinbiosynthese inhibieren kann. Dabei wurden zwei verschiedene PPGs gefunden, die sowohl aufeinander als auch auf das Biomolekül selbst abgestimmt sind. Im Ausgangszustand sind beide PPGs am Puromycin angebracht, wodurch es in seiner biologischen Wirkung inaktiv ist. Befindet sich das doppelt geschützte Puromycin in der ROI, so kann es durch die Bestrahlung mit einer bestimmten Wellenlänge infolge des ersten Uncaging-Schritts aktiviert werden. Da biologische Systeme nicht statisch sind, können aktivierte Moleküle stets von der gewünschten ROI nach außen gelangen, wodurch der Anspruch der räumlichen Kontrolle nicht erfüllt wird. In diesem Fall kann durch die TPOM-Umsetzung die zweite Bestrahlungswellenlänge auf den entsprechenden Bereich angewendet werden, wodurch das Uncaging der zweiten PPG initiiert und folglich das Puromycin deaktiviert wird. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Deaktivierungswellenlänge auch in der Lage ist beide PPGs zu entfernen, wodurch eine vollständige Inaktivierung des Puromycins außerhalb der ROI garantiert werden kann.
Ist die Proteinbiosynthese längerfristig blockiert, führt das schließlich zum Zelltod. Ein großes Anwendungsgebiet dieses Antibiotikums sind die Neurowissenschaften. Aufgrund der Tatsache, dass Puromycin keine Unterscheidung zwischen eukaryotischen und prokaryotischen Zellen macht, findet es keine Anwendung in der Medizin. Eine zeitliche und örtliche Kontrolle seiner Wirkung könnte den Anwendungsbereich dieses Antibiotikums evtl. ausweiten. Das wohl naheliegendste wäre der Einsatz bei Tumorzellen, deren Behandlung durch Zytostatika auf den gesamten Körper wirken und dadurch viele schwere Nebenwirkungen verursachen.
Wie bereits weiter oben beschrieben muss für jedes Biomolekül und das entsprechende Wirkzentrum die Auswahl des passenden PPG-Paares einzeln abgestimmt werden. Dennoch lässt sich anhand des hier etablierten Systems ein Konzept für die erfolgreiche Umsetzung zukünftiger TPOM-Systeme an anderen biomolekularen Wirkstoffen zusammenfassend formulieren.
* Der erste Schritt sollte die Betrachtung des Wirkzentrums des zu modifizierenden Biomoleküls sein: Welche funktionelle Gruppe bzw. Gruppen sind entscheidend für die Bindetasche oder –stelle? Dieser Bereich des Biomoleküls soll im Zuge des Uncagings entweder blockiert oder abgespalten werden. In der unmittelbaren Nähe muss die PPG1 angebracht werden.
* Bei der Wahl von PPG1 ist das wichtigste Kriterium, dass das Biomolekül mit enthaltener Schutzgruppe in seiner Wirkung unbeeinträchtigt bleibt. Dies schränkt die Auswahl beträchtlich ein. Eine mögliche Umsetzung wäre die Anbringung einer Nitro-Gruppe falls vorhanden an einen Benzolring, welcher sich im Fall eines großen Biomoleküls in der Nähe der wichtigen funktionellen Stelle befindet.
* Die zweite PPG (PPG2), deren photoinduzierte Abspaltung zur Aktivierung des Wirkstoffs führen soll, kann strukturell frei gewählt werden. Das Auswahlkriterium hierbei ist das Absorptionsspektrum. Hierbei sollte das Absorptionsmaximum rotverschoben zur PPG1 sein, um eine unerwünschte Abspaltung zu vermeiden. Außerdem darf keine signifikante Absorption von PPG2 bei der Uncaging-Wellenlänge von PPG1 vorhanden sein.
* Beide PPGs sollten eine ähnliche Uncaging-Quantenausbeute vorweisen, um im Deaktivierungsschritt der doppelt geschützten Verbindung durch das höher energetische Licht keine Bevorzugung einer einzelnen Schutzgruppe zu riskieren.
Anhand der erarbeiteten Herangehensweise können weitere Wirkstoffe oder Biomoleküle hin zu einer An- / Aus-Funktionalität modifiziert werden. Mit der Umsetzung des TPOM-Konzepts kann eine Verbesserung der örtlichen und zeitlichen Kontrolle der Aktivität eines Antibiotikums erreicht werden. Für die Anwendung in biologischer Umgebung ist diese präzische Kontrolle essentiell, um unerwünschte Nebenwirkungen angesundem Gewebe zu verhindern.
A B-factor for NOEs?
(2022)
Nuclear Overhauser effects (NOEs) are influenced by motion. Here, we derive exact, analytical results for a model of isotropic, harmonic fluctuations of atom positions that corresponds to the one underlying crystallographic B-factors. The model includes steric repulsion and yields closed-form expressions for the expected value of general invertible functions of the distance between two atoms, with the special case r-6 for NOEs. We discuss the implications for the definition of an NOE-based B-factor in solution NMR.
Synthesis and crystal structure of 2-(2-hydroxyphenyl)-1,3-bis(4-methoxybenzyl)-1,3-diazinan-5-ol
(2022)
The redetermined structure of 2-(2-hydroxyphenyl)-1,3-bis(4-methoxybenzyl)-1,3-diazinan-5-ol, C26H30N2O4, at 173 K has orthorhombic (Pbca) symmetry. It was previously described by Bolte et al. [ Private Communication (refcode EWICEV). CCDC, Cambridge, England]. The title compound resulted from the condensation reaction between 1,3-bis{[(4-methoxyphenyl)methyl]amino}propan-2-ol and 2-hydroxybenzaldehyde in CH3OH. The structure exhibits disorder. One of the 4-methoxybenzyl groups, the hydroxy group bonded to the 1,3-diazinan ring, and the methyl group of the methoxy residue are disordered over two orientations, with occupancies of 0.807 (3)/0.193 (3), 0.642 (5)/0.358 (5), and 0.82 (4)/0.18 (4), respectively. The dihedral angles between the mean planes of the central 1,3-diazinan-5-ol and the 4-methoxyphenyl rings (both occupancy components of the disordered ring) are 88.65 (13), 85.79 (14) and 83.4 (7)°. The crystal packing is sustained by C—H...O and O—H...π interactions, giving rise to infinite chains running along the b-axis direction.
The title compound, C8H16N4·2C11H16O, was synthesized from the corresponding sterically crowded phenol by treatment with the aminal cage polyamine. Single-crystal X-ray diffraction structural analysis revealed the three-molecule aggregate to crystallize in the monoclinic space group P2/c with one half of a 1,3,6,8-tetraaztricyclo[4.4.1.13,8]dodecane (TATD) molecule and one 2-tert-butyl-4-methylphenol molecule per asymmetric unit. The crystal structure features intermolecular O—H...N and C—H...O hydrogen bonds, as well as intermolecular C—H...π interactions.
Das wachsende Verständnis für das fein abgestimmte Zusammenspiel aus Struktur und Funktion von Nukleinsäuren resultiert aus unzähligen Forschungsprojekten. Forschende stehen dabei vor der Herausforderung, dass die zu untersuchenden Oligonukleotide sowohl modifiziert als auch in ausreichender Menge und Reinheit dargestellt werden müssen. Die chemische Festphasensynthese ist ein bewährtes Mittel zur Synthese hochmodifizierter DNA und RNA. Allerdings werden Oligonukleotide mit zunehmender Länge unzugänglicher, da die einzelnen Kupplungsreaktionen nicht quantitativ ablaufen, was zu schwer abtrennbaren Abbruchsequenzen führt. Hinzu kommt, dass während der chemischen Synthese harsche Reaktionsbedingungen nötig sind, denen die gewünschten Modifikationen standhalten müssen. (Chemo-) enzymatische Methoden können diese Hürden überwinden und somit den Zugang zu biologisch interessanten, längeren modifizierten Sequenzen ermöglichen. Jedoch erfolgt der enzymatische Einbau von Modifikationen ohne aufwendige Optimierung lediglich statistisch verteilt. Um weitere Erfolge im Bereich der Strukturaufklärung zu erzielen, werden somit Synthesemethoden benötigt, die sich zum positionsspezifischen Einbau von Modifikationen eignen und gleichzeitig den Zugang zu längeren Oligonukleotiden ermöglichen. Zur Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Struktur und Funktion haben sich in den letzten Jahren lichtadressierbare Verbindungen als gefragte Modifikationen erwiesen. Der Einsatz von Licht als mildes, nicht-invasives Auslösesignal stellt besonders im biologischen Kontext eine interessante Herangehensweise dar. Um hochwertige Aussagen über das Verhalten von Oligonukleotiden in komplexer biologischer Umgebung machen zu können, muss durch die gezielte Platzierung lichtaktivierbarer Verbindungen ein effizientes AN/AUS-Verhältnis geschaffen werden. Der Einbau photolabiler Schutzgruppen erlaubt eine vorübergehende Beeinflussung der Oligonukleotidstruktur, die durch Abspaltung der Schutzgruppe irreversibel (re-) aktiviert werden kann. Im Gegensatz dazu ermöglicht der Einbau von Photoschaltern eine reversible Adressierbarkeit durch Isomerisierungsprozesse. Die Synthese komplexer gezielt-markierter Oligonukleotide erfolgt zumeist chemisch und ist daher längenlimitiert.
Ziel dieser Doktorarbeit war es, beide Fragestellungen zu vereinen und eine chemo-enzymatische Methode zur RNA-Synthese zu untersuchen, die zum einen die positionsspezifische Modifizierung mit lichtaktivierbaren Einheiten erlaubt und darüber hinaus die Längenlimitierung der chemischen Festphasensynthese überkommt. Im Zentrum der Methode stehen drei enzymatische Reaktionsschritte zum Einbau von photolabil- und photoschaltbar-modifizierten Nukleosid-3‘,5‘-Bisphosphaten: I) eine 3‘-Verlängerung, in der die modifizierten Bisphosphate mit T4 RNA Ligase 1 mit dem 3‘-Ende einer RNA verknüpft werden; II) die Dephosphorylierung des 3‘-Phosphats mit Shrimp Alkaline Phophatase und III) die Verknüpfung der 3‘-terminal modifizierten RNA mit einem zweiten 5‘-phosphorylierten RNA-Fragment, wodurch eine Gesamtsequenz mit gezielt platzierter Modifikation entsteht (Abb. I).
Im ersten Teilprojekt wurden in kollaborativer Arbeit zunächst benötigte photolabile NPE- und photoschaltbare Azobenzol-C-Nukleosid-3‘,5‘-Bisphosphate synthetisiert und grundlegende Bedingungen der enzymatischen Reaktionen erarbeitet. Hierbei konnte der enzymatische Syntheseansatz erfolgreich in Lösung umgesetzt und der chemo-enzymatische Einbau aller synthetisierten Bausteine nachgewiesen werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurde die Methode in eigenständigen Arbeiten weiterverfolgt, um den multiplen Einbau NPE-modifizierter Nukleosid-3‘,5‘-Bisphosphate in direkter Nachbarschaft sowie deren Einbau in DNA/RNA-Mixmere mit Phosphodiester- oder Phosphorthioatrückgrat zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass die verwendeten Enzyme neben lichtaktivierbaren Modifikationen zusätzliche Anpassungen der Phosphateinheit sowie unterschiedliche Ribosebausteine in Kombination tolerieren. Da exogene RNA schnell von Exonukleasen abgebaut und somit unwirksam wird, werden zahlreiche stabilisierende Anpassungen an synthetischen RNAs vorgenommen. Zu den häufigsten zählen Phosphorthioate und Modifikationen der Ribose. Mit der erfolgreichen Modifikation der chimären Oligonukleotide eröffnet die erarbeitete Methode einen wichtigen Zugang zu therapeutisch interessanten Oligonukleotiden. Ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung biologisch relevanter Anwendungsmöglichkeiten konnte mit der Synthese, Charakterisierung und Umsetzung eines DEACM-geschützten Uridin-3‘,5‘-Bisphosphates (pUDEACMp) errungen werden. Im Vergleich zur verwendeten NPE-Schutzgruppe ist das Absorptionsspektrum der DEACM-Schutzgruppe bathochrom-verschoben, was eine Abspaltung mit Wellenlängen > 400 nm erlaubt. Dadurch können Zellschäden vermieden und Oligonukleotide mit NPE- und DEACM-Modifikation wellenlängenselektiv angesprochen werden...
Mitochondria are important for cellular health and their dysfunction is linked to a variety of diseases, especially neurodegeneration. Thus, the renewal and degradation of dysfunctional mitochondria is crucial for the well-being of organisms. The selective digestion of damaged mitochondria via the lysosome (mitophagy), is the main pathway to do so.
In my dissertational work, I investigated the connection between protein misfolding, protein import into mitochondria and the degradation of mitochondria via mitophagy. Here, I present a new model for the initiation of mitophagy without collapse of the membrane potential. This model provides the link between protein import into mitochondria, stress signal transduction to the cytosol and the mitochondrial stress sensor PINK1. To comprehensively examine how mitophagy can be triggered, I performed a genome-wide CRISPR knockout screen utilizing the mitophagy reporter mitochondrial mKEIMA. Thereby, I observed numerous novel gene deletions that induce mitophagy. Prominently, I identified an accumulation of gene deletions of the protein import and of protein quality control factors. I validated several of those and examined HSPA9 (mitochondrial HSP70) and LONP1 (a mitochondrial matrix AAA protease) in more detail, regarding their effect on mitophagy and protein import. For this, I used an established fluorescence-based, mitochondrial-targeted EGFP, as well as a newly-developed pulsed-SILAC mass spectrometry approach (mePRODmt). Depletions of both genes resulted in reduced protein import and PINK1-dependent mitophagy. Strikingly, I did not observe any loss of mitochondrial membrane potential, which was hitherto believed to be essential for activation of PINK1-mediated mitophagy. Literature shows that certain mitochondrial stressors can also induce mitophagy without mitochondrial membrane depolarization, which I confirmed with my assays. Next, I characterized the impact of LONP1 and HSPA9 depletion, which are involved in proteostasis maintenance, and the mtHSP90 inhibitor GTPP on mitochondrial protein folding in more detail. GTPP treatment and LONP1 depletion both resulted in the accumulation of an insoluble protein fraction, as judged by proteomic analysis. This insoluble protein fraction enriched several components of the presequence translocase-associated motor PAM, including TIMM44. TIMM44 acts as a link between the translocon, the import pore of the inner mitochondrial membrane (TIM) complex and the PAM complex. Thus, I hypothesized that TIMM44 dissociates from the TIM complex upon protein folding stress, when it becomes part of the insoluble protein fraction. To validate this model, I measured the TIMM44 interactome upon proteostasis disturbance using proximity labeling. Indeed, interaction of TIMM44 with the import pore was almost completely abolished, explaining the loss of matrix-targeted import upon protein folding stress. From these findings, I reasoned that an import reduction mediated by the PAM complex would likely also inhibit the degradation of PINK1. Consistent with this hypothesis, I observed that mitophagy induced by HSPA9 or LONP1 deletion was prevented when PINK1 was genetically deleted. In comparison, non-processed PINK1 was stabilized on mitochondria in wild type cells when mitochondrial protein import was impaired. On this basis, I drew the conclusion that the loss of mitochondrial import was the stress signal, which leads to the stabilization of PINK1, as it could not be processed anymore via the inner mitochondrial membrane protease PARL. PINK1 auto-activates itself upon accumulation and signals to the cytosol that this mitochondrion is damaged. Mitophagy is subsequently initiated by the ubiquitin kinase activity of PINK1. As a result, the autophagy apparatus gets activated, damaged mitochondria are engulfed by a double membrane and removed via lysosomal digestion. This proposed model is, to the best of my knowledge, the first to provide an explanation for protein folding stress-induced and protein import inhibition-triggered mitophagy without mitochondrial depolarization. The model thus extends the PINK1/PARKIN-dependent mitophagy pathway to milder stresses and clears some of the open questions in the field. Furthermore, this work is also important, because protein misfolding stress and dysfunctional mitochondria are two hallmarks of neurodegeneration. In particular, mitochondrial protein import inhibition during Parkinson’s and Huntington disease might be driver of mitochondrial dysfunction. Hence, I hope and anticipate that the newly developed protein import method, mePRODmt, and the proposed model will be beneficial to further characterize underlying processes and to establish which factors prevent or drive these disorders on molecular level.
Structural and functional consequences of the H180A mutation of the light-driven sodium pump KR2
(2022)
Krokinobacter eikastus rhodopsin 2 (KR2) is a light-driven pentameric sodium pump. Its ability to translocate cations other than protons and to create an electrochemical potential makes it an attractive optogenetic tool. Tailoring its ion pumping characteristics by mutations is therefore of great interest. In addition, understanding the functional and structural consequences of certain mutations helps to derive a functional mechanism of ion selectivity and transfer of KR2. Based on solid-state NMR spectroscopy, we report an extensive chemical shift resonance assignment of KR2 within lipid bilayers. This data set was then used to probe site-resolved allosteric effects of sodium binding, which revealed multiple responsive sites including the Schiff base nitrogen and the NDQ motif. Based on this data set, the consequences of the H180A mutation are probed. The mutant is silenced in the presence of sodium while in its absence, proton pumping is observed. Our data reveal specific long-range effects along the sodium transfer pathway. These experiments are complemented by time-resolved optical spectroscopy. Our data suggest a model in which sodium uptake by the mutant can still take place, while sodium release and backflow control are disturbed.
In der vorliegenden Arbeit wurden selbstanordnende Monolagen (SAMs) entwickelt, welche als gassensitive Schichten auf Goldoberflächen mit kanzerogenem Benzol reversibel wechselwirken. Der Fokus lag dabei auf elektronenarmen Systemen und insbesondere auf hochfluorierten Aromaten. Insgesamt wurden 18 neuartige SAM-Präkursoren mit Substituenten, die starke Dipolmomente induzieren, hergestellt, die mit Hilfe von Thiolat- bzw. Selenolat-Ankergruppen an Goldoberflächen angebunden wurden. Die Charakterisierung dieser Schichten erfolgte mit diversen oberflächenanalytischen Methoden, wie Ellipsometrie und Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRRAS). Für die Erforschung der Selektivität und Sensitivität der präparierten Monolagen wurden Austrittsarbeitsänderungen mit Hilfe einer KELVIN-Sonde gemessen und aus diesen Erkenntnissen systematische Veränderungen an den sensoraktiven Molekülen vorgenommen. So wurden der Fluorierungsgrad des aromatischen Systems, die Kettenlänge des Spacers sowie weitere vielversprechende Strukturmotive untersucht. Insbesondere hochfluoriere Derivate mit CF3-Substituenten zeigten die höchsten Sensitivitäten gegenüber Benzol. Weiterhin wurde ein neues Infrarot-Messprinzip entwickelt und etabliert, welches in situ Messungen während eines Überleitens gasförmiger Analyten ermöglichte. Diese Ergebnisse belegen eine Interaktion zwischen Analyten und Monolage.
Ein weiteres Projekt befasste sich mit elektronenarmen aromatischen Monolagen, die über Cystamin-Einheiten an Goldoberflächen angebunden wurden, sich aber in den dipolaren Kopfgruppen unterschieden. Dieses Vorgehen ermöglicht die Herstellung von SAMs gleicher Packungsdichten, sodass lediglich die unterschiedlichen Substituenten die elektronischen Eigenschaften beeinflussen. Die resultierenden Monolagen wurden mittels mit Rastertunnelmikroskopie, Ellipsometrie, IRRAS sowie Wasserkontaktwinkel-Goniometrie untersucht. Durch eine relativ einfache Veränderung der Kopfgruppe, wobei F3C , F3CS, H3C- sowie NC-Reste eingeführt wurden, war es möglich, die Austrittsarbeit einer Goldoberfläche in einem Bereich von 4.9 bis 5.6 eV einzustellen. Zusätzlich konnte ein gemischtes Disulfid synthetisiert werden, welches eine echte gemischte SAM auf der Goldoberfläche bildete. Dieses Konzept könnte in Zukunft eine noch präzisere Modifizierung der Austrittsarbeit zulassen, was die Entwicklung von effizienteren elektronischen Bauelementen auf Basis von organischen n Typ-Halbleitern ermöglicht.
Abschließend wurden teilfluorierte Benzonitril-Derivate mit Thiolat- bzw. Selenolat-Ankergruppen erforscht, welche als SAMs Informationen über den dynamischen Ladungstransport lieferten. Die Präkursoren unterscheiden sich lediglich im Fluorierungsmuster, welches das Dipolmoment der Gesamtstruktur beeinflusst. Die hergestellten Monolagen wurden mit einer Vielzahl oberflächenanalytischer Methoden (IRRAS, Ellipsometrie, Röntgenphotoelektronen- sowie Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie) charakterisiert, die alle die Bildung geordneter SAMs belegten und auf eine eher aufrechte Orientierung der Moleküle auf der Oberfläche hindeuteten. Die Bestimmung der Elektronentransfer-Zeiten mit Hilfe der sogenannten core-hole-clock-Methode zeigte überraschenderweise, dass durch eine Änderung des Substitutionsmusters der Fluoratome der Elektronenübergang nicht beeinflusst werden. Dementsprechend hat das Dipolmoment innerhalb des molekularen Gerüsts keinen signifikanten Einfluss auf die Elektronentransfer-Dynamik.
Targeted protein degradation is a drug modality represented by compounds that recruit a target to an E3 ubiquitin ligase to promote target ubiquitination and proteasomal degradation. Historically, the field distinguishes monovalent degraders from bifunctional degraders (PROTACs) that connect target and ligase via separate binding ligands joined via a linker1–4. Here, we elucidate the mechanism of action of a PROTAC-like degrader of the transcriptional coactivator BRD4, composed of a BRD4 ligand linked to a ligand for the E3 ligase CRL4DCAF15. Using orthogonal CRISPR/Cas9 screens we identify the degrader activity is independent of DCAF15, and relies on a different CRL4 substrate receptor, DCAF16. We demonstrate an intrinsic affinity between BRD4 and DCAF16, which is dependent on the tandem bromodomains of BRD4 and further increased by the degrader without physically engaging DCAF16 in isolation. Structural characterization of the resulting ternary complex reveals both BRD4 bromodomains are bivalently engaged in cis by the degrader and are bound to DCAF16 through several interfacial BRD4-DCAF16 and degrader-DCAF16 contacts. Our findings demonstrate that intramolecularly bridging domains can confer glue-type stabilization of intrinsic target-E3 interactions, and we propose this as a general strategy to modulate the surface topology of target proteins to nucleate co-opting of E3 ligases or other cellular effector proteins for effective proximity-based pharmacology.
HER2 belongs to the ErbB sub-family of receptor tyrosine kinases and regulates cellular proliferation and growth. Different from other ErbB receptors, HER2 has no known ligand. Activation occurs through heterodimerization with other ErbB receptors and their cognate ligands. This suggests several possible activation paths of HER2 with ligand-specific, differential response, which so far remained unexplored. Using single-molecule tracking and the diffusion profile of HER2 as a proxy for activity, we measured the activation strength and temporal profile in live cells. We found that HER2 is strongly activated by EGFR-targeting ligands EGF and TGFα, yet with a distinguishable temporal fingerprint. The HER4-targeting ligands EREG and NRGβ1 showed weaker activation of HER2, a preference for EREG and a delayed response to NRGβ1. Our results indicate a selective ligand response of HER2 that may serve as a regulatory element. Our experimental approach is easily transferable to other membrane receptors targeted by multiple ligands.
Highlights
HER2 exhibits heterogeneous motion in the plasma membrane
The fraction of immobile HER2 correlates with phosphorylation levels
Diffusion properties serve as proxies for HER2 activation
HER2 exhibits ligand-specific activation strength and temporal profiles
Highlights
• USP32 deubiquitinates the Ragulator complex subunit LAMTOR1 at lysine (K) 20
• LAMTOR1 K20 ubiquitination impairs its binding to the vacuolar H+-ATPase
• USP32 knockout reduces mTORC1 activity and elevates autophagic flux
• Depletion of USP32 in Caenorhabditis elegans inhibits mTOR and induces autophagy
Summary
The endosomal-lysosomal system is a series of organelles in the endocytic pathway that executes trafficking and degradation of proteins and lipids and mediates the internalization of nutrients and growth factors to ensure cell survival, growth, and differentiation. Here, we reveal regulatory, non-proteolytic ubiquitin signals in this complex system that are controlled by the enigmatic deubiquitinase USP32. Knockout (KO) of USP32 in primary hTERT-RPE1 cells results among others in hyperubiquitination of the Ragulator complex subunit LAMTOR1. Accumulation of LAMTOR1 ubiquitination impairs its interaction with the vacuolar H+-ATPase, reduces Ragulator function, and ultimately limits mTORC1 recruitment. Consistently, in USP32 KO cells, less mTOR kinase localizes to lysosomes, mTORC1 activity is decreased, and autophagy is induced. Furthermore, we demonstrate that depletion of USP32 homolog CYK-3 in Caenorhabditis elegans results in mTOR inhibition and autophagy induction. In summary, we identify a control mechanism of the mTORC1 activation cascade at lysosomes via USP32-regulated LAMTOR1 ubiquitination.
This cumulative thesis discusses the development of optimized force field parameters for Magnesium and resulting improved simulations of Magnesium-RNA interactions, including the in silico exploration of binding sites. This thesis is based on four publications as well as unpublished data. A fifth publication that was written during the time of the Ph.D. is discussed in the Appendix. This publication analyzes monovalent ion-specific effects at mica surfaces.
Nucleic acids in general and RNA in particular are fundamental to life itself. Especially in the folding and function of RNA, metal cations are crucial to screen the negatively charged nucleic acid backbones to allow for complex functional structures. They stabilize the tertiary structure of RNA and even drive its folding. Furthermore, similarly to proteins, RNAs can catalyze multiple reactions, rather than consisting of the 20 amino acids of a protein, RNA constitues of only four different building blocks. Metal cations play an important role here as additional cofactors. One essential ion is Magnesium (Mg2+), commonly referred to as the most important cofactor for nucleic acids. Mg2+ carries two positive charges. Its comparably small size and high charge result in a high charge density that has strong polarizing effects on its surroundings. Furthermore, Mg2+ forms a sharply defined first hydration shell with an integer number of coordinating water molecules. As a result, an exclusion zone exists around the ion within which no water molecules are observed. Moreover, Mg2+ displays a high solvation free energy and a low exchange rate of waters from its first hydration shell. Finally, it contains a strong preference towards oxygens . Together, this makes Mg2+ a particularly well suited interaction partner for the charged non-bridging phosphate oxygens on nucleic acid backbones and explains its crucial biological role.
The immense number of physiological and technological functions and applications indicates the significant scientific attention Mg2+ received. In experimental studies, however, severe difficulties arise for multiple reasons: Mg2+ is spectroscopically silent and cannot be detected directly by resonance techniques like NMR or EPR. Indirect observation is possible, either by detecting changes in the overall RNA structure with and without bound Mg2+, or by replacing the Mg2+ ion with another spectroscopically visible ion. In the latter, however, it cannot be guaranteed that the altered ion does not also alter the interaction site or even the whole structure. Another detection method is X-ray crystallography, but here challenges arise from Mg2+ being almost indistinguish- able from other ions as well as from water if not for very high resolutions and precise stereochemical considerations.
Alternatively, molecular dynamics (MD) simulations can be performed, with the power of adding atomistic insight to the interplay of metal cations and nucleic acids. MD simulations, however, are only as accurate as their underlying interaction models and the development of accurate models for the description of Mg2+ faces challenges especially in describing three properties:
(i) Polarizability. Commonly used simple models like the 12-6 type Lennard-Jones model typically fail to reproduce simultaneously thermodynamic and structural properties of a single ion in water. Alternative strategies include the use of a 12-6-4 type Lennard-Jones potential as proposed by Li and Merz, where the additional r−4 term explicitly accounts for polarization effects. The resulting Lennard-Jones potential is thereby more attractive and more long-ranged than for typical models of the 12-6 type.
(ii) Kinetics. Most Mg2+ models either fully ignore considerations about the timescales on which water exchanges from the first hydration shell of the ion or use inappropriate methodology to calculate the underlying kinetics. A realistic characterization of the involved timescales is imperative to be able to describe a seemingly simple process like the transition from inner-to-outer sphere binding and vice versa. This transition governs most biochemical reactions involving Mg2+ and therefore subsequent processes can only by as fast as the transition itself. However, already the previous step – the exchange of a water from the first hydration shell of the ion – is described my current Mg2+ models up to four orders of magnitude too slowly, which makes the observation of such events on the timescale of a typical simulation difficult or even impossible. Alln ́er et al. [48] as well as Lemkul and MacKerell explicitly considered the exchange rate into their parameter optimization procedure. To compute the rate, both studies applied Transition State Theory along a single reaction coordinate – the distance towards one of the exchanging waters. However, it could be shown that the water exchange from the first hydration shell requires at least the consideration of both exchanging water molecules in order to be able to realistically record the underlying rate using Transition State Theory. Furthermore, the model of Alln ́er et al. significantly underestimates the free energy of solvation of the ion.
(iii) Interactions between Mg2+ and nucleic acids. Typically, ionic force field parame- terization concentrates on the optimization of solution properties. The trans- ferability of these solution optimized parameters towards interactions with biomolecules, however, often fails.
Respiratory complex I in mitochondria and bacteria catalyzes the transfer of electrons from NADH to quinone (Q). The free energy available from the reaction is used to pump protons and to establish a membrane proton electrochemical gradient, which drives ATP synthesis. Even though several high-resolution structures of complex I have been resolved, how Q reduction is linked with proton pumping, remains unknown. Here, microsecond long molecular dynamics (MD) simulations were performed on Yarrowia lipolytica complex I structures where Q molecules have been resolved in the ~30 Å long Q tunnel. MD simulations of several different redox/protonation states of Q reveal the coupling between the Q dynamics and the restructuring of conserved loops and ion pairs. Oxidized quinone stabilizes towards the N2 FeS cluster, a binding mode not previously described in Yarrowia lipolytica complex I structures. On the other hand, reduced (and protonated) species tend to diffuse towards the Q binding sites closer to the tunnel entrance. Mechanistic and physiological relevance of these results are discussed.
The family of scaffold attachment factor B (SAFB) proteins comprises three members and was first identified as binders of the nuclear matrix/scaffold. Over the past two decades, SAFBs were shown to act in DNA repair, mRNA/(l)ncRNA processing, and as part of protein complexes with chromatin-modifying enzymes. SAFB proteins are approximately-100-kDa-sized dual nucleic acid-binding proteins with dedicated domains in an otherwise largely unstructured context, but whether and how they discriminate DNA- and RNA-binding has remained enigmatic. We here provide the SAFB2 DNA- and RNA-binding SAP and RRM domains in their functional boundaries and use solution NMR spectroscopy to ascribe DNA- and RNA-binding functions. We give insight into their target nucleic acid preferences and map the interfaces with respective nucleic acids on sparse data-derived SAP and RRM domain structures. Further, we provide evidence that the SAP domain exhibits intra-domain dynamics and a potential tendency to dimerise, which may expand its specifically targeted DNA sequence range. Our data provide a first molecular basis of and a starting point towards deciphering DNA- and RNA-binding functions of SAFB2 on the molecular level and serve a basis for understanding its localization to specific regions of chromatin and its involvement in the processing of specific RNA species.
Respiratory complex I in mitochondria and bacteria catalyzes the transfer of electrons from NADH to quinone (Q). The free energy available from the reaction is used to pump protons and to establish a membrane proton electrochemical gradient, which drives ATP synthesis. Even though several high-resolution structures of complex I have been resolved, how Q reduction is linked with proton pumping, remains unknown. Here, microsecond long molecular dynamics (MD) simulations were performed on Yarrowia lipolytica complex I structures where Q molecules have been resolved in the ~30 Å long Q tunnel. MD simulations of several different redox/protonation states of Q reveal the coupling between the Q dynamics and the restructuring of conserved loops and ion pairs. Oxidized quinone stabilizes towards the N2 FeS cluster, a binding mode not previously described in Yarrowia lipolytica complex I structures. On the other hand, reduced (and protonated) species tend to diffuse towards the Q binding sites closer to the tunnel entrance. Mechanistic and physiological relevance of these results are discussed.
Post-translational modifications (PTMs) of cell fate regulating proteins determine their stability, localization and function and control the activation of cell protective signaling pathways. Particularly in aberrantly dividing cancer cells the surveillance of cell cycle progression is essential to control tumorigenicity. In a variety of carcinomas, lymphomas and leukemias, the tumor-suppressive functions of the apoptosis- and senescence-regulating promyelocytic leukemia protein (PML) is controlled by numerous PTMs. PML poly-ubiquitylation and polySUMOylation at several lysine (K) residues induce PML degradation that is correlated to a progressive and invasive cancer phenotype. Besides several known E3 ubiquitin protein ligases that are involved in PML degradation, less is known about PML-specific deubiquitylases (DUBs), the respective DUB-controlled ubiquitin conjugation sites and the functional consequences of PML (de)ubiquitylation. Here, we show that the pro-tumorigenic DUB USP22 critically regulates PML protein stability by modifying PML residue K394 in advanced colon carcinoma cells in vitro and that this modification also impacts the homeostasis and function of the leukemia-associated mutant variant PML-RARα. We found that ablation of USP22 decreases PML mono-ubiquitylation and correlates with a prolonged protein half-live in colon carcinoma and acute promyelocytic leukemia (APL) cell lines. Additionally, silencing of USP22 enhances interferon and interferon-stimulated gene (ISG) expression in APL cells in vitro, which together with prolonged PML-RARα stability increases the APL cell sensitivity towards differentiation treatment. In accordance with the novel roles of USP22 as suppressor of the interferon response in human intestinal epithelial cells (hIECs), our findings imply USP22-dependent surveillance of PML-RARα stability and interferon signaling in human leukemia cells, revealing USP22 as central regulator of leukemia pathogenesis.
Ziel dieser Arbeit ist die Identifikation des Einflusses klassischer Labormaterialien und alternativer Experimentiermaterialien auf fachdidaktische Anforderungen an ein gelungenes Experiment im Chemieunterricht. Dabei umfassen alternative Experimentiermaterialien sowohl Materialien aus der alltäglichen Lebenswelt von Schülerinnen und Schülern als auch Materialien aus dem Bereich der Medizintechnik, die anstelle von Materialien des gängigen Laborbetriebs im Chemieunterricht eingesetzt werden. Um den Einfluss des Experimentiermaterials auf entsprechende Anforderungen untersuchen zu können, wurden im Rahmen eines Mixed-Method-Designs zwei aufeinander aufbauende Studien durchgeführt. Bei Studie I handelt es sich um eine qualitative Interviewstudie unter N = 13 Chemielehrkräften, mit denen vor dem theoretischen Hintergrund fachdidaktischer Anforderungen an ein gelungenes Schulexperiment problemorientierte, leit-fadengestützte Interviews zu Vor- und Nachteilen beim Einsatz alternativer Experimentiermaterialien und klassischer Labormaterialien im Chemieunterricht geführt wurden. Anhand des gewonnenen Interviewmaterials wurden anschließend zunächst Eigenschaften identifiziert, in denen sich beide Materialpools voneinander unterscheiden, um davon ausgehend ein Kategoriensystem aufstellen zu können, das in Form einer Matrix den Einfluss dieser Materialeigenschaften auf organisatorische, experimentelle und affektive Anforderungen an ein Schulexperiment im Chemieunterricht darstellt. Dabei konnte in Bezug auf organisatorische Anforderungen insbesondere ein Einfluss des Experimentiermaterials auf zeitliche und finanzielle Rahmenbedingungen sowie auf Anforderungen zur Sicherheit beim Experimentieren im Chemieunterricht festgestellt werden. Ergebnisse zum Einfluss des Experimentiermaterials auf affektive und experimentelle Anforderungen an ein Schulexperiment wurden wiederum genutzt, um anschließend Hypothesen zum Einfluss des Experimentiermaterials auf entsprechende Anforderungen an gelungene Experimente im Chemieunterricht zu generieren, dabei an gelungene Schülerexperimente im Speziellen. Diese Hypothesen wurden in einer zweiten Studie quantitativ getestet. Innerhalb eines experimentellen Untersuchungsdesigns führten dazu insgesamt N = 293 Schülerinnen und Schüler eines von insgesamt fünf betrachteten Schülerexperimenten mit jeweils klassischem Labormaterial oder in einer jeweiligen Variante aus alternativem Experimentiermaterial durch. Im Anschluss beurteilten N = 237 Schülerinnen und Schüler im Rahmen einer Fragebogenerhebung ihre subjektive Wahrnehmung der Experimentiersituation bezüglich der Variablen Grad der Herausforderung, Beobachtbarkeit, Autonomieerleben, Anspannung/ Druck, Kompetenzerleben und Interesse/ Vergnügen. Mit Ausnahme des Kompetenzerlebens und der Beobachtbarkeit konnte zu allen betrachteten Variablen ein signifikanter Einfluss des Experimentiermaterials festgestellt werden. Um diese Ergebnisse der Hypothesentests näher beschreiben und differenzierter erläutern zu können, beantworteten die 237 Schülerinnen und Schüler zusätzlich offene Fragen zu den von ihnen verwendeten Experimentiermaterialien; mit N = 56 weiteren Schülerinnen und Schülern wurden aus diesem Grund außerdem leitfadengestützte Gruppeninterviews geführt. Um folglich auch aus Schülerperspektive möglichst allgemeingültige Einflüsse beider Materialpools auf fachdidaktische Anforderungen an ein gelungenes Schulexperiment zusammenfassen zu können, werden die Ergebnisse dieser qualitativen Datenerhebung ebenfalls in Form einer entsprechenden Matrix dargestellt und dabei von den konkret durchgeführten Experimenten abstrahiert. Neben dem bereits genannten Einfluss des Experimentiermaterials auf den von Schülerinnen und Schülern wahrgenommenen Grad der Herausforderung, das wahrgenommene Autonomieerleben, die/ den wahrgenommene/n Anspannung/ Druck beim Experimentieren sowie das wahrgenommene Interesse/ Vergnügen an der Experimentiersituation konnte dadurch insbesondere ein Materialeinfluss auf die Durchschaubarkeit eines Versuchsaufbaus und deren einzelner Bestandteile sowie auf die wahrgenommene Authentizität einer Experimentiersituation identifiziert werden. Dadurch zeigt die Gesamtuntersuchung auf theoretischer Ebene die Bedeutsamkeit des konkreten Experimentiermaterials als Qualitätsmerkmal des Chemieunterrichts und gibt Lehrkräften auf unterrichtspraktischer Ebene einen Überblick zu Potentialen und Grenzen alternativer Experimentiermaterialien im Vergleich zu etabliertem klassischem Labormaterial.