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Determining the structure and mechanisms of all individual functional modules of cells at high molecular detail has often been seen as equal to understanding how cells work. Recent technical advances have led to a flush of high-resolution structures of various macromolecular machines, but despite this wealth of detailed information, our understanding of cellular function remains incomplete. Here, we discuss present-day limitations of structural biology and highlight novel technologies that may enable us to analyze molecular functions directly inside cells. We predict that the progression toward structural cell biology will involve a shift toward conceptualizing a 4D virtual reality of cells using digital twins. These will capture cellular segments in a highly enriched molecular detail, include dynamic changes, and facilitate simulations of molecular processes, leading to novel and experimentally testable predictions. Transferring biological questions into algorithms that learn from the existing wealth of data and explore novel solutions may ultimately unveil how cells work.
The ubiquitin (Ub) code denotes the complex Ub architectures, including Ub chains of different length, linkage-type and linkage combinations, which enable ubiquitination to control a wide range of protein fates. Although many linkage-specific interactors have been described, how interactors are able to decode more complex architectures is not fully understood. We conducted a Ub interactor screen, in humans and yeast, using Ub chains of varying length, as well as, homotypic and heterotypic branched chains of the two most abundant linkage types – K48- and K63-linked Ub. We identified some of the first K48/K63 branch-specific Ub interactors, including histone ADP-ribosyltransferase PARP10/ARTD10, E3 ligase UBR4 and huntingtin-interacting protein HIP1. Furthermore, we revealed the importance of chain length by identifying interactors with a preference for Ub3 over Ub2 chains, including Ub-directed endoprotease DDI2, autophagy receptor CCDC50 and p97-adaptor FAF1. Crucially, we compared datasets collected using two common DUB inhibitors – Chloroacetamide and N-ethylmaleimide. This revealed inhibitor-dependent interactors, highlighting the importance of inhibitor consideration during pulldown studies. This dataset is a key resource for understanding how the Ub code is read.
Microbial rhodopsins are omnipresent on Earth, however the vast majority of them remain uncharacterized. Here we describe a new rhodopsin group from cold-adapted organisms and cold environments, such as glaciers, denoted as CryoRhodopsins (CryoRs). Our data suggest that CryoRs have dual functionality switching between inward transmembrane proton translocation and photosensory activity, both of which can be modulated with UV light. CryoR1 exhibits two subpopulations in the ground state, which upon light activation lead to transient photocurrents of opposing polarities. A distinguishing feature of the group is the presence of a buried arginine residue close to the cytoplasmic face of its members. Combining single-particle cryo-electron microscopy and X-ray crystallography with the rhodopsin activation by lit, we demonstrate that the arginine stabilizes a UV-absorbing intermediate of an extremely slow CryoRhodopsin photocycle. Together with extensive spectroscopic characterization, our investigations on CryoR1 and CryoR2 proteins reveal mechanisms of photoswitching in the newly identified group and demonstrate principles of the adaptation of these rhodopsins to low temperatures.Microbial rhodopsins are omnipresent on Earth, however the vast majority of them remain uncharacterized. Here we describe a new rhodopsin group from cold-adapted organisms and cold environments, such as glaciers, denoted as CryoRhodopsins (CryoRs). Our data suggest that CryoRs have dual functionality switching between inward transmembrane proton translocation and photosensory activity, both of which can be modulated with UV light. CryoR1 exhibits two subpopulations in the ground state, which upon light activation lead to transient photocurrents of opposing polarities. A distinguishing feature of the group is the presence of a buried arginine residue close to the cytoplasmic face of its members. Combining single-particle cryo-electron microscopy and X-ray crystallography with the rhodopsin activation by light, we demonstrate that the arginine stabilizes a UV-absorbing intermediate of an extremely slow CryoRhodopsin photocycle. Together with extensive spectroscopic characterization, our investigations on CryoR1 and CryoR2 proteins reveal mechanisms of photoswitching in the newly identified group and demonstrate principles of the adaptation of these rhodopsins to low temperatures.
Microbial rhodopsins are omnipresent on Earth, however the vast majority of them remain uncharacterized. Here we describe a new rhodopsin clade from cold-adapted organisms and cold environments, such as glaciers, denoted as CryoRhodopsins (CryoRs). Our data suggest that CryoRs have photosensory activity. A distinguishing feature of the clade is the presence of a buried arginine residue close to the cytoplasmic face of its members. Combining single-particle cryo-electron microscopy and X-ray crystallography with the rhodopsin activation by light, we demonstrate that the arginine stabilizes a strongly blue-shifted intermediate of an extremely slow CryoRhodopsin photocycle. Together with extensive spectroscopic characterization, our investigations on CryoR1 and CryoR2 proteins reveal mechanisms of photoswitching in the newly identified clade and demonstrate principles of the adaptation of these rhodopsins to low temperatures.
The lipid content of skin plays a determinant role in its barrier function with a particularly important role attributed to linoleic acid and its derivatives. Here we explored the consequences of interfering with the soluble epoxide hydrolase (sEH) on skin homeostasis. sEH; which converts fatty acid epoxides generated by cytochrome P450 enzymes to their corresponding diols, was largely restricted to the epidermis which was enriched in sEH-generated diols. Global deletion of the sEH increased levels of epoxides, including the linoleic acid-derived epoxide; 12,13-epoxyoctadecenoic acid (12,13-EpOME), and increased basal keratinocyte proliferation. sEH deletion (sEH-/- mice) resulted in thicker differentiated spinous and corneocyte layers compared to wild-type mice, a hyperkeratosis phenotype that was reproduced in wild-type mice treated with a sEH inhibitor. sEH deletion made the skin sensitive to inflammation and sEH-/- mice developed thicker imiquimod-induced psoriasis plaques than the control group and were more prone to inflammation triggered by mechanical stress with pronounced infiltration and activation of neutrophils as well as vascular leak and increased 12,13-EpOME and leukotriene (LT) B4 levels. Topical treatment of LTB4 antagonist after stripping successfully inhibited inflammation and neutrophil infiltration both in wild type and sEH-/- skin. While 12,13-EpoME had no effect on the trans-endothelial migration of neutrophils, like LTB4, it effectively induced neutrophil adhesion and activation. These observations indicate that while the increased accumulation of neutrophils in sEH-deficient skin could be attributed to the increase in LTB4 levels, both 12,13-EpOME and LTB4 contribute to neutrophil activation. Our observations identify a protective role of the sEH in the skin and should be taken into account when designing future clinical trials with sEH inhibitors.
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 has 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.
The title compound, di-μ3-chlorido-tetra-μ2-chlorido-tetrakis(diethyl ether-κO)bis(1,1-dimethylethyl)tetramagnesium, [Mg4(C4H9)2Cl6(C4H10O)4], features an Mg4Cl6 open-cube cluster. The two four-coordinate Mg2+ ions show an almost tetrahedral coordination, whereas the two six-coordinate Mg2+ ions have their ligands in an octahedral environment. The Mg—Cl bond lengths differ depending on the coordination number (2 or 3) of the bridging μ-Cl− ligands. There are few comparable structures deposited in the Cambridge Structural Database.
The EMT-transcription factor ZEB1 has been intensively studied in solid cancers, where it is expressed at the invasive front and in cancer-associated fibroblasts (CAFs). In tumour cells, ZEB1 has been involved in multiple steps of cancer progression including stemness, metastasis and therapy resistance, yet its role in the tumour-microenvironment is largely unknown. Here, the role of Zeb1 in CAFs was investigated using mouse models reflecting different tumour stages in immunocompetent fibroblast specific Zeb1 KO mice. Fibroblast-specific depletion of Zeb1 accelerated tumour growth in the inflammation driven AOM/DSS tumour initiation model, reduced tumour growth and invasion in the sporadic AOM/P53 model and reduced liver metastasis in a progressed orthotopic transplantation model. Immunohistochemical and single cell RNA-sequencing analysis showed that Zeb1 ablation resulted in attenuated expression of the myofibroblast marker aSMA and reduced ECM deposition, indicating a shift among fibroblast subpopulations. Modulation of CAFs was furthermore associated with increased inflammatory signaling in fibroblasts resulting in immune infiltration into primary tumours and exaggerated inflammatory signaling in T cells, B cells and macrophages. These changes in the tumour microenvironment were associated with increased efficacy of immune checkpoint inhibition therapy. In summary, Zeb1 expression in CAFs was identified as a potential target to block immunosuppression and metastatic dissemination in colon cancer.
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.
Cryo-electron tomography (cryo-ET) is a powerful method to elucidate subcellular architecture and to structurally analyse biomolecules in situ by subtomogram averaging (STA). Specimen thickness is a key factor affecting cryo-ET data quality. Cells that are too thick for transmission imaging can be thinned by cryo-focused-ion-beam (cryo-FIB) milling. However, optimal specimen thickness for cryo-ET on lamellae has not been systematically investigated. Furthermore, the ions used to ablate material can cause damage in the lamellae, thereby reducing STA resolution. Here, we systematically benchmark the resolution depending on lamella thickness and the depth of the particles within the sample. Up to ca. 180 nm, lamella thickness does not negatively impact resolution. This shows that there is no need to generate very thin lamellae and thickness can be chosen such that it captures major cellular features. Furthermore, we show that gallium-ion-induced damage extends to depths of up to 30 nm from either lamella surface.
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 dimerize, 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.
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.
The TOM complex is the main entry point for precursor proteins into mitochondria. Precursor proteins containing targeting sequences are recognized by the TOM complex and imported into the mitochondria. We have determined the structure of the TOM core complex from Neurospora crassa by single-particle cryoEM at 3.3 Å resolution, showing its interaction with a bound presequence at 4 Å resolution, and of the TOM holo complex including the Tom20 receptor at 6-7 Å resolution. TOM is a transmembrane complex consisting of two β-barrels, three receptor subunits and three short transmembrane subunits. Tom20 has a transmembrane helix and a receptor domain on the cytoplasmic side. We propose that Tom20 acts as a dynamic gatekeeper, guiding precursor proteins into the pores of the TOM complex. We analyze the interactions of Tom20 with other TOM subunits, present insights into the structure of the TOM holo complex, and suggest a translocation mechanism.
The human growth factor receptor MET is a receptor tyrosine kinase involved in cell proliferation, migration, and survival. MET is also hijacked by the intracellular pathogen Listeria monocytogenes. Its invasion protein, internalin B (InlB), binds to MET and promotes the formation of a signaling dimer that triggers the internalization of the pathogen. Here, we use a combination of structural biology, modeling, molecular dynamics simulations, and in situ single-molecule Förster resonance energy transfer (smFRET) experiments to elucidate the early events in MET activation by Listeria. Simulations show that InlB binding stabilizes MET in a conformation that promotes dimer formation. smFRET identifies the organization of the in situ signaling dimer. Further MD simulations of the dimer model are in quantitative agreement with smFRET. We accurately describe the structural dynamics underpinning an important cellular event and introduce a powerful methodological pipeline applicable to studying the activation of other plasma membrane receptors.
Movement of the Rieske domain of the iron–sulfur protein is essential for intramolecular electron transfer within complex III2 (CIII2) of the respiratory chain as it bridges a gap in the cofactor chain towards the electron acceptor cytochrome c. We present cryo-EM structures of CIII2 from Yarrowia lipolytica at resolutions up to 2.0 Å under different conditions, with different redox states of the cofactors of the high-potential chain. All possible permutations of three primary positions were observed, indicating that the two halves of the dimeric complex act independently. Addition of the substrate analogue decylubiquinone to CIII2 with a reduced high-potential chain increased the occupancy of the Qo site. The extent of Rieske domain interactions through hydrogen bonds to the cytochrome b and cytochrome c1 subunits varied depending on the redox state and substrate. In the absence of quinols, the reduced Rieske domain interacted more closely with cytochrome b and cytochrome c1 than in the oxidized state. Upon addition of the inhibitor antimycin A, the heterogeneity of the cd1-helix and ef-loop increased, which may be indicative of a long-range effect on the Rieske domain.
A sustainable strategy for O-trifluoromethylation of electron-deficient phenols by combining electrochemical synthesis with flow technology is presented. The reaction is optimized by screening experiments to establish a fast and efficient flow protocol. Simultaneous anodic oxidation of Langlois reagent and the phenols in a micro flow cell leads to direct preparation of trifluoromethyl ethers in yields up to 90%. This one-step protocol is tolerant of several functional groups, shows good regioselectivity and works without any chemical oxidants and catalysts by using electrical current as an inexpensive and sustainable reagent.
Vertebrate life depends on renal function to filter excess fluid and remove low-molecular-weight waste products. An essential component of the kidney filtration barrier is the slit diaphragm (SD), a specialized cell-cell junction between podocytes. Although the constituents of the SD are largely known, its molecular organization remains elusive. Here, we use super-resolution correlative light and electron microscopy to quantify a linear rate of reduction in albumin concentration across the filtration barrier under no-flow conditions. Next, we use cryo-electron tomography of vitreous lamellae from high-pressure frozen native glomeruli to analyze the molecular architecture of the SD. The resulting densities resemble a fishnet pattern. Fitting of Nephrin and Neph1, the main constituents of the SD, results in a complex interaction pattern with multiple contact sites between the molecules. Using molecular dynamics simulations, we construct a blueprint of the SD that explains its molecular architecture. Our architectural understanding of the SD reconciles previous findings and provides a mechanistic framework for the development of novel therapies to treat kidney dysfunction.
Classical molecular dynamics (MD) simulations provide unmatched spatial and time resolution of protein structure and function. However, accuracy of MD simulations often depends on the quality of force field parameters and the time scale of sampling. Another limitation of conventional MD simulations is that the protonation states of titratable amino acid residues remain fixed during simulations, even though protonation state changes coupled to conformational dynamics are central to protein function. Due to the uncertainty in selecting protonation states, classical MD simulations are sometimes performed with all amino acids modeled in their standard charged states at pH 7. Here we performed and analyzed classical MD simulations on high-resolution cryo-EM structures of two membrane proteins that transfer protons by catalyzing protonation/deprotonation reactions. In simulations performed with amino acids modeled in their standard protonation state the structure diverges far from its starting conformation. In comparison, MD simulations performed with pre-determined protonation states of amino acid residues reproduce the structural conformation, protein hydration, and protein-water and protein-protein interactions of the structure much better. The results suggest it is crucial to perform basic protonation state calculations, especially on structures where protonation changes play an important functional role, prior to launching any MD simulations. Furthermore, the combined approach of protonation state prediction and MD simulations can provide valuable information on the charge states of amino acids in the cryo-EM sample. Even though accurate prediction of protonation states currently remains a challenge, we introduce an approach of combining pKa prediction with cryo-EM density map analysis that helps in improving not only the protonation state predictions, but also the atomic modeling of density data.
Vertebrate life depends on renal function to filter excess fluid and remove low-molecular-weight waste products. An essential component of the kidney filtration barrier is the slit diaphragm (SD), a specialized cell-cell junction between podocytes. Although the constituents of the SD are largely known, its molecular organization remains elusive. Here, we use super-resolution correlative light and electron microscopy to quantify a linear rate of reduction in albumin concentration across the filtration barrier. Next, we use cryo-electron tomography of vitreous lamellae from high-pressure frozen native glomeruli to analyze the molecular architecture of the SD. The resulting densities resemble a fishnet pattern. Fitting of Nephrin and Neph1, the main constituents of the SD, results in a complex interaction pattern with multiple contact sites between the molecules. Using molecular dynamics flexible fitting, we construct a blueprint of the SD, where we describe all interactions. Our architectural understanding of the SD reconciles previous findings and provides a mechanistic framework for the development of novel therapies to treat kidney dysfunction.
Light-driven sodium pumps (NaRs) are unique ion-transporting microbial rhodopsins. The major group of NaRs is characterized by an NDQ motif and has two aspartic acid residues in the central region essential for sodium transport. Here we identified a new subgroup of the NDQ rhodopsins bearing an additional glutamic acid residue in the close vicinity to the retinal Schiff base. We thoroughly characterized a member of this subgroup, namely the protein ErNaR from Erythrobacter sp. HL-111 and showed that the additional glutamic acid results in almost complete loss of pH sensitivity for sodium-pumping activity, which is in contrast to previously studied NaRs. ErNaR is capable of transporting sodium efficiently even at acidic pH levels. X-ray crystallography and single particle cryo-electron microscopy reveal that the additional glutamic acid residue mediates the connection between the other two Schiff base counterions and strongly interacts with the aspartic acid of the characteristic NDQ motif. Hence, it reduces its pKa. Our findings shed light on a new subgroup of NaRs and might serve as a basis for their rational optimization for optogenetics.
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Synthese und Untersuchung funktioneller Materialien für die Modifizierung von Grenz- und Oberflächen. Einen wichtigen Einfluss auf die Bildung der untersuchten, hochgeordneten Strukturen hat das Konzept der Selbstanordnung, dessen Grundlage schwache Wechselwirkungen sind. Ihre Ausbildung erfordert das Vorliegen geeigneter, funktioneller Gruppen in den Präkursoren und damit die Nutzung der vielfältigen Möglichkeiten der chemischen Synthese zur Bereitstellung maßgeschneidert funktionalisierter Moleküle. Den fünf Projekten dieser Arbeit gemeinsam ist daher die Synthese und Untersuchung für den jeweiligen Anwendungszweck geeigneter, dipolarer Präkursor-Moleküle, die zur Ausbildung funktioneller Koordinationspolymere (CPs) bzw. Metall-organischer Gerüstverbindungen (MOFs) und selbstanordnender Monolagen (SAMs) genutzt werden können. In Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern wurden auf dieser Grundlage Untersuchungen zur Anwendbarkeit der erhaltenen Materialien in der Sensorik und zur Oberflächenfunktionalisierung durchgeführt.
Im ersten Projekt dieser Dissertation erfolgte die Untersuchung der Bildungs- und Phasenumwandlungsreaktionen von zehn verschiedenen Kupfer-Terephthalat Koordinationspolymeren. Neben bereits bekannten Koordinationspolymeren konnten so auch drei bisher literaturunbekannte CPs hergestellt und ihre Strukturen durch Kooperationspartner gelöst bzw. Strukturvorschläge gemacht werden. Die Identifikation und Auseinandersetzung mit strukturstabilisierenden Wechselwirkungen schließen dieses Projekt ab und bilden die Grundlage für die Untersuchung der Synthese und Stabilität abgeleiteter, komplexerer Koordinationspolymere.
Im Fokus des zweiten Projekts steht 𝛽-Cu2(bdc)(OH)2, ein Kupfer-Terephthalat Koordinationspolymer, dessen Kristallstruktur zuvor nicht bekannt war, im vorliegenden Projekt aber durch Kooperationspartner auf Basis des Röntgenpulverdiffraktogramms des Materials gelöst werden konnte. Der Vergleich der analytischen Daten von 𝛽-Cu2(bdc)(OH)2 mit der Literatur zeigte gute Übereinstimmungen u. a. der Diffraktogramme und IR-Spektren mit dem in der Literatur als SURMOF-2 bezeichneten, oberflächengebundenen Schichtmaterial. Aufgrunddessen kann davon ausgegangen werden, dass es sich bei SURMOF-2 um 𝛽-Cu2(bdc)(OH)2 handelt, und folglich dessen Kristallstrukturlösung die beiden bisher in der Literatur vorhandenen Strukturvorschläge für SURMOF-2 ersetzt.
Im Rahmen des dritten Projekts sollten für die Sensorik anwendbare, MOF-basierte Dünnschichtsysteme hergestellt werden. Das Sensorkonzept, das auf der Änderung des dielektrischen Verhaltens der MOFs bei Einlagerung dipolarer Analytmoleküle beruht, erfordert den Einsatz dipolarer Liganden in den entsprechenden Koordinationsnetzwerken. Hierfür wurden mehrere teilweise dipolare pillar-Liganden synthetisiert und diese für den Aufbau von Kupfer(II)terephthalat-basierten pillared-layer MOFs eingesetzt. Im Rahmen des Projekts konnten so auf Grundlage der Erkenntnisse aus Projekt 1 und in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern neue pillared-layer MOFs hergestellt und ihre Kristallstrukturen gelöst werden. Die abschließend durch Kooperationspartner erfolgte Abscheidung dünner, oberflächengebundener Schichten dieser MOFs und erste Untersuchungen hinsichtlich ihrer Eignung für die geplante Sensorikanwendung runden das Projekt ab.
Im vierten Projekt sollte eine geeignete, in situ abspaltbare Schutzgruppe für die Thiolgruppe etabliert und ihr Einfluss auf die Bildung von Terphenylthiolat-SAMs untersucht werden. Diese Voraussetzung erfüllt die im Rahmen dieser Arbeit am Beispiel von CH3-, F- und CF3-terminierten Terphenylthiolen etablierte 3,4-Dimethoxybenzyl-Gruppe, die sich durch den Zusatz von Trifluoressigsäure in der Abscheidungslösung in situ abspalten lässt. Zum Vergleich wurden von Kooperationspartner Monolagen aus den entsprechenden freien Thiolen abgeschieden und untersucht. Schichtdicken, Packungsdichten, Kippwinkel und Elementarzellen von Monolagen aus freien und geschützten Terphenylthiolen zeigen gute Übereinstimmungen. Im Gegensatz zu anderen, ebenfalls in situ abspaltbaren Gruppen hat die Anwesenheit der 3,4-Dimethoxybenzyl-Gruppe folglich keinen negativen Einfluss auf die Struktur und Qualität der gebildeten Monolagen.
In Fortführung des vorangegangenen Projekts wurde im abschließenden Projekt in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern der Einfluss verschiedener Kopfgruppen (H-, CH3-, F-, CF3- und SF5-) und der Länge des aromatischen Rückgrats (Phenyl-, Biphenyl- und Terphenyl-) auf die Ladungstransporteigenschaften der entsprechenden SAMs untersucht. Mit Ausnahme einiger Benzolthiole, lieferten alle betrachteten Präkursoren hochgeordnete, dicht gepackte Schichten aus aufrecht angeordneten Molekülen. Wie erwartet korreliert die Austrittsarbeit der modifizierten Oberflächen mit dem Dipolmoment der jeweiligen Kopfgruppe, wobei der Effekt der SF5-Gruppe mit einer erzielten Austrittsarbeit von annähernd 6 eV besonders hervorzuheben ist. Den Erwartungen entsprechend, sinkt die elektrische Stromdichte bei gleichbleibender Kopfgruppe mit steigender Moleküllänge. Die Stromdichte ist außerdem von der Kopfgruppe abhängig und nimmt von CH3- über H-, CF3- und SF5- bis hin zu F- ab, korreliert aber folglich nicht mit der Austrittsarbeit oder dem Dipolmoment.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.