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Im Rahmen dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob eine Zellzyklusabhängigkeit der CD95- vermittelten Apoptose besteht. Dazu wurde ein ecdysoninduzierbares Genexpressionsystem für die induzierte Überexpression der CDK-Inhibitoren p21 und p27 in RKO-Zellen (Kolonkarzinomzellen) zur Herbeiführung eines Zellzyklusarrests in der G1-Phase benutzt. Nach Induktion mit dem Ecdysonhomolog Muristeron wurde durch Zugabe von rekombinanten hCD95-Liganden Apoptose ausgelöst und anschließend untersucht. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass der Induktor Muristeron an sich und nicht die p21- bzw. p27-Überexpression die anti-apoptotische Akt-Kinase aktiviert, die Expression des anti-apoptotischen Bcl-xL erhöht, die Caspase-8-Aktivierung (entweder am CD95-DISC oder durch "Feedback"-Aktivierung durch Caspase-3) und die darauf folgenden Ereignisse verhindert und somit die hCD95L-induzierte Apoptose blockiert. Zusätzlich beeinflusst der Induktor auch das Genexpressionsmuster der behandelten Zellen, was ebenfalls für die Hemmung der Apoptose mit verantwortlich sein könnte. Somit ist das ecdysoninduzierbare Genexpressionsystem zur Apoptoseuntersuchung in RKO-Zellen nicht verwendbar. Mit der Untersuchung des Apoptoseverhaltens proliferierender RKO-Zellen konnte gezeigt werden, dass überlebende Zellen nach hCD95L-Behandlung vermehrt in der G0/G1-Zellzyklusphase nachweisbar sind, während apoptotische (Caspase-3-positive) Zellen aus der G2/M-Phase heraus sterben. Allerdings weisen die apoptotischen Zellen kaum Cyclin B1 auf, ein für die G2-Phase wichtiges und typisches Cyclin. Somit bleibt die genaue Verknüpfung von Zellzyklusregulation und Apoptose auch nach diesen Analysen ungeklärt. In einem dritten Ansatz - Zellzyklusarrest durch Dichtearretierung - konnte eine Hemmung der CD95- vermittelten Apoptose in der arretierten Zellpopulation nachgewiesen werden. Allerdings sekretieren RKO-Zellen einen anti-apoptotischen Faktor in ihr Medium, dessen Konzentration und Wirkung mit größerer Zelldichte zunimmt und somit für die Protektion, unabhängig von Zellzyklusarrest oder Proliferation, verantwortlich ist. Konfluente und auch mit konditioniertem Medium behandelte RKO-Zellen zeigen im Vergleich zu dünn ausgesäten RKO-Zellen Veränderungen, die denen sehr ähnlich sind die beim Übergang einer epithelverankerten Zelle zu einer migrierenden Einzelzelle (EMT) auftreten. Beispielsweise verändert sich die Zusammensetzung des Zytoskeletts, die Zellen verlieren den Zell-Zell-Kontakt und lösen sich ab, bleiben aber am Leben. Zusätzlich steigt die Sekretion von Zytokinen an, die Angiogenese, Migration und Invasion positiv beeinflussen. Sowohl konfluente als auch mit konditioniertem Medium behandelte sub-konfluente Zellen sind apoptoseresistent (hCD95L, TRAIL, UV, Staurosporin), woran u.a. die Kinasen PKC und PI3K, aber auch das anti-apoptotische Bcl-xL beteiligt sind. Die Zellen sterben interessanterweise, wenn ein agonistischer anti-CD95-Antikörper statt des rekombinanten CD95-Liganden verwendet wird, was vermuten lässt, dass eine mangelhafte Vernetzung der einzelnen DISC-Komplexe zur Apoptosehemmung führt, welche durch den Antikörper dann aber erzwungen wird. Zwar handelt es sich hierbei um ein reines Zellkulturmodell, dennoch könnte es bedeuten, dass die Umgebung in einer dichten RKO-Zellkultur vergleichbar ist mit der in größeren soliden Tumoren. Die Zellen brauchen Nährstoffe, versuchen über eine Neovaskularisierung Anschluss an ein Blutsystem zu finden und sekretieren Lockstoffe, Wachstumsfaktoren sowie Proteasen, um die Metastasierung zu erleichtern. PI3K, cPKCs und Bcl-xL tragen dabei zu einer Apoptoseresistenz bei, welche die Zellen zum einen resistent gegenüber Anoikis, Nährstoffmangel, aber auch gegen angreifende zytotoxische T-Zellen macht. Eine weitere Aufklärung der hier ablaufenden Prozesse würde es erleichtern, Möglichkeiten zu finden, in diese Signalwege einzugreifen, um die Apoptosesensitivität wieder herzustellen und die Metastasierung zu verhindern. Insbesondere ist die Identifizierung des für die Apoptoseprotektion verantwortlichen Zytokins das nächste wichtige Ziel bei der Fortsetzung dieser Arbeiten.
Autophagy, together with the ubiquitin-proteasome system, is the main quality control pathway responsible for maintaining cell homeostasis. There are several types of autophagy distinguished by cargo selectivity and means of induction. This thesis focuses on macroautophagy, hereafter autophagy, where a double-layered membrane is formed originating from the endoplasmatic reticulum (ER) engulfing cargo selectively or unselectively. Subsequently, a vesicle forms around the cargo, an autophagosome, and eventually fuses with the lysosome leading to degradation of the vesicle content and release of the cargo “building blocks”. Basal autophagy continuously occurs, unselectively engulfing a portion of the cytoplasm. However, autophagy can also be induced by stress such as starvation, protein aggregation, damaged organelles, intracellular pathogens etc. In this case, the cargo is selectively targeted, and the fate of the autophagosome is the same as in basal autophagy. In recent years, interest in identifying mechanisms of autophagy regulation has risen due to its importance in neurodegenerative diseases and cancer. Given the complexity of the process, its execution is tightly regulated from initiation, autophagosome formation, expansion, closure, and finally fusion with the lysosome. Each of the steps involves different protein complexes, whose timely activity is orchestrated by post-translational modifications. One of them is ubiquitination. Ubiquitin is a small, 76-amino acid protein conjugated in a 3-step reaction to other proteins, in a reversible manner, meaning undone by deubiquitinases. Originally described as a degradation signal targeting proteins to the proteasome, today it is known it has various additional non-proteolytic functions, such as regulating a protein’s activity, localization, or interaction partners. The role of ubiquitin in autophagy has already been shown. However, given the reversibility and fine-tuning of the ubiquitin signal, many expected regulators remain unidentified. This work aimed to identify novel deubiquitinating enzymes that regulate autophagy. We identified ubiquitin-specific protease 11 (USP11) as a novel, negative regulator of autophagy. Loss of USP11 leads to an increase in autophagic flux, whereas overexpression of USP11 attenuates it. Moreover, this observation was reproducible in model organism Caenorhabditis elegans, emphasizing the importance of USP11 in autophagy regulation. To identify the mechanism of USP11-dependent autophagy regulation, we performed a USP11 interactome screen after 4 hour Torin1 treatment and identified a plethora of autophagy-related proteins. Following the most prominent hits, we have investigated versatile ways in which USP11 regulates autophagy. USP11 interacts with the PI3KC3 complex, the role of which is phosphorylating lipids of the ER, thereby initiating the formation of the autophagosomal membrane. Phosphorylated lipids serve as a recruitment signal for downstream effector proteins necessary for the membrane expansion. The core components of the complex are VPS34, the lipid kinase, ATG14, the protein responsible for targeting the complex to the ER, VPS15, a pseudokinase with a scaffolding role, Beclin1, a regulatory subunit, and NRBF2, the dimer-inducing subunit. We have found USP11 interacts with the complex and, based on its activity, USP11 influences post-translational status of all the aforementioned subunits, except for ATG14. Moreover, we have found that loss of USP11 leads to an increase in NRBF2 levels, whereas it does not change the levels of the other proteins. Given that the dimerization of the complex leads to an increase in complex activity, we investigated if the complex is more tightly formed in the absence of USP11, and if it is more active. We have found both to be the case. Although the exact mechanism of USP11-dependent PI3KC3 complex regulation remains to be identified, we found that loss of USP11 stimulates the complex formation and activity, likely contributing to the general effect of USP11 on autophagy flux. Additionally, we found that USP11 modulates levels of mTOR, the most upstream kinase in autophagy initiation steps and general multifaceted metabolism regulator. Loss of USP11 led to downregulation of mTOR levels, suggesting USP11 may rescue mTOR from proteasome-mediated degradation. Furthermore, we found mTOR to be differentially modified depending on the activity of USP11. However, it remains to be shown if USP11-dependent mTOR regulation contributes to the observed autophagy phenotype. Taken together, USP11 is a novel, versatile, negative regulator of autophagy, and an important addition to our knowledge on the regulation of autophagy by the ubiquitin system.
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.
Solute carrier (SLC) are related to various diseases in human and promising pharmaceutical targets but more structural and functional information on SLCs is required to expand their use for drug design and therapy. The 7-transmembrane segment inverted (7-TMIR) fold was identified for the SLC families 4, 23 and 26 in the last decade thus detailed analysis of the structure function relationship of one of these families might also yield insights for the other two. SVCT1 and SVCT2 from the SLC23 family are sodium dependent ascorbic acid transporters in human but structural analysis of the SLC23 family is exclusively based on two homologs – UraA from E. coli and UapA from A. nidulans – yielding two inward-facing and one occluded conformation. In combination with outward-facing conformations from SLC4 transporters, and additional information from the SLC26 family, an elevator transport mechanism for all 7-TMIR proteins was identified but detailed mechanistic features of the transport remain elusive due to the lack of multiple conformations from individual transporters.
To increase the understanding of 7-TMIR protein structure and function in this study, the transport mechanism of SLC23 transporters was analyzed by two strategies including selection of alpaca derived nanobodies and synthetic nanobodies against UraA as prokaryotic model protein of the SLC23 family. The second strategy involved mutagenesis of UraA at functional relevant positions regarding the conformational change during transport. Therefore, available structures of 7-TMIR proteins and less related elevator transporters were analyzed and a common motif identified – the alpha helical inter-domain linkers. The proposed rigid body movement for transport in combination with the characteristic alpha helical secondary structure of the linkers connecting both rigid bodies led to the hypothesis of functional relevance of the linkers and a conformational hinge being located in close proximity to the linkers. These positions were identified and used to modulate the biophysical properties of the transporter. Mutagenesis at three relevant positions led to loss of transport functionality and these UraA variants could be recombinantly produced and purified to further examine the underlying mechanistic effects. The variants UraAG320P and UraAP330G from the periplasmic inter-domain linker showed increased dimerization and thermal stability as well as substrate binding in solution. The substrate affinity of UraAG320P was identified to be 5-fold higher compared to the wildtype. The solvent accessibility of the substrate binding site in UraAG320P and UraAP330G revealed reduced open probability that indicated an altered conformational space compared to UraAWT. This phenomenon was analyzed in more detail by differential hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry and the results supported the hypothesis of a reduced open probability and gave further insights into the impact of the two mutations in the periplasmic inter-domain linker in UraA.
This thesis further presents strategies for phage display selection of nanobodies with epitope bias and a post selection analysis pipeline to identify nanobodies with desired binding characteristics. Thereby, whole cell transport inhibition highlighted periplasmic epitope binders and conformational selectivity. A cytoplasmic epitope could be identified by pulldown with inside-out membrane vesicles for one cytoplasmic side binder. Thermal stabilization analysis of the target protein in differential scanning fluorometry was performed in presence of two different nanobodies to identify simultaneous binding by additional thermal stabilization respectively competition by intermediate melting temperatures. Combination of epitope information with simultaneous DSF could be used to identify the stabilization of different UraA conformations by a set of binders and presents a general nanobody selection strategy for other SLCs. Synthetic nanobodies (sybodies) were also included in the analysis pipeline and Sy45 identified as promising candidate for co-crystallization that gave rise to UraAWT crystals in several conditions in presence or absence of uracil. Similar crystals could be obtained in combination with UraAG320P that were further optimized to gain structural information on this mutant. The structure was solved by molecular replacement and the model refined at 3.1 Å resolution confirming the cytoplasmic epitope of Sy45 as predicted by the selection pipeline. The stabilized conformation was inward-facing similar to the reported UapA structure but significantly different to the previously reported inward-facing structure of UraA. The structure further confirmed the structural integrity of the UraA mutant G320P. Despite the monomeric state of UraA in the structure, the gate domain aligned reasonably well with the gate domain of the previously published dimeric UraA structure in the occluded conformation and allowed detailed analysis of the conformational transition in UraA from inward-facing to occluded by a single rigid body movement. Thereby little movement in the gate domain of UraA was observed in contrast to a previously reported transport mechanism. Core domain rotation around a rotation axis parallel to the substrate barrier was found to explain the major part of conformational transition from inward-facing to occluded and experimentally supported the hypothesized mechanism by Chang et al. (2017). Additionally, the conformational hinge around position G320 in UraA could be identified as well as the impact of the backbone rigidity introduced by the highly conserved proline residue at position 330 in UraA on the conformational transition. This position was found to serve as anchoring point the inter-domain linker and determines the coordinated movement of inter-domain linker and core domain. The functional analysis further highlighted the requirement of alpha helical secondary structure within the inter-domain linker that serves as amphipathic structural entity that can adjust to changed core-gate domain distances and angles during transport by extension/compression or bending while preserving the rigid linkage.
The applied strategies to modulate the conformational space of UraA by mutagenesis at the hinge positions in the inter-domain linkers is transferrable to other transporters and might facilitate their structural and functional characterization.
Further, this study discusses the conformational thermostabilization of UraA that is based on increased melting temperatures upon restriction of its conformational freedom. The term ‘conformational thermostabilization’ introduced by Serrano-Vega et al. (2007) could be experimentally supported and the direct correlation between the conformational freedom and thermostabilization was qualitatively analyzed for UraA. The concept of conformational thermostabilization might help in characterization of other dynamic transport systems as well.
The function of APOBEC3G in the innate immune response against the HIV infection of primary cells
(2008)
In the past few years the regulation of HIV-1 replication by cellular cofactors has been a major topic of ongoing research. These factors potentially represent new targets for antiviral therapy as resistance will be minimized. However this requires a better understanding of the interaction of HIV-1 with these cellular factors and the immune system. The virus infects the cells of the immune system, beginning with macrophages and dendritic cells as primary target cells during transmission. The cellular cofactor, APOBEC3G was found to be an antiviral factor in macrophages, dendritic cells and primary T cells. APOBEC3G is a cytidindeaminase which causes G->A hypermutations in the HIV-Genome. Another protein which has a strong inhibitory effect on the HIV infection is Interferon alpha (IFN-alpha), however the exact reason for this has not yet been elucidated. The bacterial protein, Lipopolysaccharide (LPS) also induces a strong antiviral state in macrophages. In micro-array analysis it was shown that APOBEC3G was upregulated after the stimulation with both IFN-alpha and LPS in macrophages. The goal of this work was to investigate the role of APOBEC3G in the innate immune response to APOBEC3G. For this, the expression of APOBEC3G was examined in HIV-1 target cells after stimulation with IFN-alpha or LPS and the effect of the protein on the viral infection was examined. In the first experiments it could be shown through real time quantitative PCR that APOBEC3G was overexpressed after the stimulation with IFN-alpha or LPS. This result could be shown in monocytes derived macrophages from different blood donors. It was also shown that the overexpression of APOBEC3G correlated directly with the concentration of IFN-alpha. Through mutational analysis it could be then shown that the overexpressed APOBEC3G protein was also functional in the cells. In order to show that this was the result of APOBEC3G, the protein was the regulated through lentiviral vectors. After transduction of cell lines with lentiviral vectors containing APOBEC3G, the infection was inhibited by up to 70%. The infection was restored after the addition of shRNAs against APOBEC3G. For the further experiments, CD34+ stem cells were used. The cells were transduced the day after thawing with lentiviral vectors containing an eGFP marker gene and either APOBEC3G or shRNAs against APOBEC3G. The CD34+ cells were then cultivated and differentiated to macrophages. The cells transduced with Lentiviral vectors containing APOBEC3G had a very high expression of APOBEC3G in the cells, however the cells transduced with shRNA against APOBEC3G did not show a reduction in the protein expression. The infectivity of the transduced CD34+ and CD34 derived macrophages was then examined. It was expected that the cells transduced with APOBEC3G would show a reduced HIV-1 infection, and the cells transduced with shRNA against APOBEC3G would show an increase in infection. After the transduction and differentiation the CD34+ cells from the 3 donors were stimulated and infected with wild type HIV-1 and Vif defective HIV-1 virus. Vif is a viral protein that can bind to APOBEC3G leading it to the proteasome for degradation. The cells from the first donor transduced with APOBEC3G, were very difficult to infect. In general the shRNA against APOBEC3G had little effect on the course of infection; presumably, the shRNA against APOBEC3G was not active in most of these cells. Only the cells from the first donor showed an increase in HIV infection after the transduction with the shRNAs against APOBEC3G, this was most notably the case in the cells stimulated with IFN-alpha, which usually show very little infection. This work showed that APOBEC3G plays an important role in the innate immune response to HIV-1. The effect of APOBEC3G is both cell type as well as donor dependent. Recently, an interesting study also showed that there is a correlation between the expression of APOBEC3G in HIV infected individuals and their progression to AIDS. A better understanding of the role that APOBEC3G plays in the innate immune response would help in the search of new therapeutic possibilities. This could be done by inhibiting the Vif-APOBEC3G interaction in order to increase the amount of active APOBEC3G in the cells or increasing the APOBEC3G concentration in the cells in some manner.
The transcription factor p63 is part of the p53 protein family, which consists of three members, p53, p63 and p73. P63 shares structural similarity with all family members, but is associated to different biological functions than p53 or p73. While p53 is mainly linked to tumor suppression and p73 is connected with neuronal development, p63 has been connected to critical biological roles within ectodermal development and skin stem cell biology as well as supervision of the genetic stability of oocytes. Due to its gene structure p63 is expressed as at least six different isoforms, three of them containing a N-terminal transactivation domain. The isoforms that are of biological relevance both have a C-terminal inhibitory domain that negatively regulates the transcriptional activity. This inhibitory domain is supposed to contain two individual components of which one is internally binding and masking the transactivation domain while the other one can be sumoylated. To further investigate this domain a mutational analysis with the help of transactivation assays in SAOS2 cells was carried out to identify the critical amino acids within the inhibitory domain and the impact on transcriptional activity of TAp63alpha, the p63-isoform which is essential for the integrity of the female germline. The results of these experiments show that a stretch of approximately 13 amino acids seems to be important for the regulation of transcriptional activity in TAp63alpha, due to the increased transcriptional activity occurring in this region after mutation. Additional experiments showed that this mechanism is distinct from sumoylation, which seems to have only implications for the intracellular level of TAp63alpha. As a conclusion, the C-terminus of the Tap63alpha is essential for two different mechanisms, which control the transcriptional activity of the protein. Both regulatory elements are independent from each other and can now be restricted to certain amino acids. Activation of the wild type protein might take place in the identified region via post-translational modification. Furthermore an inhibition assay was carried out to test if the same region might have implications on the second biological relevant isoform deltaNp63alpha. The results show that the same amino acids which show an impact on transcriptional activity in Tap63alpha lead to a significant change in functional behaviour of deltaNp63alpha. There is a possibility that both proteins are regulated with opposite effects via the same mechanisms, based at the C-terminus of the p63alpha-isoforms. In both cases a modification of these residues could lead to a more opened conformation of the protein with consequences on promoter binding, which can be even important for deltaNp63alpha with respect to promoter squelching. Both alpha-isoforms seem to be regulated via the C-terminus and to elucidate if that is also the case for TAp63gamma a deletion analysis was carried out. The results show that there are also amino acids within the C-terminus of TAp63gamma, which have implications on the transcriptional activity of the protein. Therefore the C-terminus seems to play a major role for regulation of diverse p63 isoforms.
Eine große Zahl natürlicher sekundärer Metabolite sind kleine und strukturell oft sehr verschiedene Polypeptide und Polyketide. Diese bioaktiven Substanzen haben im allgemeinen ein breit aufgestelltes therapeutisches Potential und werden von verschiedenen bakteriellen Stämmen und Pilzen biosynthetisiert. Sie sind sowohl biologisch, als auch therapeutisch wichtig als Cytostatika, Immunsuppressiva und Antibiotika mit einem sehr großen antibakteriellen und antiviralen Potential. Diese oft äußerst komplexen Polypeptide und Polyketide werden von modular aufgebauten Megaenzymen in mehrstufigen Mechanismen synthetisiert. Für die Synthese dieser Peptide sind sehr große Proteincluster verantwortlich, die meistens aus einer begrenzten Anzahl sehr großer, Multidomänen umfassenden, Superenzyme aufgebaut werden. Diese Proteincluster mit einem Molekulargewicht bis in den Bereich von MegaDalton werden als nicht-ribosomale Peptidsynthetasen (NRPS) und Polyketidsynthetasen (PKS) bezeichnet. Die NRPS Systeme zeichnen sich dadurch aus, daß für die biosynthetisierten Polypeptide keine Information in Form von Nukleinsäuren wie DNA oder RNA kodiert (Walsh, C.T., 2004; Sieber & Marahiel, 2005). Für die Synthese der Polypeptide ist eine Aktivierung der einzelnen Bausteine, der Aminosäuren, durch Amino-acyl-adenylierung notwendig. Im Anschluß an die Aktivierung, wird die aktivierte Aminosäure über einen Thioester gebunden weitertransportiert. Die Thioesterbildung erfolgt an Cysteaminthiolgruppen intrinsischer 4’-Phosphopantethein-kofaktoren. Eine Modul einer NRPS stellt eine geschlossene Einheit zum Einbau einer Aminosäure mit einer hohen Spezifität für das Substrat und die biosynthetische Reaktion dar. Diese Module sind aus Domänen aufgebaut, die definierte Funktionen haben und mittels flexibler Linker miteinander verbunden sind. Die Domänen werden nach ihrer Funktion unterschieden. Die Acyl-adenylierung oder Aktivierung eines Substrates, beispielsweise einer Aminosäure, erfolgt durch die A-Domänen. Die Peptidyl- oder Acyltransportfunktion der aktivierten Substrate wird durch Thioester-domänen (T-Domäne), auch PCP (peptidyl carrier domain) genannt, bewältigt. Die Biosynthese der Kopplungsreaktion, beispielsweise die Ausbildung der Peptidbindung in NRPS Systemen, erfolgt an den Kondensations-Domänen (C-Domäne). Für die Substratspezifität eines Synthesemoduls sind die A-Domänen verantwortlich, welche die Aktivierung eines Substrat durch ATP-Hydrolyse ermöglichen. In NRPS Systemen sind auch Zyklisierungsreaktionen, durchgeführt von Cyclase-Domänen (Cy-Domänen), L/D-Epimerase-funktionen (E-Domänen) und N-Methylierungen (M-Domänen) beschrieben. So wird in Tyrocidin A an zwei Positionen spezifisch Phenylalanin in die D-Form epimerisiert und anschließend in der Peptidbiosynthese verwendet. Die Interaktion und Erkennung zwischen den multi-modularen Superenzymen, zum korrekten Aufbau der kompletten Synthetase, wurden in letzter Zeit Kommunikations-Domänen (COM-Domänen) beschrieben. Wie die aufgebaute Synthetase die korrekte Sequenz der biosynthetischen Reaktionsschritte sicherstellt ist nicht bekannt. Die enorme Diversität biosynthetischer Reaktionen in NRPS Systemen und die hohe Substratvielfalt in den verschiedensten Synthetasen unterschiedlicher Stämme eröffnet ein weites Feld für mögliche Neukombinationen von Modulen und Modifikationen von Produkten, um neue bioaktive Polypeptide mit antibiotischen Eigenschaften durch die Gestaltung neuer biosynthetischer Reaktionswege zu erhalten. Die Biosyntheseprodukte der NRPS und PKS Systeme lassen sich Gruppen kategorisieren wie Peptidantibiotika, beispielsweise beta-Lactame und makrozyklischer Polypeptide. Weitere Gruppen sind die makrozyklischen Lactone, beispielsweise Polyene und Makrolide, aromatische Verbindungen, wie Chloramphenicol, und Chinone (Tetracyclin). Die näher diskutierten Beispiele sind die antibakteriellen Polypeptide Surfactin und Tyrocidin A. Surfactin ist ein antibakteriell wirkendes makrozyklisches Lipoheptapeptid, welches von Bacillus subtilis synthetisiert wird und ein enormes antivirales Potential besitzt. Tyrocidin A ist ein antibakteriell wirkendes makrozyklisches Decapeptid und wird von Bacillus brevis und Brevisbacillus parabrevis synthetisiert. Zusätzlich werden viele bakterielle Toxine ebenfalls durch solche Systeme multi-modularer Synthetasen erzeugt. Ein Beispiel ist das Polyketid Vibriobactin, das Toxin des humanpathogenen Bakterium Vibrio cholerae. Ein zunehmendes Problem der wachsenden Weltbevölkerung moderner Gesellschaften und in den Entwicklungsländern ist die wachsende Zahl multiresistenter Bakterienstämme. Die starke Progression in der Entwicklung von Resistenzen gegen Antibiotika ist auch Gegenstand des aktuellen WHO-Reports (2006). Alarmierend ist die beschleunigte Resistenzentwicklung gegen die sogenannten Reserveantibiotika Vancomycin und Ceftazidim. Ein umfangreicheres Verständnis der Interaktion zwischen Domänen in einem Modul und zwischen Modulen eines NRPS Systems ist Grundlage für die Neukombination unterschiedlicher Module zur erfolgreichen Gestaltung neuer Biosynthesen. Da die meisten dieser Biosynthesen oder die Synthese alternativer Substanzen nicht in der Organischen Chemie zu realisieren sind oder die Produkte zu teuer wären, um diese in großen Mengen zu erzeugen, muß das Ziel sein die NRPS und PKS Systeme in ihrem modularen Aufbau und ihre Interaktion zu verstehen, um alternative Antibiotika biosynthetisch herzustellen. Peptidyl Carrier Proteine (PCPs) sind kleine zentrale Transport-Domänen, integriert in den Modulen nicht-ribosomaler Peptidsynthetasen (NRPSs). PCPs tragen kovalent über eine Phosphoesterbindung einen aus dem Protein herausragenden 4’-phosphopantetheinyl (4’-PP) Kofaktor. Der 4’-PP Kofaktor ist an der Seitenkette eines hochkonservierten Serins gebunden, welche ein zentraler Bestandteil der Phosphopantethein-Erkennungs-Sequenz ist. Die Erkennungssequenz ist homolog in vielen Proteinen mit ähnlicher Funktion, inklusive Acyl Carrier Proteinen (ACPs) der Fettsäuresynthetasen (FAS) und der Polyketidsynthetasen (PKS). Die Thiolgruppe des 4’-PP Kofaktors dient zum aktiven Transport der Substrate und der Intermediate der NRPS Systeme. Die generelle Organisation und die Kontrolle der exakt aufeinander folgenden Reaktionsschritte in der Peptidsynthetase, ist die entscheidende Frage für die Funktion des Proteinclusters (assembly line mechanism). In Modulen der NRPS Systeme folgen die PCP-Domänen C-terminal auf die Adenylierungsdomänen (A-Domäne). Die Aufgabe der A-Domänen ist die Selektion and die Aktivierung einer spezifischen Aminosäure für die „assembly line“. Die eigentliche Bildung der Peptidbindung erfolgt an der Kondensations-Domäne (C-Domäne). Der Transfer der Peptidintermediate und der aktivierten Aminosäuren zwischen A-Domänen und C-Domänen ist Aufgabe der PCPs. Um diese Funktion erfüllen zu können, ist eine große Bewegung in PCPs, bzw. des 4’-PP Kofaktors notwendig, welche als „swinging arm model“ (Weber et al., 2001) beschrieben wurde. Die PCPs koordinieren damit die Peptidbiosynthese während sie mit diversen Domänen der Synthetasen spezifisch wechselwirken müssen. Die molekularen Mechanismen des Transportes wurden bisher allerdings nicht untersucht. Eine Dynamik der Transport-Domänen wurde bereits postuliert (Kim & Prestegard, 1989; Andrec et al., 1995), konnte bisher aber nicht gezeigt werden (Weber et al., 2001). Interessanterweise zeigt sowohl apo-PCP (ohne den kovalent gebundenen 4’-PP Kofaktor) also auch holo-PCP langsamen chemischen Austausch, der als jeweils zwei stabile Konformationen beschrieben werden konnte. Diese jeweils zwei stabilen Zustände, welche sich im Austausch befinden, wurden als A und A*, für apo-PCP, und entsprechend H und H* für holo-PCP bezeichnet. Während der A- und der H-Zustand sich sowohl voneinander als auch von den entsprechenden A* und H*-Zuständen unterscheiden und spezifisch für die apo- und die holo-Form von PCP sind, ist die kalkulierte Struktur vom A*-Zustand größten Teils identisch mit der des H*-Zustandes. Die erhaltenen NMR-Strukturen des A-Zustandes, des H-Zustandes und des gemeinsamen A/H-Zustandes beschreiben in ihrer Gesamtheit ein neues Modell für ein allosterie-kontrolliertes System dualer konformationeller Zwei-Zustands-Dynamik. Zu dem beobachteten konformationellen Austausch der PCP-Domäne, konnte die Bewegung des 4’-PP Kofaktors koordiniert werden. Die Bewegung des 4’-PP Kofaktors in Verbindung mit dem konformationellen Austausch der PCP-Domäne charakterisiert die Interaktion mit katalytischen Domänen eines NRPS Moduls. Des weiteren konnte mit Hilfe des Modells die Wechselwirkung mit externen Interaktionspartnern, wie der Thioesterase II und der 4’-PP Transferase, untersucht werden. Die externe Thioesterase II der Surfactin-Synthetase (SrfTEII) von Bacillus subtilis ist ein separat expremiertes 28 KDa Protein. Sie gehört zur Familie der alpha/beta-Hydrolasen und ist verantwortlich für die Regenerierung falsch beladener 4’- PP Kofaktoren der Peptidyl Carrier Domänen. Die SrfTEII wurde mittels Lösungs-NMR untersucht, die Resonanzen wurden zugeordnet, erste strukturelle Modelle konnte berechnet werden und das Interaktionsverhalten mit verschiedenen modifizierten Kofaktoren und PCPs wurde analysiert. Die Spezifität der Substraterkennung durch die SrfTEII kann beschrieben werden. Interessanterweise zeigt auch die SrfTEII Doppelpeaks für einzelne Aminosäuren, diese können als Indikator für eine spezifische Substraterkennung durch das Enzym verwendet werden und helfen den funktionellen Unterschied zwischen der SrfTEI-Domäne und SrfTEII zu verstehen.
Die Biosynthese der Fettsäuren (FS) ist in Eukaryoten und Bakterien ein hochkonserviert zentraler Stoffwechselweg, der in zwei strukturell verschiedenen Systemen ausgeführt wird. Die meisten Bakterien, Parasiten, Pflanzen und Mitochondrien nutzen ein Fettsäuresesynthase Typ-II (FAS-II) System. Bei FAS II Systemen sind alle katalytischen Domänen separate lösliche Proteine. In Eukaryoten wie auch den Bakterien Corynebakteria, Mycobakteria, Nocardia (Klasse der CMN Bakterien) liegen die katalytischen Domänen fusioniert auf einer Polypeptidkette vor, die zu einem Multienzymkomplex der Fettsäuresynthase Typ I (FAS-I) assemblieren. Die Architektur der FAS-I zeigt große Unterschiede; die X förmige Säuger-FAS-I (Maier et al., 2006), sowie die fassartigen Enzyme der Pilz FAS-I (Jenni et al., 2007; Leibundgut et al., 2007; Lomakin et al., 2007; Johansson et al., 2008) und der bakteriellen FAS-I (Boehringer et al., 2013; Ciccarelli et al., 2013). Zwischen Pilz- und bakterieller FAS-I gibt es trotz des ähnlichen Aufbaus bedeutende Unterschiede. Mycobakterium tuberculosis, der Auslöser von Tuberkulose (TB), an der jährlich über eine Million Menschen weltweit sterben (WHO, 2014), synthetisiert durch eine Symbiose von FAS-I, FAS-II und der Polyketidsynthase-13 Mykolsäuren. Durch die Mykolsäuren ist M. tuberculosis resistent gegen äußere Einflüsse. FAS-I ist in die Synthese der Vorstufen der Mykolsäuren involviert. Sie stellt im Kampf gegen TB ein potentielles Inhibierungstarget dar.
Strukturell war die bakterielle FAS-I beim Beginn der vorliegenden Arbeit, nur durch negative-stain-Elektronenmikroskopie (EM) Aufnahmen aus dem Jahr 1982 charakterisiert (Morishima et al., 1982). In dieser Arbeit konnte die bakteriellen FAS I aus M. tuberculosis (MtFAS), sowie Corynebacterium ammoniagenes (CaFAS) und Corynebacterium efficiens (CeFAS) strukturell untersucht werden. Dies geschah mit den Methoden negative-stain-EM, Einzelmolekül-Cryo-EM (Cryo-EM), Cryo EM Tomographie (CET) und Röntgenkristallographie.
Anhand von CeFAS-Kristallen konnte erstmals durch Röntgenkristallographie die Struktur einer bakteriellen FAS-I bestimmt werden. Zudem wurde die hohe konformationelle Flexibilität der bakteriellen FAS-I mit mehreren Methoden gezeigt. Für die CaFAS konnte mit Cryo-EM initiale Prozesse der Proteinkristallbildung abgebildet werden.
Der 2‘-Desoxyguanosin-Riboschalter gehört zur unter Bakterien weit verbreiteten Klasse der Purin-Riboschalter. Allerdings wurden 2‘-Desoxyguanosin-bindende Riboschalter bisher ausschließlich in M. florum gefunden, damit stellt diese RNA eine Ausnahme unter den ansonsten verbreiteten Purin-Riboschaltern dar. In der vorliegenden Arbeit wurde ein NMR-Strukturmodell des IA-Aptamer-2‘-Desoxyguanosinkomplexes erstellt und anhand der mittels NMRSpektroskopie zugänglichen strukturellen Informationen sowohl Struktur und Dynamik des freien RNA-Aptamers als auch des 2‘-Desoxyguanosinkomplexes charakterisiert. Dabei wurde insbesondere der Einfluss von Mg2+ auf Struktur und Dynamik der jeweiligen Zustände sowie auf den durch 2‘-Desoxyguanosin induzierten Faltungsprozess untersucht.
Mg2+-Ionen modulieren die Faltungstrajektorien von sensorischen RNA-Domänen. Die Übertragbarkeit von Mg2+-abhängigen Charakteristika der RNA-Faltung innerhalb verschiedener Messmethoden ist durch die schlechte Vergleichbarkeit der relativen Konzentrationsverhältnisse eingeschränkt. Die NMR-spektroskopisch beobachtbaren Mg2+-Einflüsse sollten also unter besonderer Berücksichtigung der für NMR benötigten vergleichsweise sehr hohen RNAKonzentrationen mit Ergebnissen aus kalorimetrischen oder fluoreszenzspektroskopischen Messungen interpretiert werden. Die in der NMR-Spektroskopie üblichen hohen Probenkonzentrationen befinden sich in dem Regime, in dem auch der physikalische Effekt des verdrängten Volumens eine Rolle zu spielen beginnt. Demnach ist es für die RNA-Moleküle im NMR-Probenröhrchen bei Konzentrationen von 5-10 mg/ml auch ohne Zugabe von Mg2+ entropisch günstiger, kompakte Konformationen einzunehmen. Die Relevanz des Effekts des verdrängten Volumens für die RNA-Faltung unter NMR-Bedingungen und unter zellulären Bedingungen ist Gegenstand der aktuellen Forschung und wird in dieser Arbeit am Beispiel des IA-Aptamers diskutiert.
Der oft einzigartige Bindungsmodus ubiquitärer Metaboliten durch bakterielle Riboschalter (Montange and Batey, 2006) ermöglicht prinzipiell den Einsatz von RNA-Aptameren in vivo, ohne mit zellulären Proteinsystemen zu interferieren (Mulhbacher et al., 2010). Therapeutische Ziele sind beispielsweise die Anwendung von Riboschaltern gegen bakterielle Pathogene beziehungsweise gegen pathogene Bakterien selbst. Eine weitere Rolle wird RiboschalterElementen zukünftig als Bausteine in der synthetischen Biologie zukommen (Dixon et al., 2010; Knight, 2003; Topp and Gallivan, 2008). Hierfür ist es von grundlegender Bedeutung, Charakterisierung von Struktur als Basis für das Verständnis von Funktion unter zellulären Bedingungen zu etablieren. Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit Robert Hänsel aus dem Arbeitskreis von Prof. Dr. Volker Doetsch wurde am Beispiel des IA-Aptamers und einer nichtnatürlichen Sequenzvariante gezeigt, dass eine strukturelle Charakterisierung von Riboschaltern mittels in cell NMR-Spektroskopie möglich ist. In Zusammenarbeit mit Karl von Laer aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Beatrix Suess wurden beide RNA-Aptamer hinsichtlich ihrer Funktion in einem biologischen Assay getestet. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigten eine deutliche Korrelation von Struktur und Funktion in vivo, während Diskrepanzen zwischen Struktur in vitro und Funktion in vivo demonstriert werden.
Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass eine gewisse strukturelle Flexibilität der Bindungstaschen regulatorischer RNA-Motive für Selektion und Adaption während Evolution nötig ist. Beispielsweise wurde für den Guanin-Riboschalter gezeigt, dass der nicht-native Ligand 2‘-Desoxyguanosin zur Komplexbildung des Aptamers führt. Demnach könnte die Bindung von 2‘-Desoxyguanosin im Guanin-Riboschalter bereits evolutionär angelegt sein und die Entstehung des IA-Aptamers nach Genomreduktion der Mesoplasmen begünstigt haben. Das IA-Aptamer dagegen bindet Guanin nicht, stattdessen besitzt M. florum auf Guanin spezialisierte Sequenzvarianten dieses Riboschalters (Kim et al., 2007). Strukturell hochauflösende Einblicke in unterschiedliche Zustände der Bindungstasche im G-Aptamer-Thioguaninkomplex, die durch die Lösung der Kristallstruktur des GLoop-Aptamers ermöglicht wurden, unterstützen die Hypothese einer anpassungsfähigen Bindungstasche im G-Aptamer. Für B. subtilis wäre es interessant, die physiologische Bedeutung der Komplexbildung des G-Aptamers mit 2‘-Desoxyguanosin zu untersuchen.
Misregulated receptor tyrosine kinases (RTKs), i.e. the epidermal growth factor receptor EGFR or the insulin-like growth factor receptor 1 (IGF-1R), can be involved in the development of cancer. Monoclonal antibodies specifically inhibit the RTKs in cancer therapy. The scope of this thesis is to investigate the molecular basis of the inhibition through the therapeutic antibodies matuzumab (EMD72000) against EGFR and EMD1159476 against IGF-1R. The 3D crystal structure of matuzumab in complex with the EGFR domain III shows an eptiope connected with a novel inhibition mechanism: a non-competitive, sterical inhibition of receptor acitivation. The anti-IGF-1R targeted monoclonal antibody EMD1159476 shows a reduced binding capacity to the receptor in the presence of ligand indicating a competitive inhibition mechanism. The epitope of EMD1159476 is within domain II of the receptor. The results of these molecular interaction studies are important for the clinical therapies with these monoclonal antibodies. The matuzumab-EGFR complex crystal structure shows that a simultaneous binding of matuzumab and cetuximab (Erbitux) is possible. The latter antibody is already in clinical use. A combination of several therapeutic antibodies in cancer treatment might show synergistic effects and benefits for the patients.