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Das Hauptziel dieser Dissertation lag in der Verbesserung einzelner Schritte im Prozess der automatischen Proteinstrukturbestimmung mittels Kernmagnetischer Resonanz (NMR). Dieser Prozess besteht aus einer Reihe von sequenziellen Schritten, welche zum Teil bereits erfolgreich automatisiert wurden. CYANA ist ein Programmpaket, welches routinemäßig zur automatischen Zuordnung der chemischen Verschiebungen, der Nuclear Overhauser Enhancement (NOE) Signalen und der Strukturrechnung von Proteinen verwendet wird. Einer der Schritte, der noch nicht erfolgreich automatisiert wurde, stellt die Signalidentifizierung von NMR Spektren dar. Dieser Schritt ist besonders wichtig, da Listen von NMR-Signalen Grundlage aller Folgeschritte sind. Fehler in den Signallisten pflanzen sich in allen Folgeschritten der Datenauswertung fort und können am Ende in falschen Strukturen resultieren. Daher war ein Ziel dieser Arbeit, einen robusten und verlässlichen Algorithmus zur Signalidentifizierung von NMR Spektren in CYANA zu implementieren. Dieser Algorithmus sollte mit dem in FLYA implementierten Ansatz zur automatischen Resonanzzuordnung, der automatischen NOE-Zuordnung und der Strukturrechnung mit CYANA kombiniert werden. Der in CYANA implementierte CYPICK Algorithmus ahmt den von Hand durchgeführten Ansatz nach. Bei der manuellen Methode schaut sich der Wissenschaftler zweidimensionale Konturliniendarstellungen der NMR Spektren an und entscheidet anhand verschiedener Geomtrie- und Ähnlichkeitskriterien, ob es sich um ein Signal des Proteins oder um einen Artefakt handelt. Proteinsignale sind ähnlich zu konzentrischen Ellipsen und erfüllen bestimmte geometrische Kriterien, wie zum Beispiel ungefähr kreisförmiges Aussehen nach entsprechender Skalierung der spektralen Achsen und gänzlich konvexe Formen, die Artefakte nicht aufzeigen. CYPICK bewertet die Konturlinien lokaler Extrema nach diesen Bedingungen und entscheidet anhand dieser, ob es sich um ein echtes Signal handelt oder nicht. Das zweite Ziel dieser Arbeit war es ein Maß zur Quantifizierung der Information von strukturellen NMR Distanzeinschränkungen zu entwickeln. Der sogenannte Informationsgehalt (I) ist vergleichbar mit der Auflösung in der Röntgenkristallographie. Ein weiteres Projekt dieser Dissertation beschäftigte sich mit der strukturbasierten Medikamentenentwicklung (SBDD). SBDD wird meist von der Röntgenkristallographie durchgeführt. NMR hat jedoch einige Vorteile gegenüber der Röntgenkristallographie, welche interessant für SBDD sind. Daher wurden Strategien entwickelt, die NMR für SBDD zugänglicher machen sollen.
Small molecule drug discovery is strongly supported by biophysical data. In the reach of this thesis, cell free protein expression was used to produce human target proteins for ligand binding assays using Surface Plasmon Resonance spectroscopy (SPR). In the second step the binding and interaction characteristics of small molecules and fragments were analyzed using Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (NMR).
The first target protein was the human acid sensing channel 1 (ASIC1a). ASIC1a was expressed in a cell free expression system based on E.coli lysate. To optimize the expression, several parameters including fusion tags, ion concentrations and different hydrophobic environments were tested.
The adaption of the folding environment for ASIC1a needed more optimization, because it is a very challenging target to express in an in vitro system. Three different expression modes were employed to find a suitable folding environment.
SPR binding studies with ASIC1a were performed with chicken ASIC1a expressed in insect cells. The immobilization of cASIC1a and the used buffer conditions were tested using Psalmotoxin 1, a naturally occurring peptide venom which binds strong to the trimeric form of ASIC1a. Compound characterization experiments were performed with a variety of different ligands including amiloride, a general blocker of the whole ENaC protein family. None of the used ligands showed titration curves that would match a simple 1:1 binding model. The experiments either show no binding signal or signal that could be interpreted as unspecific binding. Even amiloride that should be binding the protein shows no signals that fit a simple binding model.
Another target protein that was investigated is the soluble prolyl cis/trans isomerase Cyclophilin D (or peptidyl prolyl isomerase F – PPIF). This protein is involved in the regulation of the mitochondrial permeability transition pore and therefore a potential drug target to treat neurodegenerative diseases. Small molecule binding was tested with CypD using SPR. Following the kinetic analysis of small molecule ligands, the binding position of different binding fragments was analyzed. These fragments originated from a SPR based fragment screen and gave no co-crystal structures with CypD. Therefore NMR was used to investigate the binding position of these fragments. An analysis of the chemical shift perturbations upon ligand addition revealed that the NMR analysis was in line with the results gathered by x-ray crystallography. The fragments with unknown binding position however, all bind to a specific patch slightly outside the binding pocket.
The ligand CL1 showed a special behavior in the NMR experiments. Upon addition to CypD, it produced large shifts on many signals of the protein, accompanied by a severe line broadening. The shift perturbations were so numerous and large that the spectrum had to be reassigned in complex with the ligand. Triple selective labeling was applied to allow a fast and nearly complete signal assignment. The possibility to use highly sophisticated labeling schemes, is one of the advantages of cell free protein expression. After the assignment of the complex spectrum, the chemical shift perturbations were analyzed and quantified. The residues showing the strongest CSPs are also identified in the crystal structure to be involved in the binding of CL1, giving a consistent picture. The numerous and large shift perturbations, produced by CL1 led to the assumption, that the ligand induces a conformational change in CypD, which is not represented in the co-crystal structure. This conformational change was characterized by a NMR based structure determination. CypD apo yielded a defined bundle, whose folded regions overlap well with the corresponding crystal structure.
For the calculation of the CypD-CL1 complex structure, the sidechain resonances were assigned using an automated assignment approach with the software FLYA. The calculation of the CypD-CL1 complex structure did not result in a defined bundle. While parts of the protein converge in a well folded state, the region around the active site shows no defined folding. Careful analysis of the structure calculation suggests that the problems during structure calculation did not originate from an incorrect resonance assignment, but rather from a lack of NOE crosspeaks. This might be due to a broadening of the corresponding NOE crosspeaks or the coexistence of many different conformations. This leads to the conclusion, that the protein conformation is not defined by the NMR data and could be in a dynamic interchange between multiple structures.
This hypothesis is supported by other observations. The line broadening of the signals in the complex is pronounced in the area around the active site and the substrate binding pocket, hinting to a connection between catalytic activity and protein dynamics. In addition many NMR signals are sensitive to changes in the measurement field strength and the temperature. This field dependent signal splitting suggests dynamic conformational changes in the protein between at least two different conformations on a millisecond timescale.
The current working model is that CL1 binds to CypD and induces the catalytic cycle and the connected conformational changes in CypD. As a result the proline like moiety in CL1 is constantly switching between the cis and the trans conformation. Due to the high affinity of CL1, the inhibitor does not leave the binding pocket after successful catalysis, but stays bound in the pocket stimulating further catalytic cycles. These findings as well as the working model are well in line with data published for Cyclophilin A, another member of the cyclophilin family, thereby supporting the model.
Komplexe biologische Phänotypen resultieren aus einem koordinierten Zusammenspiel von einer Vielzahl von Genen. Um zu verstehen, wie Krankheiten durch genetische Dysfunktionen
entstehen können, ist es unabdingbar die genetischen Interaktionsnetzwerke in menschlichen Zellen zu entschlüsseln. Eine Identifizierung von Kontext-abhängigen genetischen Interaktionen kann bedeutende Erkenntnisse über die Beziehung von Phänotyp und Genotyp liefern und erklären, wie synergistische Gen-Funktionen die Entstehung von komplexen Krankheiten bedingen.
Gepoolte, kombinatorische CRISPR (kurz für: clustered regularly interspaced short palindromic repeats) Screens stellen eine wirkungsvolle Methode zur simultanen Untersuchung potentieller Interaktionen von einer großen Anzahl von Genen dar. Mit sogenannten multiplex CRISPR
gRNA Bibliotheken werden im Rahmen großangelegter Screens vielzählige kombinatorische Gen-Knockouts in Zellen generiert. Diese multiplex CRISPR gRNA Bibliotheken können aus bis zu hunderttausenden Plasmiden bestehen, die jeweils für eine andere gRNA-Kombination kodieren und auf ein spezifisches Gen-Paar abzielen. Im Gegensatz zu CRISPR Screens für Einzel-Knockouts gehen multiplex CRISPR Screens zur Identifizierung von genetischen Interaktionen mit zusätzlichen Herausforderungen einher: Zum einen wächst der verbundene Arbeitsaufwand für die Konstruktion der multiplex CRISPR gRNA Bibliotheken proportional mit der Anzahl der gewünschten Ziel-Gene, welche die Diversität der Bibliothek bestimmt. In einer idealen gRNA-Bibliothek wären alle gRNA-Sequenzen gleich häufig vorhanden. Jedoch weisen
gRNA-Bibliotheken aufgrund von technischen Beschränkungen gRNA-Sequenzen mit höherer, beziehungsweise niedriger Abundanz auf. Konventionelle Methoden zur Herstellung von
gRNA-Bibliotheken basieren beispielsweise auf iterativen, gepoolten Klonierungsschritten mit PCR-amplifizierten Oligonucleotiden, welche zu einer Ungleichverteilung oder zum Verlust von gRNA-Sequenzen führen können. Daher bieten Methoden zur gRNA-Bibliotheken-Generierung Optimierungspotenzial. Da die Reproduzierbarkeit der Screen-Ergebnisse durch die sogenannte Screening Coverage sichergestellt werden muss, erfordert eine Erhöhung der
Bibliotheks-Diversität gleichzeitig auch eine Vergrößerung des Versuchsmaßstabs und ist mit umfangreichem Zellkultur-Arbeitsaufwand verbunden. Die Screening Coverage gibt die
durchschnittliche Abundanz der einzelnen gRNA-Sequenzen in der Zellpopulation während des Screens an. Aktuelle Richtlinien empfehlen eine Screening Coverage, die zwischen dem 200- bis 1000-fachen Wert der Bibliotheks-Diversität liegt, allerdings fehlen bisher genaue Angaben die auf die verwendete gRNA Bibliothek abgestimmt sind. Deshalb stellt die benötigte Screening Coverage bisher einen limitierenden Faktor dar, der die Anzahl der möglichen Ziel-Gene-Kombinationen in einem Screen beschränkt.
In der vorliegenden Arbeit stellen wir eine neue Methode zur Generierung von multiplex gRNA Bibliotheken mit hohen Diversitäten vor. Die Methode, genannt 3Cs (covalently-closed circular-synthesized) Multiplexing, umgeht iterative, gepoolte Klonierugsschritte mit Restriktionsenzymen und PCR-Amplifikation von gRNA-kodierenden Oligonucleotiden. Wir
zeigen, dass 3Cs Multiplexing auf robuste Weise zur Herstellung von gleichmäßig verteilten multiplex gRNA Bibliotheken verwendet werden kann. Der Verteilungs-Skew, auch Skew-Ratio oder Bibliotheksbreite genannt, ist ein Maß zur Ermittlung der Gleichverteilung der gRNA-Sequenzen in der Bibliothek. Wir zeigen, dass 3Cs multiplex Bibliotheken typischerweise einen Verteilungs-Skew von 2.5 aufweisen, was unter den üblichen Werten von Einzel-gRNA Bibliotheken liegt.
Wir nahmen an, dass die gRNA-Bibliotheksverteilung die Robustheit von gepoolten CRISPR Screens beeinflussen könne und deshalb bei der Auswahl einer geeigneten Screening
Coverage berücksichtigt werden müsse. Um den Einfluss der gRNA-Bibliotheksverteilung auf die Screen-Qualität in Abhängigkeit von der verwendeten Screening Coverage zu untersuchen, generierten wir zwei künstlich fehlverteilte multiplex gRNA-Bibliotheken. Diese wurden, zusätzlich zu einer nahezu gleichverteilten multiplex gRNA-Bibliothek, jeweils mit einer 20- und 200-fachen Screening Coverage in einem kombinatorischen Proliferationsscreen angewandt.
Dadurch konnten wir die gRNA-Bibliotheksverteilung als den bestimmenden Parameter für die benötigte Screening Coverage identifizieren. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass 3Cs multiplex gRNA-Bibliotheken auf Grund ihrer gleichmäßigen Verteilung mit minimierter Screening Coverage eingesetzt werden können, was zu einer 10-fachen Reduktion des assoziierten Arbeitsaufwands führt. Während bisherige Richtlinien für gepoolte CRISPR Screens die initiale
gRNA-Bibliotheksverteilung nicht berücksichtigen, empfehlen wir die Screening Coverage an dieser auszurichten.
Autophagie ist ein streng regulierter zellulärer Prozess, der den Lysosomen Abbau von intrazellulärem Material steuert und im Zusammenhang mit zahlreichen menschlichen Erkrankungen steht. Da Autophagie in eine Vielzahl von Signalwegen integriert ist, bietet es außerdem therapeutische Ansatzpunkte zur Behandlung von Krankheiten. Die Identifizierung von synergistischen Funktionen zwischen Autophagie-Genen könnte unser Verständnis über die molekularen Mechanismen, die der Regulation der Autophagie zu Grunde liegen, erweitern und dadurch neuartige Behandlungen ermöglichen.
Um genetische Interaktionen von Autophagie-Genen zu untersuchen haben wir eine 3Cs multiplex gRNA Bibliothek generiert, die auf menschliche Autophagie-Genkombinationen
abzielt. In dieser Arbeit demonstrieren wir die Funktionalität der 3Cs Autophagie multiplex gRNA Bibliothek unter Anwendung minimierter Screening Coverage in zwei verschiedenen Screen-Ausführungen: In einem Proliferationsscreen konnten wir Geninteraktionen
identifizieren, deren Verlust zu einer gesteigerten oder verringerten Zellproliferation führt. Unter diesen resultierte der Knockout von WDR45B-PIK3R4 zur stärksten Suppression der Proliferation, während die Depletion von ATG7-KEAP1 zu extrem verstärkter Proliferation beitrug. Unter Einsatz eines Autophagie-Reporters konnten wir in einem Autophagie Screen genetische Interaktionen aufdecken, die essentiell für Autophagie sind, darunter die
Interaktionen zwischen ATG2A-ATG2B , GABARAPL2-WIPI2 und ULK4-SQSTM1.
Wir glauben, dass 3Cs Multiplexing in Zukunft breite Anwendung in verschiedenen biologisch relevanten Feldern finden kann und die Entschlüsselung von kontext-abhängigen genetischen Interaktionen voranbringen und so das Verständnis für die Entstehung von komplexen pathologischen Phänotypen erweitern wird.
This thesis is concerned with protein structures determined by nuclear magnetic resonance (NMR), and the text focuses on their analysis in terms of accuracy, gauged by the correspondence between the structural model and the experimental data it was calculated from, and in terms of precision, i.e. the degree of uncertainty of the atomic positions. Additionally, two protein structure calculation projects are described...
In dieser Dissertation wurde die Rolle des Proteins Carboxypeptidase E (CPE) im Glioblastom (GBM) untersucht. Ursprünglich wurde CPE in der neuroendokrinen Regulation beschrieben, wo es die Reifung der meisten Neuropeptide und Hormone reguliert und somit Einfluss auf Stoffwechsel und humorale Effekte hat (Fricker et al., 1982; Fricker & Snyder, 1982 and 1983; Davidson & Hutton, 1987; Shen & Loh, 1997; Lou et al., 2005). Ab 1989 wurde CPE in unterschiedlichen Tumorentitäten nachgewiesen (Grimwood et al., 1989; Manser et al., 1991), jedoch ohne Hinweise, welche Bedeutung das Protein dort haben könnte. Erst im letzten Jahrzehnt konnten sowohl pro- als auch anti-tumorigene Wirkungen von CPE gezeigt werden. Die beschriebenen Wirkungen von CPE sind jedoch von dessen Isoform abhängig. Das ∂(delta)N-trunkierte CPE zeigte sich mit erhöhtem Tumorwachstum und schlechter Überlebensprognose in verschiedenen Krebsentitäten assoziiert (Murthy et al., 2010; Lee et al., 2011; Zhou et al., 2013). Im Gegensatz dazu verringerte sezerniertes CPE (sCPE) im Fibrosarkom und Glioblastom die Zellmigration, was einen anti-tumorigenen Effekt suggeriert (Höring et al., 2012; Murthy et al., 2013a). Die Molekularmechanismen, die für die Regulation der Migration zuständig sind, sind jedoch kaum untersucht. Die meisten Untersuchungen von sCPE in Normal- und Tumorgewebe beschränken sich hauptsächlich auf Apoptose und Zellüberleben (Skalka et al., 2013; Murthy et al., 2013b; Cheng et al., 2013; Selvaraj et al., 2015; Cheng et al., 2015). Die vorliegende Arbeit ist demzufolge die erste Studie, die sich dem Mechanismus der Migrationsregulation durch sCPE im Glioblastom widmet.
Humane Gliome stellen die größte und bösartigste Gruppe hirneigener Tumore dar. Bösartige Gliome sind höchst resistent gegen alle zurzeit verfügbaren Behandlungsmethoden. Einer der Hauptgründe dafür ist, dass die Tumorzellen durch diffuse Infiltration in das Gehirn einwandern können. Ferner sind Gliomzellen metabolisch sehr aktiv und können sich dadurch an schnell verändertes Milieu anpassen (Fack et al., 2015; Demeure et al., 2016). Über die grundlegenden Mechanismen für diese Art des infiltrierenden Tumorwachstums ist bisher noch nicht viel bekannt. Zurzeit sind nur wenige Schlüsselfaktoren beschrieben, die den sogenannten Mechanismus der Migration oder Proliferation ("go or grow") in bösartigen Tumoren beeinflussen: wenige Transkriptionsfaktoren, miRNAs sowie metabolische Faktoren. Interessanterweise, sind miRNAs zum Teil mit der Regulation des Metabolismus in Tumorzellen assoziiert. Eine vorangehende Studie aus unserem Labor hat sCPE aufgrund seines Potentials, Zellwanderung zu verringern, als einen weiteren Schlüsselfaktor identifiziert. Wir konnten zeigen, dass sCPE in der Gliomzelllinie LNT-229 zur einer differentiellen Regulation von Migration und Proliferation führt (Höring et al., 2012). Die vorliegende Arbeit widmet sich nun der Frage nach den genauen zugrundeliegenden Mechanismen, wie sCPE seine Effekte auf molekularer Ebene vermittelt. Darüber hinaus soll geklärt werden, ob sCPE auch in der metabolischen Adaptation eine Rolle spielt und dadurch ebenfalls die Gliomzellmigration beeinflußen kann.
The RAF family of kinases constitutes the members A, B and CRAF. They mediate RAS signaling by linking it to the MEK/ERK transduction module, which regulates cellular processes such as cell proliferation, migration, survival and cell death. As the RAS/RAF/MEK/ERK (MAPK) pathway is found to be activated in human cancers, the RAF kinases have been exploited as valuable therapeutic targets and RAF inhibitors show promising results in the clinic, esp. with tumors harboring an activating BRAFV600E mutation. However, RAF inhibitors paradoxically accelerate metastasis in RAS mutant and BRAF wildtype tumors. They also become ineffective over time in BRAFV600E tumors because of reactivation of downstream mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling by promoting RAF dimerization. Aims of the present work were 1) to investigate the role of ARAF kinase in the paradoxical activation of the enzymatic cascade by RAF inhibitors downstream of mutated RAS and 2) to study the consequences of the loss of ARAF function on signal transduction in vitro and in vivo (nude mice). We have engineered several cell lines that would allow the study of basal and RAF inhibitor induced effects on MAPK activation, tumor cell migration and invasion.
In summary, we were able to show that the RAF isoform ARAF has an obligatory role in promoting MAPK activity and tumor cell invasion in a cell type dependent manner. In these cell types, ARAF depletion prevented the activation of MAPK kinase 1 (MEK1) and extracellular signal-regulated kinase 1 and 2 (ERK1/2) and led to a significant decrease of protrusions growing out of tumor cell spheroids in a three-dimensional (3D) culture that were otherwise induced by BRAFV600E-specific or BRAF/CRAF inhibitors (GDC-0879 and sorafenib, respectively). RAF inhibitors stimulated homodimerization of ARAF and heteromerization of BRAF with CRAF and the scaffolding protein KSR1. However, induced oligomerization was not sufficient to activate MAPK signaling if ARAF was depleted. By employing full length recombinant kinases, we were able to show for the first time that the three RAF isoforms competed for the binding to MEK1. In cell culture models, the overexpression of dimer-deficient ARAF mutants impaired the interaction between ARAF and endogenous MEK1 and thus prevented the subsequent phosphorylation of MEK1 and ERK1/2. Our findings reveal a new role for ARAF in directly activating the MAPK cascade through homodimerization and thereby promoting tumor cell invasion, suggesting the conserved RAF-dimer interface as a target for RAS- and RAF mediated cancer therapy.
Collectively, we provide evidence for the dual role ARAF plays in controlling MAPK signaling and cancer as loss of ARAF promoted strong lung metastasis formation in nude mice. Preliminary data describing the underlying mechanisms behind ARAF-regulated metastases have been presented and discussed.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines geeigneten Assays (eines standardisierten Reaktionsablaufs) für die Analyse der Funktion und Aktivität der Transporter für organische Kationen (OCT) mit Hilfe der auf einer festkörperunterstützten Membran (SSM) basierenden Elektrophysiologie. Die zweite Kernaufgabe war die Entwicklung der Expressionssysteme für die heterologe OCT-Expression. In den neunzigen Jahren wurden neue Membranproteine, OCT1-3, identifiziert, die eine wichtige Komponente für den Transport der strukturell unterschiedlichen organischen Kationen im menschlichen Organismus darstellen (Gründemann et al., 1994; Koehler et al., 1997; Koepsell et al., 1998; Zhang et al., 1998). Da etwa fünfzig Prozent der in der Klinik gebräuchlichen Medikamente und viele andere exogene Substanzen (Xenobiotika) polare organische Verbindungen sind, die bei einem physiologischen pH-Wert (7,4) überwiegend in protonierter Form als Kationen vorliegen und mittels OCT aus dem Körper ausgeschieden werden, gehören diese Proteine zu den pharmazeutisch bedeutenden Zielmolekülen (Targets) bei der Entwicklung neuer Medikamente. Letztere stellt einen sehr langwierigen Prozess dar, der die Untersuchung zahlreicher Substanzbibliotheken auf ihre Wirkung auf bestimmte Targets voraussetzt. Aufgrund der rasanten technischen Entwicklung in der Laborautomatisierung und der digitalen Mikroskopie können mittlerweile mehrere tausend Wirkstoffkandidaten in Ultra-High-Throughput-Screenings (UHTS) am Tag getestet werden, von denen aber nur ein minimaler Prozentsatz eine erste positive Reaktion (Hit) mit dem Target zeigt. Die Ergebnisse aus dem primären Screening-Prozess werden in einem zweiten Screening-Prozess weiter bearbeitet. In diesen High-Content-Analysen (HCA) werden dabei entgegen den ersten Untersuchungen die Substanzen nicht mehr einzig auf ihre Interaktion mit dem Target getestet. Vielmehr werden möglichst alle Informationen gesammelt und Effekte analysiert. Zurzeit werden folgende Assays dafür eingesetzt (Geibel et al., 2006): 1) radioaktive Assays, wie Ligandbindungsassays, Flux-Assays; 2) Fluoreszenzassays auf Basis von spannungs- oder ionenabhängigen Farbstoffen; 3) Flux-Assays auf Basis von Atom-Absorptions-Spektroskopie (AAS); 4) manuelle patch-clamp-Assays. Allerdings können diese Assays wegen unterschiedlicher Einschränkungen nur begrenzt eingesetzt werden. So treten bei den Fluoreszenzassays aufgrund der Farbstoff-Substanz-Interaktionen oft falsche positive Ergebnisse auf. Methoden mit radioaktiv markierten Substraten sind aus sicherheitstechnischen Gründen mit hohem Aufwand und entsprechenden Kosten verbunden. Das patch-clamp-System verfügt zwar über eine hohe Sensitivität und einen hohen Informationsgehalt, ist jedoch für das Screening wegen des geringen Durchsatzes und erheblicher Kosten nicht effizient. Diese Beispiele zeigen die Notwendigkeit der Entwicklung neuer Techniken für die pharmazeutische Wirkstoffsuche. Die SSM-basierte elektrophysiologische Detektionstechnologie ermöglicht die Untersuchung der Transportproteine in ihren nativen Membranen mit hoher Sensitivität ohne Fluoreszenzmarkierung (Geibel et al., 2006; Kelety et al., 2006). Diese Methode hat besondere Vorteile gegenüber anderen bei der Erforschung von Transporter-Proteinen, die im Gegensatz zu Ionenkanälen relativ wenig Ladung pro Zeiteinheit (1-104 Moleküle s-1) transportieren, und viele Techniken wegen der geringeren Empfindlichkeit für deren Untersuchung nicht geeignet sind.
Membrane proteins are a diverse group of proteins that serve a multitude of purposes with one of the most important ones being transport. All kinds of substrates are shuffled over biological membranes with the help of dedicated proteins enabling the transport along and against a concentration gradient. Within the group of actively transporting proteins a diverse set of proteins that rely on an electrochemical gradient to facilitate transport of a substrate against its concentration gradient can be found. Those so-called secondary active
transporters are a group on integral membrane proteins ubiquitous to all cells. They allow the transport of all kinds of substrates like nutrients, ions, other metabolites and drugs over the hydrophobic barrier created by the cellular and organellar membrane. The gradients that provide the main driving force for most of the transporters are either sodium ions or protons, although transporters utilizing other ions or organic compounds are found as well. In case of exchangers two very similar substrates are transported in opposing direction over the membrane, one against its electrochemical gradient driven by the other.
Along with a structural diversity of the transporters concerning overall shape, oligomerization and number of transmembrane elements comes a mechanistic variety though still following the principle of alternating access. In humans the malfunction of secondary active transporters can lead to a physiological disorders such as epilepsy, depression or obesity.
The focus of this thesis was the structural and functional characterization of the secondary active transporter SeCitS from Salmonella enterica, a symporter of the 2-hydroxycarboxylate family. The transport of citrate as a bivalent ion is facilitated by the flux of sodium ions that have an inward-facing gradient over the inner membrane of Salmonella enterica. Transport experiments showed that the transport ratio is two sodium ions per citrate molecule, netting in an electroneutral transport. Compared to other members of the family the specificity of the transporter towards its main substrate is very high.
Structural information on the protein was initially obtained through 2D electron crystallography, which allowed the identification of the oval shaped dimer and a first hint towards a significant conformational change that the protein undergoes during its transport cycle. Using 3D crystallography, the X-ray structure of the transporter was solved. The protein crystalizes as a stable, but conformationally asymmetric dimer. As bound citrate can be readily identified in both protomers they can be assigned into an outward- and an inward-facing conformation, with the main citrate binding site in the outward-facing conformation.
One interesting feature of the crystal structure was the large surface available for multimerization, providing a platform for tight dimerization of the two protomers. On the other hand, SeCitS did not show a true cooperativity of transport. With those two aspects taken into account the question arose if any potential crosstalk between the monomers within the dimer takes place and influences transport (negative cooperativity) or the conformational distribution within the dimer (stabilization of the protein within the membrane).
The functional approach in answering this question was the use of mutated variants of the protein for cross-linking within one monomer. Two residues were chosen respectively to lock one of either conformation to be able to test for transport activity in the remaining protomer. The suitability of the residues was derived from the crystal structure (D112 – R205 to lock the inward-facing conformation and L337 – S412 for the outward-facing conformation). After initial promising results the final variants were not stable enough to be analyzed in transport assays.
To analyze the distribution of relative conformations within the dimer the protein was reconstituted into native-like lipid environment such as nanodiscs or saposin nanoparticles to be analyzed by cryo-electron microscopy. The first images were recorded and did yield promising 2D classes where the general features of the transporter were identified. Yet, an improved preparation is required to obtain a high resolution structure.
The key functional aspects of a transporter are its ability to bind and transport its substrates. In a set of experiments those features were investigated by a radioligand transport assay and by isothermal titration calorimetry (ITC). The transport properties of the protein were assessed in a filter assay using a radioactively labeled citrate as a read-out. The protein was reconstituted into proteoliposomes and subjected to different substrate conditions. Different ions were tested in its ability to drive or inhibit transport, but only sodium ions were able to drive transport and also not hindered by the presence of other ions...
Die Fähigkeit der spezifischen und kontextabhängigen zellulären Adaption auf intrinsische und/oder extrinsische Signale ist das Fundament zellulärer Homöostase. Verschiedene Signale werden von Membranrezeptoren oder intrazellulären Rezeptoren erkannt und ermöglichen die molekulare Anpassung zellulärer Prozesse. Komplexe, ineinandergreifende Proteinnetzwerke sind dabei elementar in der Regulation der Zelle. Proteine und deren Funktionen werden dabei nach Bedarf reguliert und unterliegen einem ständigen proteolytischen Umsatz.
Die stimulusabhängige Gentranskription und/oder Proteintranslation nimmt hier eine zentrale Stellung ein, da die zugrundeliegende Maschinerie die Komposition und Funktion der Proteinnetzwerke entsprechend anpassen kann. Zusätzlich zur Regulation der Proteinabundanz werden Proteine posttranslational modifiziert, um deren Eigenschaften rasch zu ändern. Zu posttranslationalen Modifikationen zählen die Ubiquitinierung und/oder Phosphorylierung, welche die Proteinfunktionen hochdynamisch regulieren. Deregulierte Proteinnetzwerke werden oft mit Neurodegeneration und Autoimmun- oder Krebserkrankungen assoziiert. Auch Infektionen mit humanpathogenen Bakterien greifen stark in den Regulierungsprozess von Proteinnetzwerken und deren Funktionen ein. Die zelluläre Homöostase wird dadurch herausgefordert.
Bakterien der Gattung Salmonella sind zoonotische, gramnegative, fakultativ intrazelluläre Pathogene, welche weltweit millionenfach Salmonellen-erkrankungen hervorrufen. Von besonderer Bedeutung ist dabei Salmonella enterica serovar Typhimurium (hiernach Salmonella), welches im Menschen, meist durch mangelnde Hygienemaßnahmen, Gastroenteritis auslöst.
Immunität in Epithelzellen wird über das angeborene Immunsystem vermittelt und dient der Pathogenerkennung und -bekämpfung. Die Toll-like Rezeptoren (TLR) gehören zu den Mustererkennungsrezeptoren (pattern recognition receptors), welche spezifische mikrobielle Strukturen detektieren und eine kontextabhängige zelluläre Antwort generieren. Danger-Rezeptoren erkennen hingegen nicht direkt das Pathogen, sondern zelluläre Perturbationen, welche durch Zellschäden oder bakterielle Invasionen verursacht werden. Die intrinsische Fähigkeit der Wirtszelle, sich gegen Infektionen/Gefahren zu wehren wird dabei als zellautonome Immunität bezeichnet. Dabei nehmen induzierte proinflammatorische Signalwege und zelluläre Stressantworten eine wichtige Stellung ein. Die zelluläre Stressantwort aktiviert unter anderem die selektive Autophagie. Diese kann spezifisch aberrante Organelle, Proteine und invasive Pathogene abbauen. Ein weiterer Stresssignalweg ist die integrated stress response (ISR), welche eine selektive Proteintranslation erlaubt und damit die Auflösung des proteintoxischen Stresses ermöglicht.
Zur Penetration von Epithelzellen benötigt Salmonella ein komplexes System an Virulenzfaktoren, welches die bakterielle Internalisierung und Proliferation in der Wirtszelle ermöglicht. Salmonella nutzt dazu ein Typ-III-Sekretionssystem. Das System sekretiert bakterielle Virulenzfaktoren in die Zelle, sodass eine hochspezifische Modulierung des Wirtes erzwungen wird.
Die Virulenzfaktoren SopE und SopE2 spielen dabei eine Schlüsselrolle, da sie die Pathogenität von Salmonella maßgeblich vermitteln. Durch molekulare Mimikry von Wirts GTP (Guanosintriphosphat) -Austauschfaktoren aktivieren SopE und SopE2 die Rho GTPasen CDC42 und Rac1. GTP-geladenes CDC42 und Rac1 wiederum aktivieren das Aktinzytoskelett und stimulieren die Polymerisierung von Aktinfilamenten über den Arp2/3-Komplex an der Invasionsstelle. Das Pathogen wird dadurch in ein membranumhülltes Vesikel, die sogenannte Salmonella-containing Vakuole (SCV), aufgenommen. Die SCV stellt eine protektive, replikative, intrazelluläre Nische des Pathogens dar und wird permanent durch verschiedene Virulenzfaktoren moduliert.
Im Allgemeinen führt die Aktivierung von Mustererkennungsrezeptoren und Danger-Rezeptoren also zu einer zellulären Stressantwort und Entzündungsreaktion, wodurch es zur Bekämpfung der Infektion kommt. Inflammatorische Signalwege werden meist über den zentralen Transkriptionsfaktor NF-κB (nuclear factor 'kappa-light-chain-enhancer' of activated B-cells) vermittelt. NF-κB bewirkt die Induktion von proinflammatorischen Effektoren und Stressgenen. Zellautonome Immunität wird zusätzlich durch antibakterielle Autophagie ermöglicht, wobei Salmonella selektiv über das lysosomale System abgebaut werden. Das bakterielle Typ-III-Sekretionssystem verursacht an einigen wenigen SCVs Membranschäden, sodass Salmonella das Wirtszytosol penetrieren. Zytosolische Bakterien werden dabei spezifisch ubiquitiniert. Dies erlaubt die Erkennung durch die Autophagie-Maschinerie.
In der vorliegenden Arbeit wurde die zellautonome Immunität von Epithelzellen während einer akuten Salmonella Infektion durch quantitative Proteomik untersucht...
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.