Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
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The fruit fly Drosophila melanogaster is one of the most important biological model organisms, but only the comparative approach with closely related species provides insights into the evolutionary diversification of insects. Of particular interest is the live imaging of fluorophores in developing embryos. It provides data for the analysis and comparison of the threedimensional morphogenesis as a function of time. However, for all species apart from Drosophila, for example the red flour beetle Tribolium castaneum, essentially no established standard operation procedures are available and the pool of data and resources is sparse. The goal of my PhD project was to address these limitations. I was able to accomplish the following milestones:
- Development of the hemisphere and cobweb mounting methods for the non-invasive imaging of Tribolium embryos in light sheet-based fluorescence microscopes and characterization of most crucial embryogenetic events.
- Comprehensive documentation of methods as protocols that describe (i) beetle rearing in the laboratory, (ii) preparation of embryos, (ii) calibration of light sheet-based fluorescence microscopes, (iv) recording over several days, (v) embryo retrieval as a quality control as well as (vi) data processing.
- Adaption of the methods to record and analyze embryonic morphogenesis of the Mediterranean fruit fly Ceratitis capitata and the two-spotted cricket Gryllus bimaculatus as well as integration of the data into an evolutionary context.
- Further development of the hemisphere method to allow the bead-based / landmark-based registration and fusion of three-dimensional images acquired along multiple directions to compensate the shadowing effect.
- Development of the BugCube, a web-based computer program that allows to share image data, which was recorded by using light sheet-based fluorescence microscopy, with colleagues.
- Invention and experimental proof-of-principle of the (i) AGameOfClones vector concept that creates homozygous transgenic insect lines systematically. Additionally, partial proof-of-principle of the (ii) AClashOfStrings vector concept that creates double homozygous transgenic insect lines systematically, as well as preliminary evaluation of the (iii) AStormOfRecords vector concept that creates triple homozygous transgenic insect lines systematically.
- Creation and performance screening of more than fifty transgenic Tribolium lines for the long-term imaging of embryogenesis in fluorescence microscopes, including the first Lifeact and histone subunit-based lines.
My primary results contribute significantly to the advanced fluorescence imaging approaches of insect species beyond Drosophila. The image data can be used to compare different strategies of embryonic morphogenesis and thus to interpret the respective phylogenetic context. My technological developments extend the methodological arsenal for insect model organisms considerably.
Within my perspective, I emphasize the importance of non-invasive long-term fluorescence live imaging to establish speciesspecific morphogenetic standards, discuss the feasibly of a morphologic ontology on the cellular level, suggest the ‘nested linearly decreasing phylogenetic relationship’ approach for evolutionary developmental biology, propose the live imaging of species hybrids to investigate speciation and finally outline how light sheet-based fluorescence microscopy contributes to the transition from on-demand to systematic data acquisition in developmental biology.
During my PhD project, I wrote a total of ten manuscripts, six of which were already published in peer-reviewed scientific journals. Additionally, I supervised four Master and two Bachelor projects whose scientific questions were inspired by the topic of my PhD work.
Inhibition of midbrain dopamine (DA) neurons codes for negative reward prediction errors, and causally affects conditioning learning. DA neurons located in the ventral tegmental area (VTA) display two-fold longer rebound delays from hyperpolarizing inhibition in comparison to those in the substantia nigra (SN). This difference has been linked to the slow inactivation of Kv4.3-mediated A-type currents (IA). One known suppressor of Kv4.3 inactivation is a splice variant of potassium channel interacting protein 4 (KChIP4), KChIP4a, which has a unique potassium channel inactivation suppressor domain (KISD) that is coded within exon 3 of the KChIP4 gene. Previous ex vivo experiments from our lab showed that the constitutive knockout of KChIP4 (KChIP4 KO) removes the slow inactivation of IA in VTA DA neurons, with marginal effects on SN DA neurons. KChIP4 KO also increased firing pauses in response to phasic hyperpolarization in these neurons. Here I show, using extracellular recordings combined with juxtacellular labeling in anesthetized mice, that KChIP4 KO also selectively changes the number and duration spontaneous firing pauses by VTA DA neurons in vivo. Pauses were quantified with two different statistical methods, including one developed in house. No other firing parameter was affected, including mean frequency and bursting, and the activity of SN DA neurons was untouched, suggesting that KChIP4 gene products have a highly specific effect on VTA DA neuron responses to inhibitory input.
Following up on this result, I developed a new mouse line (KChIP4 Ex3d) where the KISD-coding exon 3 of KChIP4 is selectively excised by cre-recombinase expressed under the dopamine transporter (DAT) promoter, therefore disrupting the expression of KChIP4a only in midbrain DA neurons. I show that these mice have a highly selective behavioral phenotype, displaying a drastic acceleration in extinction learning, but no changes in acquisition learning, in comparison to control littermates. Computational fitting of the behavioral data with a modified Rescorla-Wagner model confirmed that this phenotype is congruent with a selective increase in learning from negative prediction errors. KChIP4 Ex3d also had normal open field exploration, novel object preference, hole board exploration and spontaneous alternation in a plus maze, indicating that exploratory drive, responses to novelty, anxiety, locomotion and working memory were not affected by the genetic manipulation. Furthermore semi-quantitative IHC revealed that KChIP4 Ex3d mice have increased Kv4.3 expression in TH+ neurons, suggesting that the absence of KChIP4a increases the binding of other KChIP variants, which known to increase surface expression of Kv4 channels.
Furthermore, in the course of my experimental study I identified that the most used mouse line where cre-recombinase is expressed under the DAT promoter (DAT-cre KI) has a different behavioral phenotype during conditioning in relation to WT littermate controls. These animals displayed increased responding during the initial trials of acquisition and delayed response latency extinction, consistent with an increase in motivation, which is in line with a decrease in DAT function.
I propose a working model where the disruption of KChIP4a expression in DA neurons leads to an increase in binding of other KChIP variants to Kv4.3 subunits, promoting their increased surface expression and increasing IA current density; this then increases firing pauses in response to synaptic inhibition, which in behaving animals translates to an increase in negative prediction error-based learning.
Introduction:
The evolutionary patterns of symbiotic organisms are inferred using cophylogenetic methods. Congruent phylogenies indicate cospeciation or host-switches to closely-related hosts, whereas incongruent topologies indicate independent speciation. Recent studies suggest that coordinated speciation is a rare event, and may not occur even in the highly specialized associations. The cospeciation hypothesis was mainly tested for free-living mutualistic associations, such as plant-pollinator interactions, and host-parasitic systems but was rarely tested on obligate, mutualistic associations involving intimate physiological interactions. Symbionts with lower partner selectivity may not experience coordinated speciation due to frequent switching of partners. On the other hand, symbionts with high partner selectivity may influence each other’s evolution owing to the highly interdependent lifestyles. Symbiont association patterns are also influenced by habitat and it has been proposed that symbiotic interactions are stronger in warm regions as compared to cooler regions (also referred as latitudinal gradient of biotic specialization). This hypothesis however, has recently been challenged and it has been suggested that a gradient of biotic specialization may not exist at all. Reliable species concepts are a prerequisite for understanding the association and evolutionary patterns of symbiotic organisms. The species concepts of many groups traditionally relied on the morphological species concept, which may not be adequate for distinguishing species due to the: i) homoplasious nature of morphological characters, an due to the inability to distinguish cryptic species. Thus phylogenetic species concept along with coalescent-based species delimitation approaches, which utilize molecular data for inferring species boundaries have been used widely for resolving taxonomic relationships. Lichens are obligatory symbiotic associations consisting of a fungal partner (mycobiont) and one or more photosynthetic partners, algae, and/or cyanobacteria (photobionts). I used the lichen forming fungal genus Protoparmelia as my study system, which consists of ~25-30 previously described species inhabiting different habitats, from the arctic to the tropics. This makes Protoparmelia an ideal system to explore the association and evolutionary patterns across different macrohabitats.
Objectives:
The objectives of this thesis were to 1. Elucidate the phylogenetic position of Protoparmelia within Lecanorales, and infer the monophyly of Protoparmelia; 2. Understand species diversity within Protoparmelia s.str. using coalescent-based species delimitation approaches; and 3. To identify the Trebouxia species associated with Protoparmelia using phylogenetic and species delimitation approaches and to infer the association and cophylogenetic patterns Protoparmelia and Trebouxia in different macrohabitats.
Results and discussion:
Chapter 1: Taxonomic position of Protoparmelia
In the first part of this study I explored the taxonomic position of Protoparmelia within the order Lecanorales. Overall this study included 54 taxa from four families, sequenced at five loci (178 sequences). I found Protoparmelia to be polyphyletic and sister to Parmeliaceae.
Chapter 2: Multilocus phylogeny and species delimitation of Protoparmelia spp.
In this part of the study, I identified and delimited the Protoparmelia species forming a monophyletic clade sister to Parmeliaceae i.e., Protoparmelia sensu stricto group, based on the multilocus phylogeny and coalescent-based species delimitation approaches. I included 18 previously described and three unidentified Protoparmelia species, which represents ~70% of the total described species, and 73 other taxa, sequenced at six loci. I found that the sensu stricto group comprised of 25 supported clades instead of 12 previously described Protoparmelia species. I tested the speciation probabilities of these 25 clades using species delimitation softwares BP&P and spedeSTEM. I found nine previously unrecognized lineages in Protoparmelia and I propose the presence of at least 23 species for Protoparmelia s.str., in contrast to the 12 described species included in the study.
Chapter 3: Association and cophylogenetic patterns of Protoparmelia and its symbiotic partner Trebouxia
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The human brain is one of the most complex biological systems. More than 100 billion neurons build networks that control basic body functions and highly coordinated movements, enable us to express emotions, feelings and thoughts and to store memories over years and even throughout life time. Ultimately, “We are who we are because of what we learn and what we remember” (Kandel 2006). Under pathological conditions, the brain function is challenged. Most if not all neurological diseases have in common that they are either triggered and/or accompanied by inflammatory processes of brain tissue, referred to as neuroinflammation. Such inflammatory processes directly affect an elementary neural mechanism relevant for learning and memory: synaptic plasticity. Indeed, neurons are highly dynamic structures and able to respond to specific stimuli with morphological, functional and molecular adaptations that modify the strength and number of neuronal contact sides (synapses). Hence, the main motivation of this thesis was to identify the neural targets through which inflammation affects brain function and synaptic plasticity in particular. The principles of synaptic plasticity have been studied intensively in the hippocampus, an anatomical structure localized within the temporal lobes that is essential for the consolidation of memories and spatial navigation. Synaptic plasticity is coordinated by complex interactions of thousands of molecules and proteins. Among those proteins, synaptopodin (SP) is localized at a strategic position within excitatory synapses and has been shown to be fundamentally involved in the regulation of synaptic plasticity.
To induce neuroinflammation and to study its effects on SP as well as synaptic plasticity, the classic model of lipopolysaccharide (LPS) was applied. This thesis discloses that inflammatory processes impair the ability of neurons to express hippocampal synaptic plasticity in vivo, which is accompanied by a downregulation of SP-mRNA and protein level in the mouse hippocampus, indicating that SP is one of the cellular targets through which inflammatory signaling pathways affect synaptic plasticity and hence neural function. To learn more about the cellular and molecular mechanisms, an in vitro LPS model was established using entorhino-hippocampal organotypic slice cultures (OTCs).
While confirming the major effect of LPS on SP, this thesis furthermore shows that neuroinflammation crucially involves the cytokine TNFα to transduce its effects on SP, and that microglial cells are the main source of TNFα production under inflammatory conditions. In an attempt to learn more about the mechanisms that are affected under conditions of neuroinflammation effects of retinoic acid (RA), a vitamin A derivate were tested. This is mainly because SP as well as RA have been shown to modulate synaptic plasticity through the accumulation of glutamate receptors at the postsynaptic site: SP via the association with the actincytoskeleton as well as intracellular calcium stores, and RA directly via the modulation of local protein synthesis within dendrites. Indeed, in slice cultures exposed to RA, hippocampal SP cluster size is upregulated, both in vitro and in vivo. Intriguingly, a lack of SP prevents RA-induced synaptic strengthening of hippocampal dentate granule cells in OTCs. This suggests a direct contribution of SP in RA-dependent synaptic plasticity. Interestingly, co-immunoprecipitation of SP-mRNA together with the RA-receptor alpha (RARα) further implies that RA directly controls synaptic plasticity via regulation of SP-protein expression. It is therefore interesting to speculate that RA may increase SP expression or prevent its reduction and thus alterations in synaptic plasticity under conditions of neuroinflammation. Taken together, this thesis identifies SP as an important neuronal target of TNFα-mediated alterations in synaptic plasticity. Moreover, the work on RA indicates that SP affects the ability of neurons to express synaptic plasticity by modulating/mediating local protein synthesis. Since neuroinflammatory processes are an elementary concomitant feature and/or cause of neurological diseases, I am confident that future work on the effects of inflammatory processes on brain function may provide the perspective in devising new therapeutic strategies for the treatment of neuropathologies such as Alzheimer’s disease, multiple sclerosis, epilepsy or stroke, by targeting SP expression and SP-mediated synaptic plasticity.
Deciphering the ecological functions of fungal root endophytes based on their natural occurrence
(2017)
Plants are colonized by a large diversity of fungi, some residing on the surface and others penetrating the plant tissues, the latter referred to as fungal endophytes (endon Gr., within; phyton, plant; de Bary 1879). Despite the saprotrophic potential of fungal endophytes, they are not found to cause visible disease symptoms to the host. Plants are colonized simultaneously by various fungal species, which form rich and diverse endophytic assemblages. Although it is hypothesized that fungal endophytes contribute to the fitness of their hosts and to the functioning of ecosystems, the ecological function of fungal endophytic assemblages remains cryptic. The aims of this doctoral thesis are to gain insight to the ecological functions of root fungal endophytes, by deciphering their roles in ecosystems based on their natural occurrence and the structure of their assemblages. The thesis focuses on studying the diversity and structure of the endophytic mycobiome within roots of two annual and widespread plant hosts Microthlapsi perfoliatum and M. erraticum (Brassicaceae) in several locations across northern Mediterranean and central Europe. The thesis is composed by six Chapters, with a primary focus on Chapter 1, 2 and 3.
Chapter 1 (Glynou et al., 2016) aimed at characterizing the diversity of fungal endophytes in roots at a continental scale and at assessing the factors affecting the structure of endophytic assemblages with the use of cultivation-based methods. For that, root samples were collected from 52 plant populations, along with a collection of soil, bioclimatic, geographic and host data. Cultivation of surface-sterilized root samples on culture media and isolation of fungal colonies in pure culture generated 1,998 fungal colonies. Grouping of sequences into Operational Taxonomic Units (OTUs), based on the 97% similarity of the isolates’ rDNA Internal Transcribed Spacer (ITS) sequence, generated in total 296 OTUs, representing taxa mostly within the phylum Ascomycota with a minor representation of Basidiomycota. Endophytic assemblages were mostly correlated with variation in bioclimatic conditions. Interestingly, despite the large diversity revealed, the assemblages were dominated by only six OTUs related to the orders Hypocreales, Pleosporales and Helotiales, which had a widespread distribution across populations but with some following patterns of ecological preferences.
Chapter 2 aimed at characterizing the uncultivable fraction of the root fungal endophytic diversity, which was not possible to capture in Chapter 1. High-throughput sequencing via the
Illumina Miseq platform was implemented in 43 of the 52 original populations and mostly in the same root samples. In comparison with the cultivation-based approach, the HTS managed to cover the overall diversity within samples. It revealed a large non-cultivated endophytic diversity but the same cultivable fungi dominated assemblages. Moreover, the endophytic diversity was grouped mostly within fungal orders with demonstrated ability to grow in culture and taxonomically related groups were found to have divergent ecological preferences.
The genetic identity of the most abundant OTUs was further investigated in Chapter 3 (Glynou et al., 2017), aiming to unravel genotypic variability, which was possibly overlooked due to the use of lTS, as a universal genetic marker, and could explain their high abundance and widespread distribution. Multi-locus gene sequencing and AFLP profiling for the five most abundant OTUs suggested a low within-OTU genetic variability and show that these fungi have ubiquitous distribution and are not limited by environmental conditions within the ecological ranges of the study. A selection of endophytes frequently isolated in Chapter 1 was functionally characterized in Chapter 4 (Kia et al., 2017) based on the isolates’ traits and interactions with plants. In Chapter 5 (Cheikh-Ali et al., 2015) fungal cultures of Exophiala sp. with differential colony structure where investigated for their production of secondary metabolites. Moreover, Chapter 6 (Maciá-Vicente et al., 2016) comprises the description of the new species Exophiala radicis based on morphological and molecular characteristics.
Compilation of all results shows that the fungal endophytic diversity in roots of Microthlaspi spp. is high but few widespread OTUs dominate the assemblages, and have unlimited dispersal ability. These fungi seem also to have a wide niche breadth and are not affected by environmental filtering. The findings indicate that the local environment but also processes of competitive exclusion determine the structure of endophytic assemblages. In addition, the fungal endophytes associated with Microthlapsi spp. likely have saprotrophic activity however the interactions with plants are likely context-dependent. Further research is needed to assess the biotic interactions among endophytes and their effect on the structure of fungal endophytic assemblages. Ultimately, the findings of this thesis are useful to shed light on the processes underlying the structure of endophytic assemblages. They also upraise the need to describe diversity by combining genetic, metabolic and physiological data, in order to disentangle the elusive ecological roles of the endophytic mycobiome.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Inhibitoren der bakteriellen Resistenzproteine New Delhi Metallo-β-Lactamase 1 (NDM-1), die beiden Mutanten der Verona-Integron Encoded Metallo-β-Lactamase 1 und 2 (VIM-1, bzw. -2), sowie die Imipenemase 7 (IMP-7) entwickelt.
Auf Grund natürlicher Selektion, aber vor allem auch bedingt durch den unüberlegten und verschwenderischen Einsatz von β-Lactam-Antibiotika, ist eine weltweite Zunahme an multiresistenten Erregern zu beobachten. Einer der Hauptgründe dieser Resistenzen sind die Metallo- β-Lactamsen (MBL), welche vor allem in Gramnegativen Bakterien vertreten sind und für die Hydrolyse und damit der Desaktivierung der β-Lactam-Wirkstoffe verantwortlich sind. Neben der Suche nach anderweitig wirkenden Antibiotika, ist die Entwicklung von Inhibitoren der MBLs von vordringlicher Bedeutung.
Basierend auf der Grundstruktur des ACE-Hemmers Captopril, wurden trotz synthetischer Herausforderungen erfolgreich mehrere Strukturen mit inhibitorischer Aktivität gegenüber den MBLs synthetisiert. Der Prolinring von Captopril wurde in einer neuen Variante der Captopril-Synthese durch verschiedene Ring- und nicht cyclische Teilstrukturen ersetzt. Durch die Entwicklung einer Schutzgruppenstrategie, konnte die Ringstruktur durch einen Piperazin-Rest ersetzt werden. Dies erlaubt es, die Molekülstruktur auf dieser Seite zu erweitern. Des Weiteren wurde eine neue Syntheseroute etabliert, welche es auf elegante Weise ermöglicht, weitere Derivatisierungen an der Methylgruppe des Captoprils durchzuführen.
In einem proteinbasierten Testsystem wurden die synthetisierten Substanzen auf ihr inhibitorisches Potential hin untersucht. Dabei wurden IC50-Werte im niedrig einstelligen mikromolaren, für drei Verbindungen sogar im sub-mikromolaren Bereich ermittelt. Die erhaltenen Ergebnisse wurden für die drei aktivsten Inhibitoren durch eine Erhöhung des Schmelzpunktes in einem TSA-Testsystem erfolgreich verifiziert. Mittels ITC-Untersuchungen konnte die unterschiedlichen Gewichtungen der entropischen und enthalpischen Beiträge zur Bindung der Inhibitoren an die untersuchten MBLs aufgezeigt werden. Hierdurch konnten die scheinbar widersprüchlichen Ergebnisse der ermittelten IC50-Werte und Schmelzpunktverschiebungen für die Verbindung DBDK48 bezüglich der NDM-1 aufgeklärt werden.
Die Strukturen DB320 konnte erfolgreich mit VIM-2 co-kristallisiert werden. Dies ermöglicht eine genauere Untersuchung und qualifizierte Aussagen über die Bindungsverhältnisse zwischen Protein und Ligand.
Für zwei der synthetisierten Inhibitoren sollte untersucht werden, ob deren Aktivität in vitro auch in Bakterien erhalten bleibt. Dazu wurden pathogene klinische Isolate und Laborstämme, welche mit dem Resistenzplasmid transfiziert wurden, und gegen Imipenem resistent sind, herangezogen. Durch die Zugabe der Inhibitoren konnte die Wirksamkeit von Imipenem wiederhergestellt werden.
Es konnte eine HPLC-Methode etabliert werden, welche eine Abschätzung der Polaritäten in Abhängigkeit der Retentionszeiten erlaubt. Dadurch konnte ein direkter Zusammenhang zwischen der Polarität der Verbindungen und dem Grad der Wirksamkeit im MIC-Testsystem aufgezeigt werden.
Durch die Untersuchung der Inhibitoren auf die Proteine ACE und LTA4H, konnten zwei Ziel-Proteine der Captopril-Grundstruktur als unerwünschte Nebenziele ausgeschlossen werden. Des Weiteren führte die Behandlung von U937-Zellen, selbst bei einer hohen Konzentration von 100 µM, weder zu Auffälligkeiten in einem WST-1 Assay, noch zu einer erhöhten Freisetzung von LDH. Daher kann davon ausgegangen werden, dass die Verbindungen über keine zytotoxischen Eigenschaften verfügen.
Photolabile Schutzgruppen haben sich im Laufe der letzten Jahre als wertvolle Werkzeuge für die Untersuchung und Regulation biologischer Prozesse etabliert. Dabei wird die photolabile Schutzgruppe auf geeignete Weise mit Biomolekülen verknüpft, sodass deren Funktion temporär deaktiviert wird. Durch Bestrahlen mit Licht geeigneter Wellenlängen wird die photolabile Schutzgruppe entfernt und die Aktivität des Biomoleküls bzw. des zu beobachtenden Prozesses wiederhergestellt. Die Grundlagen der Verwendung photolabiler Schutzgruppen im biologischen Kontext wurden in zwei Pionierarbeiten 1977 von J.W. ENGELS und 1978 von J.F. HOFFMAN gelegt. Davon ausgehend haben sich zahlreiche Anwendungen photolabiler Schutzgruppen für biologisch interessante Molekülklassen entwickelt. Auf dem speziellen Gebiet der Nukleinsäuren wurden in den letzten Jahren einige fundamentale Mechanismen entdeckt und aufgeklärt, die nicht zuletzt auch therapeutisch interessante Anwendungsmöglichkeiten für photolabile Schutzgruppen bieten. Hierbei stellt das An-/Aus-Schaltverhalten von Nukleinsäuren jedoch ein nicht-triviales Problem dar. Selbst der gezielte Einbau einer einzelnen photolabilen Schutzgruppe in ein multifunktionales Oligonukleotid führt in der Regel nämlich nicht zu einer vollständigen Deaktivierung dessen. Ein multipler Einbau photolabiler Schutzgruppen entlang der Sequenz eines funktionellen Oligonukleotids schaltet die Hintergrundaktivität im deaktivierten Zustand zwar vollständig aus, allerdings müssen in diesem Fall hohe Bestrahlungsintensitäten bzw. –dauern für das Entfernen aller photolabilen Modifikationen angewendet werden. Dadurch geht zum einen die Zeitauflösung der lichtgeschalteten Prozesse verloren, nicht zuletzt erhöht sich dabei aber auch das Risiko von lichtinduzierten Schäden am biologischen System. Das Kernthema der vorliegenden Dissertation war es daher, neue Architekturen für den Aufbau photoaktivierbarer Oligonukleotide zu entwickeln.
Das erste große Projekt basierte auf der Annahme, dass sich Duplexstrukturen, die für die Funktion vieler Nukleinsäuremechanismen fundamental sind, durch Zyklisierung von Oligonukleotiden global destabilisieren und damit effizienter photoaktivieren lassen, als durch lokalen Einbau einzelner photolabiler Schutzgruppen in Oligonukleotide. Hierzu wurden geeignete Alkin-Modifikationen an photolabile Nitrobenzyl- und Cumarin-Schutzgruppen angebracht und diese an die Nukleobasen verschiedener DNA-Bausteine geknüpft. Es ist daraufhin gelungen, Oligonukleotide mit je zwei photolabilen Alkin-Modifikationen herzustellen und diese intrasequentiell über eine Cu(I)-katalysierte Click-Reaktion mit einem Bisazid-Linker zu zyklisieren. Die so erhaltenen Oligonukleotide wiesen dramatisch erniedrigte Schmelzpunkte gegenüber den nativen Duplexen, sowie gegenüber den zweifach photolabil geschützten Oligonukleotiden auf. Dabei wurde außerdem festgestellt, dass Zyklisierungsparameter wie die Linkerlänge, -polarität und –flexibilität und die Wahl der photolabilen Schutzgruppe keinen signifikanten Einfluss auf die Duplexstabilität hat. Über einen Bereich von Ringgrößen zwischen ca. 11-21 Nukleotiden wurden die niedrigsten Duplexstabilitäten beobachtet. Sehr kleine, sowie große Ringe ab 30 Nukleotiden wiesen dagegen höhere Stabilität auf.
Da mit dem entwickelten Zyklisierungskonzept auch mehrere Ringstrukturen innerhalb einer Oligonukleotidsequenz aufgebaut werden können, wurde im nächsten Schritt eine photoaktivierbare Variante des C10-Aptamers hergestellt, welches selektiv gegen Burkitt’s Lymphomzellen bindet. Dieses 90-mer DNA-Oligonukleotid wurde an drei Stellen photolabil Alkin-modifiziert und infolge mit einem Trisazid-Linker zu einer bizyklisierten Struktur verknotet. Mit Hilfe von Fluoreszenzmikroskopie-Experimenten konnte demonstriert werden, dass das durch eine solche „Photo-Klammer“ deaktivierte C10-Aptamer keine Bindungsaffinität gegenüber Burkitt’s Lymphomzellen aufweist, die Bindungsaktivität jedoch nach Belichten wiederhergestellt werden kann. Mit Atomkraftmikroskopie-Experimenten ist es darüber hinaus gelungen, die Photoaktivierung des verknäuelten C10-Aptamers mit molekularer Auflösung abzubilden. Mit diesem Ergebnis können nun lange funktionelle Oligonukleotide auf definierte Weise photoaktivierbar gestaltet werden, insbesondere auch dann, wenn keine (Informationen über) funktionelle Sekundärstrukturen existieren.
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In dieser Arbeit wurde der Hefepilz Xanthophyllomyces dendrorhous als vielseitige biotechnologische Plattform für die Produktion von Carotinoiden verwendet. Durch genetische Modifikationen der Carotinoidbiosynthese wurde ein Astaxanthin-Hochproduzent zur Akkumulation des farblosen Phytoens, das die menschliche Haut vor der schädlichen Wirkung der UV-Strahlung schützt und des gelben Zeaxanthins, das zur Förderung und Erhalt der Sehfähigkeit beiträgt, befähigt. Zur Generierung eines Phytoen-Hochproduzenten wurde das Gen crtI (Phytoen-Desaturase) inaktiviert und der Phytoengehalt durch Überexpression der Gene HMGR, crtE und crtYB gesteigert. Die Generierung eines Zeaxanthin-Hochproduzenten beinhaltete die Inaktivierung des Gens asy (Astaxanthin-Synthase) und die heterologe Expression einer bakteriellen ß-Carotin-Hydroxylase CrtZoXd.
Die Inaktivierung der Gene erfolgte mit spezifischen Knock-Out-Konstrukten, die mittels homologer Rekombination in crtI oder asy integrierten. Nachdem die Transgene auf Vektoren mit verschiedenen Antibiotikaresistenzen kloniert wurden, wurde die Überexpression durch genomische Integration in die ribosomale DNA erreicht. Anschließend wurde die Carotinoidzusammensetzung der Zellextrakte durch Hochleistungsflüssigkeitschromatographie an einer C18-Trennsäule oder durch Dünnschichtchromatographie bestimmt. Der Knock-Out-Nachweis erfolgte mittels Polymerase-Kettenreaktion und Amplifikation der Genloci, während die Anzahl integrierter Carotinoidgene durch quantitative Real-Time-PCR bestimmt wurde. Die Kultivierungen von X. dendrorhous wurden sowohl in Schikanekolben als auch in einem 2L-Bioreaktor durchgeführt.
Im Zuge der genetischen Modifikationen konnte der Ploidiegrad des Wildtyps bestimmt werden, der bis dahin unbekannt war. Durch das Auftreten von instabilen heterozygoten Stämmen und deren Überführung zu stabilen Homozygoten wurde die Existenz eines diploiden Genoms nachgewiesen. Um die für die biotechnologische Anwendung notwendige Stabilität der Carotinoidbiosyntheseleistung zu erreichen, wurden zwei Strategien entwickelt. Hierbei erfolgte die Stabilisierung der Stämme als Folge mitotischer Rekombination nach Subkultivierung und anschließender Farbselektion oder durch Induktion des sexuellen Zyklus und Sporulation.
Der crtI-Knock-Out führte zur Akkumulation von 3,6 mg/g dw Phytoen. Anschließend wurde die Limitierung der Phytoensynthese durch crtYB-Überexpression aufgehoben und die Versorgung der Carotinoidbiosynthese mit Vorläufermolekülen durch HMGR- und crtE-Überexpression erhöht. Im Bioreaktor wurde durch die Anwendung eines dreistufigen Fed-Batch-Prozesses, der eine effiziente Glucoseverwertung sicherstellte, mit 10,4 mg/g dw die höchste bis dato publizierte zelluläre Phytoenkonzentration im stabilisierten Hochproduzenten erreicht.
Der asy-Knock-Out führte zur Akkumulation von 4,5 mg/g dw ß-Carotin, das anschließend durch heterologe Expression der codon-optimierten ß-3,3-ß-Hydroxylase crtZoXd im Hochproduzenten zu 3,5 mg/g dw Zeaxanthin umgesetzt wurde. Zur Optimierung des Vorgehens wurden Knock-In-Konstrukte entwickelt, mit denen beide Schritte (Knock-Out und Integration von Carotinoidgenen) in nur einem molekular-biologischen Schritt durchgeführt und 94 % des in einem Wildtypstamm vorhanden ß-Carotins zu Zeaxanthin umgesetzt wurden. Die Optimierung der Wachstumsbedingungen bei der Bioreaktor-Kultivierung des stabilisierten Zeaxanthinproduzenten führte mit 10,8 mg/L zu einem 5-fach höheren Zeaxanthingehalt im Vergleich zur Schikane-Kultivierung.
Durch den Einsatz der Pentosen Arabinose und Xylose als alternative Kohlenstoffquellen wurde der Carotinoidgehalt der Phytoen- und Zeaxanthin-Hochproduzenten um 70 bzw. 92 % im Vergleich zur Glucose-Kultivierung gesteigert, wobei die Gründe für diesen Effekt in einer stärkeren Kohlenstoffverwertung und der Hemmwirkung von Glucose vermutet wurden. Aus verschiedenen pflanzlichen Abfallstoffen kann Xylose durch Hydrolyse freigesetzt werden, deren Nutzung zum Aufbau einer nachhaltigen und kostengünstigen biotechnologischen Carotinoidproduktion beitragen kann.
Darüber hinaus wurden multioxigenierte Zeaxanthinderivate, von denen eine positive Wirkung auf die menschliche Gesundheit vermutet wird, durch kombinatorische Biosynthese erhalten. Durch die schrittweise Integration der Gene crtZoXd, crtG (ß-2,2-Hydroxylase) und bkt (ß-4,4-Ketolase) in eine ß-Carotinmutante wurde die Biosynthese von Zeaxanthin, Nostoxanthin und schließlich von 4-Keto-Nostoxanthin und 4,4-Diketo-Nostoxanthin erreicht. Anschließend erfolgte die chemische Reduktion zu den neuartigen Carotinoiden 4-Hydroxy-Nostoxanthin und 4,4-Dihydroxy-Nostoxanthin und der zweifelsfreie Nachweis aller vier Carotinoide anhand der mittels Massenspektrometrie bestimmten Molekülmassen und Fragmentierungsmuster.
Gallery forests (GFs) are floristically and functionally distinct forests along rivers and watercourses. The GFs of the West African savannas form thin stripes with a particular, species-rich flora differing significantly from the surrounding vegetation. Due to their relative isolation in the savannas and their dependence on rivers, GFs are particularly endangered by the expected global climate changes in the 21st century. Despite their high diversity, little is known about the ecology and biogeography of GFs in West Africa. Especially, their response to climate changes and their vegetation dynamics remain largely unknown. This thesis combines floristic, phylo-geographic and ecological data to investigate the biodiversity, historical and recent biogeography and conservation status of GF species in Burkina Faso (BFA) as a model for West Africa.
The process of urbanization is one of the major causes of the global loss of biodiversity; however, cities nowadays also have the potential to serve as new habitats for wildlife. The European rabbit (Oryctolagus cuniculus, L. 1758) is a typical example of a wildlife species that reaches stable population densities in cities. Due to intense plant and soil damages, German city authorities aim to control high rabbit densities through the application of a yearly hunting regime (e. g., in Munich, Berlin or Frankfurt am Main). In contrast, population densities of O. cuniculus are on decline in German rural areas, i. e., numbers of yearly hunting bags decreased. The aim of my doctoral thesis was to answer the following research questions: Do population densities of the European rabbit correlate with the intensity of urbanization in and around Frankfurt am Main and if so, which factors play a role in varying densities? How are burrow construction behaviors and group sizes, daytime activity patterns and anti-predator behaviors as well as communication behaviors of this mammal affected by urbanization?
In my first study, I focused on population dynamics across 17 different study sites in and around Frankfurt. As one of yet few studies, I invented an approach that quantified the intensity of urbanization (degree of urbanity) of each study site base on four variables: (1) intensity of anthropogenic disturbance per min and ha, (2) number of residents within a radius of 500 m, (3) proportion of artificial ground cover and (4) numbers of anthropogenic objects per ha. Spearman rank correlations confirmed that with increasing degree of urbanity also rabbit and burrow densities increased. The access to dense shrubs, bushes etc. as suitable sites for burrow construction is the most determining factor for rabbit abundances, and therefore I presumed different densities along the rural-to-urban gradient to be driven by shifts in the availability of thick vegetation.
In the second study, I calculated two indices that in both cases classified burrows to be either accumulated, evenly or randomly distributed within study sites. Additionally, in cooperation with local hunters the number of burrow entrances and animals that occupy the same burrow had been determined during the hunting season. With increasing degree of urbanity burrow distribution patterns shifted from accumulated in rural areas towards more evenly distributed within the city center of Frankfurt. This is a clear sign for an increasing access to sites suitable for burrow construction along the rural to-urban gradient. Additional Spearman rank correlations revealed that the external dimensions of burrows decreased (shorter distances between entrances) and that burrows became less complex (fewer entrances) along the rural-to-urban gradient. In accordance, the number of rabbits that commonly shared the same burrow system was highest within rural areas, whereas I found mainly pairs and single individuals within highly urbanized study sites.
In the last study I compared activity patterns, burrow use and percentages of anti-predator behaviors from one hour before sunrise until one hour after sunset of rural, suburban and urban rabbit groups. A linear mixed model (LMM) and Spearman rank correlations confirmed that rabbits located at urban and suburban sites spent more time outside their protective burrows compared to their rural conspecifics. At suburban sites, individuals invested the least amount of time in anti-predator behavior. Results of this third study gave evidence that suburban rabbit populations on one hand benefit from less predation pressure by natural predators in comparison to rural sites, whereas on the other hand are exposed to less intense disturbance by humans compared to urban study sites.
The last study focused on the effects that urbanization had on the latrine-based communication behavior of rabbits. As many other mammals, O. cuniculus exchange information via the deposition of excreta in latrines, and depending on the intended receiver(s), latrines are either formed in central areas for within-group communication or at territorial boundaries, e. g., for between-group communication. The relative importance of within- vs. between-group communication depends on, amongst other factors, population densities and group sizes which I proved both to shift along the considered rural-to-urban gradient. I determined latrine sizes, latrine densities and latrine utilization frequencies relative to their distance to the nearest burrow at 15 different study sites. Latrine densities and utilization frequencies increased with increasing distance from the burrow in suburban and urban populations whereas at rural sites, largest latrines and those containing the most fecal pellets were close to the burrow, suggesting that within-group communication prevailed.
To sum up, for the first time, I was able to relate shifts in the ecology and behavior of the European rabbit as adaptations to a gradual anthropogenic habitat alteration that are typical for “urban exploiters”. Especially the suburban habitat provides high landscape heterogeneity (“edge habitat“) which is essential for high and stable rabbit populations. Moreover, here, comparably low human disturbance and predation pressure are given in contrast to the agriculturally transformed, open landscapes which are nowadays typical for most rural areas in central Europe. I argue that this mainly leads to the observed behavioral changes along the rural-to-urban gradient. Future plans for rural land management actions should aim to increase refuge availability by generating networks of ecotones. This would also benefit species that depend on similar ecosystem structures as the European rabbit and are on decline in Germany.
Proteinen die ExHepatitis C ist eine entzündliche Erkrankung der Leber, die durch das Hepatitis-C-Virus (HCV) verursacht wird. Trotz vieler Bemühungen ist heutzutage immer noch keine prophylaktische Vakzinierung verfügbar. Neuartige Therapien versprechen eine hohe Heilungsrate, sind aber mit hohen Kosten verbunden. HCV induziert oxidativen Stress, welcher für das Auftreten und die Progression der Pathogenese eine zentrale Rolle spielt. Um zellulären Stress (z.B. durch ROS) entgegenzuwirken, haben Zellen cytoprotective und detoxifizierende Mechanismen entwickelt, die die zelluläre Homöostase aufrechterhalten. Dabei kontrolliert der redoxsensitive Transkriptionsfaktor Nrf2 als Heterodimer zusammen mit sMaf- pression von cytoprotective und ROS-detoxifizierenden Genen. Vorherige Studien haben gezeigt, dass HCV den Nrf2/ARE-Signalweg beeinträchtigt. Dabei induziert HCV eine Translokation der sMaf-Proteine aus dem Zellkern in das Cytoplasma, wo diese das virale Protein NS3 binden. Im Cytoplasma lokalisierte sMaf-Proteine verhindern dadurch eine Translokation von Nrf2 in den Zellkern. Folglich ist die Expression von Nrf2/ARE-abhängigen cytoprotective Genen inhibiert und intrazelluläre ROS-Spiegel dauerhaft erhöht. Ein weiterer zentraler cytoprotective Mechanismus ist die Autophagie. Sie dient der Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase durch den Abbau von defekten Proteinen und Organellen. Des Weiteren ist bekannt, dass Autophagie nicht nur im Laufe von Nährstoffmangel induziert wird, sondern auch durch erhöhte Mengen an ROS. In sämtlichen Studien konnte beobachtet werden, dass Autophagie für die Aufrechterhaltung des viralen Lebenszyklus eine wesentliche Rolle spielt, da sie mit der Ausbildung des membranous web, der Translation, der Replikation und der Freisetzung des Virus interferiert. Ausgehend davon sollte in dieser Arbeit zunächst die Relevanz von HCV-induziertem oxidativen Stress, resultierend aus der Nrf2/ARE-Signalweginhibition, als möglicher Aktivator der Autophagie untersucht werden. Dabei wurde in HCV-positiven Zellen eine Akkumulation von LC3-II beobachtet, was auf eine Induktion der Autophagie schließen lässt. In Übereinstimmung damit wurde eine erhöhte Expression von Autophagie-Markerproteinen in HCV-infizierten PHHs detektiert. Im Laufe der Autophagie wird p62 abgebaut. Somit sollte eine Induktion der Autophagie in einer Verminderung der Menge an p62 resultieren. Nichtsdestotrotz ist eine Akkumulation von p62 in HCV-positiven Zellen nachzuweisen. Dies erscheint zunächst widersprüchlich. Aufgrund der Tatsache, dass die Expression der katalytischen Untereinheit des Proteasoms (PSMB5) Nrf2-abhängig ist, führt die beeinträchtigte Nrf2-Aktivität in HCV-positiven Zellen jedoch zu einer verringerten Aktivität des konstitutiven Proteasoms. Dieser Befund kann auch die erhöhte Halbwertzeit von p62 in HCV-positiven Zellen erklären. Kürzlich wurde ein Zusammenspiel des Nrf2/ARE-Signalwegs und der Autophagie beobachtet. Dabei kann Nrf2 nicht nur über den kanonischen Signalweg aktiviert werden, sondern auch durch eine direkte Interaktion des phosphorylierten Autophagie-Adaptorproteins p62 (pS[349] p62) mit Keap1. In HCV-positiven Zellen können nicht nur eine Zunahme der Gesamtmenge von p62 beobachtet werden, sondern auch erhöhte Mengen an pS[349] p62. Die Berechnung des Quotienten aus pS[349] p62 und p62 zeigt in etwa eine Verdopplung der Menge an pS[349] p62 , was auf eine vermehrte Phosphorylierung von p62 in HCV-positiven Zellen rückschließen lässt. Des Weiteren konnte beobachtet werden, dass erhöhte Mengen an ROS, wie sie auch in HCV-positiven Zellen vorkommen, Autophagie induzieren können, die durch eine Akkumulation von LC3-II und die Zunahme von LC3 Puncta charakterisiert ist. Auch eine Zunahme von pS[349] p62 konnte beobachtet werden. Ferner resultierte die Überexpression der phosphomimetischen Mutante (p62 [S351E]) in einer Akkumulation von LC3-II, was auf die Fähigkeit von pS[349] p62 rückschließen lässt, Autophagie zu induzieren. Eine Modulation der Autophagie mittels der Inhibitoren 3-Methyladenin und Bafilomycin führte zu einer inhibierten Freisetzung von infektiösen viralen Partikeln und unterstreicht damit, dass der Autophagie eine essentielle Bedeutung bei der Freisetzung viraler Partikel zukommt. Eine HCV-Infektion wird sowohl von erhöhten Mengen an ROS als auch von einer Induktion der Autophagie begleitet. Dementsprechend führte eine Verminderung des intrazellulären Radikalspiegels durch eine Inkubation mit den Radikalfängern PDTC und NAC zu geringeren Mengen an LC3-II und pS[349] p62. Dabei konnte auch eine Abnahme der freigesetzten infektiösen viralen Partikel beobachtet werden, was ein Zusammenspiel zwischen erhöhten Mengen an ROS, Induktion der Autophagie und Virusfreisetzung nahelegt. Vorschlag: Erhöhte Mengen an ROS werden durch eine Aktivierung des Nrf2/ARE-Signalwegs detoxifiziert und würden somit den zuvor beschriebenen viralen Mechanismus verhindern. HCV die Aktivierung Nrf2/ARE-regulierter Gene beeinträchtigt, wurde die Hypothese aufgestellt, dass in HCV-positiven Zellen dieser komplexe Mechanismus dazu dient, die Translokation des pS[349] p62-abhängig freigesetzte Nrf2 in den Zellkern zu verhindern. Das wiederum hat eine eingeschränkte Expression von Nrf2/ARE-abhängigen Genen und Detoxifizierung von ROS zur Folge. Um diese Hypothese experimentell zu untersuchen, wurden HCV-positive und negative Zellen cotransfiziert mit dem p62 Wildtyp (p62 [wt]), der p62 phosphomimetischen Mutante (p62 [S351E]) oder einem Kontrollplasmid in Kombination mit einem Reporterkonstrukt, welches die Nrf2-Aktivierung darstellt (OKD48). Während in HCV-negativen Zellen im Vergleich zum p62 [wt] eine Transfektion mit p62 [S351E] zu einer signifikanten Aktivierung des Nrf2-abhängigen Reportergens führt konnte dies in HCV-positiven Zellen nicht beobachtet werden. Zusammengenommen beschreiben diese Ergebnisse einen neuartigen Mechanismus wie HCV das Zusammenspiel zwischen dem Nrf2/ARE-Signalweg, erhöhten Mengen an ROS und Autophagie beeinflusst. Dabei übt HCV einen negativen Effekt auf den Nrf2/ARE-Signalweg aus, um dem pS[349] p62-abhängig freigesetzten Nrf2 zu entkommen. Folglich werden erhöhte Mengen an ROS aufrechterhalten, die eine Induktion der Autophagie ermöglichen, welche für die Freisetzung viraler Partikel essentiell ist.
Fossile Rohstoffe dienen in unserer heutigen Gesellschaft als Energiequelle und als Rohstofflieferant für Grund-, Feinchemikalien und Pharmazeutika. Sie tragen jedoch zum Klimawandel und Umweltverschmutzung bei. Lignocellulosische Biomasse ist eine erneuerbare und nachhaltige Alternative, die durch biotechnologische Prozesse erschlossen werden kann. Die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae ist ein sehr gut untersuchter Modellorganismus, für den es zahlreiche genetische Werkzeuge und Analysemethoden gibt. Zudem wird S. cerevisiae häufig in biotechnologischen Prozessen eingesetzt, da diese Hefe robust gegenüber industriellen Bedingungen wie niedrigen pH-Werten, toxischen Chemikalien, osmotischem und mechanischem Stress ist. Die Pentose D-Xylose ist ein wesentlicher Bestandteil von lignocellulosischer Biomasse, die aber nicht natürlicherweise von der Bäckerhefe verwerten werden kann. Für eine kommerzielle Herstellung von Produkten aus lignocellulosischer Biomasse muss S. cerevisiae D-Xylose effektiv verwerten. Für die Bäckerhefe konnten heterologe Stoffwechselwege etabliert werden, damit diese D-Xylose verwerten kann. Für eine effiziente Xyloseverwertung bleiben dennoch zahlreiche Herausforderungen bestehen. Unter anderem nehmen die Zellen D-Xylose über ihre endogenen Hexosetransporter nur langsam auf. Die heterologe Xylose-Isomerase (XI) besitzt in S. cerevisiae eine geringe Aktivität für die Isomerisierung von D-Xylose. Unspezifische Aldosereduktasen konkurrieren mit der Xylose-Isomerase um das gleiche Substrat und produzieren Xylitol, ein starker Inhibitor der Xylose-Isomerase. Eine Möglichkeit die Umsatzrate von Enzymen zu steigern und Substrate vor Nebenreaktionen zu schützen, ist die Anwendung von Substrate Channeling Strategien. Bei Substrate Channeling befinden sich die beteiligten Enzyme in einem Komplex, wodurch die Substrate lokal angereichert werden und von einem aktiven Zentrum zum nächsten weitergeleitet werden, ohne Diffusion in den restlichen Reaktionsraum. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob ein Komplex zwischen einem membranständigen Transporter und einem löslichen Enzym konstruiert werden kann, um durch Substrate Channeling eine verbesserte Substrat-Verwertung zu erreichen. Die Xylose-Isomerase aus C. phytofermentans und die endogene Hexose-Permease Gal2 sollten in dieser Arbeit als Modellproteine in S. cerevisiae-Zellen mit Hilfe von Protein-Protein-Interaktionsmodulen (PPIM) in räumliche Nähe zueinander gebracht werden.
Die Expression verschiedener PPIM konnte in S. cerevisiae mittels Western Blot nachgewiesen werden. Auch Fusionsproteine aus unterschiedlichen PPIM wurden in dieser Hefe exprimiert. Die PPIM binden komplementäre PPIM oder kurze Peptidliganden, welche an die Xylose-Isomerase und an den Gal2-Transporter fusioniert wurden. Die Funktionalität beider Proteine wurde mittels in vivo und in vitro Tests untersucht. Die Xylose-Isomerase mit N-terminalen Liganden des WH1-Protein-Protein-Interaktionsmoduls (WH1L-XI) und der Gal2-Transporter mit N-terminalen SYNZIP2-Protein-Protein-Interaktionsmodul (SZ2-Gal2) erwiesen sich als geeignete Kandidaten für weitere Untersuchungen. Mittels indirekter Immunfluoreszenz konnte die Ko-Lokalisierung von SZ2-Gal2 und WH1L-XI, die einander über ein Scaffold-Protein binden, nachgewiesen werden.
Transformanten, in denen ein Komplex aus Transporter, Scaffold-Protein und Xylose-Isomerase gebildet wurde, zeigten bessere Fermentationseigenschaften gegenüber der Scaffold-freien Kontrolle und dem Wildtyp: Sie verwerteten Xylose schneller, bildeten weniger vom unerwünschten Nebenprodukt Xylitol, produzierten mehr Ethanol und wiesen eine höhere Ethanolausbeute auf. Der beobachtete Substrate Channeling Effekt kompensierte die geringere Enzymaktivität der WH1L-XI im Vergleich zum Wildtyp-Protein. Die Wirksamkeit des Substrate Channeling wurde verringert, wenn die Bildung des Komplexes aus Transporter, Scaffold-Protein und Xylose-Isomerase gestört wurde, indem ein getaggtes GFP mit dem Scaffold-Protein um die Bindungsstelle an Gal2 konkurrierte. Dies zeigt, dass die positive Wirkung auf die Komplex-Bildung zwischen XI und Gal2 zurück zu führen ist. Die Fermentationseigenschaften konnten gesteigert werden, indem der zuvor zwischen SZ2-Zipper und Gal2-Transporter verwendete Linker, der aus zehn Aminosäuren von Glycin, Arginin und Prolin (GRP10) bestand, durch einen aus Glycin und Alanin (GA10) ersetzt wurde. Die verbesserten Fermentationseigenschaften beruhten auf einem Substrate Channeling Effekt und einer gesteigerten Aufnahmerate des SZ2-GA10-Gal2-Transporters. Ein Vergleich der Strukturvorhersagen von SZ2-GRP10-Gal2 und SZ2-GA10-Gal2 zeigte, dass der GRP10-Linker einen unstrukturierten, flexiblen Linker ausbildet, während der GA10-Linker eine starre α-Helix ausbildet. Die Struktur und der Transportprozess von Gal2 sind nicht aufgeklärt. Bei verwandten Transportern geht man davon aus, dass Substrate durch Konformationsänderungen ins Innere der Zelle transportiert werden, indem die beiden Domänen gegeneinander klappen. Die α-Helix könnte die Geschwindigkeit der Konformationsänderungen begünstigen.
Durch Kontrollexperimente konnte ausgeschlossen werden, dass die gesteigerten Fermentationseigenschaften eine Folge der Stabilisierung der XI- und Gal2-Fusionsproteine durch das Anfügen des Liganden oder durch Komplexbildung mit dem Scaffold-Protein waren. Substrate Channeling zwischen Gal2 und XI entsteht durch die Komplexbildung mit dem Scaffold-Protein, wodurch sich Gal2 und XI in räumlicher Nähe zueinander befinden. Dieser Effekt beruht möglicherweise zusätzlich aufgrund einer hohen örtlichen Ansammlung dieser Proteine, da die tetramere XI weitere Scaffold-Proteine binden könnte, welche weitere Gal2-Transporter binden könnte. Darüber hinaus sammeln sich Transporter an bestimmten Orten der Membran an und Transporter mit ähnlicher oder gleicher Transmembransequenz tendieren dazu zu ko-lokalisieren. Hierdurch könnten Gal2-XI-Agglomerate entstehen und Xylose wird mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer der vielen Xylose-Isomerasen umgesetzt.
The composition of cellular membranes is extremely complex and the mechanisms underlying their homeostasis are poorly understood. Organelles within a eukaryotic cell require a non-random distribution of membrane lipids and a tight regulation of the membrane lipid composition is a prerequisite for the maintenance of specific organellar functions. Physical membrane properties such as bilayer thickness, lipid packing density and surface charge are governed by the lipid composition and change gradually from the early to the late secretory pathway. As the endoplasmic reticulum (ER) is situated at the beginning of the cells secretory pathway, it has to accept and accommodate a great variety and quantity of secretory and transmembrane proteins, which enter the ER on their way to their final cellular destination. Secretory proteins can be translocated into the lumen of the ER co- or posttanslationally and membrane proteins are being inserted and released into the ER membrane. In the oxidative milieu of the ER-lumen, supported by a variety of chaperones, proteins can fold into their native form.
If the folding capacity of the ER-lumen is exceeded, an accumulation of mis- or unfolded proteins in the lumen of the ER occurs, consequently triggering the unfolded protein response (UPR). This highly conserved program activates a wide-spread transcriptional response to restore protein folding homeostasis. In fact, 7 – 8% of all genes in the yeast Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) are regulated by the UPR. The mechanism underlying the activation of the UPR by protein folding stress has been investigated thoroughly in the last decades and many of its mechanistic details have been elucidated. Recently, it became evident that aberrant lipid compositions of the ER membrane, collectively referred to as lipid bilayer stress, are equally potent in activating the UPR. The underlying molecular mechanism of this membrane-activated UPR, however, remained unclear.
This study focuses on the UPR in S. cerevisiae and characterizes the inositol requiring enzyme 1 (Ire1) as the sole UPR sensor in S. cerevisiae. Active Ire1 forms oligomers and, collaboratively with the tRNA ligase Rlg1, splices immature mRNA of the transcription factor HAC1, which results in the synthesis of mature HAC1 mRNA and the production of the active Hac1 protein, which binds to UPR-elements in the nucleus and activates the expression of UPR target genes. Here, the combination of in vivo and in vitro experiments is being used, which is supplemented by molecular dynamics (MD) simulations performed by Roberto Covino and Gerhard Hummer (MPI for Biophysics, Frankfurt), aiming to identify the molecular mechanism of Ire1 activation by lipid bilayer stress. This study focuses on the analysis of the juxta- and transmembrane region of Ire1. Bioinformatic analyses revealed a putative ER-lumenal amphipathic helix (AH) N-terminally of and partially overlapping with the transmembrane helix (TMH). This predicted AH contains a large hydrophobic face, which inserts into the ER membrane, forcing the TMH into a tilted orientation within the membrane. The resulting unusual architecture of Ire1’s AH and TMH constitutes a unique structural element required for the activation of Ire1 by lipid bilayer stress.
To investigate the function of the AH in the physiological context, different variants of Ire1 were produced under the control of their endogenous promoter and from their endogenous locus. The functional role of the AH was tested, by disrupting its amphipathic character by the introduction of charged residues into the hydrophobic face of the AH. The role of a conserved negative residue between the TMH and the AH (E540 in S. cerevisiae) was tested by substituting it by a unipolar, polar, or positively charged residue. These variants were intensively characterized using a series of assays:
This thesis provides evidence that the AH is crucial for the function of Ire1: Mutant variants with a disrupted (F531R, V535R) or otherwise modified AH (E540A) exhibited a lower degree of oligomerization and failed to catalyze the splicing of the HAC1 mRNA as the Wildtype control. Likewise, the induction of PDI1, a target gene of the UPR, was greatly reduced in mutants with a disrupted or defective AH. These data revealed an important functional role of the AH for normal Ire1 function.
An in vitro system was established to analyze the membrane-mediated oligomerization of Ire1. This system enabled the isolated functional analysis of the AH and TMH during Ire1 activation by lipid bilayer stress. A fusion construct, coding for the maltose binding protein (MBP) from Escherichia coli (E. coli), N-terminally to the AH and TMH of Ire1 was produced. The heterologous production in E. coli, the purification and reconstitution of this minimal sensor of Ire1 in liposomes was established as part of this study. To analyze the oligomeric status of the minimal sensor in different lipid environments, continuous wave electron paramagnetic resonance (cwEPR) spectroscopic experiments were performed. These experiments revealed that the molecular packing density of the lipids had a significant influence of the oligomerization of the spin-labeled membrane sensor: increasing packing densities resulted in sensor oligomerization. The AH-disruptive F531R mutant, in which the amphipathic character of the AH was destroyed, showed no membrane-sensitive changes in its oligomerization status.
Thus, the activation of Ire1 by lipid bilayer stress is achieved by a membrane-based mechanism. According to the current model, the AH induces a local membrane compression by inserting its large hydrophobic face into the membrane. As membrane thickness and acyl chain order are interconnected, this compression simultaneously results in an increased local disordering of lipid acyl chains. Supporting MD simulations performed by Roberto Covino and Gerhard Hummer revealed that the bilayer compression is significantly more pronounced in a densely packed lipid environment, than in a lipid environment of lower lipid packing density. Hence, the energetic cost of the local compression increases with the packing density of the membrane, but is compensated for by the oligomerization of Ire1. This minimization of energetic cost induced by the membrane deformation of Ire1 forms the basis for the activation of Ire1 by lipid bilayer stress.
Die Paarverteilungsfunktion (PDF) beschreibt die Wahrscheinlichkeit, zwei Atome eines Materials in einem Abstand r voneinander zu finden. Diese Methode bewährt sich seit längerer Zeit zur Untersuchung von Gläsern, Flüssigkeiten, amorphen, stark fehlgeordneten und nanokristallinen anorganischen Substanzen. Die Anwendung für organische Substanzen ist jedoch relativ neu, mit etwa 20 Veröffentlichungen und Patenten insgesamt.
Im Rahmen dieser Dissertation wurden zwei Methoden zur Strukturverfeinerung und Strukturlösung organischer Substanzen anhand von PDF-Daten erfolgreich entwickelt und an diversen Beispielen validiert. Als erster Schritt hierzu wurde eine Methodenverbesserung vorgenommen. Hierbei handelte es sich um eine Verbesserung der Simulation der PDF-Kurven organischer Verbindungen anhand eines gegebenen Strukturmodells. Mit Hilfe der bisherigen Methoden können die PDF-Kurven anorganischer Substanzen erfolgreich simuliert werden. Für organische Substanzen werden bei Anwendung der bisherigen Methode die Signalbreiten der intramolekularen und intermolekularen Beiträge zu der PDF-Kurve falsch wiedergegeben, dies führt zu einer schlechten Anpassung der simulierten PDF-Daten and die experimentellen PDF-Daten. Deshalb wurde ein neuer Ansatz entwickelt, in welchem für die Berechnung der intramolekularen Beiträge zum PDF-Signal ein anderer isotroper Auslenkungsparameter verwendet wurde, als bei der Berechnung der intermolekularen Beiträge zum PDF-Signal. Mit diesem Ansatz konnte eine sehr gute Simulation der PDF-Kurve für alle Testbeispiele erzielt werden. Zur Strukturverfeinerung organischer Substanzen anhand von PDF-Daten wurden zwei Ansätze entwickelt: der Rigid-Body-Ansatz zur Behandlung starrer organischer Moleküle und der Restraint-Ansatz zur Behandlung flexibler organischer Moleküle.
Neben methodischen Entwicklungen wurden in dieser Arbeit zwei weitere Untersuchungen organischer Verbindungen mittels PDF-Analyse durchgeführt.
Es wurden drei, auf unterschiedliche Weise hergestellte, amorphe Proben des Wirkstoffes Telmisartan untersucht. Des Weiteren wurde mittels PDF-Analyse eine pharmazeutische Nanosuspension untersucht.
Characterizing the hologenome of Lasallia pustulata and tracing genomic footprints of lichenization
(2017)
The lichen symbiosis – consisting of fungal mycobionts and photoautotroph photobionts (green algae or cyanobacteria) – is globally successful. It covers an estimated 6% of the global surface with habitats ranging from deserts to the arctic. This success is reflected in the diversity of the mycobionts, with around 21% of all fungal species participating in lichen symbioses that can be facultative or obligate. Lichenization is furthermore evolutionary old, with fossil evidence for lichens reaching back 415 million years. For an individual fungal lineage, the Lecanoromycetes, the lichenization happened around 300 million years ago. This longstanding symbiotic relationship and the diversity of observed symbiotic dependency make them promising models to study the genomic consequences that follow the establishment of symbioses. Despite this, only little is known about the genomic effects of lichenization and extreme symbiotic dependency. To fill this gap we sequenced the hologenome of the lichen Lasallia pustulata, where the mycobiont could so far not been cultivated, suggesting that it might be more dependent on its symbionts.
As the poor culturability of lichen symbionts renders their genomes inaccessible to standard sequencing practices, we evaluated the extent to which different metagenome sequencing- and de novo assembly-strategies can be used to sequence and reconstruct the genomes of the individual symbionts. We find that the abundances of individual genomes present in the L. pustulata hologenome vary substantially, with the mycobiont being most abundant. Using in silico generated data sets and real Illumina sequencing data for L. pustulata we observe that the skewed abundances prevent a contiguous assembly of the underrepresented genomes when using only short-read sequencing. We conclude that short-read sequencing can offer first insights into lichen hologenomes. The fragmentation of the reconstructions hinders downstream analyses into the genomic consequences of lichenization though, as these are focused on identifying the gain and loss of genes.
We thus demonstrate a hybrid genome assembly strategy that is based on both short- and long-read sequencing. We show that this strategy is capable of creating highly contiguous genome reconstructions, not only for the L. pustulata mycobiont but also its photobiont Trebouxia sp., along with substantial amounts of the bacterial microbiome. A subsequent analysis of the microbiome of L. pustulata – performed over nine different samples collected in Germany and Italy – showed a stable taxonomic composition across the geographic range. We find that Acidobacteriaceae, which are known to thrive in nutrient poor habitats, are the dominant taxa. These would make them well adapted for the co-habitation with L. pustulata, which largely grows on rocks. Whether the Acidobacteriaceae are functionally involved in the lichen symbiosis is unclear so far.
As further comparative genomic studies rely on comprehensive genome annotations, we evaluate the completeness and fidelity of the gene annotations for the mycobiont L. pustulata as well as four further Lecanoromycetes. This reveals that un- and mis-annotated genes impact all evaluated genomes, with artificially joined genes and unannotated genes having the largest impact. In addition to these factors we find that the sequence composition – especially G/C-rich inverted repeats – lead to sequencing errors that interfere with the gene prediction. We minimize the effects of these artifacts through a rigorous curation.
Given the extremely sparse taxon sampling of available green alga genomes, we focus our search for the genomic footprints of lichenization on the mycobionts. We compare the genomes of the Lecanoromycetes to their closest relatives, the Eurotiomycetes and Dothideomycetes. This reveals that the last common ancestor of the Lecanoromycetes has lost around 10% of its genes after they split from the non-lichenized ancestor they share with the Eurotiomycetes. These losses are furthermore enriched, showing an excessive loss of genes involved with the degradation of polysaccharides. The loss of these genes fits a change from an ancestral saprotrophic lifestyle that depends on degrading complex plant matter, to the symbiotic lifestyle that relies on simpler nutrients provided by the photobionts. While the last common ancestor of the Lecanoromycetes additionally gained around 400 genes these could so far not be further characterized due to a lack of functionally annotated reference data.
As the mycobiont L. pustulata could so far not been grown in axenic culture, we initially expected to find an extensive genomic remodeling compared to the other mycobionts that easily grow in culture. We do not find evidence for this. Analyzing both the contraction of gene families and the loss of genes, we observe that L. pustulata and Umbilicaria muehlenbergii – its close relative that is easily grown in culture – share most of these. Furthermore, L. pustulata does not show an excessive loss of evolutionary old and well-conserved genes. These effects are mirrored on the functional level, as neither gene family contractions nor gene losses show a functional enrichment. This is partially due to the lack of functional reference data, analogous to the genes gained in the Lecanoromycetes, rendering their characterization hard. Thus, further studies on the genomic consequences of lichenization and differences in symbiotic dependence will have to be conducted, including larger taxon sets. This will be even more important for the photobionts, as the Chlorophyta are even more sparsely sampled today, hindering an effective functional and evolutionary study.
Rhabdomyosarcoma is the most common paediatric soft-tissue sarcoma, and for tumour recurrence, the prognosis is still unfavourable. The current standard therapy consisting of surgery, radiation and combined chemotherapy does not consider the specific biology of this tumour.
Histone deacetylases (HDACs) and the Lysine-specific demethylase-1 (LSD1) are two epigenetic modifiers which are both part of repressor complexes leading to transcriptional silencing of target genes. Whereas HDACs lead to deacetylation of several lysine-residues within the histone tail, LSD1 is specific for demethylation of H3K4me2 and H3K4me1, as well as in a different context for H3K9me2. Rhabdomyosarcoma is reported to harbour high levels of LSD1, but the functional relevance is yet unclear. HDAC inhibition proved to be effective as single agent treatment, however, the proximity of HDAC1/2 and LSD1 in repressor complexes at the DNA implies a suitable rationale for a combination therapy potentially leading to cooperative effects on target gene transcription. In this study, we aimed to evaluate the potential of a combined LSD1 and HDAC inhibition for cell death induction in rhabdomyosarcoma cell lines. Whereas LSD1 inhibitors failed to induce cell death on their own, the combined inhibition of HDACs and LSD1 resulted in highly synergistic cell death induction. This effect extended to several combinations of LSD1 and HDAC inhibitors as well as to four different rhabdomyosarcoma cell lines, two of embryonal and two of alveolar histology.
With the use of the HDAC inhibitor JNJ-26481585 and the reversible LSD1 inhibitor GSK690, we demonstrated that the cell death induced by the combination matches with the details of intrinsic mitochondrial apoptosis. JNJ-26481585/GSK690-induced cell death is partially caspase-dependent and leads to caspase cleavage, followed by substrate cleavage as shown for PARP, as well as loss of the mitochondrial membrane potential.
Furthermore, JNJ-26481585 and GSK690 acted together to transcriptionally upregulate the proapoptotic proteins NOXA, BIM and BMF, which resulted in respective changes on protein level for both cell lines. However, the antiapoptotic BCL-2 family proteins BCL-2, MCL-1 and BCL-xL displayed only minor changes in protein levels upon treatment with GSK690 and JNJ-26481585, which did not rely on transcriptional activity. Therefore, the increase in proapoptotic proteins induces a shift towards proapoptotic signalling at the mitochondrial membrane. This shift is functionally relevant since knockdown of a proapoptotic protein or overexpression of one of the antiapoptotic proteins BCL-2 and MCL-1, as well as a stabilized mutant MCL-1, can significantly protect from GSK690/JNJ-26481585-induced cell death.
Knockdown of the mitochondrial membrane protein BAK, which is directly guarding the mitochondrial membrane integrity, potently protected from GSK690/JNJ-26481585- induced cell death, directly linking the shift in the BCL-2 family proteins to the observed loss of mitochondrial membrane potential and the further downstream activation of caspases. Furthermore, treatment with JNJ-26481585 and GSK690 resulted in a cell cycle arrest in G2/M phase, indicating additional effects on the tumour cells beside apoptosis induction. Taken together, the combined inhibition of LSD1 and HDACs is a promising strategy for rhabdomyosarcoma treatment.
Surface water can contain a complex mixture of organic micropollutants (i.e. residues of pharmaceuticals or biocides). Conventional wastewater treatment plants (WWTPs) do not completely remove a broad range of anthropogenic chemicals and therefore represent a leading point source. To upgrade WWTPs, technical solutions based on oxidative and sorptive processes have been developed and successfully implemented. Acknowledging these substantial advances, this thesis focuses on another key topic and aims to investigate whether improved biological treatment processes likewise effectively remove anthropogenic micropollutants from wastewater. The work conducted on this topic was part of two European research projects (ATHENE, ENDETECH).
The ATHENE project aimed to go beyond the state-of-the-art by developing biological wastewater treatment processes that exploit the full potential of biodegradation. With the objective to explore the potential of complementary strictly anaerobic conditions within the biological wastewater treatment, combinations of aerobic and anaerobic treatments on site of a WWTP were implemented. Based on pre-experiments, two promising treatment combinations were selected for a more comprehensive evaluation. An aerobic treatment was paired with an anaerobic pre-treatment under iron-reducing conditions, and an activated sludge treatment was combined with an anaerobic post-treatment under substrate-limiting conditions. For the evaluation of these processes, an effect-based assessment was applied and combined with chemical data of 31 selected target organic micropollutants as well as ten metabolites. To assess the removal of endocrine disrupting chemicals (EDCs), yeast based reporter gene assays covering seven receptor-mediated mechanisms of action including (anti-)estrogenicity, (anti-) androgenicity, retinoid-like, and dioxin-like activity were conducted. Furthermore, the removal of unspecific toxicity (Microtox assay) and oxidative stress response as a marker for reactive toxicity (AREc32 assay) were analyzed to cover micropollutants acting via a non-specific mechanism of action. Moreover, to assess toxicity of the whole effluent in vivo, standardized in vivo bioassays with four aquatic model species (Desmodesmus subspicatus, Daphnia magna, Lumbriculus variegatus, Potamopyrgus antipodarum) were performed.
The combination of aerobic and anaerobic treatments resulted in a low additional removal of the selected target organic micropollutants (by 14-17%). In contrast, the removal of endocrine and dioxin-like activities (by 17-75%) and non-specific in vitro toxicities (by 27-60%) was significantly enhanced. Compared to technical solutions (i.e. ozonation), the combination with an anaerobic pre-treatment under iron-reducing conditions was likewise effective in removing the estrogenic activity as well as the unspecific toxicity, whereas anti-androgenic activity and dioxin-like activity were less effectively removed. Exposure to effluents of the conventional activated sludge treatment did not induce adverse in vivo effects in the investigated aquatic model species. Accordingly, no further improvement in water quality could be observed. In conclusion, the combination of aerobic and anaerobic treatment processes significantly enhanced the removal of specific and non-specific in vitro toxicities. Thus, an optimization of the biological wastewater treatment can lead to a substantially improved detoxification. These capacities of a treatment technology can only be uncovered by complementary effect-based measurements.
The global objective of the ENDETECH project was to develop a biotechnological solution to eliminate recalcitrant pharmaceuticals in wastewater direct from sites, where high loads are expected (i.e. hospitals). For this purpose, laccase, an enzyme mainly found in wood decaying fungi, was immobilized on ceramic membranes for application in bioreactors. In a proof of principle experiment, the performance of immobilized laccase in removing a mixture of 38 antibiotics without and in combination with a natural mediator (syringaldehyde; SYR) was investigated. For the evaluation of the enzymatic membrane bioreactors, chemical data on the elimination of the selected target antibiotics was combined with the outcomes of two in vitro bioassays. Growth inhibition tests with an antibiotic sensitive Bacillus subtilis strain were conducted to assess the residual antibiotic activity of the effluents, and Microtox assays were performed to detect a potential formation of toxic by-products.
The treatment by laccase without SYR did not reduce the load of antibiotics significantly. In contrast, in combination with a SYR concentration of 10 µmol L-1, 26 out of 38 antibiotics were removed by >50% after 24 h treatment. Moreover, increasing the SYR concentration to 1000 µmol L-1 resulted in a further improvement of the antibiotic removal. 32 out of 38 antibiotics were removed by over 50%, whereby 17 were almost completely eliminated (>90%). However, the treatment with laccase in combination with SYR resulted in a time-dependent increase of unspecific toxicity. While SYR alone did not affect B. subtilis, the combination of laccase with SYR led to a strong time-dependent growth inhibition up to 100%. Similar to that, a time-dependent increase of unspecific toxicity in the Microtox assay was observed. In conclusion, the laccase-mediator process successfully degrades a broad spectrum of antibiotics and thus represents a promising technology to treat wastewater from sites, where high loads are expected. However, further research is required to reduce the formation of unspecific toxicity before an implementation of this technology can be considered.
Die Verarbeitung während des Hörprozesses von Säugetieren verläuft von der Kochlea mit den inneren und äußeren Haarsinneszellen (äHZ) über afferente Nervenbahnen bis zum auditorischen Kortex (AK). Die daran beteiligten Schaltstationen und deren Funktion sind überwiegend aufgeklärt. Die Hörbahn ist zudem in besonderer Weise durch efferente Rückkopplungen gekennzeichnet, die interne Modulationen sowie sekundäre Reaktionen auf den Reiz ermöglichen. Anatomisch betrachtet verlaufen efferente Projektionen vom AK zu sämtlichen am Hörprozess beteiligten Kerngebieten. Vom Olivenkomplex erfolgt über mediale und laterale Fasern eine Innervation der äHZ bzw. des Hörnervs. Trotz der gut beschriebenen Anatomie ist die funktionelle Beziehung zwischen dem AK und der Peripherie weitgehend ungeklärt. In der vorliegenden Arbeit wurde der funktionelle Zusammenhang vom AK zu den äHZ in der mongolischen Wüstenrennmaus untersucht. Dafür wurde entweder eine pharmakologische Blockierung der Kortexaktivität durch den Natriumkanalblocker Lidocain erzeugt oder eine Aktivierung der Kortexaktivität durch die Anwendung elektrischer Reize ausgelöst. Der Einfluss der Manipulationen wurde in der Kochlea mittels Messungen von Distorsionsprodukt-otoakustischen Emissionen (DPOAE) erfasst. Diese entstehen durch die nichtlineare Verstärkung leiser Schallsignale durch die äHZ zur Erzielung hoher Sensitivität und Frequenzauflösung. Die DPOAE treten als kubische (z. B. 2f1-f2) und quadratische (z. B. f2-f1) Verzerrungen auf und geben Aufschluss über unterschiedliche Parameter der äHZ-Verstärkungsfunktion.
Die Lidocainversuche wurden entweder kontra- oder ipsilateral zur DPOAE-Messung durchgeführt. In beiden Konstellationen traten nach der Lidocaininjektion Erhöhungen und Verringerungen der DPOAE-Pegel im Vergleich zur Basismessung oder unveränderte DPOAE-Pegel auf. Im Mittel lagen die Pegeländerungen bei ca. 11 dB, in Einzelfällen betrugen sie bis zu 44,8 dB. In den Gesamtdaten waren die Effekte nach kontralateraler Injektion oft signifikant größer als nach ipsilateraler Injektion. Ebenso waren die Effekte in der 2f1-f2 Emission meist signifikant größer als in der f2-f1 Emission. Zudem wurde beobachtet, dass signifikant größere Effekte bei einer Stimulation mit Pegeln von 60/50 dB SPL im Vergleich zu 40/30 dB SPL erreicht wurden. Grundsätzlich trat in allen Datensätzen eine Reversibilität der DPOAE-Pegel mit zunehmender Versuchsdauer auf. Die Effekte waren direkt nach der Injektion am größten und erreichten je nach Stimuluspegel und Emissionstyp nach 28-100 min die Basispegel. In keinem der Datensätze lag eine Abhängigkeit der im Kortex gereizten charakteristischen Frequenz (CF) zum betroffenen Frequenzbereich in der Kochlea vor. Die Effekte waren über den gesamten gemessenen Frequenzbereich von 1-40 kHz nachweisbar. Allerdings waren die Frequenzbereiche von 1-10 kHz und 30,5-40 kHz besonders stark von der Lidocaininjektion betroffen.
Auch nach der elektrischen Reizung wurden die drei oben beschriebenen Effekttypen definiert. Mit 54,6 % war der Prozentsatz unveränderter DPOAE-Pegel allerdings sehr hoch. In den anderen beiden Kategorien konnten zusätzlich Differenzierungen im zeitlichen Verhalten der DPOAE-Pegel vorgenommen werden. In 21,6 % bzw. 16,5 % der Datensätze waren die Verringerungen bzw. Erhöhungen bis zum letzten gemessenen Zeitpunkt nach der elektrischen Reizung irreversibel und nur in jeweils 2,8 % der Datensätze war eine Reversibilität zu verzeichnen. In diesen Fällen war die Effektdauer mit im Mittel 31 bzw. 25 min kürzer als in den Lidocainversuchen. Auch die Effektstärken waren mit maximal 23,9 dB und je nach Effekttyp im Mittel 5,1-13,7 dB geringer als nach der Lidocaininjektion. Die größten Effekte traten in einem mittleren Stimuluspegelbereich von 45-55 dB SPL auf. Wiederum konnte keine Abhängigkeit des betroffenen Frequenzbereichs von der kortikal gereizten CF nachgewiesen werden. In Einzelfällen waren auf DPOAE-Ebene nur die Frequenzen ober- und unterhalb der kortikalen CF beeinflusst, wohingegen bei der CF selbst keine Effekte auftraten.
Durch Kontrollexperimente (Salineinjektion bzw. Einführen der Elektrode ohne elektrische Reizung) konnte nachgewiesen werden, dass die Effekte durch die Manipulation der Kortexaktivität hervorgerufen wurden. Somit liegt eine funktionelle Beziehung zwischen dem AK und der Peripherie vor, die langanhaltende massive Ausmaße annehmen kann. Die Effektrichtung ist vermutlich durch die exzitatorisch oder inhibitorisch wirkenden Neurone vom Colliculus inferior zum Olivenkomplex bedingt. Die größeren Effekte in der kontralateralen Konfiguration lassen sich durch die Diskrepanz in der Anzahl der gekreuzten (2/3) und ungekreuzten (1/3) medialen Efferenzen erklären. Die kubischen Komponenten der äHZ-Verstärkungsfunktion scheinen stärker beeinflusst zu sein als die quadratischen Komponenten, was in größeren Pegeländerungen in der 2f1-f2 Emission resultiert. Die teils großen Effektstärken sowie die nicht vorhandene Frequenzabhängigkeit zwischen AK und Kochlea sind vermutlich auf den großen Kortexbereich zurückzuführen, der von den gewählten Injektionsvolumina bzw. elektrischen Reizstärken betroffen war. Die großen Effekte im mittleren Stimuluspegelbereich lassen sich sowohl mit einer möglichen Schutzfunktion der Efferenzen vor zu lauten Schallereignissen als auch mit einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses zur erleichterten Detektion akustischer Signale in Einklang bringen. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Aktivität des AK einen starken Einfluss auf periphere auditorische Mechanismen hat, wodurch die kochleäre Verarbeitung akustischer Signale je nach kortikalem Verarbeitungsstatus massiv modifiziert werden kann.
Pulsed electron-electron double resonance (PELDOR), also called Double Electron-Electron Resonance, (DEER) is a pulsed EPR technique that can provide structural information of biomolecules, such as proteins or nucleic acids, complementary to other structure determination methods by measuring long distances (from 1.5 up to 10 nm) between two paramagnetic labels. Incorporation of the rigid Ç-label pairwise into DNA or RNA molecules enables the determination not only of the distance but also of the mutual orientation between the two Ç-labels by multi-frequency orientation-selective PELDOR data (X-, Q- and G-band frequencies). Thus, information about the orientation of secondary structure elements of nucleic acids can be revealed and used as additional angular information for structure determination. Since Ç does not have motion independent from the helix where it resides, the conformational flexibility of the nucleic acid molecule can be directly determined. This thesis demonstrates the advancement of PELDOR spectroscopy, beyond its original scope of distance measurements, to determine the mutual orientation between two rigid spin labels towards the characterization of the conformational space sampled by highly flexible nucleic acid molecules. Applications of the methodology are shown on two systems: a three-way junction, namely a cocaine aptamer in its bound-state, and a two-way junction, namely a bent DNA.
More in detail, the conformational changes of the cocaine aptamer upon cocaine binding were investigated by analysis of the distance distributions. The cocaine-bound and the unbound states could be differentiated by their conformational flexibility, which decreases in the presence of the ligand. Moreover, the obtained distance distributions revealed a small change in the mean distance between the two spin labels upon cocaine binding. This indicates a ligand-induced conformational change, which presumably originates at the junction where cocaine is known to bind. The investigation of the relative orientation between the two spin-labeled helices of the aptamer revealed further structural insights into the conformational dynamics of the cocaine-bound state. The angular information from the orientation-selective PELDOR data and the a priori knowledge about the secondary structure of the aptamer were helpful in obtaining a molecular model describing its global folding and flexibility. In spite of a large flexible aptamer, the kink angle between the Ç-labeled helices was found to be rather well-defined.
As for the bent DNA molecule, a two-step protocol was proposed to investigate the conformational flexibility. In the first step, a database with all the possible conformers was created, using available restraints from NMR and distance restraints derived from PELDOR. In a second step, a weighted ensemble of these conformers fitting the multi-frequency PELDOR data was built. The uniqueness of the obtained structural ensemble was checked by validation against an independent PELDOR data set recorded at a higher magnetic field strength. In addition, the kink and twist angle pairs were determined and the resulting structural ensemble was compared with the conformational space deduced both from FRET experiments and from the structure determined by the NMR restraints alone.
Overall, this thesis underlines the potential of using PELDOR spectroscopy combined with rigid spin labels in the context of structure determination of nucleic acids in order to determine the relative orientation between two helices, the conformational flexibility and the conformational changes of nucleic acid molecules upon ligand binding.
Der Gyrus dentatus ist eine anatomische Region im Hippocampus und besitzt die einzigartige Fähigkeit auch im adulten Gehirn lebenslang neue Nervenzellen zu generieren. Dieser Prozess wird als adulte Neurogenese bezeichnet, stellt eine besondere Form struktureller Plastizität dar und es wurde gezeigt, dass adult neugebildete Körnerzellen im Gyrus dentatus essentiell am Prozess des hippocampalen Lernens und der Gedächtnisausbildung beteiligt sind. Es wird vermutet, dass neue Körnerzellen aufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften verstärkt auf neue Informationsmuster reagieren können und darauf spezialisiert sind Muster, die eine hohe Ähnlichkeit zueinander haben zu separieren und diese Unterschiede zu kodieren. Obwohl bereits eine Vielzahl von wissenschaftlichen Studien zum Verständnis der Entwicklung und Funktion adult neugebildeter Körnerzellen beitragen konnte, bestehen immer noch Unklarheiten darin, wie sich diese neuen Nervenzellen strukturell entwickeln, wann es zu einer funktionellen Integration kommt und wie diese beiden Prozesse miteinander zusammenhängen. In den vorliegenden Arbeiten wurde die strukturelle Entwicklung und synaptische Integration adult neugebildeter Körnerzellen in das bestehende hippocampale Netzwerk der Ratte und Maus unter in vivo Bedingungen untersucht. Zur Beantwortung dieser Fragen wurden Methoden aus der Anatomie, Histologie und in vivo Elektrophysiologie kombiniert. Der Nachweis neuer Körnerzellen erfolgte entweder durch immunhistologische Färbungen gegen spezifische Marker für unreife und reife Körnerzellen, Markierungen mit Bromdesoxyuridin oder retro- bzw. adenovirale intrazerebrale Injektionen und Expression von GFP. Es wurde eine in vivo Stimulation des Tractus perforans in der anästhesierten Ratte zur Langzeitpotenzierung der Körnerzellsynapsen und anschließend eine immunhistologische Analyse der Expression von synaptischen Aktivitäts- und Plastizitätsmarkern in neugebildeten und reifen Körnerzellen nach der Stimulation durchgeführt. Zusätzlich wurden detaillierte drei-dimensionale Rekonstruktion dendritischer Bäume erstellt und dendritische Dornenfortsätze an retroviral markierten Zellen analysiert.
Die vorliegenden Daten belegen den generellen Verlauf der Entwicklung neugeborener Körnerzellen in zwei unterschiedliche Phasen: eine frühe dendritische Reifung und eine späte funktionelle und synaptische Integration. Neugeborene Körnerzellen zeigten ein rasches dendritisches Auswachsen, dass innerhalb der ersten drei bis vier Wochen abgeschlossen war. Während dieses Wachstumsprozesses passieren Dendriten nacheinander die Körnerzellschicht und anschließend die innere, mittlere und äußere Molekularschicht. Dadurch sind sie innerhalb ihrer morphologischen Entwicklungsphasen anatomisch auf spezifische präsynaptische Partner limitiert. In der wissenschaftlichen Literatur wird eine transiente kritische Phase beschrieben, in der neugeborene Körnerzellen eine starke Plastizität und sensitivere synaptische Erregbarkeit aufweisen. Obwohl die vorliegenden Resultate keine direkten Hinweise auf eine stärkere bzw. sensitivere Plastizität neugeborener Körnerzellen liefern, konnte eine Phase zwischen vier und fünf Wochen identifiziert werden, in der neue Körnerzellen einen sprunghaften Anstieg in ihrer Fähigkeit zur Expression synaptischer Aktivitätsmarker (z.B. Arc und c-fos) und Ausbildung struktureller Plastizität (Dendriten und Dornenfortsätze) zeigten. Die präsentierten Resultate machen deutlich, dass Dornenfortsätze neuer Körnerzellen nach elf Wochen eine vergleichbare Dichte, Größenverteilung und Plastizität aufzeigen, die vergleichbar mit denen vorhandener Körnerzellen sind. Die Fähigkeit zur dendritischen Plastizität nach synaptischer Aktivierung zeigten jedoch nur neugeborene Körnerzellen zwischen der vierten und fünften Woche. Diese Ergebnisse implizieren, dass die Integration neugebildeter Körnerzellen kontinuierlich verläuft und obwohl die vorliegenden Daten die Existenz einer dendritischen Plastizität und einen sprunghaften Anstieg synaptischer Plastizität in der vierten und fünften Woche belegen, wurden keine weiteren Hinweise auf eine transiente kritische Phase gefunden. Des Weiteren zeigten dendritische Bäume von gereiften adult neugeborenen und reifen Körnerzellen Unterschiede, die daraufhin deuten, dass neue Körnerzellen eine eigene Subpopulation darstellen.
In the dentate gyrus (DG) of the mammalian hippocampus, neurogenesis continues to take place throughout an organism’s life. Adult neurogenesis includes proliferation and differentiation of neural stem cells into dentate granule cells (GCs) that mature and integrate into the existing cellular network. This thesis work presents a novel approach that enables longitudinal examination of living postnatally generated GCs in their endogenous niche by using retroviral (RV) labeling in organotypic entorhino-hippocampal slice cultures (OTCs). Older GCs were fluorescence-labeled with an adeno-associated virus controlled by the synapsin 1 promoter (AAV-Syn). The combination of time-lapse imaging and 3-D reconstruction of newborn developing GCs and older, more mature GCs enabled comparative analyses of dendritic growth and cellular dynamics as well as investigations of spine formation and the establishment of synaptic contacts.
Postnatal neurogenesis was studied in the mouse and rat DG in vivo by analysis of the distribution of chemical neuronal maturation markers doublecortin (DCX) and calbindin in combination with the GC marker Prox1 between P7 and P42. The marker expression patterns at different time points indicated that the number of mature GCs increased gradually over time and that young, immature GCs were added to the inner layers of the granule cell layer (GCL), as is the case in the adult brain. The most substantial shift in GC maturation took place between P7 and P14, though GCs in the rat DG matured faster (i.e. by ~5 days) than GCs in the mouse. Immunocytochemical in vitro analysis in OTCs at DIV 7, 14, and 28 exhibited a distribution of marker expression over time that was comparable to in vivo, though the number of DCX-expressing GCs was low at DIV 28, indicating a considerable decrease in neurogenesis rate over time in the OTC. Nevertheless, RV-labeling of newborn GCs at DIV 0 yielded successful visualization and enabled time-lapse imaging of complete developing GCs up to 4 weeks after mitosis. During the second week of development, newborn GCs exhibited a high level of structural dynamics, including extension and retraction of dendritic segments. In the third week, newborn GCs displayed high dendritic complexity which was followed by pronounced dendritic pruning. Finally, a phase of structural stabilization and local refinement could be observed during the fourth week. Older AAV-Syn-labeled GCs did not exhibit such dynamic structural remodeling. Anterograde tracing of entorhinal projection fibers using the biotinylated dextran amine Mini Ruby showed innervation of the outer molecular layer (OML) by entorhinal axons at early time points, i.e. DIV 8 when newborn GCs started to extend dendrites into the ML, as well as at DIV 20 when RV-labeled GCs exhibited elaborate dendritic trees with processes in the OML intermingling with entorhinal fibers. This shows that newborn GCs in the OTC grow into an area of existing entorhinal axon terminals, which is highly similar to the situation in the adult brain. Hence, the results show that postnatal neurogenesis can be studied effectively in the OTC system as a model of adult neurogenesis. The first appearance of spine-like protrusions in newborn GCs was observed two weeks post RV injection. Ultrastructural electron-microscopic images revealed that spines established synaptic contacts with axonal boutons. These findings suggest that newborn GCs are successfully integrated into the existing cellular circuitry in the OTC system. The high level of structural flexibility found in this study might be a necessary requisite of new neurons for successful dendritic maturation and functional integration into a neuronal network. Thus, live imaging of postnatally born GCs in the OTC appears as a useful novel approach to elucidate the mechanisms that affect cellular dynamics of neurogenesis.
Savannas provide essential ecosystem services for human well-being in West Africa. Thus, ecosystem change not only directly affects biodiversity but also human livelihoods. Human land use considerably shaped these savanna ecosystems for millennia, particularly agriculture, livestock grazing, logging and the collection of non-timber forest products (NTFPs). NTFPs are wild plant products and comprise all organic matter from herbaceous plants, shrubs, and trees (excluding timber). Current increasing land use pressure through fast demographic changes is widely esteemed as a severe threat for savanna biodiversity and the socio-economy of rural communities. In consideration of the pivotal role of NTFP species for biodiversity and livelihoods, it is important to evaluate the effect of increasing land use change on savanna vegetation and on its provisioning service for human well-being. Thus, the major aim of this thesis is to investigate the impacts of land use intensification on vegetation composition, diversity and function and its consequences for provisioning ecosystem services (NTFPs) and human well-being in a West African savanna.
The research for this study was conducted in the North Sudanian vegetation zone of south-eastern Burkina Faso, where population growth exceeds the nationwide trend. Generally, Burkina Faso belongs to the worldwide poorest countries, where nearly one quarter of the population suffers from malnutrition (FAO 2014). The integration of NTFPs and particularly wild food species into rural household economies is, thus, an important measure in the national combat against poverty and food insecurity (FAO 2014). Against this background, I focus on vegetation changes, the economic importance of NTFPs as well as the decrease and substitution of wild food species in this study.
Vegetation resurveys of different vegetation types since the early 1990s showed that land use change led to more pronounced changes in the herbaceous than in the woody vegetation layer. Most woody vegetation types stayed stable in species composition and richness, even though some highly useful tree species (Vitellaria paradoxa, Parkia biglobosa) declined in some woody vegetation types. In contrast, in most herbaceous vegetation types species richness increased and species composition considerably changed. This change might be explained by a general ruderalisation process through a pronounced increase of wide-ranging herbaceous species. However, in spite of a general species increase in the herbaceous layer, a decrease of preferred herbaceous fodder species was found. Thus, the decline of useful species in both layers is alarming. Herbaceous vegetation types also showed more pronounced changes in plant functional trait characteristics in comparison to woody vegetation types. However, an increase of smaller plant species and species with a high diaspore terminal velocity (VTerm) was found in both vegetation layers. Since these two trait responses are generally related to grazing and browsing, the strong increase of livestock herds is likely to be responsible for the detected vegetation changes.
In addition to the vegetation study, interviews showed that all useful food species were widely considered to decline. The two economically most important tree species, the shea tree (Vitellaria paradoxa) and the locust bean tree (Parkia biglobosa) that contribute with 70% to wild food income, were considered among the most declining species of all cited wild food species. On this matter, local perceptions of species decline and results from field observations are in accordance. However, a wide range of cited substitutes indicated a great knowledge on alternative plant species in the area. Most wild food species are, however, substituted by other highly valued wild food species. Although our results suggest that rural communities are able to cope with the decrease or absence of wild food species, growing decline of one species would concurrently increase the pressure on other native food species. Therefore, the need to counteract the decrease of highly useful wild food species should be of high priority in management measures. In general, I showed that NTFPs are an essential component in rural households, since it contributed with 45 % to total household income. Significant differences in NTFP dependency between the two investigated villages and across the three main ethnic groups were detected, reflecting different traditional uses and harvesting practices. In general, it was shown that poorer households depend more on NTFP income than wealthier households. Against the background of this study, management strategies for agroforestry systems and poverty alleviation should consider local differences, and ethnicity-dependent NTFP-use patterns.
Overall, the combination of field studies on temporal and functional vegetation change with socio-economic and ethno-botanic interviews increases the knowledge on qualitative and quantitative vegetation changes and on the consequences for rural populations. This thesis gives a thorough insight into decreasing trends of economically valued plant species and thus gives evidence on the consequences of vegetation changes for ecosystem services of West African savanna ecosystems. Further, different NTFP-dependencies and use preferences according to socio-economic and cultural variables, such as ethnicity, present a valuable basis for specific decision-making and should be considered in management plans.
Alzheimer’s disease is a chronic neurodegenerative disease that causes problems with memory, thinking and behavior. The pathophysiological hallmarks of AD are extracellular senile plaques and intracellular neurofibrillary tangles. Amyloid plaques mainly contain the amyloid-β (Aβ) peptide, which appears as a cleavage product of the APP. APP is a type I transmembrane protein with a large extracellular domain and a short cytoplasmic tail. It is expressed in variety of tissues e.g. in neuronal tissue (brain, spinal cord, retina), and non-neuronal tissues (kidney, lung, pancreas, prostate gland, and thyroid gland) (Dawkins and Small, 2014). APP has been studied because of its link to AD, however, its role in normal brain function is poorly understood. APP is processed by two different pathways, amyloidogenic pathway and non-amyloidogenic pathway. In physiological condition, the majority of APP is processed via the non-amyloidogenic, thus leading to the generation of the secreted N-terminal APP processing product sAPPα. sAPPα is formed due to the cleavage of APP by α-secretase. In previous studies, our group has shown that sAPPα produce potent neuroprotective effect by altering gene expression, as well as by antagonizing several different types of neurotoxic stress stimuli (Copanaki et al., 2010; Kögel et al., 2003, 2005; Milosch et al., 2014). Several studies have shown that protein degradation is reduced in AD (Hong et al., 2014; Lipinski et al., 2010) but the role of APP and its cleavage products in protein degradation is still unknown. This thesis discusses about the physiological functions of APP in neuroprotection and protein homeostasis.
In the first part of the thesis (Section 4.1 - 4.4), the neuroprotective properties of yeast derived sAPPα and E1 (N-terminal domain of sAPPα) were investigated under serum and glucose deprivation conditions. In previous work, it was shown that recombinant sAPPα evoked a significant decrease in serum deprivation triggered cell death in human SH-SY5Y neuroblastoma cells and mouse embryonic fibroblast MEF cells. It was also observed that sAPPα induces the phosphorylation of Akt which leads to neuroprotection (Milosch et al., 2014). This study investigated whether this neuroprotection is associated with altered expression of downstream intracellular Akt targets such as FoxO, Bim, Bcl-xL and Mcl-1 under stress conditions. Here it was shown that sAPPα prevents activation and nuclear translocation of FoxO. FoxO act as a transcription factor for different proapoptotic genes such as Bim. It was also observed that Bim protein and mRNA expression was significantly reduced with sAPPα and E1 treatment. The expression of antiapoptotic protiens such as Bcl-xL and Mcl-1 were also examined and it was observed that sAPPα and E1 increases expression of both these proteins. Furthermore, it was previously demonstrated that uncleaved holo-APP functionally cooperates with sAPPα to activate Akt and provide neuroprotection (Milosch et al., 2014). Therefore, to investigate the function of the APP in sAPPα regulated Akt downstream proteins expressions, MEF APP KO cells were used. E1 and sAPPα only showed neuroprotective modulatory effect on these Akt downstream targets in MEF wt cells, but not in APP KO cells. In addition, sAPPα also showed neuroprotection in primary wt hippocampal neurons under trophic factor deprivation. Cellular fractionation experiments were also done to determine the role of sAPPα in cytochrome c release from mitochondria. It was observed that sAPPα treatment can inhibit mitochondrial cytochrome c release in wt MEF cells.
The second part of the thesis (Section 4.5 - 4.9) discusses about the role of sAPPα in protein homeostasis. It was observed that sAPPα prevents proteotoxic stress induced BAG3 protein expression in SH-SY5Y and MEF cells. This was also observed in mRNA levels which indicate a transcriptional regulation. Furthermore, treatment with sAPPα was also shown to decrease aggresomes formation. Aggresomes are perinuclear aggregates which are formed due to accumulation of damaged and misfolded proteins and BAG3 plays important role in their formation and the transport of degradation prone proteins into these structures. The analysis of proteasomal activity showed a reduced accumulation of proteasomal substrate d2 by sAPPα under proteasomal stress. In proteasomal activity assay, sAPPα was shown to increase the degradation of proteasomal substrate SUC-LLVY-AMC and the fluorigenic signal was measured spectrophotometrically. The sAPPβ fragment which is generated via the amyloidogenic pathway was also examined for its role in BAG3 expression and proteasomal degradation. sAPPβ, which has almost similar structure as sAPPα, only 17 amino acids at the C-terminus is missing, was failed to modulate BAG3 expression and proteostasis. This indicates that these biological effects are highly specific for sAPPα.
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Verschiedene physikalische Effekte erlauben es Licht so zu führen und zu verändern, dass es Einblicke in für Menschen sonst unzugängliche Bereiche gewährt. Eines von insgesamt drei Elementen dieser Dissertationsschrift ist der Aufbau eines Multiphotonen-Mikroskops. Dieses fortschrittliche Werkzeug erweitert das zur Verfügung stehende Instrumentarium um verschiedene Analysemethoden, allen voran die 2-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie. Durch geringfügige Modifikationen können auch weitere Methoden, wie beispielsweise stimulierte Raman-Streuung realisiert werden.
Insbesondere die 2-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie war für das zweite Element dieser Dissertationsschrift von großer Bedeutung. In dieser Studie wurde das Bleichverhalten von Spinach bei 2-Photonen-Absorption untersucht, sowohl an frei in Lösung befindlichen als auch auf einem Träger immobilisierten Spinach-Komplexen. Die Ergebnisse zu den frei in Lösung befindlichen Spinach-Komplexen zeigen, dass die Verstärkung der Fluoreszenz von DFHBI grundsätzlich auch im Fall der 2-Photonen-Absorption eintritt. Dabei wurde ein Ausbleichen der 2-Photonen-induzierten Fluoreszenz für frei in Lösung befindliche Spinach-Komplexe erst bei außerordentlich hohen Intensitäten der Anregungsstrahlung beobachtet. Dieser Befund kann zumindest teilweise auf das Eindiffundieren fluoreszenter Spinach-Komplexe in das sehr kleine Fokalvolumen innerhalb der 2-Photonen-Anregung stattfindet zurückgeführt werden. Für immobilisierte Spinach-Komplexe konnte gezeigt werden, dass eine kontinuierliche Bildaufnahme gegenüber einer Bildaufnahme in Intervallen mit jeweils zusätzlichen Dunkelphasen zur Erholung des reversiblen Bleichens der 2-Photonen-induzierten Fluoreszenz, sowie der generelle Verzicht auf spezielle Belichtungsschemata und Methoden der Datenakquise mit keinen besonderen Nachteilen verbunden ist. Abschließend betrachtet erweist sich Spinach bei 2-Photonen-Anregung als ausgesprochen resistent gegenüber einem irreversiblem Ausbleichen des Fluoreszenzsignals.
Als drittes Element dieser Dissertationsschrift wurde die Dynamik von Chrimson, einem Kanalrhodopsin mit rot-verschobener Absorption mittels zeitaufgelöster Spektroskopie im sichtbaren Spektralbereich untersucht. Sowohl die Anregungswellenlänge als auch der pH-Wert bzw. der Protonierungszustand des Gegenions haben einen messbaren Einfluss auf die Primärreaktion. Diese verlangsamt sich, sobald der pH-Wert abgesenkt oder die Anregungswellenlänge rot-verschoben wird. Darüber hinaus führt eine Rot-Verschiebung der Anregungswellenlänge zu einer geringeren Effizienz der Isomerisation des Retinal-Chromophors. Die Primärreaktion von Chrimson entspricht dabei einem Reaktionsmodell mit einer Verzweigung des Reaktionspfades auf der Energiehyperfläche des angeregten Zustandes. Ein Reaktionspfad führt dabei durch ein lokales Minimum, welches in seiner Ausprägung stark von der elektrostatischen Umgebung des Retinal-Chromophors abhängt. Je nach ursprünglichem Protonierungszustand des Gegenions der Retinal-Schiff-Base wurden große Unterschiede hinsichtlich der beobachteten transienten Absorptionsmuster für den im Anschluss von Chrimson durchlaufenen Photozyklus gefunden. Bei pH 6,0 weist der Photozyklus von Chrimson eine insgesamt deutlich schnellere Kinetik auf, als es für den Photozyklus bei pH 9,5 beobachtet wurde. Es ist bemerkenswert, dass in elektrophysiologischen Messungen für beide Photozyklen eine Öffnung des Ionenkanals gefunden wurde. Die Kanalfunktion von Chrimson ist somit grundsätzlich nicht vom Protonierungszustand des Gegenions abhängig, wenngleich die Kinetik des Ionenkanals durchaus davon beeinflusst wird. Dies deutet auf Unterschiede in den Wechselwirkungen zwischen dem Ionenkanal und dem Gegenion der Retinal-Schiff-Base hin.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Dynamik zweier grundlegend verschiedener, deaktivierender Mechanismen von Retinalproteinen untersucht. In einem dritten Projekt wurde die Photodynamik einer Dreifachmutante von visuellem Rhodopsin erforscht, von der eine Mutation zu kongenitaler (angeborener) Nachtblindheit führt und zwei andere Mutationen das Protein über eine Disulfidbrücke stabilisieren. Die Ergebnisse dieser drei Projekte sind im Folgenden zusammengefasst.
Die Aktivität des mikrobiellen Proteorhodopsins als lichtgetriebene Protonenpumpe kann photoinduziert unterbunden werden. Dies erfolgt durch die Absorption von blauem Licht durch das Retinal bei deprotonierter Schiff‘schen Base. Vor dieser Arbeit war allerdings nur wenig über den Mechanismus und die Kinetik dieses Effekts bekannt. Das einzige Retinalprotein, an dem diese Deaktivierungsdynamik auf molekularer Ebene zeitaufgelöst untersucht wurde, ist Bakteriorhodopsin. Doch auch an diesem System wurde die ultraschnelle Primärreaktion in der photoinduzierten Deaktivierungsdynamik - die Photoisomerisierung des 13-cis-Retinals - bisher nicht zeitaufgelöst gemessen.
In dieser Arbeit wurde ein Weg gefunden, diesen Prozess auf einer Sub-Pikosekundenzeitskala zu detektieren. Dazu wurde eine Proteorhodopsinmutante genutzt, in der der primäre Protonendonor E108 durch Glutamin ersetzt ist. Diese Mutante weist eine signifikante Erhöhung der Lebensdauer des M-Intermediats auf. Im photostationären Gleichgewicht führt diese veränderte Kinetik zu einer erheblich erhöhten Akkumulation des Proteins im M-Zustand, die ausreicht, um photoinduzierte Absorptionsänderungen der Deaktivierungsdynamik sowohl im sichtbaren als auch im mittleren Infrarotbereich auf ultrakurzer Zeitskala zu detektieren. Dieses Projekt erfolgte in Kooperation mit dem Arbeitskreis Glaubitz (Goethe-Universität Frankfurt am Main).
Es zeigte sich, dass die Anregung des Retinals von Proteorhodopsin im M-Zustand zur Isomerisierung von 13-cis zu all-trans führt, die nach wenigen Pikosekunden abgeschlossen ist. Der zweite und abschließende Schritt ist die Reprotonierung der Schiff'schen Base. Es stellte sich heraus, dass dieser Prozess auf einer Nanosekundenzeitskala abläuft und über einen Protonentransfer vom primären Protonenakzeptor D97 zur Schiff'schen Base ermöglicht ist.
Die in dieser Arbeit vorgestellte Methodik zur Untersuchung der deaktivierenden Photodynamik von Proteorhodopsin auf ultraschneller Zeitskala, könnte in Zukunft auf weitere mikrobielle Rhodopsine angewandt werden. So ist die Studie der Deaktivierungsdynamik von Channelrhodopsinen von großem Interesse für optogenetische Anwendungen. Eine lichtgesteuerte Kontrolle der Ionenkanalöffnung und -schließung sollte die Präzision in der Regulierung ionischer Permeation erheblich verbessern.
Die Proteorhodopsinmutante E108Q wurde außerdem in ihrer primären Photodynamik sowohl bei grünem als auch blauem Anregungslicht untersucht. Es zeigte sich in beiden Fällen eine Dynamik, die der des Wildtyps sehr ähnlich ist. Eine Beobachtung unterscheidet sich jedoch wesentlich vom Wildtyp. Das K-Intermediat der E108Q-Mutante scheint nach einigen hundert Pikosekunden zumindest partiell zu zerfallen, woraufhin sich eine Signatur im blauen Spektralbereich bildet. Blitzlichtphotolysemessungen lassen vermuten, dass diese blau absorbierende Species im zwei- bis dreistelligen Nanosekundenbereich wieder zerfallen sein muss.
Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Photozerfall von visuellem Rhodopsin. Es ist bekannt, dass die Signaltransduktion durch Wechselwirkung zwischen aktiviertem Rhodopsin und Arrestin unterbunden wird. Im ersten Abschnitt wurde der Einfluss der Arrestin-1-Variante p44 auf die Photodynamik visuellen, bovinen Rhodopsins untersucht. In einer Kooperation mit dem Arbeitskreis Schwalbe (Goethe-Universität Frankfurt am Main) konnte gezeigt werden, dass Arrestin erheblichen Einfluss auf die Zerfallsdynamik von Meta II und Meta III hat. Es wurde festgestellt, dass die Wechselwirkung von p44 mit photoaktiviertem Rhodopsin eine erhöhte Population des Intermediats Meta III bewirkt, mit der Folge einer zweifach langsameren Freisetzungskinetik des all-trans-Retinals. Diese Beobachtung weist auf eine physiologische Rolle des Zustands Meta III in der Retinalhomöostase hin.
Gegenstand einer zweiten Studie mit dem Arbeitskreis Schwalbe ist zum einen die Rhodopsinmutation G90D, die mit kongenitaler (angeborener) stationärer Nachtblindheit zusammenhängt, und zum anderen die Doppelmutation N2C und D282C, die zur Ausbildung einer stabilisierenden Disulfidbrücke zwischen den im extrazellulären Bereich eingeführten Cysteinen führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Photodynamik des Wildtyps, der Doppelmutante und der stabilisierten G90D-Mutante (Mutationen G90D, N2C und D282C) sowohl auf einer ultrakurzen Zeitskala als auch auf einer Minutenskala untersucht.
The focus of this research was to understand the molecular mechanism that lies behind the insertion of tail-anchored membrane proteins into the ER membrane of yeast cells. State-of-art instruments such as LILBID, and Cryo-EM, combined with the introduction of direct electron detectors, were used to analyze the proteins that capture tail-anchored proteins near the ER membrane and help their releases from a chaperone, an ATPase named Get3. Get3 escorts TA proteins to the ER membrane, where both Get3 and the TA proteins interact sequentially to Get3 membrane bound receptors Get1 and Get2. Get1 and Get2 are homologs of mammalian WRB and CAML.
The native host was used to separately produce Get1, Get2, and the Get2/Get1 single chain constructs. The studies showed that when Get1 is expressed alone, Get1 does not seems to be located in the ER membrane but rather in microbodies like shape organelles (or peroxisome). Interestingly, Get1 seems to be located in the ER membrane when it is linked to Get2 as single chain construct.
The localization study of Get2/Get1 fused to GFP shows from the fluorescence intensity that Get2/Get1.GFP has a tube-like morphology or membrane-enclosed sacs (cisterna), implying that Get2/Get1 is actually targeted to the ER membrane and is likely functional. In other words, Get1 and Get2 stabilize each other in the ER membrane.
The expression of Get2/Get1 was found to be already optimum when expressed as single chain construct because the fluorescence counts did not improve when additives such as DMSO or histidine were added. However, when Get1 and Get2 are expressed separately, additives improve their protein production yield. In 1 liter culture, Get1 yield is increased by about 3 mg and Get2 by 1.8 mg. This can be explained by the space that Get1 and Get2 should occupy within the ER membrane as they must coexist with other membrane components to maintain the homeostasis of the cell. Hence, if there were no gain for single chain construct expression, it meant that Get2/Get1 was already well expressed on its own in ER membrane and has reached its optimum expression without the help of additives. The Get2/Get1 overexpression is more stable, tolerated and less toxic for the cells to express it at a high level.
DDM has proved to be the best detergent from the detergents tested to solubilize Get1, Get2, and Get2/Get1.
Thereafter, Get1, Get2 (data not shown), and Get2/Get1 were successfully purified in DDM micelles.
Furthermore, for the first time using LILBID, the actual study has shown that Get1 and Get2 are predominantly a heterotetramer (2xGet1 and 2xGet2) but higher oligomerization may exist as well.
Get3 binds to Get1 in a biphasic way with a specific strong binding of an affinity of 57 nM and the second of 740 nM nonspecific indicative of heterogeneity within the interaction between Get1 and Get3. This heterogeneity is caused by the presence of different conformation of either protein. However, in order to characterize a high-resolution structure model of a specific target one needs highly homogenous and identical molecules of the target protein or complex in solution. The homogeneity increases the chances of growing crystals during crystallography as the good homogeneity will likely generate a perfect packing of unit cells stack (also known as crystal lattice) in the three-dimensional spaces. The same truth goes for the single particles analysis Cryo-EM, especially for smaller complexes where having less or no conformation alterations of specific targets will enable the researcher to classify the particles in 2D and 3D, therefore improving the signal-to-noise-ratio that will ultimately lead to high-resolution structure determination.
Get1, Get2/Get1 and chimeric variants (tGet2/Get1, T4l.Get2/Get1, T4l.Get2.apocyte.Get1) were crystallized but none of the crystals could diffract due to heterogeneity.
This heterogeneity was not only occurring upon the binding of Get3 to its membrane receptors, but seems to be already present within the receptors themselves through possibly different conformation.
In this Ph.D. thesis, the heterogeneity of purified Get2 and Get1 as complex or individually in detergent is then, so far, the limiting factor for obtaining a high-resolution structure model of Get1 and Get2. As mentioned above, the heterogeneity observed was not due to the quality of the sample preparation but rather to the effect of different conformations that could have been native, or just because of the micelle used, as it was proven by the 3-D heterogeneity classification by Cryo-EM.
In general, crosslinking is one way to keep the integrity of protein complexes, however it appeared not to improve the sample quality when it was analyzed in micelles. Often the integrity of some membrane proteins is affected when they are solubilized and purified in detergents.
Finally, in this study, the structural map of Get2 and Get1 complex linked with chimeric protein T4 lysozyme and apocytochrome C b562RIL gene was obtained at 10 Å. However, this single chain construct has a density map corresponding to heterodimer species (one Get1 and Get2). Therefore, based on those data the tertiary structure of Get2/Get1 in micelle is poorly defined. It could be that the membrane extraction in DDM and the purification destabilizes the structure of the complex.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind die Untersuchungen lichtgesteuerter Reaktionen der zwei Retinalproteine Channelrhodopsin-2 (ChR-2) und Proteorhodopsin (PR) mit Hilfe zeitaufgelöster Laserspektroskopie.
Da der Mechanismus der Kanalöffnung des ChR-2 bis heute nicht vollständig aufgeklärt werden konnte, beschäftigt sich diese Arbeit insbesondere mit den Prozessen, die direkt nach der Photoanregung des Retinals stattfinden und die Kanalöffnung vorbereiten. Es wurde dabei gezielt auf für die Funktion des Proteins wichtige Faktoren wie strukturelle Besonderheiten des Chromophors und seiner Umgebung eingegangen und deren Auswirkung auf die Dynamik der Photoreaktionen sowie die Veränderungen im Protein nach der Anregung untersucht.
Zunächst wurden die Ergebnisse der vis-pump-IR-probe-Experimente an ChR-2 im Bereich der Carbonylschwingungsbanden protonierter Glutamat- und Aspartat-Reste dargestellt. Dabei wurde insbesondere die Bildungsdynamik der Differenzbanden in diesem Spektralbereich untersucht und in Anlehnung an die vorhandene Literatur eine Bandenzuordnung der für die Funktion des Proteins wichtigen Aminosäurereste vorgenommen. Aus den Messergebnissen konnte geschlossen werden, dass die mit der Kanalöffnung einhergehenden Konformationsänderungen in ChR-2 durch eine effektive Aufnahme der Überschussenergie durch das Protein auf einer sub-Pikosekunden-Zeitskala vorbereitet werden.
Des Weiteren wurden spektroskopische Untersuchungen an der R120H-Mutante des ChR-2 vorgestellt. Da diese Mutante bei elektrophysiologischen Messungen keine Kanalaktivität zeigte, sollte zunächst geklärt werden, ob die Mutation einen Einfluss auf die Retinalisomerisierung und den nachfolgenden Photozyklus hat. Dabei stellte sich heraus, dass die Retinalisomerisierung bei der R120H-Mutante zwar im Vergleich zum Wildtyp etwas verzögert stattfindet, der Einfluss der Punktmutation auf den weiteren Photozyklus jedoch insgesamt gering ist. Mit Hilfe der Kurzzeit-IR-Spektroskopie im Bereich der Amid I-Schwingung des Proteinrückgrats konnten für die Mutante allerdings signifikante Veränderungen der Bildungsdynamik sowie eine deutliche Abnahme der Amplitude des Amid I-Signals detektiert werden. Anhand weiterer Experimente an den Mutanten E123T und D253N in diesem Spektralbereich konnte anschließend ein Zusammenhang zwischen der Intensität der Amid I-Bande und der Kanalaktivität von ChR-2 festgestellt werden. Diese Ergebnisse ließen somit die Schlussfolgerung zu, dass die Aminosäurereste R120 und D253 eine entscheidende Rolle beim schnellen Transfer der Überschussenergie an das Protein nach der Retinalanregung und der so initiierten Kanalöffnung spielen.
Zusätzlich wurde der Frage nachgegangen, inwieweit Veränderungen am Chromophor die Isomerisierungsreaktion, den nachfolgenden Photozyklus sowie die Funktion des ChR-2 als Ionenkanal beeinflussen können. Zu diesem Zweck wurden spektroskopische Untersuchungen an einem mit 9-12-Phenylretinal (PheRet) rekonstituierten ChR-2 vorgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass die Isomerisierung des PheRet zu seiner 13-cis-Form in ChR-2 stark verlangsamt ist und verglichen mit dem nicht modifizierten Chromophor deutlich ineffizienter abläuft. Es wurde außerdem festgestellt, dass die Veränderungen am Retinal zu deutlichen Beeinträchtigungen des Photozyklus führen. Zum einen wurde ein sehr schneller Zerfall des ersten Photoprodukts sowie die Bildung eines zusätzlichen, blauverschobenen Px-Zustands detektiert. Außerdem wurde festgestellt, dass nach der Deprotonierung des isomerisierten PheRet der Großteil der modifizierten Retinale in den Ausgangszustand zurückkehrt und der P3-Zustand nur in geringen Mengen gebildet wird. Die Messergebnisse führten somit zu der Schlussfolgerung, dass die all-trans-Konformation des PheRet in ChR-2 deutlich bevorzugt wird. Da elektrophysiologische Untersuchungen des Retinal-Analogons jodach keine signifikanten Verminderungen der Photoströme im Vergleich zum ATR in ChR-2 zeigten, ließ sich schließlich festhalten, dass die vorgenommenen Veränderungen am Chromophor, die zu einer deutlichen Hemmung der Isomerisierungsreaktion führen und einen starken Einfluss auf den nachfolgenden Photozyklus haben, nicht ausreichend sind, um die Kanalaktivität von ChR-2 komplett zu blockieren, solange noch ein kleiner Anteil der Retinale isomerisieren kann.
Der abschließende Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Absorption des UV-Lichts durch das Retinal mit deprotonierter Schiff-Base im grünabsorbierenden Proteorhodopsin, welches in einem alkalischen Medium im Dunkelzustand akkumuliert werden kann. Die Untersuchungen der Primärreaktion zeigten einen langsamen biexponentiellen Zerfall des angeregten Zustands der UV-absorbierenden Spezies mit anschließender Bildung des 13-cis-Photoprodukts. Aufgrund dieser Ergebnisse konnte ein Reaktionsmodell für die ersten Prozesse nach der UV-Anregung des Retinals im GPR aufgestellt werden, welches möglicherweise für weitere UV-Rezeptoren genutzt werden kann.
Die 5-LO ist ein Schlüsselenzym der LT-Biosynthese. Sie katalysiert in einem ersten Schritt zunächst die Umsetzung freigesetzter AA zu 5-HPETE und wandelt diese anschließend in LTA4 um. LT sind starke Entzündungsmediatoren, die an entzündlichen und allergischen Reaktionen des Körpers beteiligt sind. Sie lösen eine Immunantwort aus und können zur Entstehung von Asthma bronchiale, allergischer Rhinitis, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und verschiedenen Krebserkrankungen beitragen [28]. NFS gehören zur Klasse der michaelreaktiven Verbindungen und inhibieren die 5-LO durch Interaktion mit katalytisch aktiven Cysteinresten in der Nähe der Substrateintrittspforte. Diese Tatsache macht michaelreaktive Verbindungen innerhalb der Entzündungsforschung zu einer interessanten Substanzklasse. Michaelreaktive Verbindungen besitzen eine durch Elektronenzug aktivierte Doppelbindung. Hierdurch verfügen diese Wirkstoffe über elekrophile Eigenschaften, wodurch sie leicht mit Nukleophilen reagieren können. Cysteine bestehen aus nukleophilen Thiolgruppen, die mit einer positiv polarisierten Doppelbindung, wie sie in michaelreaktiven Verbindungen vorliegt, reagieren können. Diese Tatsache kann sie zu effektiven und nachhaltigen Enzymaktivitätsmodulatoren machen. In dieser Arbeit wurde eine große Bandbreite verschiedenster michaelreaktiver Verbindungen auf ihre Fähigkeit untersucht, die 5-LO über Michael-Addition an ihren Cysteinen zu inhibieren. Zum einen wurden Pflanzeninhaltsstoffe mit antiinflammatorischen Eigenschaften, zugelassenene Wirkstoffe mit Michael-Akzeptorfunktion und zum anderen Verbindungen, die durch gezielte Struktursuche ausgewählt wurden, untersucht. Die Testung verschiedenster Strukturen sollte Aufschluss über strukturelle Voraussetzungen für die 5-LO-Inhibition durch Interaktion mit Cysteinen liefern. Hierfür wurden die Substanzen zunächst im intakten Zellsystem und schließlich am aufgereinigten Enzym (r5LO-wt) auf ihre 5-LO-inhibierenden Eigenschaften untersucht. Nachfolgende Messungen an r5LO-4C, deren vier prominente Cysteine durch Serin mutiert wurden, zeigten an, ob die Inhibition der 5-LO-Produktbildung cysteinabhängig war. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass ganz bestimmte strukturelle Eigenschaften des Michael-Akzeptors, Voraussetzung für eine Interaktion mit den Cysteinen der 5-LO sind. Vor allem Verbindungen mit chinoidem Grundgerüst stellten sich als thiolreaktive Verbindungen heraus, die die 5-LO hauptsächlich über Interaktion mit ihren Cysteinen inhibierten. Weiterhin zeigten die erhaltenen Ergebnisse, dass die strukturelle Umgebung um die aktivierte Doppelbindung des Michael-Akzeptors enorme Auswirkungen auf die Thiolreaktivität hatte. TQ hemmte die 5-LO hauptsächlich über Interaktion mit Cysteinen, wohingegen die 5-LO-Inhibition durch Embelin unabhängig von Cysteinen zu sein schien. Eine daraufhin durchgeführte MALDI-MS-Analyse bestätigte die Bindung von NAPQI und TQ an die Cysteine 416 und 418. Durch diese Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass eine Reihe antiinflammatorisch wirksamer, natürlich vorkommender Verbindungen wie TQ, Plumbagin, Primin und auch synthetisch generierte Verbindungen wie AA861, CDDO, Methyl-BQ, Methoxy-BQ, Methoxy-Nitrostyren, NAPQI und OH-BQ die 5-LO über Interaktion mit ihren Cysteinen inhibieren.
Multicellular organisms require that cells adhere to each other. This cell-cell adhesion is indispensable for the formation and the integrity of epithelial structures, tissues and organs. Mammals have developed four different cell-cell adhesion structures, the adhering junctions, which ensure the tight contact between cells but are also important platforms for communication and exchange in tissues. Two of these adhering junctions are cadherin based, the belt-like adherens junctions and the spot-like desmosomes. Both structures have in common that they are composed of single membrane spanning proteins, the cadherins, which accomplish adhesion in a calcium-dependent manner. The intracellular parts of classical as well as desmosomal cadherins bind to different adaptor proteins of the armadillo-protein family and others which build a protein plaque underneath the membrane and link the cadherins to the actin or intermediate filament cytoskeleton.
Desmosomes are of special importance for tissues that have to withstand mechanical stress. Although they are essential to stabilize tissues they have to be highly flexible and dynamic structures, as processes like wound healing or tissue remodeling require that adhesive interactions can be modulated. The molecular dynamics within desmosomes are not jet understood in detail, but it is assumed that two different membrane associated pools of desmosomal cadherins exist in cells. Cadherins that are incorporated in mature desmosomes are part of the junctional pool, whereas cadherins that are not associated with firm desmosomes and the intermediate filament cytoskeleton belong to the non-junctional pool. Lateral movements between the two pools results in a dynamic equilibrium and allows for example the exchange of old cadherins. Little is known about the breakdown of desmosomal cadherins. Several studies found that desmosome assembly or endocytosis are cholesterol dependent processes and claimed that membrane microdomains play a role in the regulation of desmosome dynamics. Moreover, membrane rafts may be involved in the pathomechanism of the desmosome associated disease pemphigus, were autoantibodies bind to the cadherin desmoglein-3 and trigger its internalization which results in a loss of adhesion in skin cells.
Membrane rafts are cholesterol dependent nanoscale structures of cellular membranes that are able to regulate the distribution of proteins within the plasma membrane and thus form platforms for cell signaling and membrane trafficking. Flotillins are proteins that are associated with membrane rafts and are reported to be involved in processes like endocytosis, endosomal sorting and a multitude of different signaling events. We could recently show that the membrane raft associated proteins flotillin-1 and flotillin-2 bind directly to the armadillo protein y-catenin which can be part of both, the adherens junction and the desmosome. The aim of this study was to eluciadate a possible role of flotillins in the regulation of desmosomes.
HaCaT keratinocytes were chosen as the main cell system for this study and at first the association of desmosomal components with flotillins was analyzed in detail. It was found that flotillins are clearly associated with desmosomal proteins. They colocalize with desmoglein-3 at cell borders and precipitate the other desmogleins. Further binding assays revealed that both flotillins bind to all desmogleins and the long isoforms of the second class of desmosomal cadherins, the desmocollins. The interaction is a direct one and was mapped to the ICS sequence within the cadherins. This close association rendered the question whether flotillins are functionally implicated in desmosome regulation. To address this issue, stable flotillin knockdown HaCaT cells were analyzed in detail. The molecular morphology of desmoglein-3, desmoglein-1 and two plaque proteins was clearly altered in the absence of flotillins. The membrane staining of all tested desmosomal proteins was derailed and disordered. Furthermoore, the loss of flotillins had an impact on the adhesive capacity of HaCaT keratinocytes. The cell-cell adhesion was weakened in the absence of flotillins, which was monitored by an increased fragmentation of knockdown cells in a cell dissociation assay.
In order to find out the mechanism by which flotillins influence the membrane morphology and the adhesiveness in keratinocytes, the association of desmosomal proteins with membrane microdomains was examined, at first. A predominant part of desmoglein-3 is associated with membrane rafts in HaCaT keratinocytes, whereas only a minor part of desmoglein-1 is found there. However, the raft-association of none of the examined proteins was altered in the absence of flotillins. Furthermore, flotillin depletion did not change the distribution of desmogleins with the two different cadherin pools. Less desmoglein-3 is found in the junctional pool of the flotillin depleted cells compared to the control cells, but this is due to an overall diminished desmoglein-3 protein level in these cells.
Flotillins are involved in endocytic processes but their exact role there is under debate. The endocytic uptake of desmosomal cadherins requires intact membrane rafts, but the precise mechanism is still unknown. A possible involvement of flotillins on the endocytosis of desmoglein-3 was addressed next. It is known that the internalization of desmoglein-2 is dependent on the GTPase dynamin, arguing for an involvement of dynamin in the endocytosis of desmoglein-3 as well. When dynamin and thus desmoglein-3 endocytosis was inhibited using chemical compounds, the mislocalization of desmoglein-3 that was observed in flotillin knockdown cells was restored. This suggest that inhibition of desmoglein-3 endocytosis enhances the amount and/or availability of desmoglein-3 at the plasma membrane, which then normalizes the morphological alterations caused by a knockdown of flotillins. Furthermore the morphological alterations in the flotillin knockdown HaCaT cells were found to be similar to the localization of desmoglein-3 that was observed upon treatment of keratinocytes with PV IgG These structures have been described before as linear arrays and are assumed to be sites of endocytic uptake. This strengthens the idea that enhanced desmoglein-3 internalization takes place in the absence of flotillins, which then results in a weakened adhesion.
Altogether this study revealed flotillins as novel players in desmosome mediated cell-cell adhesion processes. By binding to desmosomal cadherins and desmosomal plaque proteins, flotillins stabilize desmosomes at the plasma membrane and are required for a proper cell-cell adhesion.
Entwicklung von Immunisierungsstrategien zur Induktion hoher funktionaler Antikörperantworten
(2018)
Neuartige Viren und Erreger, die sich antigenetisch tiefgreifend von bekannten Varianten unterscheiden, können verheerende Epidemien auslösen, da weder gegen diese Erreger eine Immunität in der Bevölkerung besteht, noch prophylaktische oder therapeutische Maßnahmen verfügbar sind. Eine prophylaktisch vermittelte Immunität durch Impfung stellt die bei Weitem effektivste Methode zur Vorbeugung viraler Infektionen dar, jedoch sind die Entwicklungs- und Herstellungszeiten eines neuen Impfstoffs in der Regel mit der Ausbruchsdynamik nicht kompatibel. Inzwischen steht zwar eine überschaubare Anzahl antiviraler Medikamente zur Verfügung, doch ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass diese meist hoch spezifischen Wirkstoffe gegen neu auftretende Viren aktiv sind. Das beispiellose Ausmaß der Ebola-Epidemie 2014 führte zum Einsatz experimenteller antikörperbasierter Therapien, welche das Potential der passiven Vermittlung von temporärem Immunschutz naiver Personen verdeutlicht. Für viele neuartige Viren ist die Entwicklung von Therapieansätzen allerdings noch nicht entsprechend weit fortgeschritten. Zudem bedingt eine Verwendung des eigentlichen Erregers oft hohe Sicherheitsmaßnahmen, was die Arbeit erschwert. Aus diesem Grund werden Notfalltherapien benötigt, die schnell in klinisch relevanter Qualität und Quantität unter niedrigen biologischen Sicherheitsmaßnahmen produziert werden können.
Diese Arbeit basiert auf der zentralen Hypothese, dass die Induktion von hohen Titern funktioneller Antikörperantworten die Basis für einen breiteren Schutz gegen antigenetisch entferntere Virusstämme sowie für die schnelle Produktion von therapeutischen Antiseren darstellt.
Um diese Hypothese zu testen und Einblicke in verschiedene Aspekte dieses Prozesses zu bekommen, wurde zunächst die Nutzung von Adjuvanzien als Zusätze für Impfstoffe am Beispiel des pandemischen A(H1N1)pdm09-Impfstoffs untersucht. Neben den alljährlichen Epidemien, die von saisonalen Influenza-A-Viren der Subtypen H1N1 oder H2N3 verursacht werden, können neuartige Subtypen zu weltweiten Pandemien führen. Während die saisonalen Influenza-Impfstoffe in der Regel keine Adjuvanzien enthalten, wurden einige pandemische H1N1-Impfstoffe aus 2009 mit einem reduzierten Antigengehalt formuliert und mit squalenbasierten Adjuvanzien kombiniert, um eine ausreichende Wirksamkeit bei größerer Verfügbarkeit zu gewährleisten. Zur Charakterisierung des Effekts dieser Adjuvanzien auf die Immunantworten wurden Frettchen mit 2 µg des kommerziellen H1N1pmd09-Impfstoffes alleine sowie in Kombination mit verschiedenen Adjuvanzien immunisiert, die Antikörpertiter gegen homologe und heterologe Influenzastämme untersucht und mit dem Schutz vor einer Infektion korreliert. Dabei zeigte sich, dass die Verwendung squalenbasierter Adjuvanzien die funktionalen Antikörperantworten um das 100-fache erhöhte und zu einer signifikant reduzierten Viruslast nach der Infektion mit dem homologen pandemischen Virus führte. Während in keiner Gruppe Antikörper gegen die heterologen Hämagglutinin-(HA-)Proteine H3, H5, H7 und H9 nachweisbar waren, induzierten mit squalenbasierten Adjuvanzien kombinierte Impfstoffe subtypenspezifische Antikörper gegen das N1 Neuraminidase-(NA-)Protein einschließlich H5N1. Darüber hinaus führte die Immunisierung mit squalenbasierten Adjuvanzien zu einer besseren Kontrolle der Influenzavirus-Replikation in den oberen Atemwegen.
Anschließend wurde im zweiten Teil dieser Arbeit unter Einbeziehung der gewonnenen Erkenntnisse eine Immunisierungsstrategie zur schnellen Produktion therapeutischer Hyper-immunseren entwickelt, wobei unterschiedliche Antigenexpressionssysteme miteinander verglichen wurden. Während in den frühen Stadien eines Ausbruchs Rekonvaleszenzseren nicht ohne weiteres verfügbar sind, können Antiseren tierischen Ursprungs innerhalb eines kurzen Zeitraums hergestellt werden. Die Herausforderung liegt in der schnellen Induktion einer schützenden Immunität, wobei die effiziente Produktion und Reinigung von Hyperimmunserum in klinisch relevanten Mengen ebenso essenziell ist wie die Anpassungsfähigkeit der Immunisierungsstrategie an neue oder hinsichtlich ihrer Antigenizität veränderte Viren. Hierzu wurden verschiedene Immunisierungsstrategien in Mäusen und Kaninchen verglichen, die unterschiedliche Expressionssysteme für das Modellantigen Ebolavirus-Glykoprotein (EBOV-GP) verwenden: (i) Ebolavirus-ähnliche Partikel (VLP), (ii) das rekombinante modifizierte Vacciniavirus Ankara (MVA) sowie (iii) das rekombinante Virus der vesikulären Stomatitis (VSV). Im Ergebnis induzierte eine dreimalige Immunisierung mit VLPs in Kombination mit squalenhaltigem Adjuvans neutralisierende Antikörpertiter, die vergleichbar mit der Immunisierung mit replikationskompetentem VSVΔG/EBOV-GP waren. Dies deutet darauf hin, dass nicht die De-novo-Antigenexpression, sondern vielmehr die mehrfache Präsentation des Antigens in nativer Konformation für die Produktion von neutralisierenden Antikörpern essenziell ist. Darüber hinaus waren die funktionalen Antikörpertiter aller Kaninchenseren in der In-vitro-Analyse gegen das Wildtypvirus 10- bis 100-fach höher als der Durchschnitt, der in mit VSVΔG/EBOV-GP geimpften Probanden beobachtet wurde. Die Etablierung eines optimierten mehrstufigen Reinigungsverfahrens unter Verwendung einer zweistufigen Ammoniumsulfat-Präzipitation, gefolgt von einer Protein-A-Affinitätschromatographie, führte zu aufgereinigten IgG-Präparationen mit nahezu unveränderter neutralisierender Aktivität, die über neun Tage im xenogenen In-vivo-Modell stabil waren. Die signifikante Erhöhung von totalen und funktionalen Antikörpertitern in Kombination mit einer größeren Breite der Antikörperantwort im Kontext von squalenbasierten Adjuvanzien stützt die Hypothese dieser Arbeit. Adjuvantierte Immunisierungsstrategien sind damit ein vielversprechender Ansatz nicht nur zur Wirksamkeitssteigerung von Subunit- und Proteinimpfstoffen, sondern auch zur schnellen Herstellung von therapeutischen Antiseren.
Ribonukleinsäure (ribonucleic acid, RNA) wirkt bei der Proteinbiosynthese nicht nur als Informationsüberträger, sondern kann auch beispielsweise durch sogenannten Riboschalter (auch Riboswitches) regulatorische Funktionen übernehmen. Riboschalter sind komplett aus RNA aufgebaut und man kann sie sich als molekulare Schalter vorstellen, die die Genexpression kontrollieren. Konzeptionell besteht ein Riboswitch aus zwei Untereinheiten, dem Aptamer und der Expressionsplattform. Das Aptamer bindet, üblicherweise sehr spezifisch, kleine organische Moleküle, aber auch Ionen. Diese Ligandenbindung induziert Änderungen in der Struktur des Riboswitches, welche wiederum die Expressionsplattform beeinflussen. Je nach Riboswitch ermöglicht oder verhindert dies schließlich die Genexpression. Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Etablierung von Methoden der optischen Spektroskopie zur Aufklärung von RNA-Dynamiken und -Strukturen im Allgemeinen und der Erforschung von Aptamerbindungsmechanismen im Besonderen.
Eine der dazu verwendetet Methoden ist die FTIR-Spektroskopie. Hierfür wurden zunächst kritische Parameter wie verschiedenste Messeinstellungen oder die Probenpräparation ausgiebig an RNA-Modellsträngen getestet. Dabei war es möglich, eine kleine Spektrenbibliothek als internen Standard aufzubauen. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass kleinere RNA-Oligonukleotide (< ca. 20 Nukleobasen) gut mittels FTIR-Methoden untersucht werden können. Anschließend wurde eine statische Bindungsstudie am adenosin- sowie am guanosinbindenden Aptamer vorgenommen.
Die zweite hier vorgestellte Methode zur Untersuchung von RNA-Molekülen ist die Fluoreszenzspektroskopie. Im Gegensatz zur FTIR-Spektroskopie ist dazu allerdings eine Modifizierung der RNA durch ein Fluoreszenzlabel nötig. Deshalb beschäftigt sich der Hauptteil dieser Doktorarbeit mit der Charakterisierung und der Anwendung des quasi bifunktionellen RNA-Markers (auch RNA-Labels) Çmf. So wurden zunächst die photophysikalischen und photochemischen Eigenschaften des Markers untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass Çmf sich als lokale Sonde eignet, da es empfindlich auf Änderungen der Mikroumgebung in Lösung reagiert. Durch direkten Vergleich der optischen Eigenschaften von Çmf mit den entsprechenden Eigenschaften des Spinlabels Çm war es möglich, den starken Fluoreszenzlöschungseffekt (sog. quenching) des Çm aufzuklären. So kann davon ausgegangen werden, dass die Fluoreszenz des Çm durch eine sehr schnelle interne Konversion (IC) in einen dunklen Dublettzustand (D1) gelöscht wird.
Im nächsten Schritt wurde Çmf in RNA-Modellstränge eingebaut, um den Einfluss der RNA auf die Photochemie des Markers zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich dessen Fluoreszenzsignal abhängig von den direkten Nachbarbasen sowie abhängig vom Hybridisierungszustand signifikant ändert. Gleichzeitig konnte keine deutliche Veränderung der Stabilität der Modellstränge festgestellt werden. So konnte also nachgewiesen werden, dass sich Çmf sehr gut als lokale Sonde in RNA eignet. Im Speziellen wurde aus den Ergebnissen geschlossen, dass der Fluorophor für Ligandenbindungsstudien herangezogen werden kann.
Deshalb wurde Çmf schließlich an mehreren verschiedenen Stellen in das neomycinbindende Aptamer (N1) eingebaut, um dessen Bindungskinetik zu untersuchen. Mittels Stopped-Flow-Messungen war es möglich, die Bindungsdynamik des Aptamers zu beobachten. Anhand dieser transienten Daten konnte ein Zweischrittbindungsmodell abgeleitet werden. Dabei bindet Neomycin zunächst unspezifisch an das weitgehend vorgeformte Aptamer. Anschließend kommt es durch die Ausbildung von Wasserstoffbrücken zu einer spezifischen Bindung des Liganden am Aptamer.
Im dritten Teil dieser Arbeit geht es ebenfalls um die Entwicklung und Etablierung eines spektroskopischen Werkzeuges. Dabei stehen allerdings Rhodopsine im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit. Hierbei handelt es sich um Membrantransportproteine, die nach optischer Anregung einen sehr schnellen Photozyklus mit mehreren Intermediaten durchlaufen. Es ist möglich, diese Intermediate dank transienter Absorptionsmessungen mit sehr guter zeitlicher und spektraler Auflösung zu beobachten. Allerdings besteht der Bedarf, diese Intermediate statisch zu präparieren, um sie näher charakterisieren und mit anderen Methoden, wie z.B. der Festkörper-NMR, vergleichen zu können.
Ein spektroskopisches Werkzeug zum Präparieren von frühen Photointermediaten ist kryogenes Einfangen (sog. Cryotrapping) dieser Intermediate. Im Rahmen dieser Arbeit wurden das Cryotrapping und die anschließende statische UV/vis-Absorptionsspektroskopie der fixierten (getrappten) Zustände optimiert und an einer Reihe von Rhodopsinen (ChR2, GPR) demonstriert.
Die forensische Entomologie nutzt nekrophage Insekten, hauptsächlich Dipteren und ihre juvenilen Stadien, zur Schätzung der minimalen Leichenliegezeit. Dem liegt zugrunde, dass nekrophage Dipteren binnen Minuten nach dem Todeseintritt potentiell in der Lage sind, einen Leichnam zu detektieren und zu besiedeln. Das anschließende Wachstum und die Entwicklung der juvenilen Stadien erfolgt als Funktion von der Art und der Umgebungstemperatur.
Mit Hilfe von Laborstudien konnten bislang für einige forensisch relevante Fliegenarten Entwicklungsdaten erhoben werden, die eine Altersbestimmung der sich an einem Leichnam entwickelnden Larven und Puppen erlauben und so eine Schätzung der minimalen Leichenliegezeit ermöglichen. Als Nährsubstrat für Laborstudien werden tierische Gewebe verwendet. Eine Übertragbarkeit der Daten auf humanes Gewebe wurde aber bislang nicht verifiziert. In der vorliegenden Arbeit wurde das larvale Wachstum und die juvenile Entwicklungsgeschwindigkeit der forensisch relevanten Schmeißfliege Calliphora vicina (Diptera: Calliphoridae) auf humanem Muskelgewebe untersucht und mit dem Wachstum auf Schweineleber, magerem Schweinemuskelfleisch und Schweinehackfleisch verglichen. Die auf humanem Gewebe heranwachsenden Individuen waren mit bis zu 3,5 mm signifikant länger als die Individuen, die sich auf Leber und dem mageren Schweinemuskelfleisch entwickelten. Bei der Verwendung von Hackfleisch vom Schwein zeigte sich kein Unterschied. Darauf basierend wird die Empfehlung ausgesprochen, für zukünftige Entwicklungsstudien Schweinehackfleisch als Ersatz für humanes Gewebe zu verwenden.
Zahlreiche Anleitungen zur Asservierung forensisch-entomologischer Spuren empfehlen das Sammeln getrennt nach Körperregionen eines Leichnams. Dies soll eine mögliche gewebespezifische Entwicklungsrate berücksichtigen. Das für die vorliegende Arbeit durchgeführte systematische Absammeln von Fliegenlarven von 51 Leichnamen getrennt nach Körperregionen zeigte keine artspezifischen Präferenzen für bestimmte Gewebe oder Körperregionen. Das Artenspektrum entsprach größtenteils dem aufgrund von Studien an Schweinekadavern zu erwartendem Artenspektrum für Deutschland und Mitteleuropa. Insgesamt konnten 15 Schmeißfliegenarten nachgewiesen werden, von denen in der Regel mehrere gleichzeitig an einem Leichnam zu finden waren. Dies zeigt, dass ein Faktor wie interspezifische Konkurrenz in Zukunft mehr Beachtung in der Forschung erhalten sollte.
Bislang wurde in der forensischen Entomologie die minimale Leichenliegezeit durch die Untersuchung juveniler Stadien von Fliegen eingegrenzt. Eine eventuell mögliche Ausweitung dieses Zeitfensters könnte durch eine Altersbestimmung der adulten Fliegen oder der leeren Puparien gelingen. Der Nachweis, dass die dafür untersuchten Fliegen bzw. Puparien tatsächlich von dem fraglichen Leichnam stammen, war bislang nicht möglich. Die forensische relevante Schmeißfliege Lucilia sericata wurde in der vorliegenden Arbeit auf humanem Gewebe und Gewebe von elf weiteren Tierarten großgezogen. Durch die Analyse stabiler Kohlen- und Stickstoffisotope konnte ein von diesen elf Tierarten abgrenzbares humanes Isotopenprofil sowohl für die adulten Fliegen von L. sericata, als auch für ihre leeren Puparien detektiert werden. Dieses Profil spiegelte die Nahrungszusammensetzung der Wirte wider.
Die vorliegende Arbeit erhebt Daten zur Entwicklung einer forensisch relevanten Schmeißfliegenart auf humanem Gewebe, belegt das bislang lediglich am tierischen Modell erhobene Schmeißfliegeninventar als für menschliche Leichen relevant und hinterfragt die gewebespezifische Asservierungsempfehlung als ein akademisches Artefakt. Auf dieser Basis konnten Empfehlungen für die Weiterzucht fallrelevanter entomologischer Spuren ausgesprochen werden, die gerichtsverwertbar sind und die Verwendung von tierischem Gewebe oder Tierkadaver in der forensisch-entomologischen Forschung legitimieren. Die Analyse stabiler Isotope legt darüber hinaus einen neuen, innovativen Grundstein für die routinemäßige Spurenzuordnung älterer Entwicklungsstadien und ist damit Vorreiter auf dem Gebiet der forensischen Entomologie.
Pretubulysin (PT), a biosynthetic precursor of the myxobacterial compound tubulysin D, was recently identified as a novel microtubule-targeting agent (MTA) causing microtubule destabilization. MTAs are the most frequently used chemotherapeutic drugs. They are well studied regarding their direct cytotoxic effects against various tumors as well as for their anti-angiogenic and vascular-disrupting action addressing endothelial cells of the tumor vasculature. However, the impact of MTAs on endothelial cells of the non-tumor vasculature has been largely neglected, although tumor cell interactions with the healthy endothelium play a crucial role in the process of cancer metastasis. Besides their use as potent anti-cancer drugs, some MTAs such as colchicine are traditionally used or recommended for the therapy of inflammatory diseases. Here, too, the role of endothelial cells has been largely neglected, although the endothelium is crucially involved in regulating the process of inflammation.
In the present study, the impact of PT on tumor-endothelial cell interactions was therefore analyzed in vitro to gain insights into the mechanism underlying its anti-metastatic effect that was recently confirmed in vivo. In the second part of this work, the influence of PT and other MTAs, namely the microtubule-destabilizing compounds vincristine (VIN) and colchicine (COL) and the microtubule-stabilizing drug paclitaxel (PAC), on leukocyte-endothelial cell interactions was investigated in vitro and in vivo (only PT). It is important to mention that in all in vitro experiments solely endothelial cells and not tumor cells or leukocytes were treated with the MTAs to strictly focus on the role of the endothelium in the action of these compounds.
The impact of PT on tumor-endothelial cell interactions was analyzed in vitro by cell adhesion and transendothelial migration assays as well as immunocytochemistry using the breast cancer cell line MDA-MB-231 and primary human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). The treatment of HUVECs with PT increased the adhesion of MDA cells onto the endothelial monolayer, whereas their transendothelial migration was reduced by the compound. Thereafter, the influence of PT on the endothelial cell adhesion molecules (CAMs) E-selectin, N-cadherin, ICAM-1, VCAM-1 and galectin-3 and on the CXCL12/CXCR4 chemokine system was examined, since they might be involved in the PT-triggered tumor cell adhesion. Interestingly, although PT induced the upregulation of ICAM-1, VCAM-1, N-cadherin and CXCL12, cell adhesion assays using neutralizing antibodies or the CXCL12 inhibitor AMD3100 revealed that all these molecules were dispensable for the PT-evoked tumor cell adhesion. As PT induces the formation of interendothelial gaps and MDA cells might adhere onto components of the underlying extracellular matrix (ECM), the precise location of MDA cells attached to the PT-treated endothelial monolayer was investigated. Instead of a direct interaction between tumor and endothelial cells, this work showed that MDA cells preferred to adhere to the ECM component collagen that was exposed within PT-triggered endothelial gaps. Both the PT-evoked increase in tumor cell adhesion onto and the decrease in trans-endothelial migration were completely abolished when β1-integrins were blocked on MDA cells. Similar results were obtained when endothelial cells were treated with VIN and COL but not PAC, indicating that the observed effects of PT depend on its microtubule-destabilizing activity.
The impact of PT, VIN, COL and PAC on leukocyte-endothelial cell interactions was analyzed in vivo (only PT) by intravital microscopy of the mouse cremaster muscle and in vitro by cell adhesion assays using the monocyte-like cell line THP-1 and TNFα-activated human dermal microvascular endothelial cells (HMEC-1). While PT did not affect the rolling of leukocytes on the endothelium, their firm adhesion onto and transmigration through the activated endothelium was reduced by PT in vivo. In accordance, the treatment of HMEC-1 with PT, VIN and COL decreased the TNFα-induced adhesion of THP-1 cells onto the endothelial monolayer, whereas PAC had no influence on this process. Thereafter, the influence of PT, VIN, COL and PAC on endothelial ICAM-1 and VCAM-1 was examined, since these molecules are substantially involved in the firm adhesion of leukocytes onto the endothelium. The cell surface protein expression of ICAM-1 and VCAM-1 was reduced by PT, VIN and COL in activated endothelial cells, whereas PAC did only slightly affect the TNFα-induced upregulation of VCAM-1. As the pro-inflammatory transcription factor NFκB plays a crucial role in the TNFα-induced expression of these CAMs, the impact of the MTAs on the NFκB promotor activity was investigated. While PT, VIN and COL decreased the activation of NFκB in activated endothelial cells, PAC did not affect this process. However, in contrast to the strong effects regarding the cell surface protein expression of ICAM-1 and VCAM-1, the effects of PT, VIN and COL on the NFκB activity was rather low. Thus, the used MTAs might also affect other relevant signaling pathways and/or the intracellular transport of CAMs might be influenced by the impact of the MTAs on the microtubule network.
Taken together, the current study provides – at least in part – an explanation for the anti-metastatic potential of PT and gives first insights into the use of PT and VIN as anti-inflammatory drugs. Moreover, this work highlights the endothelium as an attractive target for the development of new anti-cancer and anti-inflammatory drugs.
Reactive oxygen species (ROS) are involved in various signalling mechanisms. Redox homeostasis is important in cancer cells, since they are dependent on upregulated antioxidant defence pathways to cope with elevated ROS levels. Therefore, targeting the antioxidant defence system and/ or increasing ROS to a lethal level may be a feasible strategy to counteract cancer cell progression.
Acute lymphoblastic leukaemia (ALL) is the most frequent malignant childhood cancer, displaying on one side resistance to cell death induction and on the other side elevated ROS levels. Therefore, inducing ferroptosis, a ROS- and iron-dependent cell death pathway might be useful to trigger cell death in ALL as a novel treatment strategy. In the first study of this thesis we observed that RSL3, a glutathione (GSH) peroxidase 4 (GPX4) inhibitor, triggered ROS accumulation and lipid peroxidation which contributed to ferroptotic cell death. These observations were based on suppression of RSL3 stimulated cell death using different ferroptosis inhibitors like Ferrostatin-1 (Fer-1), Liproxstatin-1 (Lip-1), as well as iron chelator Deferoxamine (DFO) and the vitamin E derivate α-Tocopherol (α-Toc). RSL3-triggered ROS and lipid peroxide production were also inhibited through Fer-1 and α-Toc. Furthermore, lipoxygenases (LOX) were activated upon RSL3 stimulation and contributed to ferroptotic cell death in ALL as well. Selective inhibition of LOX with the 12/15-LOX inhibitor Baicalein and the pan-LOX inhibitor nordihydroguaiaretic acid (NDGA) abolished RSL3-induced ROS production, lipid peroxidation and cell death. In addition, RSL3 induced lipid peroxide-dependent ferroptotic cell death in FAS-associated Death Domain (FADD)-deficient, death receptor-induced apoptosis resistant cells, demonstrating that ferroptosis might circumvent apoptosis resistance.
The second part of the study revealed that RSL3 and Erastin (Era), a GSH-depleting agent, inhibiting the cystine/glutamate antiporter system xc- and ferroptosis inducer, cooperated with the Smac mimetic BV6 to trigger cell death in ALL cells. RSL3/BV6 and Era/BV6 combination-induced cell death was dependent on ROS accumulation, but independent of caspases and key modulators of necroptosis. RSL3/BV6-treated ALL cells exhibited classical features of ferroptotic cell death with iron-dependency, ROS accumulation and lipid peroxidation which was diminished through either pharmacological inhibition (Fer-1, DFO, α-Toc) or genetic inhibition by overexpressing GPX4. Interestingly, Era/BV6-induced cell death in ALL cells was independent of iron but dependent on ROS accumulation, since α-Toc rescued from Era/BV6-triggered ROS production, lipid peroxidation and cell death. Moreover, inhibition of lipid peroxide formation through the addition of Fer-1 or by overexpressing GPX4 failed to rescue from Era/BV6-triggered cell death, even if Era/BV6-stimulated lipid peroxidation was diminished. Likewise, Fer-1 protected from RSL3/BV6-, but not from Era/BV6-generated ROS production, leading to the assumption that other ROS besides lipid-based ROS contributed to cell death in Era/BV6-treated cells. In summary, while RSL3/BV6 induced ferroptosis in ALL, Era/BV6 stimulated a ROS dependent cell death, which was neither dependent on iron nor caspases or receptor-interacting protein (RIP) kinase 1 nor 3. Additionally, using Erastin alone did not trigger ferroptotic cell death in ALL. Finally, with these two studies we tried to unravel the molecular pathway of ferroptosis by using RSL3 and Erastin as well described ferroptosis stimulators. Here, we demonstrate the possibility of a novel treatment strategy to reactivate programmed cell death by impeding redox homeostasis in ALL.
Since ALL failed to induce ferroptosis upon Erastin treatment, we investigated in the third part of this thesis a new model system to induce ferroptosis upon Erastin and RSL3 exposure. Previous studies revealed that rhabdomyosarcoma (RMS) cells might be susceptible to oxidative stress-induced compounds. To this end, we used Erastin as a prototypic ferroptosis stimulus and GSH-depleting agent and demonstrated that GSH depletion, ROS and lipid ROS accumulation contributed to cell death. Additionally, Fer-1, Lip-1, DFO, lipophilic vitamin E derivate α-Toc and GSH, a cofactor of GPX4, protected from Erastin stimulated ROS accumulation, lipid peroxidation and cell death. Also, the use of a broad spectrum protein kinase C (PKC) inhibitor Bisindolylmaleimide I (Bim1), a PKCα and ß selective inhibitor Gö6976 and siRNA-mediated knockdown of PKCα suppressed Erastin-mediated cell death in RMS. Moreover broad spectrum nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate (NADPH) oxidase (NOX) inhibitor Diphenyleneiodonium (DPI) and a more selective NOX1/4 isoform inhibitor GKT137831 abrogated Erastin-generated ROS formation, lipid peroxidation and cell death. With this, we demonstrate that RMS are vulnerable to ferroptotic cell death and investigated the molecular mechanism of ferroptosis by unravelling that PKC and NOX could have a pivotal role in ROS-mediated ferroptosis signalling in RMS. In this regard, ferroptosis inducers may act as a possible novel treatment strategy for RMS, especially those with poor clinical outcome.
Der ligandaktivierte Transkriptionsfaktor Farnesoid X Rezeptor (FXR) ist neben seiner Funktion als Regulator des Gallensäurehaushaltes auch in vielen anderen metabolischen Prozessen wie Glukose- und Lipidhomöostase involviert und besitzt antiinflammatorische Eigenschaften. Gerade bei hepatischen, gastrointestinalen und systemischen Erkrankungen erscheint FXR daher als interessante Zielstruktur zur Behandlung metabolischer Erkrankungen. Basierend auf den natürlichen Liganden von FXR, den Gallensäuren, wurde Obeticholsäure (OCA) als seminsynthetisches Derivat der endogenen Chenodesoxycholsäure zu einem potenten FXR-Agonisten entwickelt. OCA wurde in mehreren Studien auf seine therapeutische Wirkung bei hepatisch-entzündlichen Krankheitsbildern wie der primären biliären Cholangitis (PBC), der nicht-alkoholischen Fettleber (engl: non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD) und der daraus folgenden nicht-alkoholischen Steatohepatitis (NASH) getestet. Mittlerweile ist OCA als Zweitlinientherapie der PBC auf dem Arzneimittelmarkt zuge-lassen. Neben OCA gibt es noch eine große Anzahl an weiteren FXR-Liganden, deren strukturelle Diversität von Steroiden bis nicht-steroidalen kleinen Molekülen (engl: small molecules) reicht. Trotz dieser Erfolge muss das Therapiepotential von FXR noch weiter ausgebaut werden. Die meisten verfügbaren Liganden besitzen in vitro zwar eine hohe Potenz, können in ihrem pharmakokinetischen Profil oder ihrer Selektivität gegenüber anderen nukleären Rezeptoren aber nicht überzeugen.
Die hier vorliegende Arbeit hat sich mit der Entwicklung unterschiedlicher Liganden für FXR beschäftigt und diese in vitro und teilweise auch in vivo charakterisiert, um sie entsprechend ihrer Wirkungsweise einzuordnen und ein besseres Verständnis der regulatorischen Funktion von FXR zu erlangen.
Modulation von FXR bezieht sich nicht nur auf die agonistische Aktivierung, sondern setzt sich auch mit Antagonismus auseinander. Neben einigen Krankheitsbildern, die aus einer Überexpression von FXR resultieren, werden Antagonisten als Werkzeug (engl: tool compound) zur Aufklärung von konformellen Veränderungen von FXR und deren Auswirkung auf bestimmte Signalwege benötigt. Für die Erforschung solcher FXR-Antagonisten sollte das Potential nicht-steroidaler Antirheumatika (engl: non-steroidal anti-rheumatic drugs, NSAIDs) als etwaige Leitstrukturen untersucht werden, da in einer Veröffentlichung von Lu et al. ein FXR-Antagonismus durch NSAIDs postuliert wurde. Beim Versuch der Reproduktion der Ergebnisse von Lu et al. mit den drei NSAIDs Ibuprofen, Indometacin und Diclofenac wurde festgestellt, dass die Effekte auf den ersten Blick antagonistisch erscheinen, aber bei genaueren biochemischen Untersuchungen zweifelsfrei als Zytotoxizität identifiziert wurden.
FXR-Antagonisten wie Guggulsteron oder Gly-MCA sind auf ihre therapeutische Wirksamkeit unter-sucht worden, aber die genaue Wirkweise ist noch nicht aufgeklärt. Aufgrund ihrer steroidalen Grundstruktur ist ihre Selektivität gegenüber anderen nukleären Rezeptoren fraglich. Die überschaubare Anzahl an publizierten nicht-steroidalen FXR-Antagonisten besitzt zwar moderate IC50-Werte, ihre strukturelle Diversität und Selektivität ist aber limitiert. Zur Entwicklung neuer potenter FXR-Antagonisten, die aus kleinen Molekülen (engl: small molecules) aufgebaut sind, wurde eine N-Phenylbenzamid-Leitstruktur ausgewählt. Diese Leitstruktur wurde im Rahmen der SAR-Unter-suchungen zur Entwicklung von Anthranilsäurederivaten als FXR-Partialagonisten innerhalb des Arbeitskreises entdeckt. Ausgehend von dieser Leitstruktur wurde eine mehrstufige, systematische SAR-Untersuchung durchgeführt, wodurch ein sehr potenter FXR-Antagonist entwickelt werden konnte, der anschließend umfangreich biochemisch auf FXR-Modulation, Selektivität, Löslichkeit, Toxizität und metabolische Stabilität charakterisiert wurde.
Neben dem Verständnis eines Modulationsmechanismus ist die konkrete Anwendung eines FXR-Liganden zu therapeutischen Zwecken von großem Interesse. Die Beteiligung von FXR in unterschiedlichen metabolischen Prozessen macht den Rezeptor zu einem begehrten Ansatzpunkt für die Wirkstoffentwicklung. Doch die Behandlung eines multifaktoriellen Krankheitsbildes (z.B. metabolisches Syndrom, NASH) sollte sich nicht nur auf einen der gestörten Signalwege beziehen, da diese Erkrankungen durch mehrere Faktoren ausgelöst oder beeinflusst werden. Der semisynthetische FXR-Agonist OCA zeigte innerhalb der FLINT-Studie sowohl antientzündliche und antifibrotische Effekte, als auch eine Verbesserung der metabolischen Parameter mit Blick auf NAFLD und NASH. Die lösliche Epoxidhydrolase (engl: soluble epoxidhydrolase, sEH) besitzt nachweislich anti-inflammatorische und antisteatotische Effekte in der Leber. Aus diesem Grund wurde eine Leitstruktur entwickelt, die eine duale Modulation aus FXR-Aktivierung und sEH-Inhibition erzeugt. Dafür wurden die Pharmakophore eines im Arbeitskreis entwickelten FXR-Partialagonisten sowie eines potenten sEH-Inhibitors miteinander verknüpft. Zur Weiterentwicklung einer ausgewogenen hohen Potenz beider Modulationsfaktoren wurden mehrere unterschiedliche SAR-Untersuchungen als translationales Projekt in mehreren Arbeiten durchgeführt. In der hier vorliegenden Arbeit konnten dieses SAR-Untersuchungen zusammengeführt und weiterentwickelt werden. Dabei wurde ein ausgewogener und hochpotenter dualer Modulator erhalten, der umfassend in vitro und in vivo charakterisiert wurde. Die gezielte duale Aktivität, die mit dieser Substanz erreicht wurde, führt in einem Krankheitsbild zu synergistischer Ergänzung zweier Therapieoptionen. Jedoch kann eine unerwünschte Promiskuität über verwandten nukleären Faktoren zu Nebenwirkungen führen. Die Ursache dafür kann eine saure Funktion darstellen. Ein sehr potenter nicht-azider FXR-Agonist mit einem subnanomolaren EC50-Wert konnte im Arbeitskreis entwickelt werden. Diese Verbindung ist FXR-selektiv, hat keinen toxischen Effekt auf HepG2-Zellen und eine moderate metabolische Halbwertszeit. Die qRT-PCR-Untersuchung direkter und indirekter FXR-Zielgene zeigte eine verstärkte Expression nach der Inkubation mit der nicht-aziden Substanz. Dadurch lässt sich das Prinzip der Nebenwirkungsminderung durch nicht-azide Verbindungen beweisen.
Insgesamt konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, wie vielfältig und vielversprechend eine FXR-Modulation aufgebaut sein kann. Zum einen konnte über eine ausgeprägte biochemische Evaluation eine Differenzierung zwischen FXR-Antagonismus und Zelltoxizität bewiesen werden, worauf sich aufbauend eine genaue in vitro-Charakterisierung von neuen N-phenylbenzamidbasierten FXR-Antagonisten durchführen ließ, die ausgehend von einer moderat potenten Leitstruktur zu einer sehr potenten optimierten Substanz entwickelt wurden. FXR-Antagonismus und die dazu passenden tool compounds sind nicht nur von Bedeutung zum besseren Verständnis der unterschiedlichen Bindungsmodi des FXR, sondern auch potentielle Therapieansätze zur Behandlung von Krankheiten, in denen eine FXR-Überexpression stattfindet. Die agonistische Modulation von FXR wurde genauer betrachtet in der in vitro-Untersuchung nicht-azider FXR-Agonisten, die durch das Fehlen einer sauren Funktion ein hohes Maß an Selektivität und dabei eine geringe Toxizität aufwiesen. Synergistische Effekte zur Behandlung eines multifaktoriellen Krankheitsbildes durch die Kombination von FXR-Partialagonismus und sEH-Inhibition konnte durch die Entwicklung der potenten und balancierten Substanz sowohl in vitro als auch in vivo bewiesen werden, wodurch diese Verbindung ein vielversprechender Kandidat für weitere klinische Entwicklung ist.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden sRNAs des halophilen Archaeons Haloferax volcanii hinsichtlich ihrer biologischen und ihrer regulatorischen Funktion charakterisiert.
Um einen Überblick über die biologischen Funktionen archaealer sRNAs zu erhalten, wurde eine umfassende phänotypische Charakterisierung von 27 sRNA-Deletionsmutanten im Vergleich zum Wildtyp ausgewertet. Im Zuge dieser phänotypischen Charakterisierungen wurden zehn verschiedene Wachstumsbedingungen, morphologische Unterschiede und Veränderungen in der Zellmotilität untersucht. Hierbei zeigten nahezu alle Deletionsmutanten unter mindestens einer der getesteten Bedingungen phänotypische Unterschiede. Durch den Verlust von sRNAs wurden sowohl sogenannte Gain-of-function als auch Loss-of-function Phänotypen beobachtet. Haloarchaeale sRNAs spielen eine wichtige Rolle beim Wachstum mit verschiedenen Salzkonzentrationen, mit verschiedenen Kohlenstoffquellen und beim Schwärmverhalten, sind jedoch weniger in die Adaptation an diverse Stressbedingungen involviert.
Zur näheren Charakterisierung der regulatorischen Funktion archaealer sRNAs wurden sRNA362, sRNAhtsf468 und sRNA479 mittels molekulargenetischer Methoden wie Northern Blot-Analyse und DNA-Mikroarray sowie bioinformatischer in silico-Analyse untersucht. Das Expressionslevel von sRNA362 konnte bestimmt und potentielle Zielgene für sRNAhtsf468 und sRNA479 identifiziert werden.
Eine vorangegangene Studie zeigte den Einfluss von sRNA30 unter Hitzestress und führte zur Identifikation differentiell produzierter Proteine in Abwesenheit der sRNA. In dieser Arbeit wurde mittels Northern Blot-Analysen die Expression der sRNA30 charakterisiert. Das Wachstum in An- und Abwesenheit von sRNA30 wurde bei 42°C und 51°C phänotypisch charakterisiert und der regulatorische Einfluss der sRNA auf die mRNA differentiell regulierter Proteine durch Northern Blot-Analyse überprüft. Eine Transkriptomanalyse mittels DNA-Mikroarray nach Hitzeschock-Induktion führte zur Identifikation differentiell regulierter Gene involviert in Transportprozesse, Metabolismus, Transkriptionsregulation und die Expression anderer sRNAs. Die differentielle Regulation des Proteoms nach Hitzeschockinduktion in An- und Abwesenheit von sRNA30 konnte bestätigt werden.
Desweiteren wurde in dieser Arbeit sRNA132 und deren phosphatabhängige Regulation der Ziel-mRNA HVO_A0477-80 näher charakterisiert. Eine Induktionskinetik nach Phosphatentzug bestätigte die Bedeutung von sRNA132 für die verstärkte Expression des Operons HVO_A0477-80 unter Phosphatmangel-Bedingungen und verwies auf die Existenz weiterer Regulationsmechanismen. Während vor und nach Phosphatentzug kein Unterschied bezüglich der Zellmorphologie von Wildtyp und Deletionsmutante zu erkennen war, führte das Wachstum mit einem starken Phosphatüberschuss von 5 mM zu einer Zellverlängerung der Deletionsmutante. Die Kompetition der nativen 3‘-UTR des Operons HVO_A0477-80 mit einer Vektor-kodierten artifiziellen 3‘-UTR legt eine Regulation über die Bindung von sRNA132 an die 3‘-UTR nahe. Der Transkriptomvergleich nach Phosphatentzug in An- und Abwesenheit von sRNA132 führte zur Identifikation des Phosphoregulons der sRNA. Zu diesem Phosphoregulon gehören unter anderem zwei Glycerinphosphat-Dehydrogenasen, Transkriptionsregulatoren, eine Polyphosphatkinase und eine Glycerolphosphodiesterase. Zudem waren die Transkriptlevel der beiden ABC-Transporter HVO_A0477-80 und HVO_2375-8 für anorganisches Phosphat und des Transporters HVO_B0292-5 für Glycerinaldehyd-3-Phosphat in Abwesenheit der sRNA verringert. Die beiden ABC-Transportsysteme für anorganisches Phosphat wurden im Rahmen dieser Arbeit deletiert und weiter charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass das ABC-Transportsystem HVO_2375-8 bei geringen Phosphatkonzentrationen leicht induziert wird und das Transkriptlevel in Anwesenheit von sRNA132 erhöht ist. Wachstumsversuche der jeweiligen Deletionsmutante in direkter Konkurrenz mit dem Wildtyp zeigten, dass keiner der beiden ABC-Transporter den anderen vollständig ersetzen kann und der Wildtyp mit beiden intakten ABC-Transportern unter phosphatlimitierenden Bedingungen einen Wachstumsvorteil besitzt. In silico-Analysen der Promotorbereiche von sRNA und ABC-Transporter legen zudem die Existenz von P-Boxen nahe.
In dieser Arbeit soll identifiziert werden, welcher der zahlreichen Vertreter einer Arzneistoffklasse sich letztlich auf dem Markt durchsetzen kann und ob bestimmte pharmakokinetische, pharmakodynamische, klinische oder praktische Substanzeigenschaften retrospektiv für den Markterfolg einer Substanz verantwortlich gemacht werden können. Zudem stellt sich die Frage, ob und in wie fern Analogpräparate einen Nutzen in der Arzneimitteltherapie mit sich bringen, obwohl ihnen zum Zeitpunkt ihrer Markteinführung nur ein geringer Innovationsgrad zugebilligt wurde. Um derartige Rückschlüsse ziehen zu können wurden exemplarisch folgende fünf Arzneistoffklassen untersucht, die sich durch eine Vielzahl an Vertretern auszeichnen: Arsphenamine, Sulfonamide, Benzodiazepine, Glucocorticoide sowie Betablocker. Der Untersuchungszeitraum bemisst sich folglich vom Anfang des 20. Jahrhunderts, als industriell gefertigte, chemisch definierte hochpotente Wirkstoffe die Therapie zu bestimmen begannen, bis etwa zum letzten Drittel des 20. Jahrhunderts als Preise und Kostenerstattungsfragen zusätzlich zu Substanzeigenschaften für den Markterfolg mitbestimmend wurden.
Antimicrobial resistance became a serious threat to the worldwide public health in this century. A better understanding of the mechanisms, by which bacteria infect host cells and how the host counteracts against the invading pathogens, is an important subject of current research. Intracellular bacteria of the Salmonella genus have been frequently used as a model system for bacterial infections. Salmonella are ingested by contaminated food or water and cause gastroenteritis and typhoid fever in animals and humans. Once inside the gastrointestinal tract, Salmonella can invade intestinal epithelial cells. The host cell can fight against intracellular pathogens by a process called xenophagy. For complex systems, such as processes involved in the bacterial infection of cells, computational systems biology provides approaches to describe mathematically how these intertwined mechanisms in the cell function. Computational systems biology allows the analysis of biological systems at different levels of abstraction. Functional dependencies as well as dynamic behavior can be studied. In this thesis, we used the Petri net formalism to gain a better insight into bacterial infections and host defense mechanisms and to predict cellular behavior that can be tested experimentally. We also focused on the development of new computational methods.
In this work, the first realization of a mathematical model of the xenophagic capturing of Salmonella enterica serovar Typhimurium in epithelial cells was developed. The mathematical model expressed in the Petri net formalism was constructed in an iterative way of modeling and analyses. For the model verification, we analyzed the Petri net, including a computational performance of knockout experiments named in silico knockouts, which was established in this work. The in silico knockouts of the proposed Petri net are consistent with the published experimental perturbation studies and, thus, ensures the biological credibility of the Petri net. In silico knockouts that have not been experimentally investigated yet provide hypotheses for future investigations of the pathway.
To study the dynamic behavior of an epithelial cell infected with Salmonella enterica serovar Typhimurium, a stochastic Petri net was constructed. In experimental research, a decision like "Which incubation time is needed to infect half of the epithelial cells with Salmonella?" is based on experience or practicability. A mathematical model can help to answer these questions and improve experimental design. The stochastic Petri net models the cell at different stages of the Salmonella infection. We parameterized the model by a set of experimental data derived from different literature sources. The kinetic parameters of the stochastic Petri net determine the time evolution of the bacterial infection of a cell. The model captures the stochastic variation and heterogeneity of the intracellular Salmonella population of a single cell over time. The stochastic Petri net is a valuable tool to examine the dynamics of Salmonella infections in epithelial cells and generate valuable information for experimental design.
In the last part of this thesis, a novel theoretical method was introduced to perform knockout experiments in silico. The new concept of in silico knockouts is based on the computation of signal flows at steady state and allows the determination of knockout behavior that is comparable to experimental perturbation behavior. In this context, we established the concept of Manatee invariants and demonstrated the suitability of their application for in silico knockouts by reflecting biological dependencies from the signal initiation to the response. As a proof of principle, we applied the proposed concept of in silico knockouts to the Petri net of the xenophagic recognition of Salmonella. To enable the application of in silico knockouts for the scientific community, we implemented the novel method in the software isiKnock. isiKnock allows the automatized performance and visualization of in silico knockouts in signaling pathways expressed in the Petri net formalism. In conclusion, the knockout analysis provides a valuable method to verify computational models of signaling pathways, to detect inconsistencies in the current knowledge of a pathway, and to predict unknown pathway behavior.
In summary, the main contributions of this thesis are the Petri net of the xenophagic capturing of Salmonella enterica serovar Typhimurium in epithelial cells to study the knockout behavior and the stochastic Petri net of an epithelial cell infected with Salmonella enterica serovar Typhimurium to analyze the infection dynamics. Moreover, we established a new method for in silico knockouts, including the concept of Manatee invariants and the software isiKnock. The results of these studies are useful to a better understanding of bacterial infections and provide valuable model analysis techniques for the field of computational systems biology.
Heat stress transcription factors (Hsfs) have an essential role in heat stress response (HSR) and thermotolerance by controlling the expression of hundreds of genes including heat shock proteins (Hsps) with molecular chaperone functions. Hsf family in plants shows a striking multiplicity, with more than 20 members in many species. In Solanum lycopersicum HsfA1a was reported to act as the master regulator of the onset of HSR and therefore is essential for basal thermotolerance. Evidence for this was provided by the analysis of HsfA1a co-suppression (A1CS) transgenic plants, which exhibited hypersensitivity upon exposure to heat stress (HS) due to the inability of the plants to induce the expression of many HS-genes including HsfA2, HsfB1 and several Hsps. Completion of tomato genome sequencing allowed the completion of the Hsf inventory, which is consisted of 27 members, including another three HsfA1 genes, namely HsfA1b, HsfA1c and HsfA1e.
Consequently, the suppression effect of the short interference RNA in A1CS lin e was re-evaluated for all HsfA1 genes. We found that expression of all HsfA1 proteins was suppressed in A1CS protoplasts. This result suggested that the model of single master regulator needs to be re-examined.
Expression analysis revealed that HsfA1a is constitutively expressed in different tissues and in response to HS, while HsfA1c and HsfA1e are minimally expressed in general, and show an induction during fruit ripening and a weak upregulation in late HSR. Instead HsfA1b shows preferential expression in specific tissues and is strongly and rapidly induced in response to HS. At the protein level HsfA1b and HsfA1e are rapidly degraded while HsfA1a and HsfA1c show a higher stability. In addition, HsfA1a and HsfA1c show a nucleocytosolic distribution, while HsfA1b and HsfA1e a strong nuclear retention.
A major property of a master regulator in HSR is thought to be its ability to cause a strong transactivation of a wide range of genes required for the initial activation of protective mechanisms. GUS reporter assays as well as analysis of transcript levels of several endogenous transcripts in protoplasts transiently expressing HsfA1 proteins revealed that HsfA1a can stimulate the transcription of many genes, while the other Hsfs have weaker activity and only on limited set of target genes. The low activity of HsfA1c and HsfA1e can be attributed to the lower DNA capacity of the two factors as judged by a GUS reporter repressor assay.
HsfA1a has been shown to have synergistic activity with the stress induced HsfA2 and HsfB1. The formation of such complexes is considered as important for stimulation of transcription and long term stress adaptation. All HsfA1 members show synergistic activity with HsfA2, while only HsfA1a act as co-activator of HsfB1 and HsfA7. Interestingly, HsfA1b shows an exceptional synergistic activity with HsfA3, suggesting that different Hsf complexes might regulate different HS-related gene networks. Altogether these results suggest that HsfA1a has unique characteristics within HsfA1 subfamily. This result is interesting considering the very high sequencing similarity among HsfA1s, and particularly among HsfA1a and HsfA1c.
To understand the molecular basis of this discrepancy, a series of domain swapping mutants between HsfA1a and HsfA1c were generated. Oligomerization domain and C-terminal swaps did not affect the basal activity or co-activity of the proteins. Remarkably, an HsfA1a mutant harbouring the N-terminus of HsfA1c shows reduced activity and co-activity, while the reciprocal HsfA1c with the N-terminus of HsfA1a cause a gain of activity and enhanced DNA binding capacity.
Sequence analysis of the DBD of HsfA1 proteins revealed a divergence in the highly conserved C-terminus of the turn of β3-β4 sheet. As the vast majority of HsfA1 proteins, HsfA1a at this position comprises an Arg residue (R107), while HsfA1c a Leu and HsfA1e a Cys. An HsfA1a-R107L mutant has reduced DNA binding capacity and consequently activity. Therefore, the results presented here point to the essential function of this amino acid residue for DNA binding function. Interestingly, the mutation did not affect the activity of the protein on Hsp70-1, suggesting that the functionality of the DBD and consequently the transcription factor on different promoters with variable heat stress element number and architecture is dependent on structural peculiarities of the DBD.
In conclusion, the unique properties including expression pattern, transcriptional activities, stability, DBD-peculiarities are likely responsible for the dominant function of HsfA1a as a master regulator of HSR in tomato. Instead, other HsfA1-members are only participating in HSR or developmental regulations by regulating a specific set of genes. Furthermore, HsfA1b and HsfA1e are likely function as stress primers in specific tissues while HsfA1c as a co-regulator in mild HSR. Thereby, tomato subclass A1 presents another example of function diversity not only within the Hsf family but also within the Hsf-subfamily of closely related members. The diversification based on DBD peculiarities is likely to occur in potato as well. Therefore this might have eliminated the functional redundancy observed in other species such as Arabidopsis thaliana but has probably allowed the more refined regulation of Hsf networks possibly under different stress regimes, tissues and cell types.
Photolabile protecting groups (PPGs, cages, photocages) are molecules which can block the activity of a functional group and be removed by irradiation of light of an appropriate wavelength. One of the goals of this work was to design new photolabile protecting groups, based on a literature known one. The far-UV absorbing diethylamino benzyl (DEAMb) photocage, developed by Wang et al., was selected as structural basis for this work. In order to trigger the uncaging reaction with longer wavelengths (≥365 nm), thus allowing also biological applications, its structure was optimized. This was done by elongating the π-orbital conjugation using biphenyl derivatives instead of a single aromatic moiety. The photocage was loaded with glutamic acid as the leaving group.
The highest bathochromic shift was shown by compounds, which had the smallest sterical hindrance imposed on the second aromatic ring. The absorption spectrum was more redshifted if the second aromatic ring contained an electron withdrawing group. However, the stronger the substituents electron withdrawing strength was, the lower the uncaging quantum yield was. It was rationalized, that this is due to a decreased excited state electron density at the benzylic carbon of the DEAMb core which is necessary to trigger bond dissociation. This has been confirmed using TDDFT (time-dependent density functional theory) computations done by Jan von Cosel, Konstantin Falahati and Carsten Hamerla (from the group of Irene Burghardt). The best uncaging quantum yield was 42% for m-phenyl substituted DEAMb, while if a strong electron withdrawing group was present (nitro group), there was no photoactivity at all.
In order to achieve a better π-orbital conjugation of the non-coplanar biphenyl derivatives, a C-C bond was introduced between the benzylic carbon and the second aromatic ring. The resulting planar compounds belong to the fluorene class. The computational data predicted the photochemical meta effect to some extent to be preserved in these molecules. A set of fluorene derivatives was synthesized and photochemically characterized. The molar absorption coefficients of all prepared fluorene derivatives were higher than for any of the biphenyl derivatives. Quantum yields of the acetate release ranged between 3-42%, thus being as good as the best glutamic acid releasing biphenyl compounds. The highest uncaging cross section of the acetate release from the prepared fluorene derivatives was above 5000 M^-1 cm^-1. This value proves the high potential of the new fluorene based photocages developed in this work. Furthermore, release of hydroxide ion from fluorenol could be shown along with generation of, presumably, fluorenyl cation. These intriguing results paves a way for further exploration of fluorene based photocages for the release of bad leaving groups.
The second part of this work describes the custom synthesis of 13C labeled compounds for the VIPER (VIbrationally Promoted Electronic Resonance) project. In the VIPER pulse sequence, a molecule is vibrationally excited by a narrow band IR-pump pulse. The following Vis-pump pulse will promote the vibrationally pre-excited molecules to an electronically excited state. This Vis-pump pulse is offresonant for the not vibrationally pre-selected species and only resonant with the molecules, which are already pre-excited by the IR-pump pulse. Since the IR absorption bands usually are well resolved, a selective excitation of one molecule in an ensemble of similar ones is possible in the IR frequency range. Isotopologues and isotopomers are an extreme case of molecules which are near identical and differ only by isotopic composition or position. As a result in solution and at room temperature they have an identical UV-Vis absorption spectrum but different IR spectrum. This allows vibrational excitation of only one isotopologue (or isotopomer).
Isotopic labels were introduced in known photocages: 7-diethylamino coumarin (DEACM) and para-hydroxy phenacyl (pHP). The position for isotopic label incorporation in these molecules was guided by computations done by Jan von Cosel and Carsten Neumann. To allow control of the photoreactions in an ultrafast timescale, an IR active leaving group was used. The uncaging behavior of the prepared molecules in steady state was tested using chromatography (HPLC) and spectroscopy (1H NMR, FTIR and UV-Vis). The VIPER experiments were performed by Daniela Kern-Michler, Carsten Neumann, Nicole Mielke and Luuk van Wilderen (from the group of Jens Bredenbeck). A selective uncaging of only the vibrationally pre-excited molecules could be achieved.
Hämophilie A ist eine X-chromosomal rezessiv vererbte Krankheit, die aufgrund von Mutationen innerhalb des Gens von Gerinnungsfaktor VIII (FVIII) zum funktionellen Defekt oder zum Fehlen des körpereigenen FVIII führt. FVIII zirkuliert als Heterodimer und besteht aus einer schweren Kette mit der Domänenstruktur A1-A2-B und einer leichten Kette mit der Domänenstruktur A3-C1-C2. Bei Patienten unter Prophylaxe wird durch regelmäßige Substitution mit rekombinanten oder aus Plasma gewonnenen FVIII-Präparaten die Hämostase wiederhergestellt. Allerdings entwickeln hierbei etwa 30% der Patienten mit einer schweren Hämophilie eine FVIII-spezifische Immunantwort in Form von neutralisierenden Antikörpern (Inhibitoren). Die sogenannte Immuntoleranz-Therapie (engl. immune tolerance induction therapy, ITI) ist bisher die einzige etablierte Therapie, die zu einer dauerhaften Eradikation der FVIII-Inhibitoren und Induktion von Toleranz gegenüber FVIII führen kann. Die Therapie beruht auf einer meist täglichen Gabe hoher FVIII-Dosen, welche sich, je nach Behandlungsdauer, über Wochen bis hin zu Jahren erstrecken kann. Bei etwa 30% der Patienten ist diese Therapie nicht erfolgreich. Für solche Patienten besteht die Gefahr lebensbedrohlicher, unkontrollierbarer Blutungen und erheblicher Gelenkschäden.
Die spezifische Ansteuerung des Membran-gebundenen Immunglobulin G (mIg) des B-Zellrezeptors (BZR) mithilfe von Immuntoxinen ist eine mögliche Option zur selektiven Eliminierung FVIII-spezifischer B-Zellen und somit zur Eradikation von FVIII-Inhibitoren. Solche Immuntoxine bestehen aus einer zellbindenden und einer zytotoxischen Domäne, welche nach Internalisierung zur Apoptose der Zielzelle führen soll. Da FVIII aufgrund der Größe als zellbindende Domäne ungeeignet ist, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung und Evaluierung alternativer Immuntoxine zur selektiven Eliminierung FVIII-spezifischer B-Zellen. Die FVIII-spezifische Immunantwort ist zwar polyklonal, jedoch vor allem gegen A2- und die C2-Domäne gerichtet. Aus diesem Grund wurden die humane A2- und C2-Domäne (hA2, hC2) als zellbindende Domäne verwendet und jeweils genetisch an eine verkürzte Version des Exotoxin A (ETA) aus Pseudomonas aeruginosa fusioniert, bei welcher die natürliche zellbindende Domäne entfernt wurde. Die rekombinanten Proteine wurden bakteriell produziert und im Anschluss an die Aufreinigung biochemisch charakterisiert. Während das bakterielle Expressionssystem für hA2-ETA nicht geeignet war, konnte hC2-ETA neben weiteren Kontrollproteinen mit korrekter Konformation der hC2-Domäne hergestellt und aufgereinigt werden.
Die Fähigkeit zur selektiven Eliminierung hC2-spezifischer B-Zellen wurde im weiteren Verlauf sowohl in vitro mithilfe einer hC2-spezifischen Hybridomazelllinie als auch ex vivo und in vivo mithilfe von Splenozyten aus FVIII-immunisierten FVIII-knockout Mäusen untersucht.
Durch Inkubation der hC2-spezifischen Hybridomazelllinie mit hC2-ETA konnten ca. 38 % der Zellen eliminiert werden. Weitere Untersuchungen der Zelllinie ergaben, dass diese keinen vollständigen funktionalen B-Zellrezeptor auf der Oberfläche exprimierte, welcher für die Bindung und die korrekte Internalisierung des Immuntoxins notwendig ist. Aufgrund dessen eignet sich diese Zelllinie nicht als Modell für eine genauere Analyse der in vitro Eliminierungseffizienz von hC2-ETA.
Weitere Analysen mithilfe von Splenozyten aus FVIII-immunisierten FVIII-knockout Mäusen haben jedoch gezeigt, dass durch ex vivo Inkubation der Splenozyten mit hC2-ETA, alle hC2-spezifischen B-Zellen vollständig, selektiv und konzentrations-abhängig eliminiert werden konnten. Auch die mehrfache Applikation von hC2-ETA in FVIII-immunisierten FVIII-knockout Mäusen führte bei der Hälfte der Tiere zur vollständigen Eliminierung aller hC2-spezifischen B-Zellen. Eine Reduktion des hC2-spezifischen Antikörpersignals konnte nach Gabe von hC2-ETA in allen behandelten Tieren beobachtet werden. Die unvollständige Eliminierung in der Hälfte der Tiere ist vermutlich auf die Präsenz hC2-spezifischer Antikörper zurückzuführen, die einen Teil des applizierten Immuntoxins neutralisiert haben, sodass nicht alle hC2-spezifischen Gedächtnis-B-Zellen erreicht und eliminiert werden konnten. Um die Eliminierungseffizienz von hC2-ETA weiter zu erhöhen, müsste das Behandlungsprotokoll geändert werden. Sowohl eine Verlängerung des Behandlungszeitraums als auch eine kombinierte Therapie aus FVIII und hC2-ETA sollte zu einer erhöhten Bioverfügbarkeit des Toxins und dadurch zu einer gesteigerten Eliminierungseffizienz führen.
Die Ausweitung des hier vorgestellten Ansatzes auf weitere FVIII-Domänen ist generell möglich, jedoch muss hierzu ein alternatives Expressionssystem aufgrund des eukaryotischen Ursprungs von FVIII in Betracht gezogen werden. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen dennoch, dass FVIII-Domänen-Immuntoxine ein wirkungsvolles Mittel sind, um FVIII-spezifische B-Zellen selektiv zu eliminieren. Die Anpassung der Gabe von FVIII-Domänen-Immuntoxinen an die individuelle Immunantwort des Patienten könnte das Auftreten von Nebenwirkungen minimieren. Außerdem könnte eine kombinierte Therapie aus ITI und FVIII-Domänen-Immuntoxinen die Zeit bis zur Induktion von Toleranz verkürzen und die Chancen für den generellen Therapieerfolg erhöhen.
Smut fungi (Ustilaginomycotina) were previously defined as plant parasites that produced blackish or brownish masses of teliospores in or on various organs of plants. Each teliospore germinates to form a single basidium with usually four basidiospores that subsequently grow as a saprobic, yeast-like, haploid stage. The Ustilaginomycotina are a highly diverse group with about 1,700 species in 115 different genera. All of the species were united in a single order, the Ustilaginales, in late 19th century. These teliospore producing fungi are now considered the classic smut fungi. Towards the end of the 20th century, new ideas were brought into this classification system. Most notable was the comparative work regarding the ultrastructure of septal pores and the anatomy of the interaction zones between host and parasite. This work changed the whole concept of smut fungi and their evolutionary relationships. These results were subsequently supported by molecular phylogenetic studies. Both lines of investigation led to the classification of the smut fungi into four different classes, Ustilaginomycetes, Exobasidiomycetes, Malasseziomycetes and Moniliellomycetes (see chapter 1.3).
A reliable taxonomy that reflects phylogenies needed in order to estimate the diversity and the relationships between the diverse groups of smut fungi. In the last 20 years, molecular investigations based mostly on rDNA loci, e.g. ITS (internal transcribed spacer) or LSU (large subunit), have revealed the evolutionary relationships between many taxa of smut fungi. However, there are few phylogenetic studies available for smut fungi (see chapter 1.5.1), and much work is needed to develop backbone phylogenetic trees and to resolve species complexes of many smut fungi.
This thesis reports the results of six different studies that aimed to develop new and improved tools for the phylogenetic analyses of smut fungi, and then apply these methods to selected groups of smut fungi. The first study (Kruse et al. 2017a, Chapter 3) developed a method to improve the amplification of ITS sequences of some smut fungi. Due to its high discrimination value, the ITS gene region is widely used as a barcoding locus for species delimitation of fungi. For this purpose, the general ITS primers ITS1 and ITS4 or more specific modifications, e.g. ITS1F for Ascomycota, ITS4B for Basidiomycota or M-ITS1 for smut fungi, were used. As these primer combinations often yielded unsatisfactory results, due to coamplification of other (contaminant) fungi or the host plant DNA, improvement of the amplification of the ITS region was needed. In order to design new smut specific primers for the ITS region, a representative set of several sequences of the flanking regions of the ITS region (LSU and SSU) of smut fungi, plants and other fungi were downloaded from GenBank. A set of primers was designed on this dataset. These primers were tested on a representative set of about 70 different smut genera under different PCR conditions. Finally, three different primers, one forward primer, smITS-F, and two reverse primers, smITS-R1 and -R2, were selected as the best ones. The following tests with different combinations of these primers, and also under inclusion of the M-ITS1 primer, showed only slight differences in the number of different genera that successfully amplified. But there were some differences regarding the genera that amplified. A broader test on 205 samples in 39 genera showed that the PCR efficiency of the newly designed primers was much better than the primer set ITS4/M-ITS1. With the primers designed in this study almost no non-target ITS was amplified, giving new opportunities especially for amplifying ancient DNA or DNA from older herbarium samples. However, many species groups remain unresolved by only one gene region.
The second study (Kruse et al. 2017c, Chapter 4) found new loci and suitable primers that better resolved multi-locus trees. To date, the most frequently used loci for making multi-locus trees are SSU (small subunit), LSU (large subunit) and ITS (internal transcribed spacer). While the LSU is not always sufficient to distinguish between closely related species, it is highly discriminative above the species level. In an effort to increase the phylogenetic resolution of smut phylogenies, some protein-coding genes were used, including rpb1, rpb2, and atp6 with varying success (see Chapter 2.1.2). As most of these loci are seldom used or sometimes only work on pure cultures because of their low specifity, new protein-coding loci were identified that produced reliable phylogenetic trees. Based on five available genomes, potential gene loci were filtered for possible primers. Initially, 40 different primer combinations for 14 gene loci were tested on a set of twelve different genera of smut fungi. The best candidates were selected and optimized during further tests. Finally, 22 different forward primers and 17 different reverse primers for nine different gene regions were developed, with each differentiating at least one genus of smut fungi (preferably for Ustilaginomycetes). The different primers showed varying discriminative power for different smut genera. They worked best for the Ustilaginaceae, based on the primer designed from Ustilaginomycetes genomes. These new primer sets and loci have the potential to resolve different species groups within the smut fungi and furthermore to produce reliable phylogenetic trees with high resolution. To prove their applicability, three species complexes were investigated in-depth, two from the Ustilaginomycetes and one from the Exobasidiomycetes.
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G-protein coupled receptors (GPCRs) are a predominant class of cell-surface receptors in eukaryotic life. They are responsible for the perception of a broad range of ligands and involved in a multitude of physiological functions. GPCRs are therefore of crucial interest for biological and pharmaceutical research. Molecular analysis and functional characterisation of GPCRs is frequently hampered by challenges in efficient large-scale production, non-destructive purification and long-term stability. Cell-free protein synthesis (CFPS) provides new production platforms for GPCRs by extracting the protein synthesis machinery of the cell in an open system that allows target-oriented modulations of the synthesis process and direct access to the nascent polypeptide chain. CFPS is fast, reliable and highly adaptable. Unfortunately, highly productive cell-free synthesis of GPCRs is often opposed by low product quality. This thesis was aimed to adapt and improve some of the new possibilities for the cell-free production of GPCRs in high yield and quality for structural and pharmaceutical analysis. An E. coli based CFPS system was applied to synthesise various turkey and human Beta-adrenergic receptor (Beta1AR) derivatives as well as human Endothelin receptors type A and B (ETA and ETB) constructs. Both receptor families are important drug targets and pharmacologically addressed in the treatment of several cardiovascular diseases. CF-synthesis was mainly performed in presence of nanodiscs (ND), which are reconstituted high density lipoprotein particles forming discoidal bilayer patches with a diameter varyring from 6 to approx. 15 nm. The supplementation of ND in the CF-synthesis reaction caused the co-translational solubilisation of the freshly synthesised GPCRs. The fraction of the solubilised GPCR that was correctly folded was analysed by the competence to bind its ligand alprenolol or Endothelin-1, respectively. Both the solubilisation efficiency and the ability to fold in a ligand binding competent state was strongly affected by the lipid composition of the supplied ND. Best results were generally achieved with lipids having phosphoglycerol headgroups and unsaturated fatty acid chains with 18 carbon atoms. Furthermore, thermostabilisation by introduction of point mutations had a large positive impact on the folding efficiency of both Beta1AR and ETB receptor. Formation of a conserved disulphide bridge in the extracellular region was additionally found to be crucial for the function of the ETB receptor. Disulphide bridge formation could be enhanced by applying a glutathione-based redox system in the CFPS. Further improvements in the quality of ETB receptor could be made by the enrichment of heat-shock chaperones in the CF-reaction. Depending on the receptor type and DNA-template, roughly 10 – 30 nmol (350 – 1500 µg) of protein could be synthesised in 1 ml of CF-reaction mixture. After the applied optimisation steps, the fractions of correctly folded receptor could be improved by several orders of magnitude and were finally in between 35% for the thermostabilised turkey Beta1AR, 9% for the thermostabilised ETB receptor, 6.5% for the non-stabilised ETB receptor, 1 - 5% for non-stabilised turkey Beta1AR and for human Beta1AR isoforms and 0.1% for ETA receptor. Therefore, between 2 and 120 µg of GPCR could be synthesised in a ligand binding competent form, depending on the receptor and its modifications. Correctly folded turkey Beta1AR and ETB receptors were thermostable at 30°C and could be stored at 4°C for several weeks after purification. Yields of the thermostabilised turkey Beta1AR were sufficient to purify the receptor in a two-step process by ligand-binding chromatography to obtain pure and correctly folded receptor in the lipid bilayer of a ND. Furthermore, a lipid dependent ligand screen could be demonstrated with the turkey Beta1AR and significant alterations in binding affinities to currently in-use pharmaceuticals were found. The established protocols are therefore suitable and highly competetive for a variety of applications such as screening of GPCR ligands, analysis of lipid effects on GPCR function or for the systematical biochemical characterisation of GPCRs. Most promising for future approaches appears to address the suspected bottlenecks of intial insertion of the GPCR-polypeptide chain in the ND bilayer and the thermal stability of the receptors. Nevertheless, the estabilised protocols for the analysed targets in this thesis are already highly competitive to previously published production protocols either in cell-based or cell-free systems with regard to yield of functional protein, speediness and costs. Moreover, the direct accessibility and other general characteristics of cell-free synthesis open a large variety of possible applications and this work can therefore contribute to the molecular characterisation of this important receptor type and to the development of new pharmaceuticals.
Heat stress transcription factors (Hsfs) are required for transcriptional changes during heat stress (HS) thereby playing a crucial role in the heat stress response (HSR). The target genes of Hsfs include heat shock proteins (Hsps), other Hsfs and genes involved in protection of the cell from irreversible damages due to exposure to elevated temperatures. Among 27 Hsfs in Solanum lycopersicum, HsfA1a, HsfA2 and HsfB1 constitute a functional triad which regulates important aspects of the HSR. HsfA1a is constitutively expressed and described as the master regulator of stress response and thermotolerance. Activation of HsfA1a under elevated temperatures leads to the induction of HsfA2 and HsfB1 which further stimulate the transcription of HS-responsive genes by forming highly active complexes with HsfA1a. Despite the well-established role of these three Hsfs in tomato HSR, information about functional relevance of other Hsfs is currently missing.
The heat stress inducible HsfA7 belongs alongside with HsfA2 to a phylogenetically distinct clade. Thereby the two proteins share high homology and a functional redundancy has been assumed. However, HsfA7 function and contribution to stress responses have not been investigated into detail in any plant species.
Tomato HsfA7 protein accumulates already at moderately elevated temperatures (~35°C) while HsfA2 becomes dominant at higher temperatures (>40°C). HsfA7 pre-mRNA undergoes complex and temperature-dependent alternative splicing resulting in several transcripts that encode for three protein isoforms. HsfA7-I contains a functional nuclear export signal (NES) and shows nucleocytoplasmic shuttling while HsfA7-II and HsfA7-III have a truncated NES which leads to the strong nuclear retention of the protein. Differences in the nucleocytoplasmic equilibrium have a major impact on the stability of protein isoforms, as nuclear retention is associated with increased protein turnover. Consequently, HsfA7-I shows a higher stability and can be detected even after 24 hours of stress attenuation, while HsfA7-II is rapidly degraded. The degradation of these factors is mediated by the ubiquitin-proteasome pathway.
HsfA7 can physically interact with HsfA1a and HsfA3 and form co-activator (“superactivator”) complexes with a very high transcriptional activity as shown on different HS-inducible promoters. In order for the complex to be successfully transferred to the nucleus and confer its activity it needs a functional nuclear localization signal (NLS) of HsfA7. In contrast, the activator (AHA) motif of HsfA7 is not essential for its co-activator function. Interestingly, while interaction of HsfA7 with either HsfA3 or HsfA1a stabilizes HsfA7 isoforms, concomitantly this leads to an increased turnover of HsfA1a and HsfA3. In contrast, HsfA2 has a stabilizing effect on the master regulator HsfA1a.
Thus, HsfA7 knockout mutants generated by CRISPR/Cas9 gene editing, show increased HsfA1a levels and a stronger induction of HS-related genes at 35°C compared to wild-type plants and HsfA2 knockout mutants. Consequently, HsfA7 knockout seedlings exhibit increased thermotolerance as shown by the enhanced hypocotyl elongation under a prolonged mild stress treatment at 35°C. In summary, these results highlight the importance of HsfA7 in regulation of cellular responses at elevated temperatures. Under moderately elevated temperatures, the accumulation of HsfA7 and its subsequent interaction with HsfA1a, leads to increased turnover of the latter, thereby ensuring a milder transcriptional activation of temperature-responsive genes like Hsps. In turn, in response to further elevated temperatures, HsfA2 becomes the dominant stress-induced Hsf. HsfA2 forms co-activator complexes with HsfA1a which in contrast to HsfA7, allows the stabilization of the master regulator, leading to the stronger expression of HS-responsive genes required for survival. Thereby, this study uncovers a new regulatory mechanism, where the temperature-dependent competitive interaction of HsfA2 and HsfA7 with HsfA1a control the fate of the master regulator and consequently the activity of temperature-responsive networks.
Massenspektrometrie-basierte Proteomuntersuchungen erfolgen auch heute überwiegend nach dem sogenannten Bottom-Up-Ansatz, d.h. die Identifizierung von Proteinen erfolgt auf der Basis von Peptiden, die chromatographisch gut voneinander getrennt werden können und massenspektrometrisch leichter zu analysieren sind als Proteine. Nach Identifikation der Peptide kann rekonstruiert werden, welche Proteine ursprünglich in der Probe vorgelegen haben. Zentraler Arbeitsschritt der Probenvorbereitung ist daher die Zerlegung des Proteins, die entweder chemisch oder - wie in den meisten Fällen – enzymatisch erfolgt. Trypsin ist das mit Abstand am häufigsten genutzte Enzym, da es eine hohe Schnittspezifität aufweist und sehr effizient ist. Der Trypsin-Verdau ist darüber hinaus sehr robust, d.h. er zeigt eine hohe Toleranz gegenüber Verunreinigungen, und zudem werden Peptide erzeugt, die sowohl gute Ionisations- als auch gute Fragmentierungseigenschafen aufweisen. Die durch Trypsin gebildeten Peptide enthalten neben dem basischen N-Terminus eine weitere basische Aminosäure am C-Terminus, so dass sie leicht zumindest doppelt-geladene Ionen bilden können und sehr häufig aussagekräftige C-terminale Fragmentioneserien liefern.
Neben den zahlreichen Vorteilen gibt es allerdings auch Nachteile. So können nach einem tryptischen Verdau in Abhängigkeit von der Verteilung der Schnittstellen Peptide entstehen, die entweder zu klein sind, um eine verlässliche Zuordnung zu einem Protein zu erlauben oder die zu groß sind für den Massenbereich des gewählten Massenanalysators. Eine vielversprechende Alternative zu Trypsin wäre ArgC, welches C-Terminal zu Argininen schneidet und somit im Durchschnitt größere Peptide mit Ionisations- und Fragmentierungseigenschaften ähnlich zu tryptischen Peptiden erzeugt. Das Enzym ArgC weist jedoch nur eine geringe Schnittspezifität auf und sein Trypsin-ähnliches Verhalten – also das Schneiden auch hinter Lysin - wurde öfters beobachtet und wird auch vom Hersteller angegeben. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Verdaumethode, die Peptide erzeugt, die ausschließlich auf Argininen enden.
Das Resultat der zu entwickelnden Verdaumethode sollte somit dem eines idealen enzymatichen ArgC-Verdaues entsprechen. Realisiert wurde der ArgC-ähnliche-Verdau durch den Einsatz von Trypsin, dessen enzymatischer Schnitt durch die chemische Derivatizierung der Substrat-Lysine auf Arginine reduziert wurde. Neben dem weiteren Einsatz von Trypsin sollte dieser "Quasi-Arg-C-Verdau" weitere systematische Vorteile für Proteomanalysen realisieren: Zum Ersten sollte die Anzahl von Fehlschnitt-Peptiden, die sich bei Trypsin insbesondere an Lysinen mit saurer chemischer Umgebung ergeben, reduziert werden, zum Zweiten sollten die Arg-C-Peptide sowohl durch ihre gewachsende Größe, als auch durch das mit dem C-terminalen Arginin verbesserte Fragmentierungsverhalten höhere Score-Werte bei der bioninformatischen Auswertung der MS-Daten ergeben.
Im ersten Teil wurden zunächst bioinformatische Werkzeuge entwickelt, die MALDI-MS-Dateien automatisiert prozessierten. Die entwickelten Programme umfassen die Identifizierung und relative Quantifizierung von Proteinen aus diesen Dateien. Des Weiteren wurde ein Programm zur Analyse von MALDI-ISD-Dateien entwickelt. Automatisierte Auswertungen gelangen durch die Erstellung von Workflows in der Datenanalyseplattform KNIME. Diese Workflows kombinieren in Python geschriebene Skripte und Funktionalitäten frei verfügbarer Programme wie "MSConvert" und "mMass".
Nach Erstellung der bioinformatischen Werkzeuge wurde die Methodenentwicklung zur Modifizierung der Lysine für verschiedene Reagenzien durchgeführt. Die Auswahl fiel auf vier Substanzen, von denen bekannt ist, dass sie unter milden Reaktionsbedingung im quantitativen Ausmaß mit Aminogruppen reagieren. Diese waren Sulfo-NHS-Acetat, Propionsäureanhydrid, Diethylpyrocarbonat und die reduktive Methylierung mit Formaldehyd und Picolin-Boran. Die Reaktionsbedingungen mussten zunächst für Proteine optimiert werden, da die publizierten Protokolle hauptsächlich zur Derivatizierung von Peptiden verwendet worden waren. Anschließend wurden die optimierten Protokolle für eine Protein- und Proteomprobe eingesetzt und die Resultate miteinander verglichen. Die Untersuchungen führten zu dem Ergebnis, dass sowohl auf Protein- als auch auf Proteomebene die Propionylierung des Lysins die besten Resultaten zeigte. Insbesondere ist hervorzuheben, dass alle ArgC-ähnlichen Ansätze unabhängig vom eingesetzten Reagenz zu besseren Ergebnissen in jeder der Untersuchungen führte als der klassische enzymatische ArgC-Verdau.
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Natural products are valuable sources for biologically active compounds, which can be utilized as pharmaceuticals. Thereby, the synthesis is based purely on biosynthetic grounds often conducted by so-called megaenzymes. One major biosynthetic pathway is the acetate pathway including polyketide and fatty acid synthesis, which encompass one of the largest classes of chemically diverse natural products. These have medicinal relevance due to their antibacterial, antifungal, anthelmintic, immunosuppressive and antitumor properties.
Due to the high structural and functional similarity between polyketide synthases and type I animal fatty acid synthases (FASs), FAS can serve as a paradigm for the whole class of multifunctional enzymes. To fully exploit the biosynthetic potential of FASs, a good access to the enzyme is of essential importance. In this regard, Escherichia coli remains an unchallenged heterologous host due to low culturing costs, particularly fast mutagenesis cycles and relatively easy handling. Surprisingly, no sufficient expression strategy for an animal FAS in E. coli has yet been reported, as it turned out that the only approach was not reproducible.
We commenced our analysis with searching for an appropriate FAS homolog that fulfills our requirements of high protein quality, sufficient yield and ensured functionality. After extensive screening of different variants, culturing conditions and co-expression strategies, we identified the murine FAS (mFAS) as our protein of choice. The established purification strategy using tags at both termini led to a reproducible and sufficient access to the protein in excellent quality. The enzyme was further biochemically characterized including an enzyme kinetic investigation of fatty acid synthesis and an examination whether different acyl-CoA substrates can serve as priming units. This adds mFAS to our repertoire of manageable megaenzymes paving the way to exploit the catalytic efficiency in regards of microbial custom-compound synthesis.
With a strong focus on deepening our understanding of the working mode of such megaenzymes, rather than analyzing respective biosynthetic products, we have addressed the question whether mFAS itself can be engineered towards PKSs or whether properties of mFAS can be exploited to engineer PKSs. This approach was conducted on three levels of complexity from function of individual domains via organization of domains to form modules to the interplay of two modules in bimodular constructs.
Fatty acid synthesis begins with the loading of acyl moieties onto the FAS, which is conducted by a domain called malonyl-/acetyltransferase (MAT). This domain was in-depth characterized due to its important role of choosing the substrates that are built in the final compound. Our analysis comprised structural and functional aspects providing crystal structures of two different acyl-bound states and kinetic parameters for the hydrolysis and transacylation reaction using twelve exemplary CoA-esters. For this purpose, we have successfully established a continuous fluorometric assay using the α-ketoglutarate dehydrogenase as a coupled enzyme, which converts the liberated coenzyme A into Nicotinamide adenine dinucleotide. These data revealed an extensive substrate ambiguity of the MAT domain, which had not been reported to that extent before. Further, we could demonstrate that the fold fulfills both criteria for the evolvability of an enzyme by expressing MAT in different structural arrangements (robustness) and by altering the substrate ambiguity within a mutagenesis study (plasticity). Taken these aspects together, we are persuaded that the MAT domain can serve as a versatile tool for PKSs engineering in potential FAS/PKS hybrid systems.
On the higher level of complexity, we investigated the architectural variability of the mFAS fold, which constitutes a fundamental basis for a broader biosynthetic application. We could rebuild all four module types occurring in typical modular PKSs confirming a high degree of modularity within the fold. Not only structural, but also functional integrity of these modules was validated by using triacetic acid lactone formation and ketoreductase activity. Especially the latter analysis, made it possible to quantify effects of the engineering within the processing part by respective enzyme kinetic parameters. Expanding our focus beyond a singular module, we have utilized the mFAS fold for designing up to 380 kDa large bimodular constructs. In this approach, a loading didomain was attached N-terminally containing an additional MAT and acyl carrier protein (ACP) domain. Two constructs could be expressed and purified in excellent quality to investigate the influence of an altered overall architecture on fatty acid synthesis. By comparison with appropriate controls, a functional effect of the additional loading module could indeed be proven in the bimodular systems. Those constructs allow a comprehensive analysis of the underlying molecular mechanism in the future and serve as a potential model system to study the transition from iterative to vectorial polyketide synthesis in vitro.
In the 'Golden Age of Antibiotics', between 1940 and 1970, the global pharmaceutical companies discovered many antibiotics, such as cephalosporins, tetracyclines, aminoglycosides, glycopeptides, etc., as well as antifungal and antiparisitic agents. Due to several reasons, e.g. the steady re-discovery of already known NPs and the associated high costs, many pharmaceutical companies have significantly scaled back or totally abandoned their NP discovery programs since the late 20th century. Instead those companies started to focus on drug discovery based on combinatorial synthesis and thereby on the creation of enormous synthetic libraries containing small molecules. Unfortunately, this synthetic approach dealing with the optimization of existing NP or antibiotic has its limitations. As a result, leading pharmaceutical companies are re-conducting NPs research to discover new antimicrobials for the upcoming antimicrobial resistance threat. The Natural Product Center of Excellence, a collaboration between Sanofi-Aventis and Fraunhofer IME, is advancing in this context the discovery and development of novel antimicrobial agents for the treatment of infectious diseases through the testing of Sanofi's microbial extract library and strain collection. The aim of the present PhD thesis was the discovery and isolation of novel antimicrobial compounds with improved activities and/or novel MOAs as potential lead compound for a further drug discovery.
Bei Autismus-Spektrum-Störungen (ASS) handelt es sich um genetisch komplexe Störungen mit hoher Erblichkeit. Als zugrundeliegender Pathomechanismus von ASS werden unter anderem Veränderungen der neuronalen Entwicklung diskutiert. Der Phänotyp von ASS ist definiert durch Einschränkungen in der sozialen Interaktion und Kommunikation sowie repetitives und stereotypes Verhalten. Genkopiepolymorphismen (englisch „copy number variations“/CNVs), also Deletionen oder Duplikationen einer chromosomalen Region, wurden wiederholt in Probanden mit ASS identifiziert. Hierbei ist in ASS die Region 16p11.2 mit am häufigsten von CNVs betroffen. Einige Gene aus diesem chromosomalen Abschnitt wurden bereits funktionell charakterisiert. Dennoch können die Befunde der bisherigen Einzelgenstudien nicht alle Aspekte erklären, die durch 16p11.2 CNVs hervorgerufen werden. Ziel dieser Studie war es daher, ein weiteres neuronal assoziiertes Kandidatengen dieser Region zu identifizieren und im Anschluss funktionell im Kontext der neuronalen Differenzierung zu charakterisieren.
Das SH-SY5Y Neuroblastom-Zellmodell wurde auf Transkriptom- und morphologischer Ebene auf seine Eignung als Modell für neuronale Differenzierung untersucht und bestätigt. Eine Analyse der Expressionen aller Gene der 16p11.2-Region zeigte, dass das Gen Quinolinat-Phosphoribosyltransferase (QPRT) eine vergleichsweise hohe Expression mit der stärksten und robustesten Regulierung über die Zeit aufwies. Eine de novo Deletion der 16p11.2-Region wurde in einem Patienten im Vergleich zu seinen Eltern validiert. In Patienten-spezifischen lymphoblastoiden Zelllinien derselben Familie konnten wir eine Gendosis-abhängige Expression von QPRT auf RNA-Ebene bestätigen. In SH-SY5Y-Zellen korrelierte die Expression von QPRT signifikant mit der Entwicklung von Neuriten während der Differenzierung. Um QPRT funktionell zu charakterisieren, benutzten wir drei verschiedene Methoden zur Reduktion der QPRT-Gendosis: (i) knock down (KD) durch siRNA, (ii) chemische Inhibition durch Phthalsäure und (iii) knock out (KO) über CRISPR/Cas9-Geneditierung. Eine Reduktion von QPRT durch siRNA führte zu einer schwachen Veränderung der neuronalen Morphologie differenzierter SH-SY5Y-Zellen. Die chemische Inhibition sowie der genetische KO von QPRT waren letal für differenzierende aber nicht für proliferierende Zellen. Eine Metabolitenanalyse zeigte keine Veränderungen des QPRT-assoziierten Tryptophanstoffwechsels. Gene, welche auf Transkriptomebene im Vergleich zwischen KO- und Kontrollzellen differenziell reguliert vorlagen, waren häufig an Prozessen der neuronalen Entwicklung sowie an der Bildung, Stabilität und Funktion synaptischer Strukturen beteiligt. Die Liste differenziell regulierter Gene enthielt außerdem überdurchschnittlich viele ASS-Risikogene und ko-regulierte Gengruppen waren assoziiert mit der Entwicklung des dorsolateralen präfrontalen Cortex, des Hippocampus sowie der Amygdala.
In dieser Studie zeigten wir einen kausalen Zusammenhang zwischen QPRT und der neuronalen Differenzierung in vitro sowie einen Einfluss von QPRT auf die Regulation von ASS-assoziierten Genen und Gen-Netzwerken. Funktionell standen diese Gene im Kontext mit synaptischen Vorgängen, welche durch Veränderungen zu einem Exzitations-Inhibitions-Ungleichgewicht und letztendlich zum Zelltod von Neuronen führen können. Unsere Ergebnisse heben in Summe die wichtige Rolle von QPRT in der Krankheitsentstehung von ASS, insbesondere in Trägern einer 16p11.2 Deletion, hervor.
Role of npas4l and Hif pathway in endothelial cell specification and specialization in vertebrates
(2018)
Cardiovascular development requires two main steps, vasculogenesis and angiogenesis. During vasculogenesis, angioblasts, the precursors of endothelial cells (ECs), specify from the mesoderm and coalesce to form the axial vessels of the vertebrate embryo. Many questions regarding the transcriptional waves initiating and sustaining angioblast specification are still unanswered. The identity of cloche, a gene essential for EC differentiation in zebrafish, was only recently discovered by our group, and very little is known about its upstream regulators or its molecular mechanism of action. I described the molecular players involved in orchestrating npas4l expression, upstream of angioblast specification. By using genetic models and chemical treatments, I identified FGF-Erk axis and BMP signaling to be involved in npas4l regulation. I also showed that eomesa is a potent inducer of npas4l expression. In addition, in vitro experiments indicated that murine Eomes promotes EC specification, acting upstream of Etv2 and Tal1. Using a combination of gain-of-function and loss-of-function models for npas4l, I identified primary and secondary downstream effectors of npas4l. I showed that Npas4l binding sites are present in the promoter of genes involved in hematoendothelial specification, such as tal1, lmo2 and etv2. Importantly, I reported that npas4l is sufficient and necessary to promote the EC specification program. By performing a combined analysis of the developed datasets, I recovered putative genes with a potential role in EC specification. One of the most promising candidates was tspan18b. I generated a mutant allele for tspan18b and observed angiogenic defects in tspan18b-/- embryos, confirming a role for this gene in zebrafish cardiovascular development. I showed that Npas4l binds etv2 promoter in zebrafish. In mammalian embryonic stem cells, however, Etv2 promoter is bound by HIF-1α, a transcription factor homolog to Npas4l. Interestingly, Eomes knockdown in vitro lead to a significant reduction of Hif-1α expression. To test the function of Hif-1α in vivo, I took advantage of a murine loss-of-function model.
Hif-1α mouse mutant embryos exhibit a significant decrease in Etv2 expression, when compared with WT siblings. These data suggest a model where mammals lost npas4l during evolution and HIF-1α acquired a new function, replacing npas4l role in EC specification. I compared the phenotype of Hif-1α mouse mutant with zebrafish hif-1α loss-of- function models. Importantly, zebrafish hif-1α mutant did not show defects in vasculogenesis or EC specification, but in EC specialization, during HSC development. I showed that hypoxia is a potent inducer of HSC formation, and hif-1α as well as hif-2α act upstream of notch1, vegfaa and evi1 in hemogenic endothelial specification.
Conclusions
In this work, I explored the molecular mechanisms underlying EC specification in vertebrates, analyzing the role of bHLH-PAS transcription factors in this biological process. I identified the upstream regulators and the downstream effectors of npas4l, describing a novel role for tspan18b in zebrafish cardiovascular development. Npas4l is a transcription factor necessary and sufficient for angioblast differentiation in zebrafish, but the gene was lost in the mammalian lineage. hif-1α and hif-2α, paralogous genes of npas4l, are involved in the establishment of EC heterogeneity and specifically in the specification of hemogenic endothelium in zebrafish. Murine Hif-1α, however, is responsible for Etv2 regulation, indicating a role for hypoxia inducible factor in initiating the EC specification program in mouse, similarly to npas4l function in zebrafish.