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Fluorescently labeled nanoparticles are widely used for evaluating their distribution in the biological environment. However, dye leakage can lead to misinterpretations of the nanoparticles’ biodistribution. To better understand the interactions of dyes and nanoparticles and their biological environment, we explored PLGA nanoparticles labeled with four widely used dyes encapsulated (coumarin 6, rhodamine 123, DiI) or bound covalently to the polymer (Cy5.5.). The DiI label was stable in both aqueous and lipophilic environments, whereas the quick release of coumarin 6 was observed in model media containing albumin (42%) or liposomes (62%), which could be explained by the different affinity of these dyes to the polymer and lipophilic structures and which we also confirmed by computational modeling (log PDPPC/PLGA: DiI—2.3, Cou6—0.7). The importance of these factors was demonstrated by in vivo neuroimaging (ICON) of the rat retina using double-labeled Cy5.5/Cou6-nanoparticles: encapsulated Cou6 quickly leaked into the tissue, whereas the stably bound Cy.5.5 label remained associated with the vessels. This observation is a good example of the possible misinterpretation of imaging results because the coumarin 6 distribution creates the impression that nanoparticles effectively crossed the blood–retina barrier, whereas in fact no signal from the core material was found beyond the blood vessels.
An accurate measurement of the 140Ce(n,γ) energy-dependent cross-section was performed at the n_TOF facility at CERN. This cross-section is of great importance because it represents a bottleneck for the s-process nucleosynthesis and determines to a large extent the cerium abundance in stars. The measurement was motivated by the significant difference between the cerium abundance measured in globular clusters and the value predicted by theoretical stellar models. This discrepancy can be ascribed to an overestimation of the 140Ce capture cross-section due to a lack of accurate nuclear data. For this measurement, we used a sample of cerium oxide enriched in 140Ce to 99.4%. The experimental apparatus consisted of four deuterated benzene liquid scintillator detectors, which allowed us to overcome the difficulties present in the previous measurements, thanks to their very low neutron sensitivity. The accurate analysis of the p-wave resonances and the calculation of their average parameters are fundamental to improve the evaluation of the 140Ce Maxwellian-averaged cross-section.
Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is a global pandemic posing significant health risks. The diagnostic test sensitivity of COVID-19 is limited due to irregularities in specimen handling. We propose a deep learning framework that identifies COVID-19 from medical images as an auxiliary testing method to improve diagnostic sensitivity. We use pseudo-coloring methods and a platform for annotating X-ray and computed tomography images to train the convolutional neural network, which achieves a performance similar to that of experts and provides high scores for multiple statistical indices (F1 scores > 96.72% (0.9307, 0.9890) and specificity >99.33% (0.9792, 1.0000)). Heatmaps are used to visualize the salient features extracted by the neural network. The neural network-based regression provides strong correlations between the lesion areas in the images and five clinical indicators, resulting in high accuracy of the classification framework. The proposed method represents a potential computer-aided diagnosis method for COVID-19 in clinical practice.
Famotidine inhibits toll-like receptor 3-mediated inflammatory signaling in SARS-CoV-2 infection
(2021)
Apart from prevention using vaccinations, the management options for COVID-19 remain limited. In retrospective cohort studies, use of famotidine, a specific oral H2 receptor antagonist (antihistamine), has been associated with reduced risk of intubation and death in patients hospitalized with COVID-19. In a case series, nonhospitalized patients with COVID-19 experienced rapid symptom resolution after taking famotidine, but the molecular basis of these observations remains elusive. Here we show using biochemical, cellular, and functional assays that famotidine has no effect on viral replication or viral protease activity. However, famotidine can affect histamine-induced signaling processes in infected Caco2 cells. Specifically, famotidine treatment inhibits histamine-induced expression of Toll-like receptor 3 (TLR3) in SARS-CoV-2 infected cells and can reduce TLR3-dependent signaling processes that culminate in activation of IRF3 and the NF-κB pathway, subsequently controlling antiviral and inflammatory responses. SARS-CoV-2-infected cells treated with famotidine demonstrate reduced expression levels of the inflammatory mediators CCL-2 and IL6, drivers of the cytokine release syndrome that precipitates poor outcome for patients with COVID-19. Given that pharmacokinetic studies indicate that famotidine can reach concentrations in blood that suffice to antagonize histamine H2 receptors expressed in mast cells, neutrophils, and eosinophils, these observations explain how famotidine may contribute to the reduced histamine-induced inflammation and cytokine release, thereby improving the outcome for patients with COVID-19.
SARS-CoV-2 contains a positive single-stranded RNA genome of approximately 30 000 nucleotides. Within this genome, 15 RNA elements were identified as conserved between SARS-CoV and SARS-CoV-2. By nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, we previously determined that these elements fold independently, in line with data from in vivo and ex-vivo structural probing experiments. These elements contain non-base-paired regions that potentially harbor ligand-binding pockets. Here, we performed an NMR-based screening of a poised fragment library of 768 compounds for binding to these RNAs, employing three different 1H-based 1D NMR binding assays. The screening identified common as well as RNA-element specific hits. The results allow selection of the most promising of the 15 RNA elements as putative drug targets. Based on the identified hits, we derive key functional units and groups in ligands for effective targeting of the RNA of SARS-CoV-2.
Multi-subunit ATPase-dependent chromatin remodelling complexes SWI/SNF (switch/sucrose non-fermentable) are fundamental epigenetic regulators of gene transcription. Functional genomic studies revealed a remarkable mutation prevalence of SWI/SNF-encoding genes in 20–25% of all human cancers, frequently driving oncogenic programmes. Some SWI/SNF-mutant cancers are hypersensitive to perturbations in other SWI/SNF subunits, regulatory proteins and distinct biological pathways, often resulting in sustained anticancer effects and synthetic lethal interactions. Exploiting these vulnerabilities is a promising therapeutic strategy. Here, we review the importance of SWI/SNF chromatin remodellers in gene regulation as well as mechanisms leading to assembly defects and their role in cancer development. We will focus in particular on emerging strategies for the targeted therapy of SWI/SNF-deficient cancers using chemical probes, including proteolysis targeting chimeras, to induce synthetic lethality.
Background: In the past, protease inhibitors (PIs) and the reverse transcriptase inhibitor abacavir were identified increasing the risk for thromboembolic complications and cardiovascular events (CVE) of HIV infected patients taking a combination antiretroviral therapy (cART). Results of the previous HIV-PLA I-study lead to the assumption that platelet activation could play a substantial role in increasing CVE risks.
Methods: The open label, monocentric HIV-PLA II-study investigated HIV-1-infected, therapy-naïve adults (n=45) starting with cART, consisting either of boosted PI (atazanavir, n= 6, darunavir, n=11), NNRTI (efavirenz, n=14) or integrase inhibitor (raltegravir, n=14), each plus tenofovir/emtricitabine co-medication. Main exclusion criteria were tobacco smoking, the intake of NSAIDs or abacavir or past CVE. Platelet adhesive molecule p-selectin (CD62P) and FITC anti-human Integrin α-IIb/Integrin β-3 (CD41/CD61) antibody (PAC-1) binding, monocyte CD11b/monocyte-associated CD41 expression and the endogenous thrombin potential (ETP) were assessed ex vivo-in vitro at baseline, weeks 4, 12 and 24. Therapy regimens were blinded to the investigators for laboratory and statistical analyses.
Results: CD11b and ETP showed no significant changes or differences between all study groups. In contrast, the mean + SD mean fluorescence units (MFI) of CD62P and PAC-1 increased significantly in patients taking PI, indicating an enhanced potential for thrombocyte activation and aggregation.
Conclusion: CD62P expression, detecting the ɑ-platelet degranulation of pro-inflammatory and pro-thrombotic factors and adhesive proteins, and PAC-1 expression, representing a marker for conformation changes of the GIIb/IIIa receptor, increased significantly in patients taking HIV protease inhibitors. The findings of this study revealed a yet unknown pathway of platelet activation, possibly contributing to the increased risk for CVE under HIV protease inhibitor containing cART.
Clinical Trial Registration No.: DRKS00000288.
An automated NMR chemical shift assignment algorithm was developed using multi-objective optimization techniques. The problem is modeled as a combinatorial optimization problem and its objective parameters are defined separately in different score functions. Some of the heuristic approaches of evolutionary optimization are employed in this problem model. Both, a conventional genetic algorithm and multi-objective methods, i.e., the non-dominated sorting genetic algorithms II and III (NSGA2 and NSGA3), are applied to the problem. The multi-objective approaches consider each objective parameter separately, whereas the genetic algorithm followed a conventional way, where all objectives are combined in one score function. Several improvement steps and repetitions on these algorithms are performed and their combinations are also created as a hyper-heuristic approach to the problem. Additionally, a hill-climbing algorithm is also applied after the evolutionary algorithm steps. The algorithms are tested on several different datasets with a set of 11 commonly used spectra. The test results showed that our algorithm could assign both sidechain and backbone atoms fully automatically without any manual interactions. Our approaches could provide around a 65% success rate and could assign some of the atoms that could not be assigned by other methods.
Inducing cell death in tumor cells is a major goal of anti-cancer therapy. However, the preferable mode of cell death to induce is under debate. Apoptosis is known to be an anti-inflammatory and pro-resolving type of programmed cell death, whereas necroptosis results in the release of danger-associated molecular patterns (DAMPs) and is pro-inflammatory. Efferocytosis of apoptotic cells by macrophages results in a pro-resolving switch of macrophages polarization and is required to induce resolution of inflammation. This impact of apoptotic cells on macrophages is a non-desired consequence of cell death in tumors, which are often characterized by an overshooting wound healing response. Moreover, apoptosis resistance is frequently observed in cancer cells. To overcome apoptosis resistance in cancer cells, necroptosis can be induced as an alternative mechanism for cancer treatment. Interferons (IFNs) play an important role in tumor immune responses and act by inducing the expression of IFN-stiumlated genes (ISGs). Furthermore, IFNs were shown to be able to induce necroptosis together with Smac-mimetics when caspases are inhibited in different cancer cell lines. Necroptosis is induced by phosphorylation and activation of receptor-interacting serine/threonine-protein kinase 1 (RIPK1), RIPK3 and pseudokinase mixed lineage kinase domain-like (MLKL).
In my thesis, we first identified MLKL as an ISG in various cancer cell lines. MLKL upregulation was found to be a general feature of IFN signaling since both type I and type II IFNs increase the expression of MLKL. IFNy was able to upregulate MLKL at messenger ribonucleic acid (mRNA) and protein level indicating that MLKL is elevated transcriptionally. Indeed, Actinomycin D chase experiments showed that inhibition of transcription abolished MLKL upregulation upon IFN treatment. Both, knockdown of the IFNy-activated transcription factors interferon regulatory factor 1 (IRF1) and signal transducer and activator of transcription 1 (STAT1) as well as knockout of IRF1 significantly dampened MLKL mRNA upregulation, demonstrating that STAT1 and especially IRF1 are necessary to induce MLKL expression. This first part of the study highlights the upregulation of MLKL by IFNy as valuable tool to sensitize cells towards necroptosis and by that overcome apoptosis resistance in cancers.
When compared to apoptosis, the immune response to necroptotic cells and the polarization of macrophages phagocytosing necroptotic cells is not well studied. In most studies, cell death was induced by biological or chemical compounds, which may lead to artifacts by affecting the macrophages and triggering of unrelated signaling pathways. Therefore, in the second part of my thesis we used a pure cell death system of NIH 3T3 cells expressing either dimerizable caspase 8 or oligomerizable RIPK3 to induce cell death. Addition of B/B-Homodimerizer (dimerizer) to the cells resulted in apoptosis or necroptosis, which was confirmed by caspase 3/7 activation, phosphorylation of MLKL and inhibitor experiments, respectively. We analyzed the effect of dying cells on peritoneal macrophages by establishing a co-culture in a transwell system. The genetic profile of macrophages co-cultured with dying cells was evaluated by whole transcriptome RNA sequencing. In macrophages co-cultured with necroptotic cells genes corresponding to chemotaxis and hypoxia pathways were upregulated. A significant proportion of hypoxia-related pathways are mediated by hypoxia-inducible factor 1-alpha (HIF-1α), which also induces metabolic changes in polarized macrophages. We could show that macrophages co-cultured with necroptotic cells showed a decreased mitochondrial respiration, indicating an inflammatory (M1) polarization. Protein levels of chemokine C-X-C motif ligand 1 (CXCL1), which was increased in the RNA sequencing data, were also upregulated in supernatant of co-cultured macrophages and of necroptotic cells, demonstrating that necroptotic cells both secrete CXCL1 and induce gene expression of CXCL1 in peritoneal macrophages. This may influence the recruitment of neutrophils as inhibition of necroptosis during Zymosan-A-induced peritonits in mice decreased the levels of neutrophils at day 1 of this model of self-resolving inflammation.
Furthermore, RNA sequencing revealed an unexpected impact of apoptotic cells on macrophage biology as cell cycle and cell division pathways were increased. Enhanced proliferation of macrophages was confirmed by two functional assay with peritoneal macrophages isolated from mice and IC-21 macrophages. Inhibition of apoptosis during Zymosan-A-induced peritonits in mice demonstrated decreased mRNA levels of cell cycle mediators in peritoneal macrophages. Simultaneously with cell cycle activation, gene sets of prostaglandin E2 (PGE2) signaling were upregulated during RNA sequencing. In the second part of my thesis we could demonstrate, that apoptotic cells induce transcription of cell cycle genes and proliferation of macrophages and necroptotic cells are able to influence the chemokine profile of macrophages and thereby the recruitment of neutrophils.
Die Funktion nukleärer Rezeptoren (NR) beruht auf einem empfindlichen Zusammenspiel zwischen ihren Domänen, Coregulatoren und Liganden. Die meisten Rezeptoren binden die DNA als Homo- oder Heterodimere und transregulieren die Gentranskription in Folge von Ligandenbindung. Klassische Assay-Systeme, die sich auf die Untersuchung der NR-Funktion oder auf die Charakterisierung von Substanzen richten, bilden nur die Coregulator-Rekrutierung zu isolierten NR-Ligandenbindungsdomänen (LBDs) ab und vernachlässigen dabei die NR:NR-Interaktion. Damit klammern sie die NR:NR-Wechselwirkung aus, obwohl die Rekrutierung von Cofaktoren durch allosterischen Crosstalk mit der Oligomerisierung verbunden ist. Dies war die Motivation dafür, Assay-Systeme zu entwickeln, welche die Untersuchung von NR-Interaktionen,
insbesondere der NR-Dimerisierung, und deren Modulation durch verschiedene Arten von Liganden ermöglichen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wird ein vielfältiges modulares Set von Assays für die Untersuchung der NR-Dimerisierung und NR-Coregulator-Rekrutierung vorgestellt und deren Anwendbarkeit auf eine Vielzahl von NRs demonstriert. Die Verwendung einer
rekrutierungsunfähigen RXRα-Variante mit einer mutierten AF-2-Domäne ermöglichte den spezifischen Nachweis der Coaktivatorrekrutierung durch PPARγ im Kontext des Heterodimers mit seinem obligatorischen Dimerpartner RXRα. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung der RXRα LBD mit ihrem Agonisten SR11237 zu einer Destabilisierung des RXRα-Homodimers, aber zu einer Förderung der Bildung des Heterodimers mit der PPARγ LBD führte.
Ein zentrales Ergebnis war das Phänomen, dass der Einbau von PPARγ in das Heterodimer zu einem erheblichen Anstieg an Affinität gegenüber Coaktivatoren führt, auch in Abwesenheit von Liganden. Somit fördert die RXRα-Aktivierung die Coaktivator-Rekrutierung von PPARγ indirekt durch eine Verschiebung der Oligomerisierungspräferenz von RXRα in Richtung des Heterodimers. Zusätzlich wurde die Wirkung von Tetrac, einem nicht-klassischen Schilddrüsenhormon, auf PPARγ und RXRα untersucht und dessen Aktivierungsvermögen gegenüber beiden Rezeptoren mit einer deutlich vervielfachten Wirkung auf das Heterodimer demonstriert. Mit Hilfe des neu etablierten Cofaktor-Rekrutierungsscreens konnte die Dynamik
zwischen dem Nurr1 NR und 29 kanonischen Coregulatoren, von denen einige ligandenabhängig hohe Affinitäten zum Rezeptor aufwiesen, beleuchtet werden. Diese Interaktionen wurden
bidirektional durch eine Reihe von strukturell unterschiedlichen nicht-steroidalen Antirheumatika moduliert, die auch die Affinitäten sowohl des Nurr1-Homodimers als auch des Heterodimers mit der RXRα LBD beeinflussen konnten. Die Nurr1-Dimere zeigten zudem auch eine hohe Empfindlichkeit gegenüber dem Endocannabinoid Anandamid. Zusätzlich zu PPARγ, RXRα und Nurr1 wurden erste Schritte zur Untersuchung der TLX NR-Funktion unternommen. Unter Anwendung der entwickelten Assays konnte die Heterodimerbildung der TLX und der RXRα LBD
beschrieben und die ligandenabhängige Rekrutierung des Corepressors SMRT beobachtet werden.
Zusammenfassend beschreibt diese Arbeit einen Satz von Werkzeugen für die Untersuchung von ligandenabhängiger NR-Coregulator-Interaktion und Oligomerisierung. Auf diese Weise trug sie zu einer umfassenderen Identifizierung und Charakterisierung von NR-Liganden bei und stellt eine valide Basis für die weitere Assayentwicklung und Ligandendesign dar.
Diese Arbeit ist ein detaillierter Bericht über die Forschungsaktivitäten, die ich während meiner Promotion am Max-Planck-Institut für Biophysik durchgeführt habe. Mit dem Aufkommen der direkten Elektronendetektoren erlebte die Transmissionselektronenmikroskopie von gefrorenen hydratisierten Proben (Kryo-EM) einen epochalen Wandel, die sogenannte “Auflösungsrevolution”. Ab den 2010er Jahren ermöglichte die Kommerzialisierung der ersten direkten Detektoren die Erforschung biologischer Phänomene in beispiellosem Detail und machte Kryo-EM zu einer der leistungsstärksten (und gefragtesten) Forschungsmethoden in den Biowissenschaften. Meine Forschung konzentrierte sich auf die Verwendung der Elektronen-Kryotomographie, um zwei herausfordernde Ziele zu erreichen. Das erste bestand darin, die Denaturierung von Proteinen an der Luft-Wasser-Grenzfläche zu untersuchen, und das zweite die molekulare Landschaft eines lichtempfindlichen Chloroplastenvorläufers, des Etioplasten, zu beschreiben. Um die Relevanz, Herausforderungen und Auswirkungen meiner Arbeit zu vermitteln, habe ich diese Arbeit in drei Kapitel unterteilt.
Kapitel eins enthält eine Einführung in die Transmission-Elektronenmikroskopie.
Nach einer kurzen Zusammenfassung der historischen Meilensteine in der Disziplin beschreibe ich die wesentlichen Komponenten des TEM und deren Funktionsweise. Hier lege ich besonderen Wert auf die Struktur elektromagnetischer Linsensysteme, wie sie den Weg der Elektronen beim Durchlaufen der Säule beeinflussen und wie Bilder entstehen. Der hardwarebezogene Teil der Einführung wird durch eine vereinfachte Beschreibung der Elektronendetektoren abgeschlossen, in der ich die revolutionären Aspekte der direkten Elektronendetektoren, mit der Struktur und Funktion von CCD-Detektoren (Charge Coupled Device detector) vergleiche. Als nächstes konzentriere ich mich auf die theoretischen Prinzipien der Bilderzeugung. Um die Hauptphänomene im Zusammenhang mit der Bildqualität in TEM hervorzuheben, stelle ich grundlegende Konzepte wie den Einfluss von Elektronenenergie und optischen Aberrationen vor, gefolgt von einer ausführlicheren Beschreibung des Ursprungs von Kontrast und Rauschen. Der Unterabschnitt schließt mit einigen Überlegungen darüber, wie - und vor allem wie effizient - Detektoren kontinuierliche Elektronenwellen in diskrete Bereiche (Pixel) abtasten. Der folgende Unterabschnitt ist der Erfassung und Verarbeitung tomografischer Daten gewidmet. Hier gebe ich eine vereinfachte Beschreibung, wie Kippserien mit dem Mikroskop erfasst werden und wie die Rohdaten zu einer dreidimensionalen Darstellung der Probe verarbeitet werden. Der Einfluss der Neigungsgeometrie und der Dosisverteilung auf die Rekonstruktionsqualität wird ebenfalls diskutiert. Der zweite Teil des Unterabschnitts befasst sich mit der Strukturbestimmung durch Subtomogramm-Mittelung und der Errechnung der Auflösung von Kryo-EM-Rekonstruktion. Zuletzt schließe ich das Kapitel mit einer Beschreibung der Vorbereitung biologischer Proben für die Kryo-EM-Bildgebung mit einigen abschließenden Bemerkungen zur Dynamik und den Grenzen der Vitrifizierung ab.
Kapitel zwei folgt dem Thema der Kryo-Präparation biologischer Proben mit der Untersuchung der Denaturierung von Proteinen an der Luft-Wasser-Grenzfläche.
Im Einführungsabschnitt skizziere ich die wichtigsten Aspekte dieses Phänomens. Frühe Experimente zum Verhalten von Proteinen in Lösung zeigten ihre Neigung, aus der Lösung zu ihrer Grenzfläche mit der Atmosphäre zu diffundieren. Hier bilden sie meist unlösliche Schichten denaturierter Fibrillen Es wurde vorgeschlagen, dass die Korrelation zwischen Proteindenaturierung und Kontakt mit der Grenzfläche auf einen allmählichen Entfaltungsprozess zurückzuführen ist, bei dem Tausende von Wechselwirkungen pro Sekunde zu einer immer größeren strukturellen Schädigung führen würden. Ein direkter Beweis für diesen Mechanismus wurde jedoch nie dokumentiert. Um einen tieferen Einblick in die Dynamik an der Luft-Wasser-Grenzfläche zu erhalten, sammelte ich Kryotomogramme vitrifizierter Präparate der Fettsäuresynthase (FAS, Fatty Acid Synthase) aus Hefe. Im ersten Unterabschnitt der Ergebnisse beschreibe ich, wie die biochemische und Negativkontrastierung-TEM-Analyse von FAS-Fraktionen zeigte, dass der Komplex während des gesamten Reinigungsverfahrens intakt und katalytisch aktiv blieb. Nach der Vitrifizierung ergab die Einzelpartikelanalyse jedoch, dass 90% aller Komplexe stark beschädigt waren. Die tomographische Rekonstruktion derselben Proben zeigte, dass alle FAS-Komplexe an die Luft-Wasser-Grenzfläche gebunden waren. Die Seite des Moleküls, die der Grenzfläche ausgesetzt war, schien abgeflacht zu sein, während die Seite, in der wässrigen Phase, ihre native Struktur beibehielt. Die Mittelung der Subtomogramme bestätigte, dass eine Seite von fast 90% der Partikel stark beschädigt war. Durch den Vergleich der Ausrichtung dieser beschädigten Seite mit der Position eines Rechenmodells der Luft-Wasser-Grenzfläche konnte ich nachweisen, dass sie perfekt übereinstimmen, was den ersten direkten Beweis dafür liefert, dass die Wechselwirkung mit der Luft-Wasser-Grenzfläche die lokale Denaturierung großer Proteinkomplexe herbeiführt.
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Glucose hypometabolism, mitochondrial dysfunction, and cholinergic deficits have been reported in early stages of Alzheimer’s disease (AD). Here, we examine these parameters in TgF344-AD rats, an Alzheimer model that carries amyloid precursor protein and presenilin-1 mutations, and of wild type F344 rats. In mitochondria isolated from rat hippocampi, we found reductions of complex I and oxidative phosphorylation in transgenic rats. Further impairments, also of complex II, were observed in aged (wild-type and transgenic) rats. Treatment with a “cocktail” containing magnesium orotate, benfotiamine, folic acid, cyanocobalamin, and cholecalciferol did not affect mitochondrial activities in wild-type rats but restored diminished activities in transgenic rats to wild-type levels. Glucose, lactate, and pyruvate levels were unchanged by age, genetic background, or treatment. Using microdialysis, we also investigated extracellular concentrations of acetylcholine that were strongly reduced in transgenic animals. Again, ACh levels in wild-type rats did not change upon treatment with nutrients, whereas the cocktail increased hippocampal acetylcholine levels under physiological stimulation. We conclude that TgF344-AD rats display a distinct mitochondrial and cholinergic dysfunction not unlike the findings in patients suffering from AD. This dysfunction can be partially corrected by the application of the “cocktail” which is particularly active in aged rats. We suggest that the TgF344-AD rat is a promising model to further investigate mitochondrial and cholinergic dysfunction and potential treatment approaches for AD.
The crystal structures of sodium ethoxide (sodium ethanolate, NaOEt), sodium n-propoxide (sodium n-propanolate, NaOnPr), sodium n-butoxide (sodium n-butanolate, NaOnBu) and sodium n-pentoxide (sodium n-amylate, NaOnAm) were determined from powder X-ray diffraction data. NaOEt crystallizes in space group P421m, with Z = 2, and the other alkoxides crystallize in P4/nmm, with Z = 2. To resolve space-group ambiguities, a Bärnighausen tree was set up, and Rietveld refinements were performed with different models. In all structures, the Na and O atoms form a quadratic net, with the alkyl groups pointing outwards on both sides (anti-PbO type). The alkyl groups are disordered. The disorder becomes even more pronounced with increasing chain length. Recrystallization from the corresponding alcohols yielded four sodium alkoxide solvates: sodium ethoxide ethanol disolvate (NaOEt·2EtOH), sodium n-propoxide n-propanol disolvate (NaOnPr·2nPrOH), sodium isopropoxide isopropanol pentasolvate (NaOiPr·5iPrOH) and sodium tert-amylate tert-amyl alcohol monosolvate (NaOtAm·tAmOH, tAm = 2-methyl-2-butyl). Their crystal structures were determined by single-crystal X-ray diffraction. All these solvates form chain structures consisting of Na+, –O− and –OH groups, encased by alkyl groups. The hydrogen-bond networks diverge widely among the solvate structures. The hydrogen-bond topology of the iPrOH network in NaOiPr·5iPrOH shows branched hydrogen bonds and differs considerably from the networks in pure crystalline iPrOH.
Single-particle tracking enables the analysis of the dynamics of biomolecules in living cells with nanometer spatial and millisecond temporal resolution. This technique reports on the mobility of membrane proteins and is sensitive to the molecular state of a biomolecule and to interactions with other biomolecules. Trajectories describe the mobility of single particles over time and provide information such as the diffusion coefficient and diffusion state. Changes in particle dynamics within single trajectories lead to segmentation, which allows to extract information on transitions of functional states of a biomolecule. Here, mean-squared displacement analysis is developed to classify trajectory segments into immobile, confined diffusing, and freely diffusing states, and to extract the occurrence of transitions between these modes. We applied this analysis to single-particle tracking data of the membrane receptor MET in live cells and analyzed state transitions in single trajectories of the un-activated receptor and the receptor bound to the ligand internalin B. We found that internalin B-bound MET shows an enhancement of transitions from freely and confined diffusing states into the immobile state as compared to un-activated MET. Confined diffusion acts as an intermediate state between immobile and free, as this state is most likely to change the diffusion state in the following segment. This analysis can be readily applied to single-particle tracking data of other membrane receptors and intracellular proteins under various conditions and contribute to the understanding of molecular states and signaling pathways.
Bezüglich der Arzneimittelforschung galt für sehr lange Zeit das Paradigma "ein Gen, ein Medikament, eine Krankheit". In jüngerer Zeit ändert sich dieses Paradigma jedoch auf Grund von redundanten Funktionen und alternativen sich kompensierenden Signalmustern, die insbesondere bei Krebserkrankungen vorherrschend sind. Daher kann die logische Konsequenz nur sein, Multi-Target-Strategien gegenüber Single-Target-Ansätzen in Betracht zu ziehen. Auf Grund der Schwierigkeit, mit einer Kombination von zwei Einzelwirkstoffen, in diesem Fall BET- und HDAC-Inhibitoren eine konsistente Biodistribution und Pharmakokinetik zu erreichen, wurde nach Einzelmolekülen gesucht, die mehrere inhibitorische Aktivitäten aufweisen. Dies wurde hier zunächst durch die einfache Konjugation von zwei unterschiedlichen Pharmakophoren erreicht.
Insgesamt wurden vier verschiedene Liganden dieses Typs synthetisiert und einer von ihnen, Verbindung 14, zeigte sehr vielversprechende Ergebnisse. 14 vereint den BET Inhibitor JQ1- mit dem HDAC Inhibitor CI994 und hat eine hemmende Wirkung sowohl gegen BRD4- als auch HDAC-Proteine wie durch DSF- und nanoBRET-Assay gezeigt werden konnte. Außerdem zeigten in vitro Assays in PDAC-Zellen, dass 14 ein noch potenterer dualer BET/HDAC-Inhibitor ist als die Kombination aus JQ1 und CI994. Während die Effekte von 14 auf das BETi-Antwortgen MYC denen von JQ1 ziemlich ähnlich sind, sind insbesondere die HDAC-inhibitorischen Effekte nachhaltiger und verstärkt, wahrscheinlich aufgrund einer längeren Verweildauer von 14 auf HDAC als dies bei CI994 der Fall ist. Dies ist durch das hohe Niveau der acetylierten Lysine von Histon H3 im Western Blot erkennbar. Dieses veränderte Expressionsverhalten hatte einen großen Einfluss auf das Zellwachstum und überleben in allen getesteten PDAC-Zelllinien. Hier wurde die Überlegenheit von 14 gegenüber der gleichzeitigen Behandlung der Zellen mit JQ1 und CI994 sehr deutlich. Wurden PDAC-Zellen mit dem dualen Inhibitor 14 behandelt, hatte dies ein geringeres Wachstum und Überleben der Krebszellen zur Folge als mit beiden ursprünglichen Molekülen, unabhängig davon, ob diese einzeln oder simultan verabreicht wurden. Außerdem wurde 14 mit Gemcitabin, einem gut verträglichen Chemotherapeutikum, kombiniert, dass bei PDAC allein nur eine begrenzte Aktivität aufweist. Es stellte sich heraus, dass die Reihenfolge, in der die Medikamente verabreicht werden, einen großen Einfluss auf die Effektivität hatte. Der durch 14 induzierte Stopp des Zellzyklus verhindert den Einbau von Gemcitabin in die DNA, wenn 14 vor oder gleichzeitig mit Gemcitabin verabreicht wird. Wenn jedoch die Behandlung mit 14 nach der Verabreichung von Gemcitabin folgt, wird der durch Gemcitabin induzierte S-Phasen-Arrest und Replikationsstress aufrechterhalten. Im Vergleich zu den meisten früheren Studien, die sich mit dualen BET/HDAC-Inhibitoren beschäftigten, ist dies eine große Verbesserung, da es bisher keinen signifikanten Unterschied zwischen der Verwendung eines dualen BET/HDAC-Inhibitors und der Kombination von zwei Einzelinhibitoren gab.
Als Proof of Concept unterstützten die Daten weitere Bemühungen zur Entwicklung zusätzlicher dualer BET/HDAC-Inhibitoren. Daher wurden zwei weitere Generationen dualer BET/HDAC Inhibitoren entwickelt, die jedoch bisher nicht an die Eigenschaften von 14 anknüpfen konnten. Vor allem die 3. Generation bietet jedoch Raum für Optimierungen, so dass hier möglicherweise noch ein potenter dualer Inhibitor zu finden ist. Sollte es in Zukunft einen zugelassenen dualen BET/HDAC-Inhibitor geben, ist es jedoch nicht unwahrscheinlich, dass keine der hier verwendet BET inhibierenden Strukturen verwendet werden, aber Struktur des HDAC inhibierenden Teils immer noch vergleichbar ist. Der Grund dafür ist, dass die HDAC Inhibitoren größtenteils relativ einfach aufgebaut. So lange das wichtigste, die zinkbindende Gruppe vorhanden ist, scheint der Linker sowie die Capping-Gruppe zweitranging zu sein. Die größere Herausforderung wird vermutlich die Suche nach dem passenden BET Inhibitor sein und die Wahlmöglichkeiten sind schon jetzt vielfältig.
Generell lässt sich sagen, dass die Idee der dualen BET/HDAC-Inhibitoren äußerst vielversprechend und es wert ist, weiter verfolgt zu werden. Dies liegt vor allem an den guten Testergebnissen, die mit Verbindung 14 erzielt wurden. Mit Hilfe dieser Art von Inhibitoren könnte es in Zukunft möglich sein, die Überlebensrate von PDAC-Patienten zu erhöhen, wenn nicht als alleiniges Medikament, so vielleicht als Zusatz zur Chemotherapie. Darüber hinaus scheint der Einsatz von dualen BET/HDAC-Inhibitoren nicht nur auf die Behandlung von PDAC beschränkt zu sein und kann auch bei anderen Krebsarten angewendet werden. NMC zum Beispiel ist ein ebenso seltener wie tödlicher Subtyp des schlecht differenzierten Plattenepithelkarzinoms und zeichnet sich durch eine Fusion des NUT-Gens mit BRD4 aus, wodurch es potenziell anfällig für eine BET-Inhibition ist. Tatsächlich zeigte 14 auch hier einen größeren positiven Effekt auf die getesteten NMC-Zellen als JQ1 oder CI994 und veranlasste die Zellen unter anderem zur Differenzierung. ...
Standard biorelevant media reflect the average gastrointestinal (GI) physiology in healthy volunteers. The use of biorelevant media in in vitro experiments has become an important strategy to predict drug behaviour in vivo and is often combined with in silico tools in order to simulate drug plasma profiles over time. In addition to the healthy population, the effects of disease state or co-administration of other drugs on plasma profiles must be considered to assure drug efficacy and safety. Thus, there is a need for a more accurate representation of the human GI physiology when it is altered by disease or co-administered drugs in in vitro dissolution experiments.
This thesis focused on the development of biorelevant media and dissolution tests reflecting GI physiology in circumstances where the gastric pH is elevated. Diseases linked to an elevated gastric pH are hypochlorhydria and achlorhydria, but these days treatment with acid-reducing agents (ARAs) is the single greatest cause of elevation in gastric pH. pH-dependent drug-drug interactions (DDIs) with ARAs are frequent, as the ARAs are used in a number of diseases using a variety of drugs. As the drugs currently on the market are often poorly soluble and ionisable, their dissolution is highly dependent on the pH of the GI tract, especially the gastric pH.
The thesis research consisted of several steps. In the first step, physiological changes in the human GI tract during the therapy with ARAs were identified. Parameters of the standard biorelevant gastric medium FaSSGF were adjusted to the identified changes to reflect the impact of ARA co-administration on the gastric physiology. The media aim to assess the potential extent of the ARA impact on gastric physiology by introducing biorelevant media pairs, ARA pH 4 and pH 6 media, of which one reflects a lesser, and the other a stronger impact of ARAs.
In the second step these ARA media were implemented in in vitro dissolution set-ups.
The dissolution of poorly soluble ionisable drugs was assessed using one-stage, two-stage and transfer model set-ups, as well as using a more evolved in vitro system TIM-1. Comparison of results from dissolution set-ups using the standard, low pH, gastric biorelevant medium FaSSGF (pH 1.6 or 2), and the same set-ups using ARA pH 4 and pH 6 media, shows a decrease in dissolution rate and extent for weakly basic compounds PSWB 001 and dipyridamole, and an increase in rate and extent of dissolution for the weakly acidic compound raltegravir potassium, when the gastric pH is elevated. Due to different physicochemical properties, the extent of the impact of physiological changes during ARA therapy (when either ARA pH 4 or pH 6 medium is selected) on dissolution varied among the model drugs. Thus, the bracketing approach, which considers a range of the possible ARA co-administration impact on drug dissolution, was confirmed to be best practice in assessing the impact of ARAs.
In the third step, dissolution data from in vitro experiments with ARA media was implemented into in silico models. The predictions using various in silico model approaches in Simcyp™ Simulator (minimal and full PBPK model, dissolution input using DRM and DLM) successfully bracketed in vivo data on drug administration during ARA therapy and correctly predicted an overall decrease in plasma concentration for the two model weakly basic compounds and an increase in plasma concertation for the model weakly acidic compound.
In all assessed scenarios, the ARA methods proved to be an essential part of evaluating and predicting the impact of ARAs on drug pharmacokinetics, and appropriately predicted the extent of a possible impact of ARAs on the drug plasma profiles. Thus, the ARA biorelevant media and dissolution tests were demonstrated to be valuable tools reflecting administration of drugs when the gastric pH is elevated and able to predict the impact of ARA therapy on drug administration.
The ability to evaluate the impact of human (patho) physioloy on drug behaviour in the gastrointestinal tract is of great importance, as the GI conditions play a significant role in drug release and absorption. Thus, there is great interest on the part of the pharmaceutical industry and regulatory agencies to develop best practices in this field, especially for pH-dependent DDIs. The media and dissolution tests developed in this thesis are biorelevant methods appropriate for evaluation of the impact of elevated gastric pH on drug efficacy and safety. Such methods, used as a risk assessment tool, in connection with evaluation of the efficacy window and potential toxicity, may help to increase confidence about decisions as to whether a pH-effect will occur and whether it is relevant or not, prior to conducting clinical studies. They may also enable changes in inclusion/exclusion criteria during recruiting for large-scale efficacy trials. In fact, the biopharmaceutic approach to drug development is becoming standard practice on a number of fronts, including metabolic DDIs, renal and hepatic insufficiency, powering decision-making process and possibly even waiving certain types of clinical studies.
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Designed polypharmacology presents as an attractive strategy to increase therapeutic efficacy in multi-factorial diseases by a directed modulation of multiple involved targets with a single molecule. Such an approach appears particularly suitable in non-alcoholic steatohepatitis (NASH) which involves hepatic steatosis, inflammation and fibrosis as pathological hallmarks. Among various potential pharmacodynamic mechanisms, activation of the farnesoid X receptor (FXRa) and inhibition of leukotriene A4 hydrolase (LTA4Hi) hold promise to counteract NASH according to preclinical and clinical observations. We have developed dual FXR/LTA4H modulators as pharmacological tools, enabling evaluation of this polypharmacology concept to treat NASH and related pathologies. The optimized FXRa/LTA4Hi exhibits well-balanced dual activity on the intended targets with sub-micromolar potency and is highly selective over related nuclear receptors and enzymes rendering it suitable as tool to probe synergies of dual FXR/LTA4H targeting.
Für jeden Betroffenen ist die Diagnose Krebs ein schwerwiegender Einschnitt in der Lebensqualität und -führung, da die Behandlung oftmals mit langen Chemotherapien einhergeht. Moderne Durchbrüche in der Krebsbehandlung stammen aus dem Forschungsbereich der zielgerichteten Molekulartherapie oder aus dem Gebiet der Immuntherapien, die zu beachtlichen Erfolgen bei der Behandlung von Krebspatienten führten. Trotzdem bleiben auf dem Gebiet der Onkologie weiterhin Fragen zu den grundlegenden biologischen Prozessen unbeantwortet.
Zu den Onkoproteinen, die das Tumorwachstum in Leukemiezellen stark beeinflussen, gehören die Proteine der Klasse der mixed lineage leukemia (MLL) Histonmethyltransferasen. Genetische Fusionen des mll Gens, sogenannte Rearragments, führen zu MLL-fusion Produkten, die erheblich zum Verlauf der aggressiven akuten myeloischen Leukämie (AML) beitragen. Ein weiteres Onkoprotein, das für den Krankheitsverlauf vieler Krebsarten relevant ist, ist die Transkriptionsfaktorfamilie MYC. Überexprimierung von MYC wurde in einem Drittel aller humanen Tumore beobachtet. Zahlreiche Studien belegen, dass hohe MYC Level die Expression von Genen regulieren, die essentiell für den Transformationsprozess und somit das Tumorwachstum sind. Da der Transkriptionsfaktor weder eine sabile tertiäre Proteinstruktur noch eine für Inhibitoren adressierbare Bindetasche aufweist, gilt MYC bis heute als undruggable.
Sowohl die Histonmethyltransferase MLL1, als auch der Transkriptionsfaktor MYC interagieren mit einem ca. 37 kDa Protein namens WD40-repeat containing Protein 5 (WDR5), das durch seine propellerförmige Struktur eine Oberfläche mit insgesamt zwei Bindestellen aufweist. Mehrere Studien zeigten, dass WDR5 die Stabilität und somit die Funktion epigenetischer Proteinkomplexe wie SET/ MLL und NSL gewährleistet. In diesem Kontext wurde WDR5 als relevantes Target für die MLL-rearragend akute lymphatische Leukämie (ALL) postuliert. Weitere Studien zeigten zusätzliche Rollen von WDR5, wie die Interaktion zwischen WDR5 und dem Onkoprotein MYC sowie dessen Rekrutierung zum Chromatin. Seit 2015 wurden erfolgreich mehrere niedermolekulare Wirkstoffe für die Inhibierung von WDR5 entwickelt. Dabei zielten die meisten der literaturbekannten Inhibitoren auf die Argininmotiv-erkennende WDR5-interacting (Win) Bindestelle, eine große, hydrophobe Bindetasche im Zentrum des WDR5-Propellers. Die Resultate der besser erforschten Win Inhibitoren zeigten, dass WDR5 ein erfolgsversprechendes Target zur Inhibierung von leukämischen (MLL-r-abhängigen) und neuroblastomatischen (MYC-abhängigen) Zellwachstum ist.
Da beide Bindestellen des WDR5 Proteins Interaktionen mit onkologisch bedeutsamen Faktoren eingehen, würde eine einseitige Inhibierung nur die Effekte der jeweiligen Bindestelle aufzeigen. Diese Limitierung könnte jedoch durch die Entwicklung von WDR5 PROTACs (Proteolysis targeting chimeras) aufgehoben werden, da alle Gerüstfunktionen des Proteins und Protein-Protein-Interaktionen durch die Degradierung von WDR5 entfernt werden würden. Dabei induzieren die heterobifunktionellen Moleküle den Abbau des Zielproteins über das zelleigene Ubiquitin-Proteasom-System, statt die Enzymfunktion zu inhibieren. Nach dem zelleigenen Abbau des Zielproteins wird der PROTAC freigesetzt und kann einen neuen Zyklus der Proteindegradation einleiten, was die erforderliche Menge an Wirkstoff verringert.
Diese Dissertation beschäftigte sich mit dem Design, der Synthese sowie der biophysikalischen und biologischen Evaluierung von WDR5 PROTACs. Ausgehend von literaturbekannten WDR5 Liganden wurden zwei verschiedene PROTAC Typen entworfen. Diese beiden Molekültypen besitzen einen unterschiedlichen geometrischen Austrittswinkel, wodurch die Chance auf eine erfolgreiche Komplexbildung zwischen WDR5, PROTAC und E3 Ligase erhöht wird. Als Leitstruktur fungierten die Verbindungen OICR-9429 sowie DDO-2117 und ausgehend von Ligand (6d) wurden heterobifunktionelle Moleküle mit verschiedenen Linkersystemen ([PEG]- und alkyl-basiert, sowie aromatisch verbrückt) und verschiedenen E3 Ligase Liganden (Cereblon, VHL und MDM2) synthetisiert. Die anschließenden biochemischen und biophysikalischen Evaluierungen der verschiedenen PROTACs durch Thermofluor (DSF) und ITC zeigten eine hohe in vitro Affinität einiger Moleküle. Die zelluläre Permeabilität der großen Moleküle wurde in einem hier etablierten BRET Assay untersucht. Zur Assay-Etablierung wurden drei Tracer (21a-c), basierend auf BODIPY Konjugaten, synthetisiert und getestet, bevor die PROTACs in intakten und lysierten Zellen vermessen wurden. Während die zellulären Affinitäten von Cereblon- und VHL-adressierenden PROTACs sich im niedrigen μM Bereich bewegten, wurden die nicht zellgängigen MDM2 PROTACs von weiteren Experimenten ausgeschlossen.
Die Degradierungeffizienz der WDR5 PROTACs (7a-e) und (8a-j) wurden in der Leukämie Zellinie MV4-11 untersucht, da diese die am meisten auftretende MLL fusion Mutation AF4 birgt. Dabei wurde der Proteinabbau von WDR5 über den HiBiT Assay sowie Western Blots nachgewiesen. ...
KdpFABC, a high-affinity K+ pump, combines the ion channel KdpA and the P-type ATPase KdpB to secure survival at K+ limitation. Here, we apply a combination of cryo-EM, biochemical assays, and MD simulations to illuminate the mechanisms underlying transport and the coupling to ATP hydrolysis. We show that ions are transported via an intersubunit tunnel through KdpA and KdpB. At the subunit interface, the tunnel is constricted by a phenylalanine, which, by polarized cation-π stacking, controls K+ entry into the canonical substrate binding site (CBS) of KdpB. Within the CBS, ATPase coupling is mediated by the charge distribution between an aspartate and a lysine. Interestingly, individual elements of the ion translocation mechanism of KdpFABC identified here are conserved among a wide variety of P-type ATPases from different families. This leads us to the hypothesis that KdpB might represent an early descendant of a common ancestor of cation pumps.