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The evolution of cell-free protein synthesis (CFPS) over recent decades has made it a widely used system for expressing membrane proteins (MPs). Unlike traditional methods, CFPS allows direct and translocon-independent expression of MPs within lipid membranes, such as liposomes or nanodiscs (NDs), without the need for detergent solubilization. This open nature of CF systems enables customization of the experimental environment, including expression conditions, choice of nanoparticles (NPs), lipid composition, and addition of stabilizing molecules.
Membrane scaffold protein (MSP)-based NDs emerged as a gold standard for cotranslational solubilization of MPs using the CF-system. This approach allowed not only biochemical characterization, but also structural studies of MPs and even GPCRs. However, to solubilize MPs inside nanoparticles via the traditional reconstitution route, apart from MSPs other scaffolds were successfully implemented, e.g. the saposin A (commercially known as Salipro) scaffold system or the synthetic styrene maleic acid lipid particles (SMALPs). In this study the potential of saposin A-based nanoparticles (SapNPs) was explored for cotranslational MP solubilization.
Three strategies for applying SapNPs in CF systems were investigated: preassembly, (i) coassembly (ii), and coexpression (iii). (i) Preassembly involved forming SapNPs before CF expression and adding them to the CF reaction. In coassembly mode SapA and lipids were mixed in the CF reaction for spontaneous assembly with the synthesized MP. In coexpression mode lipids were added to the CF reaction while coexpressing SapA with the MP target. Proteorhodopsin (PR) served as a model protein to evaluate these strategies due to its ability to oligomerize and straightforward quantification using the cofactor retinal. Preassembled SapNPs provided homogeneous, aggregate-free particles yielding up to 200 µM solubilized PR inside in the CF reaction. Coassembly was also successfully applied to produce PR/SapNP complexes at slightly lower yields, however the system was prone to produce soluble aggregates at too high PR template concentrations and overall needed more adjustments. Coexpression resulted in PR yields below 20 µM and was not considered viable for MP production. Finally, the preassembled SapNPs were used to produce functional G-protein coupled receptor probes. Despite lower overall performance compared to MSP-based systems, SapNPs showed potential as an alternative in CF systems for specific MPs.
The second optimization approach was directed at the CF lysate itself. CF synthesis for NMR analysis benefits from selective labeling schemes enabled by truncated amino acid (AA) metabolic pathways in lysates, reducing spectral ambiguity. However, residual enzymatic AA conversions persist, leading to label dilution and ambiguous NMR spectra. This study aimed to eliminate these residual activities in the E. coli A19 strain, generating optimized CF lysates for NMR applications.
The approach involved cumulative gene deletions of the most problematic scrambling enzymes. The new strain, “Stablelabel,” included deletions and modifications in genes asnA, ansA, ansB, glnA, aspC, and ilvE, effectively eliminating background activities of L-Asn, L-Asp, and conversions of L-Glu to L-Asp and L-Gln. However, residual conversion of L-Gln to L-Glu persisted due to glutaminase activity of several glutaminases using the inhibitor 6 diazo-5-oxo-L-norleucine (DON). Stablelabel showed a slightly slower growth than A19, and an overall good performance with 2.7 mg/mL GFP expressed in the reaction mixture (RM) compared to the parental A19 strain with 3.5 mg/mL. Furthermore, the strain was successfully applied to demonstrate methyl group labeling of MPs using preconverted L-val and L-leu from their respective precursors 2-ketoisovalerate and 4-methyl-2-oxovalerate.
In this study, lipid nanoparticle particle-and strain engineering vividly demonstrated the potential of CFPS systems and their versatility. While the SapNP system requires further engineering to potentially reach the efficiency of the well-studied MSP NDs, this study provides an example of nanoparticle characterization allowing new insights into NP behavior in CF systems. Furthermore, it was shown that strain engineering is a straightforward solution to tailor CF lysates to the individual requirements. After this thesis was submitted, Stablelabel in fact was successfully applied for backbone assignment of casein kinase 1, thereby demonstrating its suitability to express complex targets for NMR studies.
Human 5-lipoxygenase (5-LO) is the key enzyme of leukotriene biosynthesis, mostly expressed in leukocytes and thus a crucial component of the innate immune system.
In this study, we show that 5-LO, besides its canonical function as an arachidonic acid metabolizing enzyme, is a regulator of gene expression associated with euchromatin. By Crispr-Cas9-mediated 5-LO knockout (KO) in MonoMac6 (MM6) cells and subsequent RNA-Seq analysis, we identified 5-LO regulated genes which could be clustered to immune/defense response, cell adhesion, transcription and growth/developmental processes. Analysis of differentially expressed genes identified cyclooxygenase-2 (COX2, PTGS2) and kynureninase (KYNU) as strongly regulated 5-LO target genes. 5-LO knockout affected MM6 cell adhesion and tryptophan metabolism via inhibition of the degradation of the immunoregulator kynurenine. By subsequent FAIRE-Seq and 5-LO ChIP-Seq analyses, we found an association of 5-LO with euchromatin, with prominent 5-LO binding to promoter regions in actively transcribed genes. By enrichment analysis of the ChIP-Seq results, we identified potential 5-LO interaction partners. Furthermore, 5-LO ChIP-Seq peaks resemble patterns of H3K27ac histone marks, suggesting that 5-LO recruitment mainly takes place at acetylated histones.>
In summary, we demonstrate a noncanonical function of 5-LO as transcriptional regulator in monocytic cells.
The hepatitis B virus is one of the most common causes of virus-related chronic liver disease and remains a major global health problem affecting 296 million people worldwide. Despite an available and highly effective vaccination, hepatitis B infections lead to an annual mortality rate of approximately 0.8 million people. The global prevalence is heterogeneously distributed and reflects a high infections and chronicity, particularly in low-income countries, due to a lack of vaccination strategies, underdiagnosis and low treatment rates. A complete cure remains undiscovered to this day. Based on their genetic makeup, the virus is categorized into nine genotypes with a genetic difference of more than 8% within the sequence. In addition to their geographical distribution, hepatitis B virus genotypes also differ in terms of their clinical outcome, pathogenesis and treatment response.
The viral protein HBx is known to interact with several cellular signaling pathways and is thereby accounted as the driving force in the development of hepatitis B virus-associated pathogenesis and progression of hepatocellular carcinoma. In particular, HBx interacts with mitochondria and induces profound alterations in the mitochondrial morphology and function with a severe impact on the liver’s physiology and with an emerging role in liver-related disease progression.
This study aims to investigate the genotype-related impact of HBx with regard to their interaction with cellular signaling pathways. A particular focus was placed on mitochondria-dependent interactions and signaling pathways in order to broaden the understanding of the genetic diversity of the genotypes.
Differences between genotypes of HBx were examined and compared through in vitro experiments based on a cell culture-based system. Plasmid DNA encoding the HBx protein of the different genotypes was transiently transfected into Huh7 or HepG2 cells and examined for molecular and protein-biochemical effects on the host cell, usually 72 hours after transfection. This study focused on the most common genotypes A, B, C, D, E and G worldwide.
Based on initial kinome profiling analyses, it was found that HBx differs greatly within their genetic variants and suggests different effects on overall cell function and in particular on mitochondrial kinases. Furthermore, confocal laser scanning microscopy reveals profound HBx-mediated changes in the mitochondrial network structure, however with major differences among the different genotypes. In particular, HBx of genotypes A and G causes enormous fragmentation of mitochondrial structures, accompanied by emergent changes in mitochondrial function. Due to an increased interaction with the voltage-dependent anion channel 3, a significant loss of mitochondrial membrane potential was also observed, together with an increased radial oxygen stress level and an induction of central mitochondria-dependent inflammatory mediators. In contrast, the contribution of HBx-genotype B and E reveals only moderate effects in these regards. Using a pH-sensitive reporter system, HBx genotypes which previously indicated a strong distribution in the mitochondrial morphology and function, also showed an elevated mitophagy through the PINK1/Parkin-mediated pathway. This study provides direct evidence that HBx-mediated changes in host cell signaling pathways, especially in mitochondrial-associated pathways, fundamentally dependent on the different genotypes. In addition, the results also indicate an important role of HBx in the process of genotype-dependent liver pathogenesis and provide insight into the underlying cellular mechanisms and signaling pathways.
Molecular concepts for pandemic viruses : membrane fusion assays and targeting of reservoir cells
(2024)
In den letzten Jahren haben verschiedene pandemische Viren zu beträchtlichen Krankheits- und Todesfällen geführt. Um dieser ständigen Bedrohung entgegenzuwirken, ist es wichtig diagnostische Testsysteme und Therapien anzupassen oder neu zu etablieren. Diese Arbeit konzentriert sich auf die pandemischen Viren SARS-CoV-2 und HIV.
Der Zelleintritt von SARS-CoV-2 wird durch das Spike-Protein (S) ausgelöst, welches die Fusion der Virushülle mit der zellulären Membran bewirkt. Erste Studien haben gezeigt, dass das S-Protein eine hohe Fusionsaktivität aufweist. Aus diesem Grund sollten in dieser Arbeit neue Fusionstests etabliert werden, um potenzielle Inhibitoren der Zellfusion zu evaluieren. Im ersten Teil dieser Thesis wird die Etablierung von quantitativen Tests zur Evaluierung der Zell-Zell und Partikel-Zell Fusionsaktivität, welche durch S bewirkt wird, demonstriert.
Trotz jahrelanger Forschung können HIV-Patienten nicht geheilt werden und Virusinfektionen treten weiterhin weltweit auf. Das größte Problem bei der Entwicklung eines Heilmittels ist die frühe Bildung von Reservoirzellen während einer Infektion. Um diese Reservoirzellen zu identifizieren, wurde der Oberflächenmarker CD32a vorgeschlagen. Die Nutzung von Cas9-Nukleasen zur Inaktivierung von HIV ist in vitro erfolgreich, aber der effiziente Transfer in Reservoirzellen bleibt weiterhin herausfordernd. Im zweiten Teil dieser Thesis werden Rezeptor-gerichtete Adeno-assoziierte Vektoren (AAVs) für die HIV-Gentherapie präsentiert, die CD4 und CD32a für den Zelleintritt nutzen.
Zur Charakterisierung der Fusionsaktivität von SARS-CoV-2 wurden drei quantitative Fusionstests etabliert, welche Partikel- und Zell-Zell Fusionen berücksichtigen. Für den Partikel-Zell Fusionstest wurden lentivirale Vektoren (LV) verwendet, welche das S-Protein auf ihrer Oberfläche präsentierten. Die Transduktionseffizienz von S-LV erreichte auf Zellen, die den SARS-CoV-2 Rezeptor ACE2 exprimieren, ein Signal-zu-Hintergrund Verhältnis von über 2000. Durch die Präsentation von S auf leeren LV-Partikeln konnte die Fusion von benachbarten Zellen detektiert und quantifiziert werden („fusion-from-without“ (FFWO)). Für die Quantifizierung wurde ein Reporter-Komplementationstest etabliert. Hierbei wurden die Alpha- und Omega-Fragmente der β-Galaktosidase getrennt in zwei Zielzellpopulationen exprimiert, die beide ACE2 exprimierten. Durch die Zugabe von S-Partikeln kam es zur Fusion der Zielzellen und zur Komplementation der Alpha- und Omega-Fragmente. Die resultierende β-Galaktosidase-Aktivität konnte anschließend quantifiziert werden. Unter optimalen Versuchsbedingungen erreichte dieser Assay ein Signal-zu-Hintergrund Verhältnis von 2,7 Größenordnungen. Anschließend wurde der Komplementationstest für die Messung der Zell-Zell Fusion verwendet. In diesem Test exprimierten Effektorzellen S und das Alpha-Fragment, Zielzellen ACE2 und das Omega-Fragment. Obwohl die S-Expression auf den Effektorzellen sehr gering war, konnte dennoch eine signifikante Fusion nachgewiesen werden. Auch hier konnte unter optimalen Versuchsbedingungen ein hohes Signal-zu-Hintergrund Verhältnis von 2,9 Größenordnungen festgestellt werden. Nach der Etablierung der Testsysteme wurden S-spezifische Inhibitoren verwendet. Im Gegensatz zu Partikel-Zell-Fusionen wurde die Fusionsaktivität von S auf Zellen nur mäßig inhibiert. Dies deutet daraufhin, dass das Eindringen von Partikeln in Zellen wirksamer verhindert werden kann als die Ausbreitung durch Zell-Zell Fusionen.
Um AAVs spezifisch an HIV-Reservoirzellen zu binden, wurden CD4- und CD32a-spezifische DARPins („designed ankyrin repeat proteins“) in Rezeptor-verblindete AAVs eingebaut. Ebenso wurden beide DARPins gleichzeitig auf dem Kapsid präsentiert, um eine höhere Spezifität für doppelt-positive Zellen zu erreichen. Wenn diese Partikel einer Zellmischung aus CD4-, CD32a- und CD4/CD32a-exprimierenden Zellen zugesetzt wurden, transduzierten die bispezifischen Vektoren vorzugsweise doppelt-positive Zellen. Diese Präferenz war am höchsten in Zellkulturen, die stark unterrepräsentierte CD4/CD32a-exprimierende Zellen enthielten. Unter diesen Voraussetzungen erreichten bispezifische Vektoren eine bis zu 66-fach höhere Transduktionseffizienz auf CD4/CD32a-positive Zellen im Vergleich zu CD32a-exprimierenden Zellen. Darüber hinaus zeigten bispezifische AAV eine präferentielle Bindung und Transduktion von isolierten Primärzellen und Zellen in Vollblut. Selbst nach systemischer Injektion in humanisierte Mäuse wurden doppelt-positive Zellen effizienter von bispezifischen als von monospezifischen AAVs transduziert. Schließlich zeigten die generierten Vektoren, welche die Cas9 Nuklease transferierten, eine effiziente Inhibition der HIV-Replikation.
Autophagy is an important degradation pathway mediating the engulfment of cellular material (cargo) into autophagosomes followed by degradation in autophagosomes.
Different stress stimuli, e.g. nutrient deprivation, oxidative stress or organelle damage, engage autophagy to maintain cellular homeostasis, recycle nutrients or remove damaged cell organelles. Autophagy not only degrades bulk cytoplasmic material but also selective autophagic cargo, for example lysosomes (lysophagy), mitochondria (mitophagy), ER (ER-phagy), lipid droplets (lipophagy), protein aggregates (aggrephagy) or pathogens (xenophagy). Selective autophagy pathways are regulated by selective autophagy receptors which bind to ubiquitinated cargo proteins and link them to LC3 on the autophagosomal membrane.
Ubiquitination is an essential post-translational modification controlling different cellular processes such as proteasomal and lysosomal degradation or innate immune signaling.
M1-linked (linear) poly-Ubiquitin (poly-Ub) chains are exclusively assembled by the E3 ligase linear ubiquitin chain assembly complex (LUBAC) and removed by the M1 poly-Ub-specific OTU domain-containing deubiquitinase with linear linkage specificity (OTULIN). In addition to key functions in innate immune signaling and nuclear factor-κB (NF-κB) activation, M1 ubiquitination is also implicated in the regulation of autophagy.
LUBAC and OTULIN control autophagy initiation and maturation and the autophagic clearance of invading bacteria via xenophagy. However, additional functions of LUBAC- and OTULIN-regulated M1 ubiquitination in autophagy are largely unknown and it also remains unexplored if LUBAC and OTULIN control other selective autophagy pathways in addition to xenophagy. This study aimed to unravel the role of LUBAC- and OTULIN-controlled M1 ubiquitination in bulk and selective autophagy in more detail.
In this study, characterization of OTULIN-depleted MZ-54 glioblastoma (GBM) cells revealed that OTULIN deficiency results in enhanced LC3 lipidation in response to autophagy induction and upon blockade of late stage autophagy with Bafilomycin A1 (BafA1). Furthermore, electron microscopy analysis showed that OTULIN-deficient cells have an increased number of degradative compartments (DGCs), confirming enhanced autophagy activity upon loss of OTULIN. APEX2-based autophagosome content profiling identified various OTULIN-dependent autophagy cargo proteins. Among these were the autophagy receptor TAX1BP1 which regulates different forms of selective autophagy (e.g. lysophagy, aggrephagy) and the glycan-binding protein galectin-3 which serves key functions in lysophagy, suggesting a role of OTULIN and M1 poly-Ub in the regulation of aggrephagy and lysophagy.
Abstract 2
To study aggrephagy, protein aggregation was induced with puromycin which causes premature termination of translation and accumulation of defective ribosomal products (DRiPs). Loss of OTULIN increased the number of M1 poly-Ub-positive foci and insoluble proteins and reduced the levels of soluble TAX1BP1 and p62 in response to puromycin-induced proteotoxic stress.
Intriguingly, upon induction of lysosomal membrane permeabilization (LMP) with the lysosomotropic drug L-Leucyl-L-Leucine methyl ester (LLOMe), M1 poly-Ub strongly accumulated at damaged lysosomes and colocalized with TAX1BP1- and galectin-3-positive puncta. M1 poly-Ub-modified lysosomes formed a platform for NF-κB essential modulator (NEMO) and inhibitor of κB (IκB) kinase (IKK) complex recruitment and local NF-κB activation in a K63 poly-Ub- and OTULIN-dependent manner. Furthermore, inhibition of lysosomal degradation enhanced LLOMe-induced cell death, suggesting pro-survival functions of lysophagy following LMP. Enrichment of M1 poly-Ub at damaged lysosomes was also observed in human dopaminergic neurons and in primary mouse embryonic cortical neurons, confirming the importance of M1 poly-Ub in the response to lysosomal damage.
Together, these results identify OTULIN as a negative regulator of autophagy induction and the autophagic flux and reveal OTULIN-dependent autophagy cargo proteins.
Furthermore, this study uncovers novel and important roles of M1 poly-Ub in the response to lysosomal damage and local NF-κB activation at damaged lysosomes.
Der Natrium-abhängige Kaliumkanal Slack (KNa1.1, Slo2.2, KCNT1) nimmt eine Schlüsselrolle in der Regulation neuronaler Erregbarkeit ein, indem er die Ausbildung und Feuerungsfrequenz von Aktionspotentialen kontrolliert. Sowohl in Mäusen als auch in Menschen wird Slack besonders hoch in nicht-peptidergen C-Faser-Neuronen exprimiert. Wissenschaftliche Erkenntnisse der letzten Jahre konnten die Beteiligung von Slack-Kanälen in der Signalverarbeitung neuropathischer Schmerzen, aber auch in verschiedenen Arten von Pruritus, feststellen. Dabei zeigen Slack-defiziente Mäuse ein verstärktes mechanisches Schmerzverhalten nach einer peripheren Nervenverletzung und ein erhöhtes Kratzverhalten in akuten Juckreiz-Modellen. Das als Slack-Aktivator identifizierte trizyklische Neuroleptikum Loxapin zeigt sowohl analgetische als auch antipruritische Effekte in Mäusen, jedoch ist sein klinischer Einsatz auf Grund schwerwiegender antipsychotischer Nebenwirkungen limitiert. Basierend auf Loxapins Leitstruktur wurden daher in dieser Arbeit neue Slack-Aktivatoren mit einem verbesserten pharmakologischen Profil designed und ihr Potential für die Therapie von Schmerzen sowie akutem und chronischem Pruritus in vivo untersucht.
A plethora of modified nucleotides extends the chemical and conformational space for natural occurring RNAs. tRNAs constitute the class of RNAs with the highest modification rate. The extensive modification modulates their overall stability, the fidelity and efficiency of translation. However, the impact of nucleotide modifications on the local structural dynamics is not well characterized. Here we show that the incorporation of the modified nucleotides in tRNAfMet from Escherichia coli leads to an increase in the local conformational dynamics, ultimately resulting in the stabilization of the overall tertiary structure. Through analysis of the local dynamics by NMR spectroscopic methods we find that, although the overall thermal stability of the tRNA is higher for the modified molecule, the conformational fluctuations on the local level are increased in comparison to an unmodified tRNA. In consequence, the melting of individual base pairs in the unmodified tRNA is determined by high entropic penalties compared to the modified. Further, we find that the modifications lead to a stabilization of long-range interactions harmonizing the stability of the tRNA’s secondary and tertiary structure. Our results demonstrate that the increase in chemical space through introduction of modifications enables the population of otherwise inaccessible conformational substates.
This work aimed to investigate the regulation and activity of 5-lipoxygenase (5-LO), the central enzyme in leukotriene biosynthesis, in two colorectal cancer cell lines. The leukotriene pathway is positively correlated with the progression of several solid malignancies; however, factors regulating 5-LO expression and activity in tumors are poorly understood.
Cancer development, as well as cancer progression, are strongly dependent on the tumor microenvironment. In the conventional monolayer culture of cancer cell lines, cell-matrix and cell-cell interactions present in native tumors are absent. Furthermore, it is already known that various colon cancer cell lines dysregulate several important signaling pathways due to 3D growth. Therefore, the expression of the leukotriene cascade in HT-29 and HCT-116 colorectal cancer cells was investigated within a three-dimensional context using multicellular tumor spheroids to mimic a more physiological environment compared to conventional cell culture. Especially the expression of 5-LO, cPLA2α, and LTA4 hydrolase was altered due to threedimensional (3D) cell growth, which was investigated by qPCR and Western blot analysis. High cellular density in monolayer cultures led to similar results. The observed 5-LO upregulation was found inversely correlated with cell proliferation, determined by cell cycle analysis, and activation of PI3K/mTORC-2- and MEK-1/ERK-dependent pathways, determined using pharmacological pathway inhibition, stable shRNA knockdown cell lines, and analysis via qPCR and Western blot analysis. Following, the transcription factor E2F1 and its target gene MYBL2 were identified to play a role in the repression of 5-LO during cell proliferation. For this purpose, several stable MYBL2 over-expression and ALOX5 reporter cell lines were prepared and analyzed. Since 5-LO was already identified as a direct p53 target gene, the influence of p53, which is variably expressed in the cell lines (HT-29, p53 R273H mut; HCT-116 p53 wt; HCT-116 p53 KO), was investigated as well. Furthermore, HCT-116 cells carrying a p53 knockout were investigated. The PI3K/mTORC-2- and MEK-1/ERK-dependent suppression of 5-LO was also found in tumor cells from other origins (Capan-2, Caco-2, MCF-7), which was determined using pharmacological pathway inhibition and following analysis via qPCR. This suggests that the identified mechanism might apply to other tumor entities as well.
5-LO activity was previously described as attenuated in HT-29 and HCT-116 cells compared to polymorphonuclear leukocytes, which express a highly active 5-LO. However, the present study showed that the enzyme activity is indeed low but inducible in HT-29 and HCT-116 cells. Of note, the general lipid mediator profile and the mediator concentrations were comparable to those of M2 macrophages. Finally, the analysis of substrate availability in HT-29 and HCT-116 cells revealed a vast difference between formed metabolite concentrations and supplemented fatty acid concentrations, indicating that the substrates are either transformed into lipoxygenase-independent metabolites or are esterified into the cellular membrane.
In summary, the data presented in this work demonstrate that 5-LO expression and activity are tightly regulated in HT-29 and HCT-116 cells and fine-tuned due to environmental conditions. The cells suppress 5-LO during proliferation but upregulate the expression and activity of the enzyme under cellular stress-triggering conditions. This implies a possible role of 5-LO in manipulating the tumor stroma to support a tumor-promoting microenvironment.
Fluorescence microscopy has significantly impacted our understanding of cell biology. The extension of diffraction-unlimited super-resolution microscopy opened an observation window that allows for the scrutiny of cellular organization at a molecular level. The non-invasive nature of visible light in super-resolution microscopy methods renders them suitable for observations in living cells and organisms. Building upon these advancements, a promising synergy between super-resolution fluorescence microscopy and deep learning becomes evident, extending the capabilities of the imaging methods. Tasks such as image modality translation, restoration, single-molecule fitting, virtual labeling, spectral demixing, and molecular counting, are enabled with high precision. The techniques explored in this thesis address three critical facets in advanced microscopy, namely the reduction in image acquisition time, saving photon budget during measurement, and increasing the multiplexing capability. Furthermore, descriptors of protein distributions and their motion on cell membranes were developed.
Chronische Entzündungen und die daraus resultierenden Morbiditäten gehören zu den häufigsten Ursachen für einen frühen Tod beim Menschen. Einer der Hauptfaktoren für die Verschlechterung des Gesundheitszustands bei Patienten mit chronischen-entzündlichen Erkrankungen ist die pathologische Infiltration von Leukozyten in gesundes Gewebe, die zu Gewebeschäden und dem Fortschreiten der Krankheit führt. Das vaskuläre Endothel, das die Innenseite der Blutgefäße auskleidet, spielt eine entscheidende Rolle bei der Entzündungsreaktion, da es als Schnittstelle für die Interaktion mit Leukozyten fungiert, um die Extravasation von Leukozyten aus dem Blutstrom in das Gewebe zu ermöglichen. Die Adhäsion von Leukozyten an die Zellen des Endothels wird dabei hauptsächlich durch die von Zytokinen ausgelösten pro-inflammatorischen NFκB- und AP-1-Signalkaskaden ermöglicht, die die Hochregulierung der wichtigsten endothelialen Adhäsionsmoleküle – ICAM-1, VCAM-1 und E-Selektin – bewirken. Eine Klasse von Wirkstoffen, die für ihre entzündungshemmenden Eigenschaften und ihren Nutzen bei der Behandlung chronischer Entzündungskrankheiten bekannt sind, sind die Mikrotubuli-bindenden-Substanzen (microtubule-targeting-agents; MTAs), die nachweislich auch den Entzündungszustand in den Zellen des Endothels und die Leukozyten-Adhäsionskaskade beeinflussen können. MTAs lassen sich in Mikrotubuli-Destabilisatoren, die eine Depolymerisation des Mikrotubuli-Zytoskeletts bewirken, und Mikrotubuli-Stabilisatoren, die die Depolymerisation der Mikrotubuli verhindern, unterteilen. Die zugrundeliegenden biomolekularen Vorgänge und Wirkungen, die die MTAs auf die Zellen des Gefäßendothels haben, und wie sie die Adhäsionskaskade der Leukozyten beeinflussen, sind jedoch weitgehend unbekannt.
Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen des neuartigen Mikrotubuli-Destabilisators Prätubulysin, eines Vorläufers der Tubulysine, die ursprünglich in Stämmen des Myxobakteriums Angiococcus disciformis entdeckt wurden, auf die entzündlichen Prozesse zu untersuchen, die die Leukozyten-adhäsion in TNF-aktivierten primären Endothelzellen aus der menschlichen Nabelschnurvene (HUVECs) ermöglichen. Zusätzlich wurden auch die Auswirkungen der bereits klinisch etablierten Mikrotubuli-Destabilisatoren Colchicin und Vincristin sowie des Mikrotubuli-Stabilisators Paclitaxel untersucht.
Das entzündungshemmende Potenzial von Prätubulysin wurde daher zunächst in vivo in einem Imiquimod-induzierten psoriasiformen Dermatitis-Mausmodell getestet, wobei sich zeigte, dass Prätubulysin den Entzündungszustand deutlich verringert. Um zu beweisen, dass der entzündungshemmende Effekt mit einer verringerten Interaktion von Leukozyten mit dem Endothel zusammenhängt, wurde die Wirkung von Prätubulysin in vivo mittels Intravitalmikroskopie des TNF-aktivierten Kremaster-Muskels der Maus untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Behandlung mit Prätubulysin zu einer signifikant verringerten Adhäsion von Leukozyten an die Zellen des Gefäßendothels führte. Die verringerte Adhäsion von Leukozyten an Endothelzellen wurde auch in der in vitro Umgebung bestätigt, indem die Adhäsion von Leukozyten unter Flussbedingungen getestet wurde. Mittels Durchflusszytometrie, Western-Blot-Analyse, sowie qRT-PCR-Analyse der jeweiligen mRNA-Level konnte gezeigt werden, dass die verringerten Leukozyten-Interaktionen auf der verringerten Expression der Zelladhäsionsmoleküle ICAM-1 und VCAM-1 sowie teilweise von E-Selektin nach Behandlung mit Prätubulysin, Vincristin und Colchicin beruhen, wobei Paclitaxel keine signifikanten hemmenden Auswirkungen hatte. Weitere Untersuchungen des Einflusses von Prätubulysin auf die NFκB- und AP-1-Signalübertragung zeigten, dass diese intrazellulären Signalkaskaden durch Prätubulysin nicht behindert werden, wobei NFκB und AP-1 weitgehend in den Promotoren der Zelladhäsionsmoleküle angereichert waren, wie durch Chromatin-Immunpräzipitation nachgewiesen wurde. Darüber hinaus induzierte die Behandlung mit Prätubulysin die Aktivität der NFκB-induzierenden Kinase IKK und führte zu einem signifikanten Anstieg der Aktivität der AP-1 Upstream-Kinase JNK, wie eine Western Blot Analyse ergab. Die Prüfung der Transkriptionsaktivität von NFκB und AP-1 in Reportergen Assays zeigte, dass insbesondere die Mikrotubuli-Destabilisatoren die Promotoraktivität dieser Transkriptionsfaktoren in einer konzentrationsabhängigen Weise verringerten. Weitere Tests zur Abhängigkeit der durch Prätubulysin induzierten Hemmung der Zelladhäsionsmoleküle von der Aktivität der JNK zeigten, dass die Hemmung empfindlich auf die Aktivität dieser Kinase reagiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Inhibition der Aktivität der JNK die Expression der Zelladhäsionsmoleküle durch die Behandlung mit Prätubulysin auf mRNA und Proteinebene wiederherstellt. Mit Hilfe der Chromatin-Immunpräzipitation konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Behandlung mit Prätubulysin zunächst die Assoziation des Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 mit den Promotoren/Genen von ICAM-1 und VCAM-1 erhöhte, aber zu einem behandlungszeitabhängigen Rückgang der Anreicherung führte. Darüber hinaus wurde durch die Behandlung mit Prätubulysin auch der Abbau dieses Proteins leicht erhöht. Durch den Einsatz eines JNK Inhibitors konnte gezeigt werden, dass die Verdrängung des Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 von icam-1 und vcam-1, sowie der erhöhte Abbau dieses Faktors auch von der Aktivität der JNK abhängig sind. Die Verdrängung des Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 induzierte auch das Vorhandensein von repressiven Chromatinmarkierungen in den Genen von ICAM-1 und VCAM-1. Die Prüfung der Anreicherung der RNA-Polymerase II an den Promotoren/Genen von ICAM-1 und VCAM-1 zeigte jedoch auch eine behandlungszeitabhängige differentielle Anreicherung dieser Polymerase, wobei die Anreicherung nach kurzen Behandlungszeiten reduziert war, sich nach mittleren Behandlungszeiten erholte und nach längeren Behandlungszeiten wieder stark reduziert war. Die anschließende Prüfung der Bedeutung des Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 für die Expression von ICAM-1 und VCAM-1 durch Knock-down-Experimente ergab, dass das vcam-1 Gen durch Knock-down dieses Proteins unterdrückt, das icam-1 Gen jedoch induziert wird. Dies deutet auf das Vorhandensein zusätzlicher Faktoren hin, die auch auf die Aktivität der JNK reagieren und neben dem Bromodomänen-enthaltenden Proteins 4 die Transkriptionsverlängerung des icam-1 Gens bewirken.
This work focused on the biosynthesis and characterization of esterified lipid mediators. Lipid mediators were generally thought to exert their effects as free molecules, and their esterification was regarded as a storage mechanism. However, more recent studies indicate that esterified lipid mediators are a distinct class of mediators. When this thesis started back in 2017, the idea of esterified lipids as a new class of mediators was relatively new so that respective compounds were either quite expensive or not commercially available at all. Therefore, a biosynthetic approach had to be established first to enable the study of the new lipid mediator class. Within the cell, esterified lipids are produced by activation and subsequent incorporation of polyunsaturated fatty acids. These steps are enzymatically catalyzed by members of the acyl-CoA synthetase family and the lysophosphatidylcholine acyltransferase family, respectively. Therefore, the enzymes acyl-CoA synthetase long-chain family member 4 (ACSL4) and lysophosphatidylcholine acyltransferase 2 (LPCAT2) were selected for a biosynthetic approach due to their broad substrate acceptance.
In a first attempt, recombinant protein expression in E. coli was studied. While the expression and purification of C-terminally His6x-tagged ACSL4 resulted in a pure and active protein, the expression of LPCAT2 turned out quite troublesome. Although several expression and purification parameters were varied, including purification tags, buffer compositions, and chromatography strategies, successful purification of LPCAT2 was not achieved.
Instead, a second approach was studied. This time, stably transfected cells overexpressing ACSL4 and/or LPCAT2 were generated from the human embryonal kidney (HEK) 293T cell line. Stably transfected cell lines were characterized on protein level and regarding their oxylipin profile. After confirming the overexpression and functionality of the enzymes, lipoxygenases (LOs) were co-expressed in a doxycycline-inducible manner to prevent premature cell death due to increased oxidative stress. As a result, LO product formation was enhanced and enabled the investigation of specific oxylipins. Since increased lipid peroxidation is also a key component of the ferroptosis cell death mechanisms, cell lines were investigated towards their cell viability. Indeed, expression of ACSL4 and/or LPCAT2 promoted cell death when treated with the ferroptosis inducers erastin or RSL3, even in the absence of LO expression. Furthermore, analysis by laser scanning confocal microscopy revealed that the localization of 15-LO1 was altered in the presence of LPCAT2, similar to treatment with RSL3 in vector control cells.
In conclusion, a stable overexpression system of ACSL4 and/or LPCAT2 was successfully established in HEK293T cells, which enabled the synthesis and characterization of esterified oxylipins. Interestingly, characterization of the cell lines revealed a correlation with the cell death mechanism ferroptosis. Although the expression of ACSL4 has already been reported as a biomarker for ferroptosis, this is the first time that a potential connection of LPCAT2 with ferroptosis was demonstrated. As a result, this may provide new therapeutic options for ferroptosis-related pathologies such as neurodegeneration, autoimmune diseases, or tumorigenesis.
Die Verwendung von Photoschaltern zur gezielten Kontrolle von Systemen birgt ein hohes Potential hinsichtlich biologischer Fragestellungen, bis hin zu optoelektronischen Anwendungen. Infolge einer Photoanregung kommt es zu Geometrieänderungen, die einen erheblichen Einfluss auf ihr photophysikalisches Verhalten haben. Die Änderungen der photochemischen, wie photophysikalischen Eigenschaften, beruht entweder auf der Isomerisierung von Doppelbindungen oder auf perizyklischen Reaktionen. Durch sorgfältige Modifikationen, wie beispielsweise die Änderung der Konjugation durch unterschiedlich große π-Elektronensysteme, der Molekülgeometrie oder der Veränderung des Dipolmoments, lassen sich intrinsische Funktionen variieren.
Die Kombination dieser Eigenschaften stellt eine komplexe Herausforderung dar, da diese Änderungen einen direkten Einfluss auf wichtige Charakteristika wie die Adressierbarkeit, die Effizienz und die Stabilität der Moleküle haben. Darüber hinaus spielt die thermische Stabilität eine erhebliche Rolle im Hinblick auf die Speicherung von Energie oder Informationen für Anwendungsbereiche in der Energiegewinnung und Datenverarbeitung.
Für die Anwendung solcher photochromen Moleküle ist hinsichtlich der oben genannten Eigenschaften auch das Wissen über den photoinduzierten Reaktionsmechanismus unabdingbar.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss auf die Isomerisierungsdynamik organischer Photoschalter durch unterschiedliche Modifikationen mittels stationärer und zeitaufgelöster Spektroskopie untersucht. Im Bereich der Merocyanine konnte ein Derivat vorgestellt werden, das ausschließlich zwischen zwei MC-Formen (trans/cis) isomerisiert. Die interne Methylierung am Phenolatsauerstoff der Chromeneinheit verhindert die Ringschlussreaktion zum SP und somit seinen zwitterionischen Charakter. Die stabilen Grundzustandsisomere TTT und CCT weisen durch den Methylsubstituenten eine hypsochrome Verschiebung ihrer Absorptionsmaxima auf, während TTT das thermodynamisch stabilste Isomer darstellt. Das MeMC wies eine erstaunlich hohe Effizienz seiner Schaltamplituden, insbesondere der TTT → CCT Photoisomerisierung auf, sowie eine überaus hohe Quantenausbeute.
Das MeMC wies zudem eine signifikante Lösungsmittelabhängigkeit auf, die sich insbesondere in der Photostabilität bemerkbar macht. Während das MeMC in MeCN und EtOH photodegradiert, konnte in EtOH/H2O eine konstante Reliabilität festgestellt werden. Diese Zuverlässigkeit impliziert nicht nur eine Stabilisierung durch das Wasser, sondern auch eine Resistenz gegenüber Hydrolysereaktionen. Darüber hinaus konnten kinetische Studien eine hohe thermische Rückkonversion von CCT zu TTT bei Raumtemperatur nachweisen, womit auf schädliche UV-Bestrahlung verzichtet werden könnte.
Die Untersuchung der Kurzzeitdynamiken beider Grundzustandsisomere gab Aufschluss über die Beteiligung anderer möglicher MC-Intermediate und den Einfluss der Methylgruppe auf das System. Mittels quantenchemischer Berechnungen konnte eine erste Initiierung um die zentrale Doppelbindung beider Isomere bestimmt werden, die jeweils zu einem heißen Grundzustandsintermediat führt, bis nach einer zweiten Isomerisierung der endgültige Grundzustand der Photoprodukte populiert wird. Dies bedeutet, dass die trans/cis-Isomerisierung über TTT-TCT-CCT und die Rückkonversion über CCT-CTT-TTT erfolgt.
Im Bereich der Hydrazon-Photoschalter konnten unterschiedlich substituierte Derivate mittels statischer und zeitaufgelösten UV/Vis-Studien untersucht werden. Da ESIPT Prozesse eine wichtige Funktion bei der Kontrolle von biologischen Systemen spielen, wurden verschiedene Hydrazonderivate hinsichtlich ihrer Reaktionsmechanismen untersucht. Als Rotoreinheit diente zum einen eine Benzothiazolkomponente, die die interne H-Bindung des angeregten Z-Hydrazons schwächen sollte und zum anderen wurde ein Chinolinsubstituent eingesetzt, der als Elektronenakzeptor diente und den H-Transfer begünstigt. Der Einsatz der Benzothiazolkomponente bewirkte die gewünschte Vergrößerung der bathochromen Verschiebung des E-Isomers, sowie eine deutliche Erhöhung der thermischen Stabilität des metastabilen
Zustands. Dies bestätigten die zeitaufgelösten Studien der Z zu E Isomerisierung, bei denen die Isomere im Vergleich zum Chinolinhydrazonderivat, in beiden ausgewählten Lösungsmitteln metastabile Z-Intermediate zeigten und eine Lebenszeit bis in den µs-Zeitbereich aufwiesen. Die Rückreaktion beider Derivate (HCN) und (HBN) hingegen zeigte eine barrierelose Umwandlung in die beteiligten Photoprodukte. Trotz der Verwendung des Chinolinsubstituenten zusammen mit Naphthalin als Rotoreinheit (HCN), konnte kein ESIPT Prozess beobachtet werden. HCB mit einer Kombination aus einem Chinolinrotor und eines Benzothiazolsubstituenten, wies eine Hydrazon-Azobenzol-Tautomerie auf, die ein prototropes Gleichgewicht zwischen dem E-Hydrazon und der E-Azobenzolform (E-AB) ausbildete. Die Reaktionsdynamiken des Z-Hydrazons zum E-AB wiesen eine ultraschnelle Bildung des Photoproduktes auf, während die Rückreaktion über einen ESIPT im sub-ps-Bereich erfolgte. Dieser H-Transfer hat die Bildung des angeregten E-Hydrazons zur Folge. Interessanterweise wurde kein Rückprotonentransfer nachgewiesen, sondern die mögliche Formation eines Z-AB gefunden. Damit unterscheidet sich dieser Reaktionsmechanismus erheblich von den typischen ESIPT Prozessen, die normalerweise zu ihrem Ausgangsmolekül zurückrelaxieren. Des Weiteren konnte ein Pyridinoxid und Benzoylpyridin-substituiertes Hydrazon charakterisiert werden, bei denen die stationären Studien kein Schaltverhalten, sondern Photodegradation aufwiesen. Die zeitaufgelösten Daten ergaben ebenfalls keine Photoproduktbildung, was die These der Photozersetzung unterstützt. Die Verwendung von zusätzlich substituierten Rotoreinheiten, wie beispielsweise Pyridinoxid und Benzoylpyridin, die aufgrund fehlender Protonenakzeptormöglichkeit keine interne H-Bindung ausbilden, erlaubt keine Bildung des Z-Hydrazon Isomers.
The ligand-sensing transcription factor Nurr1 emerges as a promising therapeutic target for neurodegenerative pathologies but Nurr1 ligands for functional studies and therapeutic validation are lacking. Here pronounced Nurr1 modulation by statins for which clinically relevant neuroprotective effects are demonstrated, is reported. Several statins directly affect Nurr1 activity in cellular and cell-free settings with low micromolar to sub-micromolar potencies. Simvastatin as example exhibits anti-inflammatory effects in astrocytes, which are abrogated by Nurr1 knockdown. Differential gene expression analysis in native and Nurr1-silenced cells reveals strong proinflammatory effects of Nurr1 knockdown while simvastatin treatment induces several neuroprotective mechanisms via Nurr1 involving changes in inflammatory, metabolic and cell cycle gene expression. Further in vitro evaluation confirms reduced inflammatory response, improved glucose metabolism, and cell cycle inhibition of simvastatin-treated neuronal cells. These findings suggest Nurr1 involvement in the well-documented but mechanistically elusive neuroprotection by statins.
Thermally stable and highly conductive SAMs on Ag substrate — the impact of the anchoring group
(2021)
Self-assembled monolayers (SAMs) on metal substrates are an important part of modern interfacial chemistry and nanotechnology. The robustness of SAMs strongly depends on their thermal stability, which, together with electric conductivity, crucial for their applications in molecular/organic electronics. In this context, using a multidisciplinary approach, the structure, stability, and conductivity properties of conjugated aromatic SAMs featuring the naphthalene backbone and S, Se, or COO group, mediating bonding to the Ag substrate are addressed. Whereas thermal stability of these SAMs exhibits a strong dependence on anchoring group, their conductivity is similar, which is rationalized by tentative model considering redistribution of charge density along the molecular framework. The thermal stability of model naphthalenethiol SAM, emphasized by desorption energy of ≈1.69 eV, is better than that of typical N-heterocyclic carbene (NHC) monolayers considered currently as the most stable SAMs on metal substrates. However, in contrast to NHC SAMs, which are highly insulating, the naphtalene-based SAM, with S, Se or COO anchoring groups, are highly conductive, even in comparison with analogous oligophenyl SAMs (by a factor of 10). A unique combination of the ultimate thermal stability and superior conductivity for the naphthalenethiol SAM on Ag makes it highly attractive for applications.
Biological membranes serve as physical barriers in cells and organelles, enabling the maintenance of chemical or ionic gradients that are essential for triggering various integral, peripheral, or lipid-anchored membrane proteins, necessary for their life-essential functions. The study of membrane proteins has unique challenges due to their hydrophobic nature, limited expression levels, and inherent flexibility. Single-particle analysis (SPA) enables the determination of high-resolution three-dimensional structures using minimal amounts of specimen without the need for crystallization. Additionally, cryogenic electron tomography (cryo-ET) and subtomogram averaging (StA) offer the ability to study membrane protein complexes, cellular architecture, and molecular interactions while preserving close-to-life conditions. With ongoing improvements in cryo-EM technologies, obtaining high-resolution structures of membrane proteins in vitro can allow people to understand their mechanisms and functions, and to facilitate the design and optimization of new therapeutic agents. Furthermore, there has been significant growth in the structural characterization of membrane proteins in situ, as studying biomolecules within their physiological context is an ultimate goal in structural biology for a comprehensive understanding of molecular networks in cells.
Due to the amphipathic nature of membrane proteins, their production, purification, and isolation pose significant challenges compared to soluble proteins. To maintain the membrane protein fold in an aqueous buffer after disrupting lipid membranes, the use of detergents, amphipols, lipid nanodiscs, saposin-lipoprotein (salipro), styrene-maleic acid co-polymer lipid particles (SMALPS) is common and often essential. A limitation of the membrane-mimetic systems is the absence of an actual lipid bilayer environment. To address this issue, membrane proteins can be reconstituted into liposomes, and this closed membrane environment closely mimics the physiological conditions of the proteins. The use of liposomes for structure determination is expected to significantly expand in the in vitro study of membrane proteins and membrane-associated proteins, particularly for capturing transient complexes in specific functional states.
Resolving the structures of membrane proteins in their native cellular context is considered the ideal approach for understanding their functions and associated molecular networks. While single-particle cryo-EM can achieve higher resolution than subtomogram averaging, it often requires at least partial purification of the target molecules from their native environment inside cells and tissues. By combining averaging tools on subvolumes obtained through cryo-ET, structures can currently be determined at resolutions of 10-30 Å. With ongoing advancements and refinements in cryo-ET methodologies, routine high-resolution structure determination in situ is poised to become a valuable tool for both structural and cell biologists in the long run, and the field holds great promise for further expanding our understanding of cellular structures and processes at the molecular level.
The main aim of this thesis is to further our knowledge of the structure and function of a small prokaryotic voltage-gated sodium ion channel, NaChBac in liposomes, and a large knob complex found on the surface of Plasmodium falciparum-infected human erythrocyte by cryo-ET and StA.
Chapter 2 presents the first StA map of the 120-kDa NaChBac embedded in liposomes under a resting membrane potential at a modest resolution of 16 Å. The approach presented in this study, which can be widely applied to cryo-EM analysis of membrane proteins, with a specific focus on membrane proteins with small soluble domains, lays the foundation for cryo-ET and StA of integral or peripheral membrane proteins whose functions are affected by transmembrane electrochemical gradients and/or membrane curvatures. Chapter 3 shows the first cryo-EM structure of the supramolecular knob complex in P. falciparum-infected human erythrocyte. While a previous study provided an overall architectural view of knobs using negative stain tomography, the in situ structure bridges this gap, guiding future investigations into the molecular composition and the role of these native knobs in Plasmodium infection and immunity.
This thesis opens up several promising lines for future studies of membrane proteins in vitro and in situ, where other membrane proteins can be studied in physiologically relevant environments. Already with the present generation of cryo-EM hardware and software, this thesis represents pioneering research in the field of membrane protein structural biology.
Impact of pectin dietary supplementation on experimental food allergy via gut microbiota modulation
(2023)
In recent years, dietary fibers gained focus in regard of their immune-modulatory effects and the potentially beneficial effect on allergies. The dietary fiber and prebiotic pectin is able to promote growth and activity of beneficial bacteria and thereby induce modulation of different immune responses. However, structurally different types of pectin might promote different immune-modulatory responses and to date the optimal pectin type for induction of beneficial health effects is not identified. Furthermore, it is still unclear, whether pectins provide a beneficial effect on certain allergies, such as food allergy.
Having this in consideration, this study examined the immune-modulatory effects of structurally different pectins on naive as well as peach allergic mice. Furhtermore, the impact of dietary pectin supplementation on composition and diversity of the murine gut microbiota was determined.
This study showed that dietary pectin intervention was able to suppress allergy-related Th2 responses considering humoral and cellular immune responses. Only apple-derived high-methoxyl pectin revealed an impact on total IgA levels and affected the microbial richness. Furthermore, it is not known whether the effects observed with the two pectins are caused by modulations of the bacterial composition or induced at least partly by direct interaction with the immune cells. Further studies are required to fully understand the mechanisms underlying the immune-modulatory capacities of different pectins.
Finally, the obtained results generated evidence that dietary pectin intervention can beneficially modulate the immune response in healthy mice and – at least partially – suppress allergy-related immune responses in a model of food allergy, depending on the structural characteristics of the used pectin.
Mitochondria perform essential energetic, metabolic and signalling functions within the cell. To fulfil these, the integrity of the mitochondrial proteome has to be preserved. Therefore, each mitochondrial subcompartment harbours its own system for protein quality control. However, if the capacity of mitochondrial chaperones and proteases is overloaded, mitochondrial misfolding stress (MMS) occurs. Upon this stress condition, mitochondria communicate with the nucleus to increase the transcription of nuclear encoded mitochondrial chaperones and proteases. This proteotoxic stress pathway was termed the mitochondrial unfolded protein response (UPRmt) aiming at restoring protein homeostasis. Despite being discovered over 25 years ago, the signalling molecules released by stressed mitochondria as well as the corresponding receptor and transcription factor remain poorly understood. With this study, we aimed at characterising the underlying signalling events and mechanisms of how mitochondria react to misfolded proteins. First, we aimed to establish different methods to induce MMS that triggers the transcriptional induction of mitochondrial chaperones and proteases detected by quantitative polymerase chain reaction. We were able to induce UPRmt signalling by overexpression of an aggregation-prone protein and by knock-down or inhibition of mitochondrial protein quality control components. To study the signalling in a time-resolved manner, we focused on the usage of the mitochondrial HSP90 inhibitor GTPP and the mitochondrial LONP1 protease inhibitor CDDO.
Early time point RNA sequencing analysis of cells stressed with GTPP or CDDO revealed upregulated genes in response to oxidative stress. Indeed, measurements of mitochondrial superoxide with the fluorescent dye MitoSOX showed increased levels of reactive oxygen species (ROS) upon MMS induction. In contrast, there was no induction of mitochondrial chaperones and proteases when combining MMS with antioxidants. Compartment-specific targeting of the hydrogen peroxide sensor HyPer7 revealed increased ROS levels in the intermembrane space and matrix of mitochondria, followed by elevated ROS levels in the cytosol at later time points. The importance of cytosolic ROS for the signalling was supported by preventing UPRmt induction with an inhibitor blocking the outer mitochondrial membrane pore. Thus, ROS were identified as an essential UPRmt signal.
To understand which cytosolic factor is modified by ROS, redox proteomics was performed. Here, reversible changes on cysteine residues of the HSP40 co-chaperone DNAJA1 were observed upon MMS. Consequently, transcriptional induction of UPRmt genes was abolished by DNAJA1 knock-down. To understand the function of DNAJA1 during UPRmt signalling, quantitative interaction proteomics upon MMS revealed an increased binding to mitochondrial proteins and its interaction partner HSP70. Immunoprecipitation confirmed a ROS-dependent interaction between HSP40 and HSP70. Increased binding to mitochondrial proteins represented a cytosolic interaction of DNAJA1 with mitochondrial precursor proteins, whose accumulation was confirmed by western blot. Moreover, a fluorescent protein targeted to mitochondria accumulated in the cytosol during GTPP treatment, confirming a reduced import efficiency upon MMS. Preventing the accumulation of precursors by a translation inhibitor or depletion of a general mitochondrial transcription factor resulted in reduced UPRmt activation. Thus, DNAJA1 is essential for UPRmt signalling, since its oxidation by mitochondrial ROS and its enhanced recruitment to mitochondrial precursors allows the integration of both MMS-induced signals.
To link these findings to an increased transcription of mitochondrial chaperones and proteases, we screened for transcription factors accumulating in the nucleus upon MMS by cellular fractionation mass spectrometry. We demonstrated that specifically HSF1 accumulates in nuclei of cells stressed with GTPP or CDDO. Depletion of HSF1 by knock-down or knock-out resulted in the abrogation of the UPRmt-specific transcriptional response. HSF1 activation was visualised by nuclear accumulation on western blot, a process inhibited by ROS and precursor suppression. Moreover, DNAJA1 depletion prevented HSF1 activation. Ultimately, we proved by immunoprecipitation that the inhibitory interaction between HSF1 and HSP70 is reduced upon MMS.
Thus, we conclude that MMS increases mitochondrial ROS that are released into the cytosol. In addition, the import efficiency is reduced upon MMS, resulting in the accumulation of non-imported mitochondrial precursor proteins in the cytosol. Both signals are recognised via DNAJA1 oxidation and substrate binding. The concurrent recruitment of HSP70 to DNAJA1 results in the loss of the inhibitory HSP70-HSF1 interaction. Thus, active HSF1 can migrate to the nucleus to initiate transcription of mitochondrial chaperones and proteases. These findings are in accordance with observations in yeast, where mistargeted mitochondrial proteins activate cellular stress responses. Our results highlight a surprising interconnection and dependence of the mitochondrial and the cytosolic proteostasis network, in which the UPRmt is activated by a combination of two mitochondria-specific proteotoxic stress signals.
Die Bande q23 auf Chromosom 11 ist in zahlreiche reziproke chromosomale Translokationen verwickelt. Diese sind dominant mit dem Krankheitsphänotyp einer AML, ALL und seltener mit malignen Lymphomen und myelodysplastischen Syndromen assoziiert. Mittlerweile sind fünfundachtzig cytogenetische Aberrationen der Bande 11q23 bekannt. Das auf 11q23 betroffene Gen wird als das Mixed Lineage Leukemia (MLL), Acute Lymphoblastic Leukemia (ALL-1), Human Homolog of trithorax (HRX) oder als Human Trithorax 1 (Htrx1) bezeichnet. Die häufigsten Partnergene des MLL sind AF4 (40 %), AF9 (27 %), sowie ENL, AF6, ELL und AF10 (4-7 %).
Die Bruchpunkte von t(11;V) Translokationen sind nicht gleichmäßig über das gesamte, 92 kb große humane MLL-Gen verteilt, sondern liegen alle in der 8,3 kb großen Bruchpunktsregion Bpr. Auch innerhalb der Bpr ist die Verteilung der Translokationsbruchpunkte nicht homogen. Die Bruchpunkte von Patienten mit de novo Leukämien und einem Alter über einem Jahr liegen mehrheitlich in der 5’-Hälfte der Bpr, dem Subcluster I. Dagegen liegen die Bruchpunkte von Patienten mit therapiebedingten Leukämien und einem Alter unter einem Jahr überwiegend in der 3’-Hälfte der Bpr, dem Subcluster II.
Neuere Forschungsergebnisse zeigten, daß DNA-Doppelstrangbrüche auf zwei verschiedenen Chromosomen eine hinreichende Voraussetzung für das Entstehen chromosomaler Translokationen sind. Aufgrund der inhomogenen Verteilung der Translokationsbruchpunkte im MLL-Gen stellte sich die Frage, ob bestimmte Regionen dieses Gens für DNA-Doppelstrangbrüche prädisponiert sind. Interessanterweise ist Subcluster II extrem sensitiv gegenüber DNA-Doppelstrangbrüchen, die durch cytotoxische Agenzien oder Apoptose-auslösende Ereignisse induziert werden können. In unserer Arbeitsgruppe konnte eine etwa 200 bp große Region lokalisiert werden, über die sich nahezu alle Etoposid-induzierten DNA-Doppelstrangbrüche verteilten.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß die Bildung von DNA-Doppelstrangbrüchen in dieser Region durch die Gabe eines Caspase-Inhibitors gehemmt werden kann. Eine Etoposid-induzierte Protein-DNA-Wechselwirkung konnte allerdings nicht nachgewiesen werden. In der Literatur fanden sich Hinweise darauf, daß Subcluster II im Gegensatz zu Subcluster I eine verstärkte Histonacetylierung aufweist. Basierend auf diesen Hinweisen sollte die Arbeitshypothese untersucht werden, ob Subcluster II einen geninternen Promotor des MLL-Gens darstellt.
Die potentielle Promotorregion wurde zunächst durch Computeranalysen eingegrenzt. Mit RT-PCR Experimenten wurde anschließend der potentielle geninterne Promotor des murinen Mll-Gens in einer murinen Fibroblastenzellinie lokalisiert, die einen Transkriptionsstop und eine Polyadenylierungssequenz in Exon 4 des Mll-Gens trug. Um die am Mausmodell gewonnenen Erkenntnisse auch im humanen System zu überprüfen, wurde die geninterne Promotorregion des humanen MLL Gens vor ein Luciferasereportergen kloniert. Durch RTPCR konnte der geninterne Transkriptionsstart im Subcluster II des humanen MLL-Gens lokalisiert werden. Damit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, daß Transkriptionsinitiation und genetische Instabilität im Subcluster II des humanen MLL-Gens kolokalisieren.
Durch Deletionsmutanten wurde die Bedeutung der einzelnen Module dieser Promotorregion ermittelt. Dabei zeigte sich, daß die Anwesenheit von zwei retromobilen Elementen eine Enhancer-Funktion haben. Demgegenüber zeigte die homologe murine Sequenz, die in unserer Arbeitsgruppe gleichzeitig von S. Scharf untersucht wurde und für die keine erhöhte Anfälligkeit für DNA-Doppelstrangbrüche bekannt ist, nur eine schwache Promotoraktivität. Dies weist auf einen Zusammenhang zwischen der genetischen Instabilität von Subcluster II und der Rate geninterner Transkriptionsinitiationsprozesse hin.
Das Protein, für das das Transkript des geninternen murinen Promotors kodiert, wurde mittels immunhistologischer und Western Blot Experimente nachgewiesen. Dabei konnte gezeigt werden, daß dieses Protein, wie auch das MLL-Protein, proteolytisch durch Taspase1 und daß sich ein Mini-MLL-Komplex bildet.
Bioactive small molecules are used in many research areas as important tools to uncover biological pathways, interpret phenotypic changes, deconvolute protein functions and explore new therapeutic strategies in disease relevant cellular model systems. To unlock the full potential of these small molecules and to ensure reliability of results obtained in cellular assays, it is crucial to understand the properties of these small molecules. These properties encompass their activity and potency on their designated target(s), their selectivity towards unintended off-targets and their phenotypic effects in a cellular system. Approved drugs often engage with multiple targets, which can be beneficial for some applications such as treatment of cancer where several pathways need to be inhibited for treatment efficacy. However, targeting multiple key proteins in diverse pathways also increases the possibility for unspecific or unwanted side effects. For many drugs the entire target space that they modulate is not known. This makes it difficult to use these drugs for target deconvolution or functional assays with the aim to understand the underlying biological processes. In contrast to drugs, for mechanistic studies, a good alternative are chemical tool compounds so called chemical probes that are usually exclusively selective as well as chemogenomic compounds, that inhibit several targets but have narrow selectivity profiles. Because they are mechanistic tools, chemical tool compounds must meet stringent quality criteria and they are therefore well characterized in terms of their potency, selectivity and cellular on-target activity. To ensure that an observed phenotypic effect caused by a compound can be attributed to the described target(s), it is essential to study also properties of chemical tools leading to unspecific cellular effects. There are a variety of unspecific effects that can be caused by physiochemical compound properties that can interfere with phenotypic assays as well as functional compound evaluations. One of these effects is low solubility causing toxicity or intrinsic fluorescence potentially interfering with assay readouts. But unanticipated cellular responses can also arise from unspecific binding, accumulation in cellular compartments or damage caused to organelles such as mitochondria or the cytoskeleton that can result in the induction of diverse forms of cell death.
In this study, we investigated the influence of a variety of small molecules on distinct cell states, by establishing and validating high-content imaging assays, which we called Multiplex assay. This assay portfolio enabled us to detect different cellular responses using diverse fluorescent reporters, such as the influence of a compound on cell viability, induction of cell death programs and modulation of the cell cycle. Additionally, general compound properties such as precipitation and intrinsic fluorescence were simultaneously detected. The assay is adaptable to assess other cellular properties of interest, such as mitochondrial health, changes in cytoskeletal morphology or phospholipidosis. A significant advantage of the assay is that we are using live cells, so we can capture dynamic cellular changes and fluctuations that can be crucial for the understanding of cellular responses.
Der Hirntumor Glioblastom (GBM) ist aufgrund seines infiltrativen Wachstums, der hohen intra- und intertumoralen Heterogenität, der hohen Therapieresistenz als auch aufgrund der sogenannten gliomartigen Stammzellen sehr schwer zu behandeln und führt fast immer zu Rezidiven. Da es in den letzten Jahrzehnten kaum Fortschritte in der Behandlung des GBMs gab, bis auf die Therapie mit Tumortherapiefeldern, wird weiterhin nach alternativen Zelltodtherapien geforscht, wie zum Beispiel dem Autophagie-abhängigen Zelltod. Der Autophagie-abhängige Zelltod ist durch einen erhöhten autophagischen Flux gekennzeichnet und obwohl die Autophagie, als auch selektive Formen wie die Lysophagie und Mitophagie, normalerweise als überlebensfördernde Mechanismen gelten, konnten viele Studien eine duale Rolle in der Tumorentstehung, -progression und -behandlung aufzeigen, die vor allem vom Tumortyp und stadium abhängt. Um die zugrunde liegenden Mechanismen des durch Medikamente induzierten Autophagie-abhängigen Zelltods im GBM weiter zu entschlüsseln, habe ich in meiner Dissertation verschiedene Substanzen untersucht, die einen Autophagie-abhängigen Zelltod induzieren.
In einer zuvor in unserem Labor durchgeführten Studie konnte gezeigt werden, dass das Antipsychotikum Pimozid (PIMO) und der Opioidrezeptor-Antagonist Loperamid (LOP) einen Autophagie-abhängigen Zelltod in GBM Zellen induzieren können. Darauf aufbauend habe ich die Fähigkeit zur Induktion des Autophagie-abhängigen Zelltods in weiteren Zellmodellen validiert. Dies bestätigte einen erhöhten autophagischen Flux nach PIMO und LOP Behandlung, während der Zelltod als auch der autophagische Flux in Autophagie-defizienten Zellen reduziert war. In weiteren Versuchen konnte ich die Involvierung der LC3-assoziierten Phagozytose (LAP), ein Signalweg der auf die Funktion einiger autophagischer Proteine angewiesen ist, ausschließen. Weiterhin konnte ich eine massive Störung des Cholesterin- und Lipidstoffwechsels beobachten. Unter anderem akkumulierte Cholesterin in den Lysosomen gefolgt von massiven Schäden des lysosomalen Kompartiments und der Permeabiliserung der lysosomalen Membran. Dies trug einerseits zur Aktivierung überlebensfördernder Lysophagie als auch der Zell-schädigenden „Bulk“-Autophagie bei. Letztendlich konnte aber die erhöhte Lysophagie die Zellen nicht vor dem Zelltod retten und die Zellen starben einen Autophagie-abhängigen lysosomalen Zelltod. Da die Eignung von LOP als Therapie für das GBM aufgrund der fehlenden Blut-Hirn-Schranken Permeabilität und von dem Antipsychotikum PIMO aufgrund teils schwerer Nebenwirkungen eingeschränkt ist, habe ich mich im weiteren Verlauf meiner Dissertation mit einer Substanz mit einem anderen Wirkmechanismus beschäftigt.
Der Eisenchelator und oxidative Phosphorylierungs (OXPHOS) Inhibitor VLX600 wurde zuvor berichtet mitochondriale Dysfunktion und Zelltod in Kolonkarzinomzellen zu induzieren. Allerdings hat meines Wissens nach bisher noch keine Studie die therapeutische Eignung von VLX600 für das GBM untersucht. Hier zeige ich eine neuartige Autophagie-abhängige Zelltod-induzierende Fähigkeit von VLX600 für GBM Zellen, da der Zelltod signifikant in Autophagie-defizienten Zellen aber nicht durch Caspase-Inhibitoren gehemmt wurde und der autophagische Flux erhöht war. Darüber hinaus konnte ich die Hemmung der OXPHOS und die Induktion von mitochondrialem Stress in GBM Zellen bestätigen und weiterhin aufzeigen, dass VLX600 nicht nur die mitochondriale Homöostase stört, sondern auch zu einer BNIP3-BNIP3L-abhängigen Mitophagie führt, die wahrscheinlich durch HIF1A reguliert wird aber keinen erkennbaren Nettoeffekt auf den von VLX600 induzierten Zelltod hat. Demnach induziert VLX600 letale „Bulk“-Autophagie in den hier verwendeten Zellmodellen. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass die Eisenchelatierung durch VLX600 eine große Rolle für den von VLX600-induzierten Zelltod spielt aber auch für die Mitophagie Induktion, Histon Lysin Methylierung und den ribosomalen Stress. Letztendlich ist es wahrscheinlich ein Zusammenspiel all dieser Faktoren, die zur Zelltodinduktion durch VLX600 führen und interessanterweise werden Eisenchelatoren bereits in präklinischen und klinischen Studien für Krebstherapien untersucht. Dabei könnten gewisse metabolische Eigenschaften verschiedener Tumorzellen die Sensitivität von Wirkstoffen, die auf den Metabolismus wirken wie VLX600, beeinflussen was in zukünftigen Studien beachtet werden sollte um den bestmöglichsten Therapieerfolg zu erzielen. Zusammenfassend unterstützt meine Dissertation die duale Rolle der Autophagie, die stark vom jeweiligen Kontext abhängt und befürwortet die weitere Forschung von Substanzen, die einen Autophagie-abhängigen Zelltod induzieren, für das GBM.
Chemieunterricht in der Schule wird von Schülerinnen und Schülern in weiten Bereichen als schwer verstehbar, für das Alltagsleben als unnütz und wenig motivierend erlebt. Dies hat zur Folge, dass der Chemieunterricht von einer großen Zahl Lernender in der Oberstufe abgewählt wird. Dabei wird bewusst die Bedeutung der Chemie für die Industriegesellschaft ignoriert und die Konsequenz des Nachwuchsmangels nicht ernst genommen.
Bei der Suche nach Lösungsansätzen aus der Krise des schulischen Chemieunterrichts gibt es viele Ansätze, die sich seit einigen Jahrzehnten mit der Kontextorientierung und der Erschließung neuer Felder für den Chemieunterricht befasst haben und befassen. Ausgehend von Themen, deren Bedeutung für das Individuum und die Gesellschaft einen hohen Stellenwert haben, wird der Chemieunterricht mehr an die Lebenswelt der heranwachsenden Generation angepasst. Diese Vorgaben sind in der vorliegenden Arbeit einbezogen worden und haben das Thema HIV für den Chemieunterricht der gymnasialen Oberstufe als sinnvoll erscheinen lassen.
Vor dem Hintergrund der kognitionspsychologischen Erkenntnisse der vergangenen fünfzehn Jahre ist ein Weg der Unterrichtsgestaltung gewählt worden, mit dem die Selbständigkeit der Lernenden unterstützt, gefördert und weiterentwickelt werden kann. Kognitionspsychologische Untersuchungen der Eingangskanäle bei Lernvorgängen stellen die hohe Bedeutung mehrer Sinnesmodalitäten in den Vordergrund, durch die eine verbesserte Behaltensleistung erzielbar ist. Nach diesen Erkenntnissen kann Wissen nur dann als aktives Wissen in neuen Zusammenhängen eingesetzt werden, wenn Lernern die Möglichkeit geboten wird ihr individuelles Gedankengebäude zu konstruieren. Besonders effizient sind nach diesen Untersuchungen kombinierte Sinnesmodalitäten mit guter Behaltensleistung bei der Nutzung von Sprache, Text und Bewegtbildern. Hier gilt die alte Erkenntnis "ein Bild sagt mehr als tausend Worte" auch im übertragenem Sinne. Besonders die konstruktivistischen Überlegungen für den Vorgang des Wissensaufbaus wurden in dieser Arbeit berücksichtig.
Diese Forschungsergebnisse waren ein Grund für die multimediale Aufbereitung des Themas. Hoher Verbreitungsgrad, gesellschaftliche Bedeutung und Motivation durch Multimedia sind weitere Gründe für diese Entscheidung.
Sowohl curriculare als auch gesellschaftliche Entwicklungen fordern darüber hinaus das Denken in vernetzten Systemen, dies bedeutet ein über die Grenzen des Fachs Chemie hinausgehendes Planen und Realisieren von Unterricht. Mit der Themenwahl werden direkt die Fächer Chemie und Biologie angesprochen, Fächer wie Kunst, Religion, Ethik, Sozialkunde und Sprachen können einbezogen werden. Mit dem der Unterrichtseinheit, die von fünf Kursen mit insgesamt 60 Schülerinnen und Schülern erprobt wurde, zu Grunde liegenden Programm zum Thema HIV verknüpfen sich die Fragen:
* Ist der Einsatz von Computern als Medium bereits die Norm?
* Welche medialen Angebote werden schulisch/außerschulisch genutzt?
* Welche Informationsquellen werden verwendet?
* Welche Medien sind für die Testpersonen beim Lernprozess bedeutend?
* Wird die Lehrperson bei dem Einsatz der modernen Medien ersetzt?
* Fördert das Projekt die Selbstbestimmung beim Lernprozess?
* Welche Effekte hat das multimediale Projekt auf den Lernprozess?
* Welche Probleme treten beim Umgang mit dem verwendeten Programm auf?
Diese Punkte wurden mit einem Fragebogen vor und einem nach der Durchführung des Projektes bearbeitet...
Alzheimer’s disease (AD) is characterized by the deposition of aggregated species of amyloid beta (Aβ) in the brain, which leads to progressive cognitive deficits and dementia. Aβ is generated by the successive cleavage of the amyloid precursor protein (APP), first by β-site APP cleaving enzyme 1 (BACE1) and subsequently by the γ-secretase complex. Those conditions which enhace or reduce its clearance predispose to Aβ aggregation and the development of AD. In vitro studies have demonstrated that Aβ assemblies spark a feed-forward loop heightening Aβ production. However, the underlying mechanism remains unknown. Here, we show that oligomers and fibrils of Aβ enhance colocalization and physical interaction of APP and BACE1 in recycling endosomes of human neurons derived from induced pluripotent stem cells and other cell types, which leads to exacerbated amyloidogenic processing of APP and intracellular accumulation of Aβ42. In cells that are overexpressing the mutant forms of APP which are unable to bind Aβ or to activate Go protein, we have found that treatment with aggregated Aβ fails to increase colocalization of APP with BACE1 indicating that Aβ-APP/Go signaling is involved in this process. Moreover, inhibition of Gβγ subunit signaling with βARKct or gallein prevents Aβ-dependent interaction of APP and BACE1 in endosomes, β-processing of APP, and intracellular accumulation of Aβ42. Collectively, our findings uncover a signaling mechanism leading to a feed-forward loop of amyloidogenesis that might contribute to Aβ pathology in the early stages of AD and suggest that gallein could have therapeutic potential.
Gram-negative Tripartite Resistance Nodulation and cell Division (RND) superfamily efflux pumps confer various functions, including multidrug and bile salt resistance, quorum-sensing, virulence and can influence the rate of mutations on the chromosome. Multidrug RND efflux systems are often characterized by a wide substrate specificity. Similarly to many other RND efflux pump systems, AcrAD-TolC confers resistance toward SDS, novobiocin and deoxycholate. In contrast to the other pumps, however, it in addition confers resistance against aminoglycosides and dianionic β-lactams, such as sulbenicillin, aztreonam and carbenicillin. Here, we could show that AcrD from Salmonella typhimurium confers resistance toward several hitherto unreported AcrD substrates such as temocillin, dicloxacillin, cefazolin and fusidic acid. In order to address the molecular determinants of the S. typhimurium AcrD substrate specificity, we conducted substitution analyses in the putative access and deep binding pockets and in the TM1/TM2 groove region. The variants were tested in E. coli ΔacrBΔacrD against β-lactams oxacillin, carbenicillin, aztreonam and temocillin. Deep binding pocket variants N136A, D276A and Y327A; access pocket variant R625A; and variants with substitutions in the groove region between TM1 and TM2 conferred a sensitive phenotype and might, therefore, be involved in anionic β-lactam export. In contrast, lower susceptibilities were observed for E. coli cells harbouring deep binding pocket variants T139A, D176A, S180A, F609A, T611A and F627A and the TM1/TM2 groove variant I337A. This study provides the first insights of side chains involved in drug binding and transport for AcrD from S. typhimurium.
Ferroelektrische Strontium-Wismut-Tantalat- (SBT) Filme werden in der Mikroelektronik als nicht-flüchtige Speichermedien verwendet und weiterentwickelt. Informationen werden durch Polarisation des Materials gespeichert und bleiben ohne weiteren Energieaufwand über einen Zeitraum von Jahren in solchen Speichern erhalten – sogenannten FeRAMs (Ferroelectric Random Access Memories). Darüber hinaus können gespeicherte Daten innerhalb von wenigen Nanosekunden wieder ausgelesen werden. Zusammengefasst ist eine Langzeitspeicherung kombiniert mit niedrigem Energieverbrauch und schneller Informationsverarbeitung durch den Einzug ferroelektrischer Materialien in die Computertechnologie möglich geworden.
Da die fortschreitende Miniaturisierung in der Mikroelektronik von zentraler Bedeutung ist, sind zur Charakterisierung der verwendeten Materialien Untersuchungsmethoden mit hoher Ortsauflösung unverzichtbar. Das Rasterkraftmikroskop – engl. Atomic Force Microscope (AFM) – ist eine solche Technik, mit der im Submikrometerbereich die Topographie sowie physikalische Eigenschaften von Materialien abgebildet werden können. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Untersuchung von SBT-Filmen mit solchen AFM-Methoden.
Besonders die Rauhigkeit der einzelnen Filme in schichtartig aufgebauten Mikrochips ist bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen von großer Bedeutung, wobei möglichst glatte Filme favorisiert werden. Deshalb wurden zunächst verschiedene SBT-Filme auf ihre topographischen Merkmale hin charakterisiert. Die Rauhigkeiten von SBT Filmen verschiedener Herstellungsverfahren wie der Metal Organic Decomposition (MOD) und der Metal Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD) wurden gegenübergestellt. Außerdem ist der Einfluss der SBT-Schichtdicke sowie der des Ferro-Anneals untersucht worden – Ferro-Anneal ist ein Temperungs-Schritt während der Filmherstellung, der zur Bildung der ferroelektrischen Aurivillius-Phase durchgeführt werden muss. Zudem wurde das unterschiedliche Kurzschlussverhalten zweier SBT-Filme in Zusammenhang mit ihren verschiedenen RMS-Rauhigkeitsdaten gebracht.
Der größte Teil der Arbeit setzt sich mit einer Methode auseinander, mit der die Polarisationseigenschaften von ferroelektrischen SBT-Filmen charakterisiert werden sollen – dem AFM/EFM-Polarisationsexperiment – engl. Electrostatic Force Microscope (EFM). Die SBT-Filme werden dabei mit einer AFM-Spitze polarisiert und in einem zweiten Schritt die daraus resultierenden elektrostatischen Felder mit einem EFM über der Probe abgebildet. Es wurde dabei kritisch hinterfragt, in wieweit diese Methode als Beurteilungskriterium der Materialeigenschaften herangezogen werden kann. Zudem wurden Aufladungsphänomene bei dieser Versuchsführung dokumentiert.
Außerdem wurde das Leckstromverhalten von SBT-Filmen auf der Submikrometerskala mit einer relativ neuen Messmethode, dem conducting-AFM (C-AFM), untersucht.
Die Ergebnisse aller Untersuchungen sind im folgenden stichpunktartig dargestellt.
Topographieuntersuchungen:
• Die RMS-Rauhigkeit von MOD/SBT-Filmen ist größer als die der MOCVD/SBTFilme. Mit steigender Prozesstemperatur des Ferro-Anneals wird die Oberflächenrauhigkeit von SBT-Filmen erhöht.
• SBT-Filme, die mit niedrigen Prozesstemperaturen hergestellt wurden, hier als Niedrigtemperatur-Filme bezeichnet, erfahren mit zunehmender Schichtdicke eine Glättung. Sie ist auf die Einbettung der Kristallite in die verhältnismäßig glatte FluoritPhase zurückzuführen, die wegen der geringen Temperaturen während des FerroAnneal-Prozesses noch nicht vollständig in die rauere ferroelektrische AurivilliusPhase umgesetzt wurde.
• Die unterschiedliche Zusammensetzung der Filme SrxBi2.2Ta2O8,3+x mit X1 = 0.9 und X2 = 1,0, im Text als Sr0,9-Film und Sr1,0-Film bezeichnet, führte zu höheren Kurzschlussraten des Sr0,9-Films in fertiggestellten FeRAM-Kondensatoren. Die Ursache kann auf die höhere Oberflächenrauhigkeit des Sr0,9-Films zurückgeführt werden. EFM-Untersuchungen:
• Bei der Polarisation ferroelektrischer SBT-Filme mit einer elektrisch gepolten AFMSpitze werden Ladungen in undefinierbarer Anzahl auf die Oberflächen gebracht. Diese Ladungen sind mehr oder weniger auf den Oberflächen beweglich. Mit zunehmender Polarisierbarkeit des ferroelektrischen Films wird die Ladung stärker am Polarisationsort durch elektrostatische Anziehung zwischen den orientierten Dipolen und der Oberflächenladung fixiert.
Der retinoid-related orphan receptor α (RORα) ist ein nukleärer Rezeptor, der nach Bindung an sein Responselement die Transkription zahlreicher Gene reguliert. Pharmazeutisches Interesse erlangt der Rezeptor vor allem durch seine Verwicklung in pathophysiologische Prozesse wie Osteoporose und Arteriosklerose sowie durch seine antiinflammatorische Wirkung, die auf der negativen Interferenz mit dem NF-κB-Signalweg beruht. Bisher konnten vier RORα-Isoformen isoliert werden, die durch alternatives Spleißen sowie durch die Regulation über unterschiedliche Promotorregionen entstehen. In verschiedenen Studien konnte eine isoformspezifische Regulation als Antwort auf pathophysiologische Veränderungen der Zellen festgestellt werden, wie beispielsweise die Induktion der RORα4-Transkription in Leberzellen infolge einer Sauerstoffunterversorgung. Um Einblicke in die Mechanismen zu gewinnen, die der spezifischen Regulation der RORα4-Expression zugrunde liegen, wurde in der vorliegenden Arbeit der RORα4-Promotor als erster Promotor einer RORα-Isoform identifiziert und analysiert.
Sechs Fragmente mit einer Länge von bis zu 5,1 kbp der aus Datenbanken entnommenen, putativen Promotorsequenz wurden in einen Reportergenvektor kloniert. Transiente Transfektionsexperimente und Reportergenanalysen deckten die Promotoraktivität der gewählten Sequenz auf.
In dem durch einen hohen Gehalt an den Nukleotiden G und C auffallenden Promotor wurden drei einzelne GC-Boxen (A, B und C) sowie eine Viererkette (Box D) und eine Tandem-GCBox (Box E) als mögliche Bindungsmotive für Sp-Transkriptionsfaktoren gefunden. Mithilfe von Kotransfektionen konnte eine Induktion der Promotoraktivität durch die Transkriptionsfaktoren Sp1 und Sp4 nachgewiesen werden, während Sp3 die Promotoraktivität in diesen Experimenten nicht beeinflusste.
Durch die gezielte Mutation oder Deletion, bzw. die Inkubation mit verschiedenen Substanzen konnten diesen GC-Boxen unterschiedliche Funktionen zugeordnet werden. Durch transiente Transfektionen stark verkürzter Promotorfragmente wurde ein für die Promotoraktivität nötiger Sequenzbereich von 170 Basenpaaren eingegrenzt. In Mutationsanalysen wurde demonstriert, dass die beiden proximalen GC-Boxen A und B für die basale Promotoraktivität essentiell sind.
Die RORα4-Promotoraktivität ließ sich zelltypabhängig durch den Phorbolester TPA induzieren. In Deletionsanalysen ließ sich dieser Effekt teilweise auf die GC-Boxen C und D zurückführen. Der distalen GC-Box E konnte ebenfalls eine Funktion zugeordnet werden. In Reportergenanalysen konnte demonstriert werden, dass sie die Induktion der Promotoraktivität durch den HDAC-Inhibitor Trichostatin A vermittelt.
Durch die Untersuchungen an den TK-luc-Konstrukten mit RORα-Responselementen konnte gezeigt werden, dass der virale Promotor aufgrund der einklonierten RORα-Responselemente sehr stark auf die Kotransfektion der RORα-Isoformen reagiert. Die Reportergenanalyse mit diesen Konstrukten stellt daher eine effiziente Methode dar, um die RORα-vermittelte Transaktivierung zu bestimmen.
Obwohl der RORα4-Promotor zahlreiche RORα-Responselemente trägt, konnte in den Kotransfektionen mit Expressionsplasmiden für die einzelnen Isoformen in keiner der drei Zelllinien eine Autoregulation gefunden werden. Ebensowenig zeigte sich ein Einfluss des putativen RORα-Liganden Melatonin auf die Promotoraktivität.
Des Weiteren wurde gezeigt, dass die RORα4-Promotoraktivität in HeLa und MCF-7-Zellen durch das cAMP-Analogon DbcAMP induzierbar ist, während in HEK 293 keine Beeinflussung der Promotoraktivität erzielt wurde. Neben der Steigerung der Promotoraktivität durch TPA, konnte mit der DbcAMP-Induktion folglich ein zweiter, zelltypabhängiger Effekt auf die RORα4-Promotoraktivität identifiziert werden.
Das positions-spezifisch integrierende TRE5-A Retrotransposon besitzt zwei Promotorregionen (A- und C-Modul). Für das C-Modul konnte ein spezifisch bindendes Protein (CbfA) gefunden werden, das vermutlich über die Expression des Minusstrang-Transkripts regulativ in den Transpositionsmechanismus eingreift. Gleichzeitig stellt CbfA in D. discoideum einen kritischen Faktor dar, der sowohl auf das Wachstum als auch auf die Differenzierung Einfluss nimmt.
Es konnte gezeigt werden:
• Der AT-Haken in CbfA ist für die DNA-Bindung essentiell. Die Inaktivierung hat zur Folge, dass keine Differenzierung stattfindet. Es scheint, dass primär der AT-Haken für die DNA-Bindung sorgt und von den Zinkfingern unterstützt wird.
• Die JmjC-Domäne in CbfA ist essentiell. Transformanden mit CbfA ohne aktive JmjC-Domäne zeigen Defekte sowohl in Wachstum als auch Differenzierung.
• CbfA ist ein nukleares Protein. Es konnte zwar keine Kernlokalisationssequenz identifiziert werden, jedoch weisen die Versuche auf zumindest eine Kernlokalisierungssequenz im C-Terminus des cbfA hin.
• Ein C-terminal verkürztes CbfA ist funktionslos: wahrscheinlich aufgrund fehlender Kernlokalisation und somit fehlender DNA-Bindung.
• Ein N-terminal verkürztes CbfA ist teilweise funktionsfähig: die Komplementation in JH.D2-Zellen führt zu einer partiellen Revertierung hin zum Phänotyp der AX2-Zellen.
• Struktur-Homologien der JmjC-Domäne in CbfA zu Mitgliedern aus der Familie der Fe(II)/2OG-Oxygenasen, DNA-bindende Motive und die Lokalisation im Zellkern weisen auf eine Funktion des CbfAs als Chromatin-Remodeller im Zellkern hin.
• In der Transit von Wachstums- zu Entwicklungsphase kann der CbfA-Mangel durch artifizielle Proteinase A-Expression ausgeglichen werden, aber nicht durch Komplementation mit YakA, Adenylat-Zyklase oder cAMP Rezeptor 1.
• CbfA fungiert wahrscheinlich als Regulator der acaA-Transkription auf Ebene der chromosomalen Strukturen.
• cbfB, ein weiteres Gen mit einer JmjC-Domäne wurde in D. discoideum identifiziert, die Gensequenz vervollständigt und vom Dictyostelium Genom-Projekt verifiziert.
Human serum albumin (HSA) nanoparticles represent a promising tool for targeted drug delivery to tumor cells. The coupling of the antibody trastuzumab to nanoparticles uses the capability of human epidermal growth factor receptor 2 (HER2)-positive cells to incorporate agents linked to HER2. In our present study, we developed targeted nanoparticles loaded with antisense oligonucleotides (ASOs) against polo-like kinase 1 (Plk1). We evaluated the receptor-mediated uptake into HER2-positive and -negative breast cancer and murine cell lines. We performed quantitative real-time PCR and Western blot analyses to monitor the impact on Plk1 expression in HER2-positive breast cancer cells. Antibody-conjugated nanoparticles showed a specific targeting to HER2-overexpressing cells with cellular uptake by receptor-mediated endocytosis and a release into HER2-positive BT-474 cells. We observed a significant reduction of Plk1 mRNA and protein expression and increased activation of Caspase 3/7. Thus, this is the first report about ASO-loaded HSA nanoparticles, where an impact on gene expression could be observed. The data provide the basis for the further development of carrier systems for Plk1-specific ASOs to reduce off-target effects evoked by systemically administered ASOs and to achieve a better penetration into primary and metastatic target cells. Treatment of tumors using trastuzumab-conjugated ASO-loaded HSA nanoparticles could be a promising approach to reach this goal.
The transcriptional regulator RcsB controls the expression of a minimum of 20 different genes having diverse functionalities and biosynthetic operons in the family of Enterobacteriaceae. While in the heterodimeric complex with the co activator RcsA, the RcsAB box consensus is recognized, DNA binding sites for RcsB without RcsA have also been identified. The conformation of RcsB might therefore be modulated upon interaction with various co activators, resulting in recognition of different DNA targets. In this study the interaction of RcsB with some of these DNA targets have been analysed by a diverse array of techniques including gel shift assay and SPR. The solution structure of the C-terminal DNA-binding domain of RcsB from Erwinia amylovora spanning amino acid residues 129-215 has been solved in this study by heteronuclear NMR spectroscopy. The C-terminal domain is composed of four α-helices where the two central helices of the H-T-H motif are similar to the structures of the regulatory proteins GerE, NarL and TraR. The DNA-binding activity of the C-terminal domain alone is established for the first time in this study and was specified by fluorescence spectroscopy, SPR and NMR titration experiments. The molecular interaction between the individual RcsB domains was analysed by cross-linking experiments and heteronuclear NMR spectroscopy and the amino acid residues of the C-terminal domain involved in this interaction were identified precisely. Another important part of this project was the cell-free production of different Trp analogue labelled RcsB protein. RcsB protein was produced in quite a good yield with different Trp analogue having spectrally enhanced properties. The isolated RcsB alloproteins proved to be ideal for protein interaction studies by fluorescence spectroscopy and the very first evidence of an oligomerization of RcsB due to molecular association has been put forth from these studies. The phosphorylated state of the RcsB protein was mimicked by a beryllofluoride complex in order to study its role in transcriptional regulation. It was found that RcsB alone could bind to DNA targets upon this modification by the beryllofluoride complex. Thus the phosphorylation of the protein that involves the Asp 56 residue induces a structural change of the protein followed probably by a domain movement also, so that the C-terminal domain having the H-T-H DNA binding motif that was previously eclipsed by the N-terminal domain is relieved of this constraint.
Nitric oxide (NO) is a potent mediator with pleiotropic functions such as inhibition of platelet aggregation, smooth muscle relaxation and regulation of neuronal transmission. These effects are mostly mediated by intracellular NO-sensitive guanylyl cyclases (GCs) which convert GTP into the second messenger, cGMP. This messenger in turn activates multiple downstream effectors such as cGMP-dependent protein kinases, cGMP-regulated ion channels and cGMPdependent phosphodiesterases. Mammalian NO-sensitive GCs are obligate heterodimers of an α and β subunit each. Given that these enzymes play a key role in cGMP-mediated pathways, one may anticipate that mechanisms other than allosteric activation via NO may exist to regulate the production and turnover of cGMP. In this thesis, novel aspects of the regulation of the most abundantly expressed GC heterodimer α1β1 are presented.
A possible mechanism of regulation that was tested here, is tyrosine phosphorylation. Using anti-phosphotyrosine antibodies, the phosphorylation of the β1 subunit was detected after incubation of β1-overexpressing COS-1 cells with protein tyrosine phosphatase (PTP) inhibitors such as pervanadate and bpV(phen). β1 phosphorylation on tyrosines was also observed in PC-12 cells which endogenously express GC and in rat aorta after inhibition of PTPs. Furthermore, hydrogen peroxide was found to be a physiological stimulus for the induction of reversible β1 tyrosine phosphorylation in intact cells. Using phenylalanine mutants of different tyrosines, residue 192 (Y192) of β1 was identified as the major phosphorylation site. Consistent with this finding, sequence analyses showed that Y192 forms part of a motif that resembles a preferential target site for Src-like kinases. When tyrosine-phosphorylated, this motif exposes a typical SH2 docking site for members of the Src kinase family.
Experiments with inhibitors of Src kinases, PP1 and PP2, clearly showed that phosphorylation of Y192 is Src-dependent. Preincubation of β1-expressing cells with these inhibitors significantly reduced the level of phosphorylated β1 after bpV(phen) treatment. Furthermore, co-expression of β1 with Src led to a strong phosphorylation of this subunit. Co-precipitation experiments showed that Src interacts with GC. Interestingly, kinases of the Src family are recruited to β1 via the SH2 domain upon phosphorylation of Y192. Together, these results indicate that Src kinases phosphorylate tyrosine 192 thereby creating a docking site for their own SH2 domains. Kinase bound to GC may then catalyze phosphorylation of GC or other downstream effectors. Inhibition of PTPs altered GC activity in two ways: it increased both the basal activity and the YC-1- and BAY 41-2272-stimulated activity two-fold, and it reduced the sensitivity of the enzyme towards NO. The detailed mechanism of action is still unknown, but experiments using the mutant β1[Y192F] demonstrated that residue 192 is not responsible for these effects.
Another major focus of this thesis was the identification of novel GC binding proteins. Using the yeast two-hybrid approach, the carboxy-terminal portion of a protein named AGAP1 (amino acid (aa) 399-804) was found to interact with the catalytic domain of α1 (aa 466-690) and with the regulatory domain of β1 (aa 1-348). Human AGAP1 is a multidomain protein of 804 amino acids with a calculated molecular mass of 89,1 kDa comprising an Arf-GAP (GAP:GTPase activating protein), a putative GTPase domain, two Ankyrin repeats and a PHdomain. Co-precipitation experiments using lysates from mammalian cells overexpressing both binding partners confirmed the interaction of AGAP1 with the GC subunits. Immunofluorescence analyses demonstrated that AGAP1 co-localizes with GC in the cytoplasm of COS-1 cells.
In Northern blots, AGAP1 mRNA was detected in various human and murine tissues showing a comparable expression pattern described for the mRNA of α1 and β1. Using an AGAP1-specific antibody, endogenous protein was precipitated from lysates of HEK-293 cells derived from human embryonic kidney. The same antibody efficiently cross-reacted with the rat homologue (rAGAP1) and immunoprecipitated endogenous rAGAP1 from lysates of PC-12 cells, aorta and heart. The molecular mass of rAGAP1 is larger than that of the human protein, possibly due to an additional exon present in the rat genome. Like β1, AGAP1 is a substrate for tyrosine kinases. Phosphorylation of AGAP1 was detected after inhibition of PTPs or by coexpression of Src. Furthermore, the kinase inhibitor PP2 strongly impaired phosphorylation of AGAP1 after pervanadate treatment suggesting that tyrosine kinases of the Src family are involved. Measurements of cGMP production showed that AGAP1 has no influence on the activity of NO-sensitive GC. Interestingly, inhibition of PTPs potently increased the complex formation between AGAP1 and GC indicating that the interaction between these two proteins is modulated by reversible tyrosine phosphorylation. Whether this effect is due to the phosphorylation of AGAP1 or GC is still unknown. AGAP1 associates with endosomes and exposes Arf-GAP activity towards Arf1 and Arf5 which are involved in vesicular transport. Thus, one may hypothesize that binding of α1β1 to AGAP1 targets GC to distinct subcellular compartments in close proximity to cGMP-dependent effectors, thereby optimizing cGMP generation and fostering cGMP-driven actions.
Taken together, these results demonstrate that beside the modulation of GC by NO the enzyme is regulated by tyrosine phosphorylation and interaction with AGAP1.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Herstellung von codierten Peptidbibliotheken durch kombinatorische Synthese, sowie deren Selektion auf Wechselwirkung mit einer verkürzten Sequenz der TAR-RNA des HI-Viruses.
Die zur Selektion benötigte RNA wurde dazu auf chemischem Wege hergestellt und mit einem Fluoreszensfarbstoff für eine optische Selektion markiert. Ausgehend von dieser RNA wurde ein Anfärbeassay entwickelt. Bei der Anwendung des Assays auf Tri- und Pentapeptide, die auf einem Polymerträger immobilisiert waren, zeigten sich einige intensiv leuchtende Polymerkügelchen. Die hellsten unter ihnen wurden selektiert. Die Synthese der Trimeren und Pentamerenbibliothek erfolgte zuvor an wasserquellbarem, polymerem Trägermaterial. Die Identifizierung der polymergebundenen Verbindungen erfolgte über die Codierung nach W.C. Still, welche im Rahmen dieser Dissertation in der Arbeitsgruppe von Hr. Prof. Göbel erfolgreich etabliert wurde und die einfache Unterscheidung zwischen Enantiomeren ermöglicht. Drei der am häufigsten auftretenden Trimerensequenzen wurden im Nachhinein erneut synthetisiert und Experimenten an Zellen zugeführt. Unabhängig davon, wurde ihre Wechselwirkung mit RNA als auch mit RNA-Peptid Komplexen direkt getestet.
Weiterhin wurde exemplarisch anhand von Aminopyridinen die Möglichkeit getestet, neuartige Synthesemonomere für die automatische Synthese polymergebundener Verbindungen darzustellen.
Die vorliegende Arbeit macht deutlich, dass man durch kombinatorische Synthese im Verbund mit gerichteter Selektion, die Entwicklung von in vitro RNA-Liganden für RNA mit bekannter Struktur vorantreiben kann. Umgekehrt müsste dies auch bald die Selektion von Liganden für strukturell nicht charakterisierte RNA ermöglichen.
Das nächste Ziel sollte, die Entwicklung weiterer Selektionstests sein und die Etablierung von NMR-Methoden, welche die genauen Bindungsmodi der selektierten Verbindungen an RNA aufklären, um somit die gezielte Synthese neuartiger Liganden vorantreiben zu können, da letztendlich das "Wie", für die Weiterentwicklung einer Leitstruktur ausschlaggebend ist.
Weiterhin sollten die Transportmechanismen von körperfremden Substanzen zu dem gewünschten Wirkort studiert werden, damit die vorab in vitro getestete Substanz auch im späteren Entwicklungsstadium in vivo die gewünschten Eigenschaften zeigen kann.
Aim of the present study was the characterization of the RORa receptor (Retinoidrelated Orphan Receptor a). RORa is a member of the nuclear receptor family and is involved into the differentiation of Purkinje cells, inflammation, arteriosclerosis, and bone mineralization. Nuclear receptors are transcription factors and mediate biological responses within target cells to outer signals such as lipophilic hormones. They are involved in development, growth, differentiation, proliferation, apoptosis, and maintenance of homeostasis. Ligand binding, posttranslational modifications, and cofactor recruitment control their activity. Nearly all nuclear receptors share a common modular structure with an Nterminal A/B region, a DNA-binding domain (DBD) that is composed of two zinc finger motifs, a hinge region, and a C-terminal ligand-binding domain (LBD). The RORs comprise the subtypes RORa, RORb, and RORg, which are encoded by different genes. All isoforms of the respective subtypes only differ in their A/B domain. This study focused mainly on the exploration of the gene structure, expression, and subcellular distribution of RORa...
Metastatic rhabdomyosarcoma (RMS) is one of the most challenging tumor entities in pediatric oncology caused by treatment resistances and immune escape. Novel chimeric antigen receptor (CAR) immunotherapies as specific, effective and safe treatment provide antitumor cytotoxicity by soluble factors and ligands/receptor signals. Besides its intrinsic potential as innate immune cell the ErbB2-sprecific CAR-engineered natural killer (NK)-92 cell line NK-92/5.28.z also provides CAR-mediated cytotoxicity, resulting in a high lytic capacity against 2D and 3D RMS cell structures in vitro. Also in a xenograft model using immune deficient NOD/Scid/IL2Rγ-/- (NSG) mice inhibited NK-92/5.28.z the tumor growth as long as the cells were administered and therefore prolonged the survival of the animals. The NK-92/5.28.z were distributed by the blood circulation and subsequently infiltrated the tumor tissue. Due to the malignant origin of the NK-92 cell line the cells must be irradiated prior to the use in patients. While the irradiation hampered the proliferation of NK-92/5.28.z cells, the cytotoxicity against RMS cells in vitro is retained for at least 24 hours. In the xenograft model irradiated NK-92/5.28.z cells inhibited the tumor growth but to a lower extent than untreated cells, as irradiated cells have only a limited life span in vivo no durable persistence and remission was achieved. Therefore, combinatorial approaches were focused and while blocking of the PD-1/PD-L1 axis did not resulted in a significantly enhanced tumor cell lysis, the combinatorial treatment with proteasome inhibitor bortezomib exhibited a significant enhanced cytotoxicity against RMS cells at least in vitro. Bortezomib itself induces caspase mediated apoptosis and also the upregulates the expression of TRAIL receptor DR5. The corresponding ligand TRAIL is expressed on the surface of the NK-92/5.28.z and pursuing experiments with purified TRAIL and bortezomib revealed a synergism. NK-92/5.28.z as an off-the-shelf product is therefore feasible for the therapy of metastatic RMS, but it might be necessary to support the cytotoxicity by additive agents like proteasome inhibitor bortezomib to archive durable remission.
Another cell population suitable for RMS CAR-immunotherapy are cytokine induced killer (CIK) cells, a heterogenous cell population generated from autologous PBMCs consisting of T, NK and T-NK cells. Lentivirally transduced ErbB2-specific CAR-CIK cells were previously shown to inhibit the tumor engraftment in a RMS xenograft model. However, lentiviral transduced adoptive immunotherapies bear risks for the transfer in patients, therefore the Sleeping Beauty Transposon System (SBTS) as a non-viral method, which integrates the CAR coding DNA by a cut-and-paste mechanism from a minicircle (MC) into the CIK cells genome is more feasible for the generation of CAR-CIK cells. The Sleeping beauty transposase mRNA and the MC were transferred in the cell by nucleofection, different factors influence the transfection efficiency and viability of the CIK cells in this harsh procedure. In preliminary experiments with MC Venus, a MC encoding eGFP, the highest transfection efficiency with the best proliferative capacity was achieved with cells on day 3 of CIK culture and without the addition of autologous monocytes as feeder cells. For the CAR construct the protocol was further improved by adjusting crucial factors, for this construct the best results were achieved on day 0, without irradiated PBMCs as feeder cells and cultivation in X-Vivo10 medium supplemented with human fresh frozen plasma. The X-Vivo10 medium enhanced the percentage of NK- and T-NK cells significantly compared to CAR-CIK cells cultured in RPMI. Since the gene transfer by SBTS resulted in CAR-CIK cells stably expressing a CAR in all subpopulations, resulting in a significantly enhanced cytotoxicity against RMS cells in vitro, these cells were compared to lentiviral transduced CAR-CIK cells in vitro and in vivo. While the SBTS CAR-CIK cells were superior to viral CAR-CIK cells in 2D short-term assays, the viral cells showed higher lytic capacity in 3D spheroid long-term assays. In a RMS xenograft model lentiviral CAR-CIK cells significantly prolonged the survival of mice and persisted, whereas SBTS CAR-CIKs did not favor the overall survival compared to untreated controls and also did not persist. Phenotypic analysis revealed a highly cytotoxic CD8+ and late effector memory dominant phenotype for SBTS CAR-CIK cells supporting short-term cytotoxicity but also more prone for exhaustion, while viral CAR-CIK cells showed a more balanced phenotype for memory and cytotoxicity. Therefore, the SBTS is feasible for the ErbB2-CAR gene transfer in CAR-CIK resulting in a stable CAR-expression with high short-term cytotoxicity, but these cells are also more prone to exhaustion and the protocol might be adapted further to prevent this limitation for in vivo application.
This work underlines the hard-to-treat characteristics of metastatic RMS, but also shows some approaches for further evaluation like the combination of NK-92/5.28.z cells with bortezomib and the feasibility of the generation of CAR-CIK cells via SBTS.
To evade the host's immune response, herpes simplex virus employs the immediate early gene product ICP47 (IE12) to suppress antigen presentation to cytotoxic T-lymphocytes by inhibition of the ATP-binding cassette transporter associated with antigen processing (TAP). ICP47 is a membrane-associated protein adopting an alpha-helical conformation. Its active domain was mapped to residues 3-34 and shown to encode all functional properties of the full-length protein. The active domain of ICP47 was reconstituted into oriented phospholipid bilayers and studied by proton-decoupled 15N and 2H solid-state NMR spectroscopy. In phospholipid bilayers, the protein adopts a helix-loop-helix structure, where the average tilt angle of the helices relative to the membrane surface is approximately 15 degrees (+/- 7 degrees ). The alignment of both structured domains exhibits a mosaic spread of approximately 10 degrees . A flexible dynamic loop encompassing residues 17 and 18 separates the two helices. Refinement of the experimental data indicates that helix 1 inserts more deeply into the membrane. These novel insights into the structure of ICP47 represent an important step toward a molecular understanding of the immune evasion mechanism of herpes simplex virus and are instrumental for the design of new therapeutics.
Through its role in intron cleavage, tRNA splicing endonuclease (TSEN) plays a critical function in the maturation of intron-containing pre-tRNAs. The catalytic mechanism and core requirement for this process is conserved between archaea and eukaryotes, but for decades, it has been known that eukaryotic TSENs have evolved additional modes of RNA recognition, which have remained poorly understood. Recent research identified new roles for eukaryotic TSEN, including processing or degradation of additional RNA substrates, and determined the first structures of pre-tRNA-bound human TSEN complexes. These recent discoveries have changed our understanding of how the eukaryotic TSEN targets and recognizes substrates. Here, we review these recent discoveries, their implications, and the new questions raised by these findings.
Rat renal mesangial cells express high levels of matrix metalloproteinase 9 (MMP-9) in response to inflammatory cytokines such as interleukin 1beta (IL-1beta). We tested whether ligands of the peroxisome proliferator-activated receptor (PPARalpha) could influence the cytokine-induced expression of MMP-9. Different PPARalpha agonists dose-dependently inhibited the IL-1beta-triggered increase in gelatinolytic activity mainly by decreasing the MMP-9 steady-state mRNA levels. PPARalpha agonists on their own had no effects on MMP-9 mRNA levels and gelatinolytic activity. Surprisingly, the reduction of MMP-9 mRNA levels by PPARalpha activators contrasted with an amplification of cytokine-mediated MMP-9 gene promoter activity and mRNA expression. The potentiation of MMP-9 promoter activity functionally depends on an upstream peroxisome proliferator-responsive element-like binding site, which displayed an increased DNA binding of a PPARalpha immunopositive complex. In contrast, the IL-1beta-induced DNA-binding of nuclear factor kappaB was significantly impaired by PPARalpha agonists. Most interestingly, in the presence of an inducible nitric-oxide synthase (iNOS) inhibitor, the PPARalpha-mediated suppression switched to a strong amplification of IL-1beta-triggered MMP-9 mRNA expression. Concomitantly, activators of PPARalpha potentiated the cytokine-induced iNOS expression. Using actinomycin D, we found that NO, but not PPARalpha activators, strongly reduced the stability of MMP-9 mRNA. In contrast, the stability of MMP-9 protein was not affected by PPARalpha activators. In summary, our data suggest that the inhibitory effects of PPARalpha agonists on cytokine-induced MMP-9 expression are indirect and primarily due to a superinduction of iNOS with high levels of NO reducing the half-life of MMP-9 mRNA.
An efficient route for delivering specific proteins and peptides into neurons could greatly accelerate the development of therapies for various diseases, especially those involving intracellular defects such as Parkinson disease. Here we report the novel use of polybutylcyanoacrylate nanoparticles for delivery of intact, functional proteins into neurons and neuronal cell lines. Uptake of these particles is primarily dependent on endocytosis via the low density lipoprotein receptor. The nanoparticles are rapidly turned over and display minimal toxicity to cultured neurons. Delivery of three different functional cargo proteins is demonstrated. When primary neuronal cultures are treated with recombinant Escherichia coli beta-galactosidase as nanoparticle cargo, persistent enzyme activity is measured beyond the period of nanoparticle degradation. Delivery of the small GTPase rhoG induces neurite outgrowth and differentiation in PC12 cells. Finally, a monoclonal antibody directed against synuclein is capable of interacting with endogenous alpha-synuclein in cultured neurons following delivery via nanoparticles. Polybutylcyanoacrylate nanoparticles are thus useful for intracellular protein delivery in vitro and have potential as carriers of therapeutic proteins for treatment of neuronal disorders in vivo.
Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) serves as a cap-like structure on cellular RNAs (NAD-RNAs) in all domains of life including the bacterium Escherichia coli. NAD also acts as a key molecule in phage-host interactions, where bacterial immune systems deplete NAD to abort phage infection. Nevertheless, NAD-RNAs have not yet been identified during phage infections of bacteria and the mechanisms of their synthesis and degradation are unknown in this context. The T4 phage that specifically infects E. coli presents an important model to study phage infections, but a systematic analysis of the presence and dynamics of NAD-RNAs during T4 phage infection is lacking. Here, we investigate the presence of NAD-RNAs during T4 phage infection in a dual manner. By applying time-resolved NAD captureSeq, we identify NAD-capped host and phage transcripts and their dynamic regulation during phage infection. We provide evidence that NAD-RNAs are – as reported earlier – generated by the host RNA polymerase by initiating transcription with NAD at canonical transcription start sites. In addition, we characterize NudE.1 – a T4 phage-encoded Nudix hydrolase – as the first phage-encoded NAD-RNA decapping enzyme. T4 phages carrying inactive NudE.1 display a delayed lysis phenotype. This study investigates for the first time the dual epitranscriptome of a phage and its host, thereby introducing epitranscriptomics as an important field of phage research.
Interferon-stimulated gene-15 (ISG15) is an interferon-induced protein with two ubiquitin-like (Ubl) domains linked by a short peptide chain, and the conjugated protein of the ISGylation system. Similar to ubiquitin and other Ubls, ISG15 is ligated to its target proteins with a series of E1, E2, and E3 enzymes known as Uba7, Ube2L6/UbcH8, and HERC5, respectively. Ube2L6/UbcH8 plays a literal central role in ISGylation, underscoring it as an important drug target for boosting innate antiviral immunity. Depending on the type of conjugated protein and the ultimate target protein, E2 enzymes have been shown to function as monomers, dimers, or both. UbcH8 has been crystalized in both monomeric and dimeric forms, but the functional state is unclear. Here, we used a combined approach of small-angle X-ray scattering (SAXS) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to characterize UbcH8′s oligomeric state in solution. SAXS revealed a dimeric UbcH8 structure that could be dissociated when fused with an N-terminal glutathione S-transferase molecule. NMR spectroscopy validated the presence of a concentration-dependent monomer-dimer equilibrium and suggested a backside dimerization interface. Chemical shift perturbation and peak intensity analysis further suggest dimer-induced conformational dynamics at ISG15 and E3 interfaces - providing hypotheses for the protein′s functional mechanisms. Our study highlights the power of combining NMR and SAXS techniques in providing structural information about proteins in solution.
Interferon-stimulated gene-15 (ISG15) is an interferon-induced protein with two ubiquitin-like (Ubl) domains linked by a short peptide chain, and the conjugated protein of the ISGylation system. Similar to ubiquitin and other Ubls, ISG15 is ligated to its target proteins with a series of E1, E2, and E3 enzymes known as Uba7, Ube2L6/UbcH8, and HERC5, respectively. Ube2L6/UbcH8 plays a literal central role in ISGylation, underscoring it as an important drug target for boosting innate antiviral immunity. Depending on the type of conjugated protein and the ultimate target protein, E2 enzymes have been shown to function as monomers, dimers, or both. UbcH8 has been crystalized in both monomeric and dimeric forms, but the functional state is unclear. Here, we used a combined approach of small-angle X-ray scattering (SAXS) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to characterize UbcH8′s oligomeric state in solution. SAXS revealed a dimeric UbcH8 structure that could be dissociated when fused with an N-terminal glutathione S-transferase molecule. NMR spectroscopy validated the presence of a concentration-dependent monomer-dimer equilibrium and suggested a backside dimerization interface. Chemical shift perturbation and peak intensity analysis further suggest dimer-induced conformational dynamics at ISG15 and E3 interfaces - providing hypotheses for the protein′s functional mechanisms. Our study highlights the power of combining NMR and SAXS techniques in providing structural information about proteins in solution.
Interferon-stimulated gene-15 (ISG15) is an interferon-induced protein with two ubiquitin-like (Ubl) domains linked by a short peptide chain, and the conjugated protein of the ISGylation system. Similar to ubiquitin and other Ubls, ISG15 is ligated to its target proteins with a series of E1, E2, and E3 enzymes known as Uba7, Ube2L6/UbcH8, and HERC5, respectively. Ube2L6/UbcH8 plays a literal central role in ISGylation, underscoring it as an important drug target for boosting innate antiviral immunity. Depending on the type of conjugated protein and the ultimate target protein, E2 enzymes have been shown to function as monomers, dimers, or both. UbcH8 has been crystalized in both monomeric and dimeric forms, but the functional state is unclear. Here, we used a combined approach of small-angle X-ray scattering (SAXS) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to characterize UbcH8’s oligomeric state in solution. SAXS revealed a dimeric UbcH8 structure that could be dissociated when fused with an N-terminal glutathione S-transferase molecule. NMR spectroscopy validated the presence of a concentration-dependent monomer-dimer equilibrium and suggested a backside dimerization interface. Chemical shift perturbation and peak intensity analysis further suggest dimer-induced conformational dynamics at ISG15 and E3 interfaces - providing hypotheses for the protein’s functional mechanisms. Our study highlights the power of combining NMR and SAXS techniques in providing structural information about proteins in solution.
Interferon-stimulated gene-15 (ISG15) is an interferon-induced protein with two ubiquitin-like (Ubl) domains linked by a short peptide chain, and the conjugated protein of the ISGylation system. Similar to ubiquitin and other Ubls, ISG15 is ligated to its target proteins with a series of E1, E2, and E3 enzymes known as Uba7, Ube2L6/UbcH8, and HERC5, respectively. Ube2L6/UbcH8 plays a literal central role in ISGylation, underscoring it as an important drug target for boosting innate antiviral immunity. Depending on the type of conjugated protein and the ultimate target protein, E2 enzymes have been shown to function as monomers, dimers, or both. UbcH8 has been crystalized in both monomeric and dimeric forms, but the functional state is unclear. Here, we used a combined approach of small-angle X-ray scattering (SAXS) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to characterize UbcH8’s oligomeric state in solution. SAXS revealed a dimeric UbcH8 structure that could be dissociated when fused with an N-terminal glutathione S-transferase molecule. NMR spectroscopy validated the presence of a concentration-dependent monomer-dimer equilibrium and suggested a backside dimerization interface. Chemical shift perturbation and peak intensity analysis further suggest dimer-induced conformational dynamics at ISG15 and E3 interfaces - providing hypotheses for the protein’s functional mechanisms. Our study highlights the power of combining NMR and SAXS techniques in providing structural information about proteins in solution.
Interferon-stimulated gene-15 (ISG15) is an interferon-induced protein with two ubiquitin-like (Ubl) domains linked by a short peptide chain, and the conjugated protein of the ISGylation system. Similar to ubiquitin and other Ubls, ISG15 is ligated to its target proteins with a series of E1, E2, and E3 enzymes known as Uba7, Ube2L6/UbcH8, and HERC5, respectively. Ube2L6/UbcH8 plays a literal central role in ISGylation, underscoring it as an important drug target for boosting innate antiviral immunity. Depending on the type of conjugated protein and the ultimate target protein, E2 enzymes have been shown to function as monomers, dimers, or both. UbcH8 has been crystalized in both monomeric and dimeric forms, but the functional state is unclear. Here, we used a combined approach of small-angle X-ray scattering (SAXS) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to characterize UbcH8’s oligomeric state in solution. SAXS revealed a dimeric UbcH8 structure that could be dissociated when fused with an N-terminal glutathione S-transferase molecule. NMR spectroscopy validated the presence of a concentration-dependent monomer-dimer equilibrium and suggested a backside dimerization interface. Chemical shift perturbation and peak intensity analysis further suggest dimer-induced conformational dynamics at ISG15 and E3 interfaces - providing hypotheses for the protein’s functional mechanisms. Our study highlights the power of combining NMR and SAXS techniques in providing structural information about proteins in solution.
Interferon-stimulated gene-15 (ISG15) is an interferon-induced protein with two ubiquitin-like (Ubl) domains linked by a short peptide chain, and the conjugated protein of the ISGylation system. Similar to ubiquitin and other Ubls, ISG15 is ligated to its target proteins with a series of E1, E2, and E3 enzymes known as Uba7, Ube2L6/UbcH8, and HERC5, respectively. Ube2L6/UbcH8 plays a literal central role in ISGylation, underscoring it as an important drug target for boosting innate antiviral immunity. Depending on the type of conjugated protein and the ultimate target protein, E2 enzymes have been shown to function as monomers, dimers, or both. UbcH8 has been crystalized in both monomeric and dimeric forms, but the functional state is unclear. Here, we used a combined approach of small-angle X-ray scattering (SAXS) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to characterize UbcH8’s oligomeric state in solution. SAXS revealed a dimeric UbcH8 structure that could be dissociated when fused with an N-terminal glutathione S-transferase molecule. NMR spectroscopy validated the presence of a concentration-dependent monomer-dimer equilibrium and suggested a backside dimerization interface. Chemical shift perturbation and peak intensity analysis further suggest dimer-induced conformational dynamics at ISG15 and E3 interfaces - providing hypotheses for the protein’s functional mechanisms. Our study highlights the power of combining NMR and SAXS techniques in providing structural information about proteins in solution.
Targeted protein degradation (TPD) has recently emerged as an exciting new drug modality. However, the strategy of developing small molecule-based protein degraders has evolved over the past two decades and has now established molecular tags that are already in clinical use, as well as chimeric molecules, PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTACs), based mainly on ligand systems developed for the two E3 ligases CRBN and VHL. The large size of the human E3 ligase family suggests that PROTACs can be developed by targeting a large diversity of E3 ligases, some of which have restricted expression patterns with the potential to design disease- or tissue-specific degraders. Indeed, many new E3 ligands have been published recently, confirming the druggability of E3 ligases. This review summarises recent data on E3 ligases and highlights the challenges in developing these molecules into efficient PROTACs rivalling the established degrader systems.
The Kinase Chemogenomic Set (KCGS): An open science resource for kinase vulnerability identification
(2019)
We describe the assembly and annotation of a chemogenomic set of protein kinase inhibitors as an open science resource for studying kinase biology. The set only includes inhibitors that show potent kinase inhibition and a narrow spectrum of activity when screened across a large panel of kinase biochemical assays. Currently, the set contains 187 inhibitors that cover 215 human kinases. The kinase chemogenomic set (KCGS) is the most highly annotated set of selective kinase inhibitors available to researchers for use in cell-based screens.
Die Zahl der gramnegativen Bakterien auf der WHO-Liste der Antibiotikaresistenzen hat in den letzten Jahrzehnten erheblich zugenommen. Schätzungen zufolge wird die Antibiotikaresistenz bis 2050 tödlicher sein als Krebs. Die äußere Membran gramnegativer Bakterien ist aufgrund ihres wichtigsten Strukturbestandteils, des Lipopolysaccharids (LPS), sehr anpassungsfähig an Umweltveränderungen. Das LPS macht gramnegative Bakterien von Natur aus resistent gegen viele Antibiotika und führt somit zu Antibiotikaresistenz. Der bakterielle ATP-bindende Kassettentransporter (ABC-Transporter) MsbA spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der bakteriellen Außenmembran, indem er das Kern-LPS durch ATP-Hydrolyse über die Innenmembran von gramnegativen Bakterien flockt. Darüber hinaus fungiert diese Floppase als Efflux-Pumpe, indem sie Medikamente durch die innere Membran transportiert, was sie zu einem interessanten Ziel für Medikamente macht. Vor kurzem wurden zwei verschiedene Klassen von MsbA-Inhibitoren entdeckt: (1) Tetrahydrobenzothiophene (TBT), die den LPS-Transport aufheben, und (2) Chinolinderivate, die sowohl die ATP-Hydrolyse als auch die LPS-Translokation blockieren. Darüber hinaus hat die Bestimmung der 3D-Struktur von MsbA durch Rontgen- und Kryo-EM mehrere interessante Zustände der Floppase ergeben. Die Kernspinresonanzspektroskopie ist eine hervorragende biophysikalische Methode zur Ergänzung der vorhandenen 3D-Strukturdaten. Insbesondere ermöglicht die Festkörper-NMR die Untersuchung von Membranproteinen in einer nativen Umgebung (z. B. in einer Lipiddoppelschicht). In der Vergangenheit hat unser Labor mithilfe der Festkörper-NMR einige detaillierte Mechanismen von MsbA aufgedeckt. Trotz der zahlreichen Fortschritte bei der Untersuchung der ABC-Transporterprotein-Superfamilie ist der spezifische Prozess der Substrattranslokation von MsbA noch immer unbekannt. Es wird angenommen, dass dieser Translokationsprozess über die Kopplungshelices (CHs) erfolgt, die sich zwischen der Transmembranregion (TMD) und der Nukleotidbindungsdomäne (NBD) befinden. Nukleotid-Bindungsdomäne (NBD). Zu diesem Zweck wird dem Zusammenspiel zwischen der TMD und der NBD über die CHs besondere Aufmerksamkeit gewidmet, mit dem Ziel, den Prozess der Substrattranslokation mithilfe von funktionellen Assays und Festkörper-NMR zu verstehen. Bei letzterem wurden spezifische Reporter in die CHs eingeführt, um Konformationsänderungen in 2D-spektroskopischen Daten zu verfolgen. Darüber hinaus wurde zeitaufgelöste NMR eingesetzt, um die Auswirkungen verschiedener Substrate in der TMD während der ATP-Hydrolyse in der NBD sichtbar zu machen. Die einzigartigen Reporter in den CHs haben Konformationsänderungen in bestimmten katalytischen Zuständen gezeigt. Darüber hinaus scheinen verschiedene Substrate die Kinetik der ATP-Hydrolyse zu beeinflussen. Die Ergebnisse zeigten, dass einige Substrate einen bevorzugten katalytischen Zustand innerhalb des ATP-Hydrolyse Zyklus aufweisen, der möglicherweise einen gekoppelten oder ungekoppelten Kinasemechanismus hat. Diese Ergebnisse könnten verschiedene Einblicke in die molekulare Struktur potenzieller neuer Antibiotika liefern.
G protein-coupled receptors (GPCRs) play a crucial role in modulating physiological responses and serve as the main drug target. Specifically, salmeterol and salbutamol which are used for the treatment of pulmonary diseases, exert their effects by activating the GPCR β2-adrenergic receptor (β2AR). In our study, we employed coarse-grained molecular dynamics simulations with the Martini 3 force field to investigate the dynamics of drug molecules in membranes in presence and absence of β2AR. Our simulations reveal that in more than 50% of the flip-flop events the drug molecules use the β2AR surface to permeate the membrane. The pathway along the GPCR surface is significantly more energetically favorable for the drug molecules, which was revealed by umbrella sampling simulations along spontaneous flip-flop pathways. Furthermore, we assessed the behavior of drugs with intracellular targets, such as kinase inhibitors, whose therapeutic efficacy could benefit from this observation. In summary, our results show that β2AR surface interactions can significantly enhance membrane permeation of drugs, emphasizing their potential for consideration in future drug development strategies.
The simultaneous inhibition of HDACs and BET proteins has shown promising anti-proliferative effects against different cancer types, including the difficult to treat pancreatic cancer. In this work, the strategy of concurrently targeting HDACs and BET proteins was pursued by developing different types of dual inhibitors.
By developing a novel scaffold that selectively inhibits HDAC1/2 together with BET proteins in cells, an effective tool for the investigation of pancreatic cancer, and other diseases which are sensitive to epigenetic processes, was created. The compound’s small size further gives the opportunity to further develop the inhibitor towards optimized pharmacokinetic properties, potentially resulting in a drug for cancer treatment.
A second novel approach that was pursued, was the development of a small-molecule degrader, targeting HDACs and BET proteins. Through synthesizing a variety of different molecules, a compound that was capable of lowering BRD4 levels and, at the same time, increasing histone acetylation was developed. While additional mechanistic investigations are needed to verify the degradation, the potent antiproliferative effects in pancreatic cancer cells encourage further studies following this alternative new strategy.
Molekulare Werkzeuge können in der Wissenschaft unter anderem dazu verwendet werden, biochemische Prozesse gezielt zu untersuchen, um sie somit besser zu verstehen. Dabei handelt es sich zum Beispiel, um kleine chemische Moleküle, die gezielt für ihr Anwendungsgebiet konzipiert worden sind. Mit Ihnen lassen sich z.B. Interaktionen zwischen (Makro-)Molekülen regulieren, chemische Gleichgewichte lokal verändern oder auch Botenstoffe zielgerichtet freisetzen. Die Effekte dieser temporären Einwirkung auf verschiedenste biologische Systeme können hilfreiche Erkenntnisse struktureller, funktioneller oder systematischer Art für die entsprechenden Forschungsgebiete liefern.
Um die interdisziplinären Problemstellungen zielgerichtet mit den entsprechend zugeschnittenen Werkzeugen zu adressieren, ist es dabei jedoch absolut notwendig, dass ein umfassendes und über die Grenzen der jeweiligen Fachgebiete hinaus gehendes Verständnis der jeweiligen Fragestellungen entwickelt wird.
Viele der bisher bekannten Werkzeuge benötigen für ihren Einsatz bis heute noch relativ harsche Reaktionsbedingungen, haben ein eingeschränktes Anwendungsfeld oder lassen sich nicht ausreichend Zeit- & Ortsaufgelöst „aktivieren“. Die Möglichkeit Licht als externes Trigger-Signal zu verwenden, um die entsprechenden molekularen Werkzeuge zu aktivieren (oder auch zu deaktivieren), überwindet genau diese Defizite und bringt neben der hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung noch viele weitere Vorteile mit sich. Im Rahmen meiner Doktorarbeit ist es mir gelungen gemeinsam mit meinen Kooperationspartnern neue lichtaktivierbare molekulare Werkzeuge von Grund auf zu designen, zu synthetisieren, sie auf ihre photochemischen Eigenschaften zu untersuchen und sie anzuwenden. Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Doktoranden aus der Organischen, Theoretischen und Physikalischen Chemie, konnte ein umfassendes Bild dieser neuen Substanzklassen aufgezeigt werden. Die verschiedenen Arten lichtaktivierbarer Werkzeuge sollen im Verlauf dieser Arbeit genauer herausgearbeitet werden. Generell kann man in drei grundlegenden Klassen von lichtaktivierbaren Werkzeugen unterscheiden: 1. irreversibel photolabile Schutzgruppen, 2. photoaktivierbare Label und 3. reversibel lichtschaltbare Photoschalter.
Auf dem Gebiet der photolabilen Schutzgruppen, auch photoaktivierbare Schutzgruppen oder Photocages genannt, ist es uns gelungen eine neue Spezies von Molekülen zu identifizieren, die dazu in der Lage sind, nach photochemischer Anregung eine spezifische Bindung innerhalb ihres molekularen Gerüsts zu spalten. Möglich gemacht wurde dies, indem wir den sog. „uncaging Prozess ganz neu gedacht“ haben und mit der Unterstützung von Theorie und Spektroskopie unsere Ergebnisse in einer Struktur-Aktivitäts-Beziehungs-Studie (SAR) festhalten konnten. Aus einer Substanzbibliothek von diversen theoretisch berechneten Kandidaten, wurden die vielversprechendsten Verbindungen anschließend synthetisiert und photochemisch charakterisiert. Nach initialen Untersuchungen und den daraus hervorgehenden Erkenntnissen, wurden weitere molekulare Struktur auf die Optimierungen der photochemischen Eigenschaften hin theoretisch berechnet und anschließend im Labor realisiert. Daraus resultierend entwickelten wir einen Photocage, der mit einer hohen Quantenausbeute mit Licht von über 450 nm photolysierbar ist und ebenfalls dazu in der Lage ist Neurotransmitter wie z.B. Glutamat zielgerichtet und lichtaktiviert freizusetzen. Eine weitere Struktur-Aktivitäts-Beziehungs-Studie wurde im Rahmen dieser Arbeit mit dem Isatin-Gerüst als potentiell neue photolabile Schutzgruppe durchgeführt.
Ebenfalls konnten in einer dritten Studie auf dem Gebiet der photolabilen Schutzgruppen Untersuchungen am Coumarin-Grundgerüst zeigen, dass eine systematische Einschränkung der Relaxationspfade im Molekül eine Verbesserung der photochemischen Eigenschaften mit sich bringen kann.
Photoaktivierbare Label werden in den verschiedensten Bereichen der Wissenschaft angewendet. Meist erlauben jedoch die chemischen Moleküle nur eine begrenzte „Beobachtungszeit“ der biochemischen Prozesse aufgrund der effizienten und damit schnellen Relaxationspfade zurück in den Grundzustand. Zu Beginn der durchgeführten Untersuchungen, bestand unsere Idee darin, die selektive Prä-IR-Anregung mit Hilfe eines UV/vis-Pulses (entsprechend der VIPER-Spektrokopie) in ein langlebiges Triplett-Signal eines geeigneten Chromophors zu überführen, welches anschließend für die Beobachtung vergleichsweise lang-lebiger biochemischer Prozesse verwendet werden könnte. Aus dieser Idee heraus entwickelten wir einen Chromophor, der neben einer Absorption im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, zusätzlich eine IR-adressierbare funktionelle Gruppe, sowie die Eigenschaft, ein effizientes Inter-System-Crossing (ISC) nach photochemischer Anregung durchzuführen, besaß. Zu unserem Erstaunen zeigte dieses Derivat jedoch nach erfolgreicher Synthese nicht das erwartete Verhalten. Ein weiteres Beispiel für die hochgradige Komplexität der Photochemie.
Mit Hilfe von theoretischen und spektroskopischen Methoden konnten dennoch viele hilfreiche Erkenntnisse aus dieser Studie für zukünftige Untersuchungen aufgedeckt werden.
Ebenso war es während meiner Promotion eines der Ziele, den Schaltprozess des sog. Fulgid-Photoschalters genauer zu untersuchen und somit besser zu verstehen. Hierbei handelt es sich um ein ausgesprochen beständiges, photochemisch reversibel schaltbares Molekül, auch wenn dies vielleicht auf den ersten Blick ein Widerspruch in sich zu sein scheint. Es gelang uns diesen Photoschalter, genauer gesagt seine Photo-Isomere, auf dem Gebiet der chemischen Aktinometrie zu etablieren.
Dafür waren zahlreiche Messungen diverser Reaktivitäten (photochemische Reaktions-Quantenausbeuten) in verschiedenste Wellenlängenbereiche vom Nah-UV-Bereich bis hin zur 700 nm Grenze erforderlich. Außerdem wurden alle Werte mit der Referenzmessung einer Photodiode bzw. je nach Wellenlängenbereich auch mit der klassischen Ferri-Oxalat-Aktinometrie verglichen. Im Anschluss daran fokussierte ich mich weiter auf die einzelnen Photo-Isomere und ihre einzigartige chemische Struktur. Mit Hilfe der chiralen HPLC gelang es uns die einzelnen Photo-Isomere voneinander zu isolieren und diese mit verschiedensten photochemischen und theoretischen Methoden „genauer unter die Lupe“ zu nehmen. Die aus dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse bereiten den Weg für diverse, zukünftige spektroskopische Anwendungen dieses Photoschalters.
The enzyme acetyl-CoA carboxylase (ACC) plays a crucial role in fatty acid metabolism. In recent years, ACC has been recognized as a promising drug target for treating different diseases. However, the role of ACC in vascular endothelial cells (ECs) has been neglected so far. To characterize the role of ACC, we used the ACC inhibitor, soraphen A, as a chemical tool, and also a gene silencing approach. We found that ACC1 was the predominant isoform in human umbilical vein ECs as well as in human microvascular ECs and that soraphen A reduced the levels of malonyl-CoA. We revealed that ACC inhibition shifted the lipid composition of EC membranes. Accordingly, membrane fluidity, filopodia formation, and migratory capacity were reduced. The antimigratory action of soraphen A depended on an increase in the cellular proportion of PUFAs and, most importantly, on a decreased level of phosphatidylglycerol. Our study provides a causal link between ACC, membrane lipid composition, and cell migration in ECs. Soraphen A represents a useful chemical tool to investigate the role of fatty acid metabolism in ECs and ACC inhibition offers a new and valuable therapeutic perspective for the treatment of EC migration-related diseases.
5-Lipoxygenase (5-LO) catalysis is positively regulated by Ca2+ ions and phospholipids that both act via the N-terminal C2-like domain of 5-LO. Previously, we have shown that 1-oleoyl-2-acetylglycerol (OAG) functions as an agonist for human polymorphonuclear leukocytes (PMNL) in stimulating 5-LO product formation. Here we have demonstrated that OAG directly stimulates 5-LO catalysis in vitro. In the absence of Ca2+ (chelated using EDTA), OAG strongly and concentration-dependently stimulated crude 5-LO in 100,000 x g supernatants as well as purified 5-LO enzyme from PMNL. Also, the monoglyceride 1-O-oleyl-rac-glycerol and 1,2-dioctanoyl-sn-glycerol were effective, whereas various phospholipids did not stimulate 5-LO. However, in the presence of Ca2+, OAG caused no stimulation of 5-LO. Also, phospholipids or cellular membranes abolished the effects of OAG. As found previously for Ca2+, OAG renders 5-LO activity resistant against inhibition by glutathione peroxidase activity, and this effect of OAG is reversed by phospholipids. Intriguingly, a 5-LO mutant lacking tryptophan residues (Trp-13, -75, and -102) important for the binding of the 5-LO C2-like domain to phospholipids was not stimulated by OAG. We conclude that OAG directly stimulates 5-LO by acting at a phospholipid binding site located within the C2-like domain.
Recently, we reported that in crude enzyme preparations, a monocyte-derived soluble protein (M-DSP) renders 5-lipoxygenase (5-LO) activity Ca2+-dependent. Here we provide evidence that this M-DSP is glutathione peroxidase (GPx)-1. Thus, the inhibitory effect of the M-DSP on 5-LO could be overcome by the GPx-1 inhibitor mercaptosuccinate and by the broad spectrum GPx inhibitor iodoacetate, as well as by addition of 13(S)-hydroperoxy-9Z,11E-octadecadienoic acid (13(S)-HPODE). Also, the chromatographic characteristics and the estimated molecular mass (80-100 kDa) of the M-DSP fit to GPx-1 (87 kDa), and GPx-1, isolated from bovine erythrocytes, mimicked the effects of the M-DSP. Intriguingly, only a trace amount of thiol (10 micro M GSH) was required for reduction of 5-LO activity by GPx-1 or the M-DSP. Moreover, the requirement of Ca2+ allowing 5-LO product synthesis in various leukocytes correlated with the respective GPx-1 activities. Mutation of the Ca2+ binding sites within the C2-like domain of 5-LO resulted in strong reduction of 5-LO activity by M-DSP and GPx-1, also in the presence of Ca2+. In summary, our data suggest that interaction of Ca2+ at the C2-like domain of 5-LO protects the enzyme against the effect of GPx-1. Apparently, in the presence of Ca2+, a low lipid hydroperoxide level is sufficient for 5-LO activation.
5-lipoxygenase (5-LO), the key enzyme in leukotriene biosynthesis, is expressed in a tissue- and cell differentiation-specific manner. The 5-LO core promoter required for basal promoter activity has a unique (G+C)-rich sequence that contains five tandem Sp1 consensus sequences. The mechanisms involved in the regulation of cell type-specific 5-LO expression are unknown. Here we show that 5-LO expression is regulated by DNA methylation. Treatment of the 5-LO-negative cell lines U937 and HL-60TB with the demethylating agent 5-aza-2'-deoxycytidine (AdC) up-regulated expression of 5-LO primary transcripts and mature mRNA in a similar fashion, indicating that AdC stimulates 5-LO gene transcription. Analysis of the methylation status of the 5-LO promoter revealed that the core promoter region was methylated in U937 and HL-60TB cells, whereas it was unmethylated in the 5-LO-positive parent HL-60 cell line. Reporter gene assays with 5-LO promoter constructs gave up to 68- and 655-fold repression of 5-LO promoter activity in HeLa and Mono Mac 6 cells by methylation. 1,25-dihydroxyvitamin D(3) and transforming growth factor-beta (TGFbeta), potent inducers of the 5-LO pathway in myeloid cell lines, increased 5-LO RNA expression in HL-60TB and U937 cells, but co-treatment with AdC was required to achieve 5-LO expression levels in HL-60TB cells that were comparable with wild-type HL-60 cells. In reporter gene assays, 1,25-dihydroxyvitamin D(3) and TGFbeta were unable to induce promoter activity when the 5-LO promoter constructs were methylated, which suggests that 5-LO promoter demethylation is a prerequisite for the high level induction of 5-LO gene expression by 1,25-dihydroxyvitamin D(3) and TGFbeta and that the effects of both agents on 5-LO mRNA expression are not related to DNA methylation.
Nukleinsäuren und Proteine bilden zusammen mit den Kohlenhydraten und Lipiden die vier großen Gruppen der Biomoleküle. Dabei setzen sich Nukleinsäuren aus einer variierenden Abfolge von Nukleotiden zusammen. Gleiches trifft auf die Proteine zu, wobei deren Bausteine als Aminosäuren bezeichnet werden. Die Reihenfolge der Bausteine bestimmt zusammen mit der Interaktion, die die einzelnen Bestandteile untereinander eingehen, deren Funktion. Um deren Wirkungsweise verstehen und nachverfolgen zu können, wurden unterschiedliche Methoden entwickelt, zu welchen auch die EPR-Spektroskopie gehört.
Durch den Einbau modifizierter Nukleotide oder Aminosäuren lassen sich Spinlabel in die sonst EPR-inaktiven Nukleinsäuren und Proteine einführen. Diese Marker lassen sich grundsätzlich in drei Klassen unterteilen (Metallionen, Nitroxidradikale und TAMs), weisen aber immer mindestens ein ungepaartes Elektronenpaar auf. Die Festphasensynthese ist eine Standardprozedur zur Herstellung von markierten Nukleinsäuren und Proteinen. Allerdings führen die Bedingungen dieser Methode zumindest teilweise zur Zersetzung der Nitroxidradikale, die dieser Arbeit zugrunde liegen, wenn sie direkt während der Synthese eingebaut werden. Der direkte Einbau ist aber in vielen Fällen essenziell, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen.
Um den Abbau des Nitroxidradikals während der Festphasensynthese zu verhindern, kann dieses vorübergehend mit einer Schutzgruppe versehen werden, welche sich anschließend wieder abspalten lässt.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt hierbei auf der Darstellung neuer photolabil geschützter Spinlabel zur Synthese markierter Proteine und Nukleinsäuren.
Basierend auf den Nukleotiden Uridin und Cytidin konnten zwei für die RNA-Synthese vorgesehene Phosphoramidite synthetisiert werden, welche jeweils an der 5-Position des Pyrimidinrings mit einem photolabil geschützten Spinlabel auf Basis von TPA versehen waren. Durch Einbau des Uridinderivats in das Neomycin-Aptamer konnte zudem der Einfluss der Spinlabel auf die lokale Struktur mit Hilfe von in-line probing gezeigt werden.
Der gleiche TPA-Label konnte ebenfalls mit einem Lysin gekuppelt werden, welches später über ein orthogonales tRNA/Aminoacyl-tRNA Synthetase Paares in eine Polypeptid eingebaut werden sollte. In Kooperation mit dem AK Grininger ist auch ein nicht geschützter Spinlabel zur kupferfreien Markierung der Fettsäuresynthase entstanden. Abschließend war noch die Synthese eines auf Phenylalanin basierenden photolabil geschützten Spinlabel in Arbeit, welcher jedoch nicht beendet werden konnte. Dieser sollte mittels Festphasensynthese einbaubar sein, weswegen er am N-Terminus mit Fmoc geschützt ist.
Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is a powerful and popular technique for probing the molecular structures, dynamics and chemical properties. However the conventional NMR spectroscopy is bottlenecked by its low sensitivity. Dynamic nuclear polarization (DNP) boosts NMR sensitivity by orders of magnitude and resolves this limitation. In liquid-state this revolutionizing technique has been restricted to a few specific non-biological model molecules in organic solvents. Here we show that the carbon polarization in small biological molecules, including carbohydrates and amino acids, can be enhanced sizably by in situ Overhauser DNP (ODNP) in water at room temperature and at high magnetic field. An observed connection between ODNP 13C enhancement factor and paramagnetic 13C NMR shift has led to the exploration of biologically relevant heterocyclic compound indole. The QM/MM MD simulation underscores the dynamics of intermolecular hydrogen bonds as the driving force for the scalar ODNP in a long-living radical-substrate complex. Our work reconciles results obtained by DNP spectroscopy, paramagnetic NMR and computational chemistry and provides new mechanistic insights into the high-field scalar ODNP.
Upon antibiotic stress Gram-negative pathogens deploy resistance-nodulation-cell division-type tripartite efflux pumps. These include a H+/drug antiporter module that recognizes structurally diverse substances, including antibiotics. Here, we show the 3.5 Å structure of subunit AdeB from the Acinetobacter baumannii AdeABC efflux pump solved by single-particle cryo-electron microscopy. The AdeB trimer adopts mainly a resting state with all protomers in a conformation devoid of transport channels or antibiotic binding sites. However, 10% of the protomers adopt a state where three transport channels lead to the closed substrate (deep) binding pocket. A comparison between drug binding of AdeB and Escherichia coli AcrB is made via activity analysis of 20 AdeB variants, selected on basis of side chain interactions with antibiotics observed in the AcrB periplasmic domain X-ray co-structures with fusidic acid (2.3 Å), doxycycline (2.1 Å) and levofloxacin (2.7 Å). AdeABC, compared to AcrAB-TolC, confers higher resistance to E. coli towards polyaromatic compounds and lower resistance towards antibiotic compounds.
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.
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.
The covalent conjugation of ubiquitin-fold modifier 1 (UFM1) to proteins generates a signal that regulates transcription, response to cell stress, and differentiation. Ufmylation is initiated by ubiquitin-like modifier activating enzyme 5 (UBA5), which activates and transfers UFM1 to ubiquitin-fold modifier-conjugating enzyme 1 (UFC1). The details of the interaction between UFM1 and UBA5 required for UFM1 activation and its downstream transfer are however unclear. In this study, we described and characterized a combined linear LC3-interacting region/UFM1-interacting motif (LIR/UFIM) within the C terminus of UBA5. This single motif ensures that UBA5 binds both UFM1 and light chain 3/γ-aminobutyric acid receptor-associated proteins (LC3/GABARAP), two ubiquitin (Ub)-like proteins. We demonstrated that LIR/UFIM is required for the full biological activity of UBA5 and for the effective transfer of UFM1 onto UFC1 and a downstream protein substrate both in vitro and in cells. Taken together, our study provides important structural and functional insights into the interaction between UBA5 and Ub-like modifiers, improving the understanding of the biology of the ufmylation pathway.
Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von molekularen Systemen, die aus mehreren Chromophoren bestehen und über einen Zweiphotonen-Prozess aktiviert werden können.
Die Zweiphotonen-Absorption (2PA) beschreibt die nahezu simultane Absorption zweier Photonen, deren Summe die Energie ergibt, die für den entsprechenden elektronischen Übergang nötig ist. Da für die Anregung somit zwei niederenergetische Photonen benötigt werden, kann für die 2PA Nahinfrarot-Licht (NIR-Licht) verwendet werden, welches eine geringe Phototoxizität aufweist und eine tiefe Gewebedurchdringung ermöglicht. Weiterhin wird durch die intrinsische dreidimensionale Auflösung der 2PA eine hohe Ortsauflösung der Photoaktivierung erzielt.
Photolabile Schutzgruppen (PPGs) bzw. Photocages sind chemische Verbindungen, die der vorübergehenden Maskierung der biologischen Funktion eines (Makro-)Moleküls dienen. Sie können durch Licht geeigneter Wellenlängen abgespalten werden (uncaging), wodurch die Aktivität des geschützten Substrats wiederhergestellt wird. Leider weisen viele der etablierten PPGs schlechte Zweiphotonen-Eigenschaften auf. Um die 2P-Aktivität einer PPG zu erhöhen, kann sie kovalent mit einem guten Zweiphotonen-Absorber verknüpft werden, der bei Bestrahlung das Licht über einen Zweiphotonen-Prozess absorbiert und anschließend mittels Energietransfer auf die photolabile Schutzgruppe überträgt. Dies führt schließlich zur Uncaging-Reaktion.
Im Zuge von Projekt I dieser Dissertation wurde eine solche molekulare Dyade für verbessertes Zweiphotonen-Uncaging bestehend aus einem Rhodamin-Fluorophor als Zweiphotonen-Absorber und einem Rotlicht-absorbierenden BODIPY als photolabile Schutzgruppe hergestellt und charakterisiert. Die Zweiphotonen-Aktivität des Fluorophors wurde mittels TPEF-Messungen (two-photon excited fluorescence) untersucht. Anschließend wurde das Rhodamin an einen 3,5-Distyryl-substituierten BODIPY-Photocage gekuppelt. Der Energietransfer innerhalb dieser Dyade wurde mithilfe von transienter Ultrakurzzeit-Spektroskopie und quantenmechanischen Berechnungen untersucht. Die Freisetzung der Abgangsgruppe para-Nitroanilin (PNA) bei Belichtung der Dyade konnte sowohl nach Einphotonen-Anregung des Rhodamins als auch des BODIPYs mithilfe von UV/vis-Absorptionsmessungen qualitativ nachgewiesen werden.
Da die Uncaging-Reaktion allerdings nicht besonders effektiv war, wurde für die Weiterführung des Projekts ein neuer BODIPY Photocage, der eine verbesserte Photolyse-Effizienz und eine höhere Photostabilität aufwies, verwendet und erneut an einen Rhodamin-Fluorophor geknüpft. Anhand dieser optimierten Dyade konnte die Einphotonen-Photolyse quantifiziert, d.h. eine Uncaging-Quantenausbeute für die Freisetzung von PNA bestimmt werden. Weiterhin wurde beobachtet, dass die Photolyse der Dyade mit einer deutlichen Änderung ihrer Fluoreszenzeigenschaften einherging. Dies ermöglichte einen Nachweis des Zweiphotonen-Uncagings mithilfe eines Fluoreszenzmikroskops. Die Dyaden-Moleküle wurden zur Immobilisierung in Liposomen eingeschlossen und unter dem konfokalen Fluoreszenzmikroskop belichtet. Sowohl nach Einphotonen- als auch nach Zweiphotonen-Anregung der Rhodamin-Einheit konnte die gewünschte Fluoreszenzänderung beobachtet und somit das Uncaging bestätigt werden.
In Projekt II der Dissertation wurde ein photoaktivierbarer Fluorophor (PAF) hergestellt. PAFs liegen in ihrer geschützten Form dunkel vor. Durch die Aktivierung mit Licht können sie Fluoreszenzsignale emittieren. Sie liefern somit ein direktes Feedback über die Lichtverteilung und –intensität innerhalb einer Probe und werden somit unter anderem für die Charakterisierung und Optimierung von Belichtungsapparaturen verwendet. Besonders wünschenswert ist hierbei eine Fluoreszenzaktivierung mit sichtbarem Licht bzw. mit NIR-Licht über einen Zweiphotonen-Prozess.
Im Zuge der Arbeit wurde ein Rhodamin-Derivat synthetisiert, das durch die Anbringung eines DEACM450-Photocages in seine nichtemittierende Form gezwungen wurde. Bei Bestrahlung mit 455 nm konnte die Abspaltung der Cumarin-Schutzgruppe und der damit verbundene Anstieg der Rhodamin-Fluoreszenz beobachtet und eine Uncaging-Quantenausbeute bestimmt werden. Für die Untersuchung der Zweiphotonen-Photolyse wurde der geschützte Fluorophor in einem Hydrogel immobilisiert und unter dem konfokalen Fluoreszenzmikroskop betrachtet werden. Anschließend wurden Fluoreszenzbilder vor und nach Photoanregung von bestimmten Regionen des Hydrogels aufgenommen. Durch das Uncaging der Probe konnten helle, definierte Muster geschrieben und ausgelesen werden. Die Photoaktivierung führte dabei sowohl über die Einphotonen-Anregung mit blauem Licht (488 nm) als auch über die Zweiphotonen-Anregung mit NIR-Licht (920 nm) zur Generierung von stabilen, gleichmäßigen Fluoreszenzmustern mit hohem Kontrast.
Isothermal titration calorimetry (ITC) is a widely used technique for the characterization of protein-protein and protein-ligand interactions. It provides information on the stoichiometry, affinity, and the thermodynamic driving forces of interactions. This chapter exemplifies the use of ITC to investigate interactions between human autophagy modifiers (LC3/GABARAP proteins) and their interaction partners, the LIR motif containing sequences. The purpose of this report is to present a detailed protocol for the production of LC3/GABARAP-interacting LIR peptides using E. coli expression systems. In addition, we outline the design of ITC experiments using the LC3/GABARAP:peptide interactions as an example. Comprehensive troubleshooting notes are provided to facilitate the adaptation of these protocols to different ligand-receptor systems. The methodology outlined for studying protein-ligand interactions will help to avoid common errors and misinterpretations of experimental results.
RcsF, a proposed auxiliary regulator of the regulation of capsule synthesis (rcs) phosphorelay system, is a key element for understanding the RcsC-D-A/B signaling cascade, which is responsible for the regulation of more than 100 genes and is involved in cell division, motility, biofilm formation, and virulence. The RcsC-D-A/B system is one of the most complex bacterial signal transduction pathways, consisting of several membrane-bound and soluble proteins. RcsF is a lipoprotein attached to the outer membrane and plays an important role in activating the RcsC-d-A/B pathway. The exact mechanism of activation of the rcs phosphorelay by RcsF, however, remains unknown. We have analyzed the sequence of RcsF and identified three structural elements: 1) an N-terminal membrane-anchored helix (residues 3-13), 2) a loop (residues 14-48), and 3) a C-terminal folded domain (residues 49-134). We have determined the structure of this C-terminal domain and started to investigate its interaction with potential partners. Important features of its structure are two disulfide bridges between Cys-74 and Cys-118 and between Cys-109 and Cys-124. To evaluate the importance of this RcsF disulfide bridge network in vivo, we have examined the ability of the full-length protein and of specific Cys mutants to initiate the rcs signaling cascade. The results indicate that the Cys-74/Cys-118 and the Cys-109/Cys-124 residues correlate pairwise with the activity of RcsF. Interaction studies showed a weak interaction with an RNA hairpin. However, no interaction could be detected with reagents that are believed to activate the rcs phosphorelay, such as lysozyme, glucose, or Zn(2+) ions.
Hypoxia potentiates palmitate-induced pro-inflammatory activation of primary human macrophages
(2015)
Pro-inflammatory cytokines secreted by adipose tissue macrophages (ATMs) contribute to chronic low-grade inflammation and obesity-induced insulin resistance. Recent studies have shown that adipose tissue hypoxia promotes an inflammatory phenotype in ATMs. However, our understanding of how hypoxia modulates the response of ATMs to free fatty acids within obese adipose tissue is limited. We examined the effects of hypoxia (1% O2) on the pro-inflammatory responses of human monocyte-derived macrophages to the saturated fatty acid palmitate. Compared with normoxia, hypoxia significantly increased palmitate-induced mRNA expression and protein secretion of IL-6 and IL-1β. Although palmitate-induced endoplasmic reticulum stress and nuclear factor κB pathway activation were not enhanced by hypoxia, hypoxia increased the activation of JNK and p38 mitogen-activated protein kinase signaling in palmitate-treated cells. Inhibition of JNK blocked the hypoxic induction of pro-inflammatory cytokine expression, whereas knockdown of hypoxia-induced transcription factors HIF-1α and HIF-2α alone or in combination failed to reduce IL-6 and only modestly reduced IL-1β gene expression in palmitate-treated hypoxic macrophages. Enhanced pro-inflammatory cytokine production and JNK activity under hypoxia were prevented by inhibiting reactive oxygen species generation. In addition, silencing of dual-specificity phosphatase 16 increased normoxic levels of IL-6 and IL-1β and reduced the hypoxic potentiation in palmitate-treated macrophages. The secretome of hypoxic palmitate-treated macrophages promoted IL-6 and macrophage chemoattractant protein 1 expression in primary human adipocytes, which was sensitive to macrophage JNK inhibition. Our results reveal that the coexistence of hypoxia along with free fatty acids exacerbates macrophage-mediated inflammation.
Einfache elektrochemische Methode zur Bestimmung von Chlorit in wässrigen und nicht-wässrigen Systemen Stoffe bzw. Verbindungen, welche nachweislich krebserregend oder fruchtbarkeitsschädigend sind, werden seit Jahren, insbesondere durch die WHO, streng reguliert. Zu diesen Stoffen zählt u. a. Chlorit, welches als Abbauprodukt in Desinfektionsmitteln, Poolwassern und im Rahmen von organischen Oxidationsprozessen vorkommt. Im Rahmen des Projektes sollte eine elektrochemische Methode zu Detektion von Chlorit in wässrigen und organischen Proben entwickelt werden, wobei auf eine Glaskohlenstoffelektrode in Kombination mit Li [NTf]2 im Wässrigen und [Bmpyrr][NTf]2/MeOH im Organischen als Elektrolyten zurückgegriffen wurden.
Bei der Methodenentwicklung wurde auf Differentielle-Puls-Voltammetrie zurückgegriffen, da diese im Vergleich zum Cyclovoltammetrie deutlich empfindlicher ist. Die Methodenvalidierung nach ICH-Guidelines konnte erfolgreich durchgeführt werden Dabei konnte im Wässrigen eine Nachweisgrenze von 0.07 mg L-1 (Organisch: 0.20 mg L-1) erhalten werden. Beide lagen deutlich unter den WHO-Grenzwerten von 0.7 mg L-1. Die Selektivität/Interferenz wurde gegenüber den übrigen Chlor-Spezies getestet; für alle Spezies, außer Hypochlorit, konnten für die Wiederfindungsrate von Chlorit Werte nahe 100% erhalten werden. Die entwickelte Methode konnte erfolgreich auf wässrige (Poolproben, Desinfektionsmittel) und organische Proben (aus Pinnick-Synthesen) angewendet werden. Insbesondere durch die Anwendung im Bereich der Pinnick-Oxidation war der Sensor für mögliche In-Line-Analytik geeignet. Bei den organischen Proben konnte zudem die ionische Flüssigkeit zu 92% zurückgewonnen werden, was den Elektrolyten in Hinblick auf Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit noch attraktiver macht.
Entwicklung ionenchromatographischer Methoden zur Detektion von Chloroxo-Spezies
Der Bedarf an schnellen, kostengünstigen Analysemethoden, welche den Vorgaben der einzelnen Behörden weltweit entsprechen, ist in den letzten Jahren enorm gestiegen. Im Rahmen des Projektes sollte eine ionenchromatographische Methode (IC) entwickelt werden, welche neben den Chloroxo-Spezies (Chlorid, Hypochlorit, Chlorit, Chlorat und Perchlorat) auch die bekannten Standardionen (Fluorid, Bromid, Nitrat, Phosphat, Sulfat, Iodid) nachweisbar macht. Zunächst gelang es, die Methodenparameter zu optimieren und so die Chloro-Spezies, außer Hypochlorit, von den übrigen Standardanionen innerhalb von 50 Minuten vollständig zu trennen. Die Methode konnte in der weiteren Entwicklung sogar noch um die Detergenzien-Anionen Acetat, Formiat, Oxalat und Tartrat erweitert werden. (ASupp 7, 45 °C, 0.8 mL min-1, 6 mmol L-1 Na2CO3 / 1 mmol L-1 NaHCO3 + 10% Acetonitril). Auch alle notwendigen Validierungsparameter konnten erfolgreich bestimmt werden. Zuletzt war es möglich, erfolgreich unterschiedliche Realproben zu vermessen.
Da ein Nachweis von Hypochlorit mittels IC nicht möglich war, wurden weitere Anstrengung unternommen, dieses Anion mittels IC-PCR (Nachsäulenderivatisierung) nachzuweisen. Als Detektionsprinzip wurde dabei auf eine Bromat-Nachweis-Methode mittels UV/VIS zurückgegriffen, welche im Rahmen des Projektes angepasst wurde. Da davon ausgegangen werden muss, dass das Hypochlorit mit reaktiven Stellen innerhalb des Säulenmaterials reagiert und somit nicht mehr detektiert werden kann, wurden Passivierungsexperimente an der Vorsäule und Säule für 24 h mit einer Hypochlorit-NaOH-Mischung durchgeführt. Nach 60 Stunden Passivierung konnten erstmals reproduzierbare Ergebnisse bei dem Nachweis von OCl- erhalten werden. Zuletzt konnten erfolgreich fünf unterschiedliche Realproben vermessen und der Hypochlorit-Gehalt mit bisher angewandten Methoden verglichen werden, wobei die erhaltenen Werte in der gleichen Größenordnung lagen.
Entwicklung eines Sensors unter Verwendung der Viologen-Grundstruktur auf metallischen Oberflächen
Früher fanden Viologene und deren Derivate Anwendung im Bereich der Schädlingsbekämpfung und wurden hauptsächlich als Kontaktherbizid verwendet. Mittlerweile hat sich das Anwendungsspektrum der Viologene deutlich verändert, u.a. werden die in organischen Redox-Fluss-Batterien als Elektrolyte eingesetzt. Im Rahmen diesen Projekts wurden mehrere bekannte Viologen-Grundkörper (u. A. Methylviologen (MV)) vollständig elektrochemisch charakterisiert Im Anschluss wurde MV mit unterschiedlichen Ankergruppen (Thiol-, Sulfonat, -Phosphonat-, Carboxylanker) modifiziert und auf metallische Oberfläche (u. A. Gold und Kupfer) abgeschieden mit dem Ziel ein neues Sensor-Motiv für die Analytik zu entwickeln. Der Thiolanker konnte erfolgreich auf Gold, der Carboxylanker erfolgreich auf Kupfer abgeschieden werden. Die anschließenden elektrochemischen Untersuchungen der abgeschiedenen Monolagen ergaben jedoch eine geringe Stabilität der Anker in wässriger und organischer Umgebung, sodass in Zukunft weitere Anstrengungen unternommen werden müssen, die Stabilität des Viologensystems auf der Oberfläche zu verbessern.
Glucokinase (GK) is a key enzyme of glucose metabolism in liver and pancreatic beta-cells, and small molecule activators of GK (GKAs) are under evaluation for the treatment of type 2 diabetes. In liver, GK activity is controlled by the GK regulatory protein (GKRP), which forms an inhibitory complex with the enzyme. Here, we performed isothermal titration calorimetry and surface plasmon resonance experiments to characterize GK-GKRP binding and to study the influence that physiological and pharmacological effectors of GK have on the protein-protein interaction. In the presence of fructose-6-phosphate, GK-GKRP complex formation displayed a strong entropic driving force opposed by a large positive enthalpy; a negative change in heat capacity was observed (Kd = 45 nm, DeltaH = 15.6 kcal/mol, TDeltaS = 25.7 kcal/mol, DeltaCp = -354 cal mol(-1) K(-1)). With k(off) = 1.3 x 10(-2) s(-1), the complex dissociated quickly. The thermodynamic profile suggested a largely hydrophobic interaction. In addition, effects of pH and buffer demonstrated the coupled uptake of one proton and indicated an ionic contribution to binding. Glucose decreased the binding affinity between GK and GKRP. This decrease was potentiated by an ATP analogue. Prototypical GKAs of the amino-heteroaryl-amide type bound to GK in a glucose-dependent manner and impaired the association of GK with GKRP. This mechanism might contribute to the antidiabetic effects of GKAs.
The β-subunits of Na,K-ATPase and H,K-ATPase have important functions in maturation and plasma membrane targeting of the catalytic α-subunit but also modulate the transport activity of the holoenzymes. In this study, we show that tryptophan replacement of two highly conserved tyrosines in the transmembrane domain of both Na,K- and gastric H,K-ATPase β-subunits resulted in considerable shifts of the voltage-dependent E1P/E2P distributions toward the E1P state as inferred from presteady-state current and voltage clamp fluorometric measurements of tetramethylrhodamine-6-maleimide-labeled ATPases. The shifts in conformational equilibria were accompanied by significant decreases in the apparent affinities for extracellular K+ that were moderate for the Na,K-ATPase β-(Y39W,Y43W) mutation but much more pronounced for the corresponding H,K-ATPase β-(Y44W,Y48W) variant. Moreover in the Na,K-ATPase β-(Y39W,Y43W) mutant, the apparent rate constant for reverse binding of extracellular Na+ and the subsequent E2P-E1P conversion, as determined from transient current kinetics, was significantly accelerated, resulting in enhanced Na+ competition for extracellular K+ binding especially at extremely negative potentials. Analogously the reverse binding of extracellular protons and subsequent E2P-E1P conversion was accelerated by the H,K-ATPase β-(Y44W,Y48W) mutation, and H+ secretion was strongly impaired. Remarkably tryptophan replacements of residues in the M7 segment of Na,K- and H,K-ATPase α-subunits, which are at interacting distance to the β-tyrosines, resulted in similar E1 shifts, indicating their participation in stabilization of E2. Thus, interactions between selected residues within the transmembrane regions of α- and β-subunits of P2C-type ATPases exert an E2-stabilizing effect, which is of particular importance for efficient H+ pumping by H,K-ATPase under in vivo conditions.
The Na+/K+-ATPase maintains the physiological Na+ and K+ gradients across the plasma membrane in most animal cells. The functional unit of the ion pump is comprised of two mandatory subunits including the α-subunit, which mediates ATP hydrolysis and ion translocation, as well as the β-subunit, which acts as a chaperone to promote proper membrane insertion and trafficking in the plasma membrane. To examine the conformational dynamics between the α- and β-subunits of the Na+/K+-ATPase during ion transport, we have used fluorescence resonance energy transfer, under voltage clamp conditions on Xenopus laevis oocytes, to differentiate between two models that have been proposed for the relative orientation of the α- and β-subunits. These experiments were performed by measuring the time constant of irreversible donor fluorophore destruction with fluorescein-5-maleimide as the donor fluorophore and in the presence or absence of tetramethylrhodamine-6-maleimide as the acceptor fluorophore following labeling on the M3-M4 or M5-M6 loop of the α-subunit and the β-subunit. We have also used fluorescence resonance energy transfer to investigate the relative movement between the two subunits as the ion pump shuttles between the two main conformational states (E1 and E2) as described by the Albers-Post scheme. The results from this study have identified a model for the orientation of the β-subunit in relation to the α-subunit and suggest that the α- and β-subunits move toward each other during the E2 to E1 conformational transition.
Macrophages respond to the Th2 cytokine IL-4 with elevated expression of arachidonate 15-lipoxygenase (ALOX15). Although IL-4 signaling elicits anti-inflammatory responses, 15-lipoxygenase may either support or inhibit inflammatory processes in a context-dependent manner. AMP-activated protein kinase (AMPK) is a metabolic sensor/regulator that supports an anti-inflammatory macrophage phenotype. How AMPK activation is linked to IL-4-elicited gene signatures remains unexplored. Using primary human macrophages stimulated with IL-4, we observed elevated ALOX15 mRNA and protein expression, which was attenuated by AMPK activation. AMPK activators, e.g. phenformin and aminoimidazole-4-carboxamide 1-β-d-ribofuranoside inhibited IL-4-evoked activation of STAT3 while leaving activation of STAT6 and induction of typical IL-4-responsive genes intact. In addition, phenformin prevented IL-4-induced association of STAT6 and Lys-9 acetylation of histone H3 at the ALOX15 promoter. Activating AMPK abolished cellular production of 15-lipoxygenase arachidonic acid metabolites in IL-4-stimulated macrophages, which was mimicked by ALOX15 knockdown. Finally, pretreatment of macrophages with IL-4 for 48 h increased the mRNA expression of the proinflammatory cytokines IL-6, IL-12, CXCL9, and CXCL10 induced by subsequent stimulation with lipopolysaccharide. This response was attenuated by inhibition of ALOX15 or activation of AMPK during incubation with IL-4. In conclusion, limiting ALOX15 expression by AMPK may promote an anti-inflammatory phenotype of IL-4-stimulated human macrophages.
By translocating proteasomal degradation products into the endoplasmic reticulum for loading of major histocompatibility complex I molecules, the ABC transporter TAP plays a focal role in the adaptive immunity against infected or malignantly transformed cells. A key question regarding the transport mechanism is how the quality of the incoming peptide is detected and how this information is transmitted to the ATPase domains. To identify residues involved in this process, we evolved a Trojan horse strategy in which a small artificial protease is inserted into antigenic epitopes. After binding, the TAP backbone in contact is cleaved, allowing the peptide sensor site to be mapped by mass spectrometry. Within this sensor site, we identified residues that are essential for tight coupling of peptide binding and transport. This sensor and transmission interface is restructured during the ATP hydrolysis cycle, emphasizing its important function in the cross-talk between the transmembrane and the nucleotide-binding domains. This allocrite sensor may be similarly positioned in other members of the ABC exporter family.
Biogenesis of mitochondrial cytochrome c oxidase (COX) relies on a large number of assembly factors, among them the transmembrane protein Surf1. The loss of human Surf1 function is associated with Leigh syndrome, a fatal neurodegenerative disorder caused by severe COX deficiency. In the bacterium Paracoccus denitrificans, two homologous proteins, Surf1c and Surf1q, were identified, which we characterize in the present study. When coexpressed in Escherichia coli together with enzymes for heme a synthesis, the bacterial Surf1 proteins bind heme a in vivo. Using redox difference spectroscopy and isothermal titration calorimetry, the binding of the heme cofactor to purified apo-Surf1c and apo-Surf1q is quantified: Each of the Paracoccus proteins binds heme a in a 1:1 stoichiometry and with Kd values in the submicromolar range. In addition, we identify a conserved histidine as a residue crucial for heme binding. Contrary to most earlier concepts, these data support a direct role of Surf1 in heme a cofactor insertion into COX subunit I by providing a protein-bound heme a pool.
Biological membranes are complex and dynamic assemblies of lipids and proteins. Poikilothermic organisms including bacteria, fungi, reptiles, and fish do not control their body temperature and must adapt their membrane lipid composition in order to maintain membrane fluidity in the cold. This adaptive response was termed homeoviscous adaptation and has been frequently studied with a specific focus on the acyl chain composition of membrane lipids. Mass spectrometry-based lipidomics can nowadays provide more comprehensive insights into the complexity of lipid remodeling during adaptive responses. Eukaryotic cells compartmentalize biochemical processes in organelles with characteristic surface properties, and the lipid composition of organelle membranes must be tightly controlled in order to maintain organelle function and identity during adaptive responses. Some highly differentiated cells such as neurons maintain unique lipid compositions with specific physicochemical properties. To date little is known about the sensory mechanisms regulating the acyl chain profile in such specialized cells or during adaptive responses. Here we summarize our current understanding of lipid metabolic networks with a specific focus on the role of physicochemical membrane properties for the regulation of the acyl chain profile during homeoviscous adaptation. By comparing the mechanisms of the bacterial membrane sensors with the prototypical eukaryotic lipid packing sensor Mga2 from Saccharomyces cerevisiae, we identify common operational principles that might guide our search for novel membrane sensors in different organelles, organisms, and highly specialized cells.
We demonstrated previously that 5-lipoxygenase (5-LO), a key enzyme in leukotriene biosynthesis, can be phosphorylated by p38 MAPK-regulated MAPKAP kinases (MKs). Here we show that mutation of Ser-271 to Ala in 5-LO abolished MK2 catalyzed phosphorylation and clearly reduced phosphorylation by kinases prepared from stimulated polymorphonuclear leukocytes and Mono Mac 6 cells. Compared with heat shock protein 27 (Hsp-27), 5-LO was a weak substrate for MK2. However, the addition of unsaturated fatty acids (i.e. arachidonate 1-50 microm) up-regulated phosphorylation of 5-LO, but not of Hsp-27, by active MK2 in vitro, resulting in a similar phosphorylation as for Hsp-27. 5-LO was phosphorylated also by other serine/threonine kinases recognizing the motif Arg-Xaa-Xaa-Ser (protein kinase A, Ca(2+)/calmodulin-dependent kinase II), but these activities were not increased by fatty acids. HeLa cells expressing wild type 5-LO or S271A-5-LO, showed prominent 5-LO activity when incubated with Ca(2+)-ionophore plus arachidonate. However, when stimulated with only exogenous arachidonic acid, activity for the S271A mutant was significantly lower as compared with wild type 5-LO. It appears that phosphorylation at Ser-271 is more important for 5-LO activity induced by a stimulus that does not prominently increase intracellular Ca(2+) and that arachidonic acid stimulates leukotriene biosynthesis also by promoting this MK2-catalyzed phosphorylation.
Malfunction of the actin cytoskeleton is linked to numerous human diseases including neurological disorders and cancer. LIMK1 (LIM domain kinase 1) and its paralogue LIMK2 are two closely related kinases that control actin cytoskeleton dynamics. Consequently, they are potential therapeutic targets for the treatment of such diseases. In the present review, we describe the LIMK conformational space and its dependence on ligand binding. Furthermore, we explain the unique catalytic mechanism of the kinase, shedding light on substrate recognition and how LIMK activity is regulated. The structural features are evaluated for implications on the drug discovery process. Finally, potential future directions for targeting LIMKs pharmacologically, also beyond just inhibiting the kinase domain, are discussed.
Epigenetic control of microsomal prostaglandin E synthase-1 by HDAC-mediated recruitment of p300
(2017)
Nonsteroidal anti-inflammatory drugs are the most widely used medicine to treat pain and inflammation, and to inhibit platelet function. Understanding the expression regulation of enzymes of the prostanoid pathway is of great medical relevance. Histone acetylation crucially controls gene expression. We set out to identify the impact of histone deacetylases (HDACs) on the generation of prostanoids and examine the consequences on vascular function. HDAC inhibition (HDACi) with the pan-HDAC inhibitor, vorinostat, attenuated prostaglandin (PG)E2 generation in the murine vasculature and in human vascular smooth muscle cells. In line with this, the expression of the key enzyme for PGE2 synthesis, microsomal PGE synthase-1 (PTGES1), was reduced by HDACi. Accordingly, the relaxation to arachidonic acid was decreased after ex vivo incubation of murine vessels with HDACi. To identify the underlying mechanism, chromatin immunoprecipitation (ChIP) and ChIP-sequencing analysis were performed. These results suggest that HDACs are involved in the recruitment of the transcriptional activator p300 to the PTGES1 gene and that HDACi prevented this effect. In line with the acetyltransferase activity of p300, H3K27 acetylation was reduced after HDACi and resulted in the formation of heterochromatin in the PTGES1 gene. In conclusion, HDAC activity maintains PTGES1 expression by recruiting p300 to its gene.
Der Fokus der Arbeit liegt auf der Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Molekülen in selbst-anordnenden Monolagen (SAMs) auf Goldoberflächen mittels Rastertunnelmikroskopie und komplementären Methoden wie z.B. Infrarot-Reflektions-Absorptions-Spektro-skopie.
In dieser Arbeit wurde das kürzlich etablierte Konzept von eingebetteten Dipolmomenten in aromatischen, SAM-bildenden Molekülen eingehender untersucht. Das Ausmaß des Dipol-moments und die Größe der SAM-bildenden Moleküle wurden synthetisch variiert und der Einfluss auf die Struktur und elektronischen Eigenschaften der SAMs untersucht. Binäre, gemischte Monolagen aus SAM-bildenden Molekülen mit "entgegen gerichteten", Dipolmomenten wurden hergestellt und charakterisiert. Zur Herstellung der binären, gemischten Monolagen wurden zwei Methoden verwendet: die Monolagen wurden a) aus bereits gemischten Lösungen der Moleküle abgeschieden oder b) eine reine SAM in die Lösung des anderen Moleküls eingelegt, so dass ein Austausch stattfand. Der Vergleich der beiden Methoden ermöglicht Rückschlüsse über die Abscheidungsprozesse. Die Charakterisierung der SAMs dieser Mischungsreihen gab Aufschluss über Eigenschaften wie Packungsdichte, Austrittsarbeit, elektronischen Ladungstransport in Monolagen und Orientierung der Moleküle relativ zur Oberfläche und erlaubte Schlussfolgerungen über die Mischbarkeit und das Ausmaß der Dipolwechselwirkungen der Moleküle in der Monolage. In einem ähnlichen Ansatz zu dem oben beschriebenen Vorgehen wurden Quadrupolwechselwirkungen zwischen SAM-bildenen, Benzol-, Naphtalin- und Anthracenderivaten untersucht. In Mischungsreihen wurden SAMs von nicht- und teilweise (hoch)fluorierten, SAM-bildenden Molekülen auf Goldoberflächen charakterisiert. Die Ergebnisse der Untersuchungen können bei der gezielten Einstellung der elektronischen Eigenschaften in elektronischen Bauteilen wie OFETs Anwendung finden.
In einem weiteren Projekt wurde der Einfluss von polaren Endgruppen auf die in situ Abspaltung von Schutzgruppen an Terphenylthiol-Derivaten untersucht, wobei die Ergebnisse zum Aufbau größerer, aus organischer Elektronik bestehender, Netzwerke verwendet werden können.
The role of USP22 in nucleic acid sensing pathways and interferon-induced necroptotic cell death
(2023)
Every day, living organisms are challenged by internal and external factors that threaten to bring imbalance to their tightly regulated systems and disrupt homeostasis, leading to degeneration, and ultimately death. More than ever, we face the challenge of combating diseases such as COVID-19 caused by infection with the SARS-CoV-2 coronavirus. It is therefore crucial to identify host factors that control antiviral defense mechanisms. In addition, in the fight against cancer, it is becoming increasingly important to identify markers that could be used for targeted therapy to influence cellular processes and determine cell fate.
As a deubiquitylating enzyme, ubiquitin specific peptidase 22 (USP22) mediates the removal of the small molecule ubiquitin, which is post-translationally added to target proteins, thereby regulating several important processes such as protein degradation, activation or localization. Through its deubiquitylating function, USP22 controls several biological processes such as cell cycle regulation, proliferation and cancer immunoresistance by modulating key proteins involved in these pathways. Lately, USP22 was reported to positively regulate TNFα-mediated necroptosis, an inflammatory type of programmed cell death, in various human tumor cell lines by affecting RIPK3 phosphorylation. In addition, USP22 as a part of the Spt-Ada-Gcn5 acetyltransferase (SAGA) transcription complex is known to regulate gene expression by removing ubiquitin from histones H2A and H2B. However, little is known about the role of USP22 in global gene expression.
In this study, we performed a genome-wide screen in the human colon carcinoma cell line HT-29 and identified USP22 as a key negative regulator of basal interferon (IFN) expression. We further demonstrated that the absence of USP22 results in increased STING activity and ubiquitylation, both basally and in response to stimulation with the STING agonist 2'3'-cGAMP, thereby affecting IFNλ1 expression and basal expression of antiviral ISGs. In addition, we were able to establish USP22 as a critical host factor in controlling SARS-CoV-2 infection by regulating infection, replication, and the generation of infectious virus particles, which we attribute in part to its role in regulating STING signaling.
In the second part of the study, we connected the findings of USP22-dependent regulation of IFN signaling and TNFα-induced necroptosis and investigated the role of USP22 during necroptosis induced by the synergistic action of IFN and the Smac mimetic BV6 in caspase-deficient settings. We identified USP22 as a negative regulator of IFN-induced necroptosis, which does not depend on STING expression, but relies on a yet unknown mechanism.
In summary, we identify USP22 as an important regulator of IFN signaling with important implications for the defense against viral infections and regulation of the necroptotic pathway that could be exploited for devising targeted therapeutic strategies against viral infections and related diseases like COVID-19, and advancing precision medicine in cancer treatment.
The accumulation and distribution of characteristic secondary products in the different organs of an Aloe plant (A. succotrina Lam.) were studied by high performance liquid chromatography for the first time. In the leaves of the Aloe plant, only anthrone-C-glycosyls of the 7-hydroxyaloin type and, for the first time in plant material, the free anthraquinone 7-hydroxyaloeemodin were found. In contrast to previous reports on the distribution of secondary products in Aloe plants, anthrone-C-glycosyls were also detected in flowers, bracts and the inflorescence axis of the species examined. Aloesaponol I, a tetrahydroanthracene aglycone, was only present in the underground organs and in the stem. The 2-alkylchromone-C-glucosyl aloeresin B showed no specific occurrence as it was found in every type of organ. Based on these results and the findings of recent studies on Aloe roots and flowers, a distribution scheme of polyketide types in the Aloe plant was established. It suggests a separate and independent anthranoid metabolism for underground Aloe organs and stem on the one hand, and for leaves and inflorescence organs on the other hand. In the latter structures anthranoid metabolism seems to be additionally compartmentalized as the anthranoid pro files of inflorescence organs and leaves differ in two points relevant to anthranoid biosynthe sis: firstly, the occurrence of anthrone aglycones and secondly, the individual content of corresponding anthrone-C-glucosyl diastereomers.
From the leaf exudate of Aloe lateritia ENGLER the C-glucosyl com pounds homonataloin, aloeresin A and aloesin (synon. aloeresin B) were isolated together with the anthraquinone nataloeem odin-8-methylether and spectroscopically identified. Hom onataloin, widely distributed in Aloe species, was separated into homonataloin A and B by combined TLC and DCCC. In their 1 D and 2D 1H NMR spectra only the shifts of the 2′-hydroxyl protons of both glucosyl residues differ significantly, indicative of 10 S (A) resp. 10 S (B) configurations. In both com pounds the anthrone is in β-position of the D-glucopyranosyl, as determined by the large coupling constants of the anomeric protons. The 13C NMR signals are unambiguously assigned by the use of DEPT, APT and gated-decoupling methods. Only the chemical shifts of C -11 and C -14 show significant differences between both diastereomers due to the adjacent 2′-sugar hydroxyls. The two homonataloins differ mostly in optical rotation and circulardichroism due to different configurations at C - 10 of the anthrone part. The absolute configurations of the diastereomers are determined by correlation of their CD spectra with the CD spectra of the structural analogues 7-hydroxyaloins A and B, which shows that hom onataloin A is the 10 S, 1′S-compound and that homonataloin B has 10 R, 1′S-configuration.
To better understand the role of sphingolipids in the multifactorial process of inflammatory bowel disease (IBD), we elucidated the role of CerS4 in colitis and colitis-associated cancer (CAC). For this, we utilized the azoxymethane/dextran sodium sulphate (AOM/DSS)-induced colitis model in global CerS4 knockout (CerS4 KO), intestinal epithelial (CerS4 Vil/Cre), or T-cell restricted knockout (CerS4 LCK/Cre) mice. CerS4 KO mice were highly sensitive to the toxic effect of AOM/DSS, leading to a high mortality rate. CerS4 Vil/Cre mice had smaller tumors than WT mice. In contrast, CerS4 LCK/Cre mice frequently suffered from pancolitis and developed more colon tumors. In vitro, CerS4-depleted CD8+ T-cells isolated from the thymi of CerS4 LCK/Cre mice showed impaired proliferation and prolonged cytokine production after stimulation in comparison with T-cells from WT mice. Depletion of CerS4 in human Jurkat T-cells led to a constitutively activated T-cell receptor and NF-κB signaling pathway. In conclusion, the deficiency of CerS4 in T-cells led to an enduring active status of these cells and prevents the resolution of inflammation, leading to a higher tumor burden in the CAC mouse model. In contrast, CerS4 deficiency in epithelial cells resulted in smaller colon tumors and seemed to be beneficial. The higher tumor incidence in CerS4 LCK/Cre mice and the toxic effect of AOM/DSS in CerS4 KO mice exhibited the importance of CerS4 in other tissues and revealed the complexity of general targeting CerS4.
Today, the term buchu refers to the two species in commerce, Agathosma betulina (P.J.Bergius) Pillans and Agathosma crenulata (L.) Pillans (Rutaceae). Its traditional use in urinary tract infections and related ailments made it a popular remedy, specifically in the US, in 19th century, but with the advent of antibiotics it became largely obsolete. Recent focus is on technological use and on the essential oil for use in the perfume and food-flavouring industry. A review of the scarce pharmacological research revealed moderate antimicrobial activity for a leaf extract but not the essential oil of both species in the MIC assay. In the 5-lipoxygenase (5-LO) assay the essential oil of both species revealed IC50 values of 50.37 ± 1.87 μg/ml and 59.15 ± 7.44 μg/ml, respectively. In another study 98% inhibitory activity was determined for 250 μg/ml of an ethanolic extract of A. betulina on cyclooxygenase (COX)-1 and a 25% inhibitory activity on COX-2. Analgesic activity of an ethanolic extract of A. betulina was shown in mice. Moderate antioxidant activity was determined for methanol:dichlormethane extracts of A. betulina and A. crenulata and an aqueous extract of A. betulina showed a Trolox equivalent antioxidant capacity (TEAC) of 11.8 µM Trolox. Recent in vitro studies with a commercial aqueous extract of buchu revealed increased uptake of glucose added to 3T3-L1 cell line, significant inhibition of the respiratory burst of neutrophils and monocytes, reduction in the expression of adhesion molecules and inhibition of the release of IL-6 and TNF-α. In diabetic rats the ingestion of aqueous buchu extract completely normalized the glucose level and in rats receiving a high fat diet the consumption of aqueous buchu extract resulted in less weight gain and less intraperitoneal fat gain as well as reduction of elevated blood pressure to normal associated with cardioprotective effects. Limitations in the hitherto conducted research lie in the undisclosed composition of the buchu extracts used and the difficulty in extrapolating data from animal studies to humans. Health claims for buchu products need to be substantiated by randomized, double-blind and placebo-controlled studies. Only then can they be promoted for their true therapeutic potential.
Necroptosis is an immunogenic form of programmed cell death characterized by plasma membrane accumulation of activated mixed lineage kinase domain-like (MLKL) that eventually leads to membrane disruption and release of danger-associated molecular patterns (DAMPs). Necroptotic cell death is tightly controlled by checkpoints, including compartmentalization as well as post-translational modifications (PTMs), like phosphorylation and ubiquitination of receptor-interacting protein kinase (RIPK) 1, RIPK3 and MLKL. Removal of plasma membrane-located activated MLKL via endocytosis or exocytosis can counteract necroptosis, but up till now, the exact mechanisms by which necroptosis is regulated downstream of MLKL activation and oligomerization are not fully understood.
Ubiquitination is a key post-translational modification that regulates various cellular processes including cell survival and cell death signaling via ubiquitination of RIPK1, RIPK3 and MLKL. M1-linked (linear) poly-ubiquitination is mediated exclusively by the linear ubiquitin chain assembly complex (LUBAC) which critically regulates cell fate and immune signaling via death receptors such as TNF receptor 1 (TNFR1).
In this study, we demonstrate that M1 poly-Ubiquitin (poly-Ub) increases during necroptosis which can be blocked by inhibition of LUBAC activity with the small-molecule HOIL-1-interacting protein (HOIP) inhibitor HOIPIN-8 or by loss of LUBAC catalytic subunit HOIP. Intriguingly, HOIPIN-8, as well as the HOIP inhibitor gliotoxin, and HOIP knockdown effectively prevent TNFα/smac mimetic/zVAD.fmk-induced necroptotic cell death in cells of human origin, without affecting necroptotic RIPK1 and RIPK3 phosphorylation, necrosome formation and oligomerization of phosphorylated MLKL. We demonstrate that HOIPIN-8 treatment inhibits MLKL translocation to intracellular membranes and accumulation in plasma membrane hotspots as well as MLKL exocytosis. We further confirm that HOIPIN-8 treatment suppresses necroptotic cell death in primary human pancreatic organoids (hPOs). Using time-lapse imaging and live/dead staining, we demonstrate loss of organoid structure and hPO cell death induced by smac mimetics and caspase inhibitors, thus providing a novel platform to investigate necroptosis in near physiological settings. Inhibition of LUBAC activity with HOIPIN-8 prevents hPO collapse and extends cell viability. Of note, loss of the M1 Ub-targeting deubiquitinating enzymes (DUBs) OTU DUB with linear linkage specificity (OTULIN) and cylindromatosis (CYLD) in human cell lines does not affect necroptosis induction and HOIPIN-8-mediated rescue of necroptosis. Intriguingly, inhibition of LUBAC activity with HOIPIN-8 does not block necroptotic cell death in murine cell lines.
Using massive analyses of cDNA ends (MACE)-seq-based global transcriptome analysis we confirm that necroptosis induces a pro-inflammatory cytokine profile which is dependent on LUBAC function and necroptotic signaling. Loss of LUBAC activity prevents the MLKL-dependent production and release of pro-inflammatory cytokines and chemokines.
Finally, we identify Flotillin-1 and -2 (FLOT1/2) as putative targets of necroptosis-induced M1 poly-Ub. Ubiquitin-binding in ABIN and NEMO (UBAN)-based pulldowns of M1 poly-ubiquitinated proteins revealed enrichment of FLOTs after necroptosis induction which is dependent on LUBAC activity and can be blocked with necroptosis inhibitors Nec-1s, GSK’872 and NSA, targeting RIPK1, RIPK3 and MLKL, respectively. Of note, loss of FLOT1/2 potentiates necroptosis suppression induced by LUBAC inhibition with HOIPIN-8.
Together, these findings identify LUBAC-mediated M1 poly-Ub as an important mediator of necroptosis and identify FLOTs as novel putative targets of LUBAC-mediated M1 poly-Ub during necroptosis. In addition, by modeling necroptosis in primary human organoids, we further expand the spectrum of experimental models to study necroptosis in human cellular settings.
Nukleäre Rezeptoren (NRs) sind ligandengesteuerte Transkriptionsfaktoren, die sich aus einer Superfamilie von 48 humanen Mitgliedern zusammensetzt. Seit vielen Jahrzehnten stellen sie ein attraktives Forschungsgebiet für die Arzneistoffentwicklung dar, da sie eine bedeutende Rolle in zahlreichen Prozessen unseres Körpers spielen. Das Ziel dieser Forschungsarbeit bestand darin, neue innovative Liganden für den Peroxisomen-Proliferator-aktivierter-Rezeptor γ (PPARγ) sowie die Waisenrezeptoren Nervenwachtumsfaktor induzierter Klon B (Nur77) und Neuronen-abgeleiteter Waisenrezeptor (NOR-1) zu identifizieren.
Bei den Rezeptoren Nur77 und NOR-1 handelt es sich um noch unzureichend erforschte NRs der NR4A-Familie. Es fehlt insbesondere an Modulatoren dieser Rezeptoren als Werkzeuge, um ihr zum Teil noch unentdecktes Potential zu erforschen. Um diese Lücke zu schließen, wurde ein in vitro Screening durchgeführt und eine Arzneistoff-Fragment-Bibliothek mit 480 Fragmenten, die aus bekannten strukturellen Motiven zugelassener Arzneimittel stammen, auf ihre modulatorische Aktivität an Nur77 und NOR-1 gescreent. Durch das Screening und weitere Testungen konnten jeweils für Nur77 und für NOR-1 drei Verbindungen als Liganden identifiziert werden. Bei der weiteren Charakterisierung stellte sich insbesondere 41 als besonders vielversprechenden Ausgangspunkt für die Entwicklung von Liganden für Nur77 und NOR-1 heraus, der ein besseres Verständnis für die invers agonistische Aktivität lieferte und die Möglichkeit für eine agonistische Modulation aufzeigte. Zudem konnte durch ein weiteres Screening mit Computer-gestützten Verfahren auf Nur77 der Chemotyp von 41 noch weiter optimiert werden und führte zur Identifizierung von Verbindung 68 (EC50 = 2 ± 1 μM). Diese zeichnete sich durch eine hohe Potenz aus, die zu einer beachtenswerten Aktivierung von Nur77 (169 ± 18% maximale Aktivierung) führte. Die Untersuchung der strukturellen Erweiterung von 43 (IC50 = 47 ± 8 μM) führte zur Verbindung 75, die eine 3,5-fache Steigerung des inversen Agonismus auf NOR-1 zeigte. Die Erkenntnisse dieser Entdeckung ermöglichte den Rückschluss, dass das Einführen von voluminösen Resten, wie Brom oder Phenyl eine invers agonistische Potenz im unteren mikromolaren Bereich bewirkte. Die Identifizierung der Verbindungen 41 und 68 für Nur77 sowie 43 und 76 für NOR-1 könnten dazu beitragen, ein tieferes Verständnis der molekularen Mechanismen hinter der Aktivierung von Nur77 und NOR-1 zu erlangen und einen vielversprechenden chemischen Ausgangspunkt für die Entwicklung von noch wirksameren und selektiveren Liganden bieten.
Im anderen Teil dieser Forschungsarbeit stand die Synthese eines selektiven allosterischen PPARγ-Liganden im Fokus, um mit diesem die allosterische Modulation von PPARγ zu charakterisieren. Den Ursprung der Idee lieferte Garcinolsäure, dass in der Lage ist, PPARγ orthosterisch und allosterisch zu binden. Aufgrund der komplexen biologischen Effekte und der geringen synthetischen Zugänglichkeit konnte 37 nicht als Ausgangspunkt für dieses Vorhaben dienen. Auf der Suche nach einer geeigneten Ausgangsverbindung wurde durch ein in vitro Screening mit einer hauseigenen Sammlung von synthetischen PPARγ-Modulatoren, bei dem die orthosterische Bindungsstelle von PPARγ durch den irreversiblen Antagonisten GW9662 blockiert wurde, Verbindung 39 identifiziert. Diese ist wie 37 in der Lage PPARγ ortho- und allosterisch zu binden, weist aber eine bessere synthetische Zugänglichkeit auf. Die Co-Kristallisation von 39 mit der PPARγ-Ligandenbindungsdomäne zeigte, dass die orthosterische Bindungstasche (BT) keinen Platz für eine Verlängerung des Moleküls bietet, die allosterische BT ist dagegen Lösungsmittel exponiert, wodurch eine Verlängerung möglich schien. Daraufhin wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine Verlängerung von 39 eine orthosterische Bindung verhinderte und dadurch eine selektive allosterische Bindung ermöglichen könnte. Aus diesem Grund wurde eine modifizierte Struktur von 39 verwendet, um eine einfache Einbringung eines Linkers in das Molekül zu ermöglichen. Durch verschiedenste Modifikationen und Anpassungen wurde 104 als potenzieller selektiver allosterischer Ligand synthetisiert. Die Testung von 104 im Reportergenassay zeigte eine schwache Aktivierung von PPARγ allein, jedoch offenbarte sich bei der Kombination mit dem orthosterischen Agonisten Pioglitazon eine dosisabhängige Steigerung der Aktivität von PPARγ. Diese Ergebnisse deuteten darauf hin, dass trotz der Bindung von 104 eine Bindung von 33 in die orthosterische BT immer noch möglich war. Diese Annahme konnte anschließend auch durch zellfreie Experimente (Isotherme Titrationskalorimetrie, MS-basierte-PPARγ-Ligandenbindungs-Assay) bestätigt werden. Der eindeutige Beweis für die selektive allosterische Bindung von 104 lieferte die Co-Kristallisation von 104 mit der PPARγ-LBD. Zusätzlich offenbarte sich, durch den strukturellen Vergleich der Bindungsmodi von anderen PPARγ-Liganden, der außergewöhnliche Bindungsmodus von 104, da 104 im Vergleich zu anderen Liganden selektiv die allosterische BT, ohne Überlappung in die orthosterische BT, besetzte. Weitere Untersuchungen, wie der Einfluss von 104 auf die Rekrutierung von Co-Regulatoren, die Differenzierung von adipozytären Stammzellen und die Genexpression zeigten eine bisher einmalige Modulation von PPARγ, die auf die selektive allosterische Modulation zurückzuführen war. Mit 104 wurde ein innovatives und vielfältig einsetzbares Werkzeug zur Erforschung der allosterischen Modulation von PPARγ entdeckt, dessen Geschichte an diesem Punkt noch nicht zu Ende ist.
The absolute configurations of the diastereomeric 10-hydroxyaloins, which may be regarded as parent structures for other naturally occurring oxanthrone-C-glucosyls, have been established as 10R, 16 R (A) and 10 S, 16 R (B) by an X-ray structure analysis of the A-octaacetyl derivative (C 16 is the anomeric glucosyl carbon atom). The determination was confirmed by CD spectroscopic comparison with the structural analogues aloins A and B, which should prove useful for making future configurational assignments within this class of compounds. A conformational analysis by the use of a molecular modeling method based on force-field calculations reveals the presence of an extra- and an intra-form, the extra-form of which is energetically preferred.
In the course of systematic investigations on sila-substituted parasympatholytics the diphenyl(2-aminoethoxymethyl)silanols 3b and 4b (and its carbon analogue 4a) were synthesized and characterized by their physical and chemical properties. In the solid state 4a and 4b form strong O-H---N hydrogen bonds, which are intramolecular (4a) and intermolecular (4b), respectively. 4a and 4b were found to be weak antimuscarinic agents (4b >4a) and strong papaverine-like spasmolytics (4a ≈4b).
In bioengineering, scaffold proteins have been increasingly used to recruit molecules to parts of a cell, or to enhance the efficacy of biosynthetic or signalling pathways. For example, scaffolds can be used to make weak or non-immunogenic small molecules immunogenic by attaching them to the scaffold, in this role called carrier. Here, we present the dodecin from Mycobacterium tuberculosis (mtDod) as a new scaffold protein. MtDod is a homododecameric complex of spherical shape, high stability and robust assembly, which allows the attachment of cargo at its surface. We show that mtDod, either directly loaded with cargo or equipped with domains for non-covalent and covalent loading of cargo, can be produced recombinantly in high quantity and quality in Escherichia coli. Fusions of mtDod with proteins of up to four times the size of mtDod, e.g. with monomeric superfolder green fluorescent protein creating a 437 kDa large dodecamer, were successfully purified, showing mtDod’s ability to function as recruitment hub. Further, mtDod equipped with SYNZIP and SpyCatcher domains for post-translational recruitment of cargo was prepared of which the mtDod/SpyCatcher system proved to be particularly useful. In a case study, we finally show that mtDod-peptide fusions allow producing antibodies against human heat shock proteins and the C-terminus of heat shock cognate 70 interacting protein (CHIP).
Translational riboswitches are cis-acting RNA regulators that modulate the expression of genes during translation initiation. Their mechanism is considered as an RNA-only gene-regulatory system inducing a ligand-dependent shift of the population of functional ON- and OFF-states. The interaction of riboswitches with the translation machinery remained unexplored. For the adenine-sensing riboswitch from Vibrio vulnificus we show that ligand binding alone is not sufficient for switching to a translational ON-state but the interaction of the riboswitch with the 30S ribosome is indispensable. Only the synergy of binding of adenine and of 30S ribosome, in particular protein rS1, induces complete opening of the translation initiation region. Our investigation thus unravels the intricate dynamic network involving RNA regulator, ligand inducer and ribosome protein modulator during translation initiation.
The Corona pandemic has painfully taught us the threat of new pathogens in a globalized world and how vital modern vaccines are. Platform technologies play an important role in the discovery of new vaccines as reducing the time for the development dramatically — time that saves lives. Here, we present the protein Dodecin and how it may be utilized as a versatile platform technology to produce cheap and robust new vaccines for everyone in all parts of the world.
Um sich an ändernde Umwelteinflüsse und metabolische Bedürfnisse anpassen zu können, ist es für Zellen essenziell, dass Boten-RNA (engl. messenger RNA, mRNA) stetig und schnell nach der Translation abgebaut wird. In Prokaryoten ist dafür der Proteinkomplex Degradosom verantwortlich, in dem Endo- und Exoribonukleasen RNase E und PNPase das RNA-Transkript in kleinere Fragmente und schließlich einzelne Nukleotide spalten. Die DEAD-Box Helikase RhlB im Komplex dient zusätzlich dazu, mögliche Sekundärstrukturen in der RNA zu entfalten, welche sonst die weitere Degradation behindern würden. Es konnte gezeigt werden, dass RhlB’s sehr geringe katalytische Aktivität – gemessen durch ATP-Verbrauch und Rate an entwundener RNA – signifikant durch die allosterische Bindung an Komplexpartner RNase E erhöht wird. Gleichzeitig deuten andere Studien darauf hin, dass RhlB eine mögliche Selektivität für doppelsträngige RNA-Substrate mit 5‘-Einzelstrang-Überhängen aufweist.
Diese Arbeit liefert neue Erkenntnisse in Bezug auf die Kommunikation zwischen den Degradosom-Komponenten RhlB und RNase E aus E. coli, indem das potenzielle Wechselspiel zwischen RhlBs RNA-Selektivität und der allosterischen Aktivierung durch RNase E untersucht wurde. Der vielseitige Einsatz NMR-spektroskopischer Techniken sowie die Verwendung kurzer RNA-Substrate mit spezifischen Strang-Eigenschaften ermöglicht es, mit einen ungewöhnlichen, RNA-zentrierten Ansatz an diese unzureichend verstandene Protein-Interaktion heranzugehen.
Zunächst wurden hierzu eine Reihe kurzer doppelsträngiger RNA-Konstrukte hergestellt, die sich nicht nur in ihren Einzelstrang-Merkmalen unterscheiden, sondern auch die thermodynamischen Anforderungen eines DEAD-Box Helikase Substrats erfüllen, und gleichzeitig eine ausreichende NMR-spektroskopische Signal-Zuordnung erlauben. Die thermale Stabilität, das Faltungsverhalten sowie die 1H Imino-protonen- und 13C HSQC-Zuordnungen aller geeigneten Konstrukte wurden erfolgreich bestimmt.
Um den Einfluss spezifischer RNA-Substrate sowie die Bindung zweier verschiedener RNase E Fragmente auf RhlBs ATP-Umsatzrate zu untersuchen, wurde sich zunächst eines photometrischen Phosphat-Assays bedient. Damit konnte deutlich gezeigt werden, dass RhlB in Abwesenheit des Komplex-Partners nicht in der Lage ist, signifikante Mengen an ATP umzusetzen, unabhängig davon, welches RNA-Konstrukt eingesetzt wird. Die Bindung der RNase E Fragmente erhöhte signifikant die ATP-Hydrolyse-Rate der Helikase, wobei die größte Aktivierung für den RNA-Duplex mit 5‘-Einzelstrang sowie ein einzelsträngiges Substrat zu beobachten ist. Da diese Ergebnisse deutlich eine RNA-Abhängigkeit beim ATP-Umsatz der Helikase zeigen, wurde untersucht, ob diese Unterschiede ihren Ursprung bereits in der Bindung der spezifischen RNA-Substrate haben. Mittels einer Mischapparatur, die es erlaubt die enzymatische Reaktion direkt im Spektrometer zu initiieren sowie zeitaufgelöster 31P NMR-Experimente konnte die allosterische Aktivierung der ATP-Hydrolyse-Rate von RhlB auch unter NMR-spektroskopischen Messbedingungen nachgewiesen werden.
Da die Ergebnisse des ATPase Assays deutlich eine RNA-Abhängigkeit bei der ATP-Umsatz-Rate der Helikase zeigen, wurde zusätzlich untersucht, ob diese Unterschiede ihren Ursprung in den Affinitäten für die verschiedenen RNA-Substrate haben und ob diese durch die Bindung von RNase E and RhlB beeinflusst werden. Um im gleichen Zuge zu überprüfen, ob die Bindung der RNA an RhlB die RNA-Konformation oder Basenpaarung ändert, werden 1H NMR-Titrationsexperimente durchgeführt. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass RhlB eine inhärente Präferenz für Duplexe mit 5‘-Überhang gegenüber Konstrukten mit 3‘-Überhang oder stumpfen Enden besitzt, was sich in einer erhöhten Affinität zeigt. Zusätzlich offenbaren die Messungen, dass RNase Es allosterische Bindung selektiv die Affinität gegenüber Konstrukten mit Einzelstrang-Überhang erhöht, während die Affinität zu RNA Duplexen ohne Überhang sogar verringert wird. Diese Ergebnisse liefern erstmals einen Nachweis, dass RNase E aktiv Einfluss auf RhlBs RNA-Bindung nimmt. Weder die Bindung der RNA and RhlB noch an den RhlB/RNase E Komplex scheint die Basenpaarung oder Konformation der RNA-Substrate zu beeinflussen, da lediglich eine homogene Peak-Verbreitung aller Imino-Protonen-Signale im 1H NMR-Spektrum beobachtet werden konnte.
Chapter I of this work addressed the piggyBac (PB) transposon system, a non-viral genome engineering tool that is capable of efficiently performing stable integration of DNA sequences into a target cells genome and has already been used in clinical trials. However, the PB transposase has the problematic property of preferentially integrating transposons near transcriptional start sites (TSSs). This increases the likelihood of causing genotoxic effects, limiting its potential use as a tool in clinical applications. It has been shown in the past that the PB transposase shows physical interactions with BET proteins (e.g. BRD4) through Co-IP experiments. Representatives of these proteins are part of the transcriptional activation complex and are abundant at TSSs. Accordingly, it was previously proposed that this interaction is the underlying cause for the biased integration preference. For the first chapter of this thesis, the goal was to disrupt this interaction potentially modifying said integration preference. A secondary structure hypothesized to be mainly responsible for said interaction was extensively mutated resulting in several PB variants that were analyzed for their interaction capacity through a series of Co-IP experiments with BRD4. In total, seven substitutions were identified (E380F, V390K, T392Y, M394R, K407C, K407Q, and K407V) which exhibited reduced interaction capacity with BRD4. Each of the aforementioned mutants were used to generate integration libraries and, through NGS, it was determined if the integration preferences of the respective mutants had changed. In the immediate range 200 base pairs up- and downstream from known TSSs all mutants used exhibited a reduced integration bias. At a wider observation window 3 kbp up- and downstream from TSSs, further mutants with the substitutions M394R, T392Y and V390K showed a reduction in integration frequency of 17.3%, 1.5% and 5.4%, respectively, compared to the wildtype. Of particular note was the M394R mutant, which showed a reduction in all window sizes analyzed with a maximum of 65% less integration preference in the immediate vicinity of TSSs, theoretically generating a safety advantage over the wildtype transposase.
Chapter II was dedicated to the overall safety improvement for transposon-based gene modification and addresses the time point after the transgene has already been integrated and serious side effects may not be preventable. With this in mind, the aim was to develop a novel suicide-switch that can be stably introduced into cells via transposition, and reliably leads to cell death of the modified cells once activated. A system based on CRISPR/Cas9 was developed, where single guide RNAs were used to guide the Cas9 nuclease to Alu elements. These are short, repetitive sequences, which are distributed over the human genome in more than one million copies. Inducing double strand breaks within these elements would lead to genomic fragmentation and cell death. To be inducible, a transcriptional as well as post- translational control mechanism was added. Transcription of the Cas9 nuclease was regulated using a tet-on system, making expression dependent on doxycycline (DOX) supplementation. Furthermore, a version of the Cas9 nuclease called arC9 was used that allows double strand break generation only in the presence of 4-Hydroxytamoxifen (4-HT). Together with an expression cassette for the Alu-specific guide RNA and an expression cassette for the reverse tetracycline controlled transactivator all components were arranged between transposase-specific recognition sequences on a plasmid to allow transposon-system based gene transfer. The system was tested in HeLa cells. First, conditional expression of the arC9 nuclease was confirmed by addition of 1 μg/ml DOX. Second, the suicide-switch was further induced by adding 200 nM 4-HT and protein extracts were assayed for the KAP1 phosphorylation. Only upon induction with DOX and 4-HT phosphorylated KAP1 was detected, indicating DNA damage. Further, extensive growth and survival experiments were conducted to determine the effect of suicide-switch induction on cell proliferation and survival. Between 24 and 48 hours after induction, a halt in cell division was detected, after which extensive cell death was observed. Within 5 days post induction, >99% of all cells were eliminated. In the absence of both inducers, no significant differences in survival were observed compared to control cells line lacking Alu-specific guide RNAs. Microscopic examinations of the <1% surviving cell fraction revealed a senescence-associated phenotype and showed no signs of resumption of the cell division process. Accordingly, the second chapter of this thesis also achieved its goal in developing a functional suicide-switch that can be inserted into human cells via transposition, is highly dependent on the necessary induction signals, and exhibits excellent elimination capabilities in the context tested.
Approximately 80 % of persistent wound infections are affected by the presence of bacterial biofilms, resulting in a severe clinical challenge associated with prolonged healing periods, increased morbidity, and high healthcare costs. Unfortunately, in vitro models for wound infection research almost exclusively focus on early infection stages with planktonic bacteria. In this study, we present a new approach to emulate biofilm-infected human wounds by three-dimensional human in vitro systems. For this purpose, a matured biofilm consisting of the clinical key wound pathogen Pseudomonas aeruginosa was pre-cultivated on electrospun scaffolds allowing for non-destructive transfer of the matured biofilm to human in vitro wound models. We infected tissue-engineered human in vitro skin models as well as ex vivo human skin explants with the biofilm and analyzed structural tissue characteristics, biofilm growth behavior, and biofilm-tissue interactions. The structural development of biofilms in close proximity to the tissue, resulting in high bacterial burden and in vivo-like morphology, confirmed a manifest wound infection on all tested wound models, validating their applicability for general investigations of biofilm growth and structure. The extent of bacterial colonization of the wound bed, as well as the subsequent changes in molecular composition of skin tissue, were inherently linked to the characteristics of the underlying wound models including their viability and origin. Notably, the immune response observed in viable ex vivo and in vitro models was consistent with previous in vivo reports. While ex vivo models offered greater complexity and closer similarity to the in vivo conditions, in vitro models consistently demonstrated higher reproducibility. As a consequence, when focusing on direct biofilm-skin interactions, the viability of the wound models as well as their advantages and limitations should be aligned to the particular research question of future studies. Altogether, the novel model allows for a systematic investigation of host-pathogen interactions of bacterial biofilms and human wound tissue, also paving the way for development and predictive testing of novel therapeutics to combat biofilm-infected wounds.
Approximately 80 % of persistent wound infections are affected by the presence of bacterial biofilms, resulting in a severe clinical challenge associated with prolonged healing periods, increased morbidity, and high healthcare costs. Unfortunately, in vitro models for wound infection research almost exclusively focus on early infection stages with planktonic bacteria. In this study, we present a new approach to emulate biofilm-infected human wounds by three-dimensional human in vitro systems. For this purpose, a matured biofilm consisting of the clinical key wound pathogen Pseudomonas aeruginosa was pre-cultivated on electrospun scaffolds allowing for non-destructive transfer of the matured biofilm to human in vitro wound models. We infected tissue-engineered human in vitro skin models as well as ex vivo human skin explants with the biofilm and analyzed structural tissue characteristics, biofilm growth behavior, and biofilm-tissue interactions. The structural development of biofilms in close proximity to the tissue, resulting in high bacterial burden and in vivo-like morphology, confirmed a manifest wound infection on all tested wound models, validating their applicability for general investigations of biofilm growth and structure. The extent of bacterial colonization of the wound bed, as well as the subsequent changes in molecular composition of skin tissue, were inherently linked to the characteristics of the underlying wound models including their viability and origin. Notably, the immune response observed in viable ex vivo and in vitro models was consistent with previous in vivo reports. While ex vivo models offered greater complexity and closer similarity to the in vivo conditions, in vitro models consistently demonstrated higher reproducibility. As a consequence, when focusing on direct biofilm-skin interactions, the viability of the wound models as well as their advantages and limitations should be aligned to the particular research question of future studies. Altogether, the novel model allows for a systematic investigation of host-pathogen interactions of bacterial biofilms and human wound tissue, also paving the way for development and predictive testing of novel therapeutics to combat biofilm-infected wounds.