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Fragment-based screening has evolved as a remarkable approach within the drug discovery process both in the industry and academia. Fragment screening has become a more structure-based approach to inhibitor development, but also towards development of pathway-specific clinical probes. However, it is often witnessed that the availability, immediate and long-term, of a high quality fragment-screening library is still beyond the reach of most academic laboratories. Within iNEXT (Infrastructure for NMR, EM and X-rays for Translational research), a EU-funded Horizon 2020 program, a collection of 782 fragments were assembled utilizing the concept of “poised fragments” with the aim to facilitate downstream synthesis of ligands with high affinity by fragment ligation. Herein, we describe the analytical procedure to assess the quality of this purchased and assembled fragment library by NMR spectroscopy. This quality assessment requires buffer solubility screening, comparison with LC/MS quality control and is supported by state-of-the-art software for high throughput data acquisition and on-the-fly data analysis. Results from the analysis of the library are presented as a prototype of fragment progression through the quality control process.
Transfer RNAs (tRNAs) are highly structured non-coding RNAs which play key roles in translation and cellular homeostasis. tRNAs are initially transcribed as precursor molecules and mature by tightly controlled, multistep processes that involve the removal of flanking and intervening sequences, over 100 base modifications, addition of non-templated nucleotides and aminoacylation. These molecular events are intertwined with the nucleocy- toplasmic shuttling of tRNAs to make them available at translating ribosomes. Defects in tRNA processing are linked to the development of neurodegenerative disorders. Here, we summarize structural aspects of tRNA processing steps with a special emphasis on intron-containing tRNA splicing involving tRNA splicing endonuclease and ligase. Their role in neurological pathologies will be discussed. Identification of novel RNA substrates of the tRNA splicing machinery has uncovered functions unrelated to tRNA processing. Future structural and biochemical studies will unravel their mechanistic underpinnings and deepen our understanding of neurological diseases.
The KMT2A (MLL) gene rearrangements (KMT2A-r) are associated with a diverse spectrum of acute leukemias. Although most KMT2A-r are restricted to nine partner genes, we have recently revealed that KMT2A-USP2 fusions are often missed during FISH screening of these genetic alterations. Therefore, complementary methods are important for appropriate detection of any KMT2A-r. Here we use a machine learning model to unravel the most appropriate markers for prediction of KMT2A-r in various types of acute leukemia. A Random Forest and LightGBM classifier was trained to predict KMT2A-r in patients with acute leukemia. Our results revealed a set of 20 genes capable of accurately estimating KMT2A-r. The SKIDA1 (AUC: 0.839; CI: 0.799–0.879) and LAMP5 (AUC: 0.746; CI: 0.685–0.806) overexpression were the better markers associated with KMT2A-r compared to CSPG4 (also named NG2; AUC: 0.722; CI: 0.659–0.784), regardless of the type of acute leukemia. Of importance, high expression levels of LAMP5 estimated the occurrence of all KMT2A-USP2 fusions. Also, we performed drug sensitivity analysis using IC50 data from 345 drugs available in the GDSC database to identify which ones could be used to treat KMT2A-r leukemia. We observed that KMT2A-r cell lines were more sensitive to 5-Fluorouracil (5FU), Gemcitabine (both antimetabolite chemotherapy drugs), WHI-P97 (JAK-3 inhibitor), Foretinib (MET/VEGFR inhibitor), SNX-2112 (Hsp90 inhibitor), AZD6482 (PI3Kβ inhibitor), KU-60019 (ATM kinase inhibitor), and Pevonedistat (NEDD8-activating enzyme (NAE) inhibitor). Moreover, IC50 data from analyses of ex-vivo drug sensitivity to small-molecule inhibitors reveals that Foretinib is a promising drug option for AML patients carrying FLT3 activating mutations. Thus, we provide novel and accurate options for the diagnostic screening and therapy of KMT2A-r leukemia, regardless of leukemia subtype.
Die Fähigkeit der spezifischen und kontextabhängigen zellulären Adaption auf intrinsische und/oder extrinsische Signale ist das Fundament zellulärer Homöostase. Verschiedene Signale werden von Membranrezeptoren oder intrazellulären Rezeptoren erkannt und ermöglichen die molekulare Anpassung zellulärer Prozesse. Komplexe, ineinandergreifende Proteinnetzwerke sind dabei elementar in der Regulation der Zelle. Proteine und deren Funktionen werden dabei nach Bedarf reguliert und unterliegen einem ständigen proteolytischen Umsatz.
Die stimulusabhängige Gentranskription und/oder Proteintranslation nimmt hier eine zentrale Stellung ein, da die zugrundeliegende Maschinerie die Komposition und Funktion der Proteinnetzwerke entsprechend anpassen kann. Zusätzlich zur Regulation der Proteinabundanz werden Proteine posttranslational modifiziert, um deren Eigenschaften rasch zu ändern. Zu posttranslationalen Modifikationen zählen die Ubiquitinierung und/oder Phosphorylierung, welche die Proteinfunktionen hochdynamisch regulieren. Deregulierte Proteinnetzwerke werden oft mit Neurodegeneration und Autoimmun- oder Krebserkrankungen assoziiert. Auch Infektionen mit humanpathogenen Bakterien greifen stark in den Regulierungsprozess von Proteinnetzwerken und deren Funktionen ein. Die zelluläre Homöostase wird dadurch herausgefordert.
Bakterien der Gattung Salmonella sind zoonotische, gramnegative, fakultativ intrazelluläre Pathogene, welche weltweit millionenfach Salmonellen-erkrankungen hervorrufen. Von besonderer Bedeutung ist dabei Salmonella enterica serovar Typhimurium (hiernach Salmonella), welches im Menschen, meist durch mangelnde Hygienemaßnahmen, Gastroenteritis auslöst.
Immunität in Epithelzellen wird über das angeborene Immunsystem vermittelt und dient der Pathogenerkennung und -bekämpfung. Die Toll-like Rezeptoren (TLR) gehören zu den Mustererkennungsrezeptoren (pattern recognition receptors), welche spezifische mikrobielle Strukturen detektieren und eine kontextabhängige zelluläre Antwort generieren. Danger-Rezeptoren erkennen hingegen nicht direkt das Pathogen, sondern zelluläre Perturbationen, welche durch Zellschäden oder bakterielle Invasionen verursacht werden. Die intrinsische Fähigkeit der Wirtszelle, sich gegen Infektionen/Gefahren zu wehren wird dabei als zellautonome Immunität bezeichnet. Dabei nehmen induzierte proinflammatorische Signalwege und zelluläre Stressantworten eine wichtige Stellung ein. Die zelluläre Stressantwort aktiviert unter anderem die selektive Autophagie. Diese kann spezifisch aberrante Organelle, Proteine und invasive Pathogene abbauen. Ein weiterer Stresssignalweg ist die integrated stress response (ISR), welche eine selektive Proteintranslation erlaubt und damit die Auflösung des proteintoxischen Stresses ermöglicht.
Zur Penetration von Epithelzellen benötigt Salmonella ein komplexes System an Virulenzfaktoren, welches die bakterielle Internalisierung und Proliferation in der Wirtszelle ermöglicht. Salmonella nutzt dazu ein Typ-III-Sekretionssystem. Das System sekretiert bakterielle Virulenzfaktoren in die Zelle, sodass eine hochspezifische Modulierung des Wirtes erzwungen wird.
Die Virulenzfaktoren SopE und SopE2 spielen dabei eine Schlüsselrolle, da sie die Pathogenität von Salmonella maßgeblich vermitteln. Durch molekulare Mimikry von Wirts GTP (Guanosintriphosphat) -Austauschfaktoren aktivieren SopE und SopE2 die Rho GTPasen CDC42 und Rac1. GTP-geladenes CDC42 und Rac1 wiederum aktivieren das Aktinzytoskelett und stimulieren die Polymerisierung von Aktinfilamenten über den Arp2/3-Komplex an der Invasionsstelle. Das Pathogen wird dadurch in ein membranumhülltes Vesikel, die sogenannte Salmonella-containing Vakuole (SCV), aufgenommen. Die SCV stellt eine protektive, replikative, intrazelluläre Nische des Pathogens dar und wird permanent durch verschiedene Virulenzfaktoren moduliert.
Im Allgemeinen führt die Aktivierung von Mustererkennungsrezeptoren und Danger-Rezeptoren also zu einer zellulären Stressantwort und Entzündungsreaktion, wodurch es zur Bekämpfung der Infektion kommt. Inflammatorische Signalwege werden meist über den zentralen Transkriptionsfaktor NF-κB (nuclear factor 'kappa-light-chain-enhancer' of activated B-cells) vermittelt. NF-κB bewirkt die Induktion von proinflammatorischen Effektoren und Stressgenen. Zellautonome Immunität wird zusätzlich durch antibakterielle Autophagie ermöglicht, wobei Salmonella selektiv über das lysosomale System abgebaut werden. Das bakterielle Typ-III-Sekretionssystem verursacht an einigen wenigen SCVs Membranschäden, sodass Salmonella das Wirtszytosol penetrieren. Zytosolische Bakterien werden dabei spezifisch ubiquitiniert. Dies erlaubt die Erkennung durch die Autophagie-Maschinerie.
In der vorliegenden Arbeit wurde die zellautonome Immunität von Epithelzellen während einer akuten Salmonella Infektion durch quantitative Proteomik untersucht...
Die vorliegende Dissertation stellt eine Methode zur Löslichkeitsbestimmung vor, die für die Anwendung im Rahmen von BCS-Biowaiver Monografien entwickelt wurde. Der Methode und dem dafür konzipierten Studienprotokoll liegt das Prinzip der „Minimallöslichkeit“ zugrunde. Damit lässt sich einfach, kosteneffizient und wissenschaftlich verlässlich feststellen, ob ein Arzneistoff „hochlöslich“ gemäß den BCS-Biowaiver Richtlinien der Gesundheitsbehörden FDA, EMA und WHO ist und sich dementsprechend generische Produkte des Arzneistoffs grundsätzlich für das BCS-Biowaiver Zulassungsverfahren eignen.
Dieses Verfahren für die Zulassung von Generika erlaubt die Beurteilung der Bioäquivalenz eines festen generischen Arzneimittels zur peroralen Anwendung auf Basis von in vitro-Freisetzungsuntersuchungen anstatt von in vivo-Studien wie z.B. pharmakokinetischen Studien am Menschen und erleichtert dadurch eine Marktzulassung sowohl durch Zeit- als auch Kosteneinsparung. Die Anwendung des Verfahrens ist von Vorteil, um die Verfügbarkeit von qualitativ hochwertigen, generischen (und damit kostengünstigen) Arzneimitteln zu erhöhen. Dies ist besonders wünschenswert für die Verfügbarkeit von gemäß der Weltgesundheitsorganisation essenziellen Arzneistoffen und unter denen gerade von solchen, die zur Bekämpfung von Krankheiten mit nur wenigen und/oder teuren therapeutischen Alternativen benötigt werden.
Entstanden ist die Löslichkeitsbestimmungsmethode im Rahmen von zwei Projekten, die beide zu diesem Ziel einer guten globalen Gesundheitsversorgung beitragen: die Erstellung der Biowaiver Monografien von Proguanilhydrochlorid (ein Malaria-Prophylaktikum) und Cefalexinmonohydrat (ein Antibiotikum aus der Gruppe der Cephalosporine) setzt die Publikationsreihe „Biowaiver Monograph Series“ der FIP Focus Group „Bioclassification/Biowaiver“ fort. Jede Monografie gibt eine umfassende wissenschaftliche Empfehlung zur Eignung eines Wirkstoffs der WHO „Model List of Essential Medicines“ und seiner generischen Produkte für das BCS-Biowaiver Verfahren hinsichtlich aller regulatorisch geforderten Aspekte ab. Proguanilhydrochlorid (BCS Klasse III – „hochlöslich“ und nicht „hoch permeabel“) und Cefalexinmonohydrat (BCS Klasse I – „hochlöslich“ und „hoch permeabel“) sind beide für dieses Zulassungsverfahren geeignet.
Im Zuge des anderen Projektes wurde die Löslichkeit und anschließend die BCS Klasse von Wirkstoffen bestimmt, die der 16. und 17. Version der WHO „Model List of Essential Medicines“ neu hinzugefügt wurden. Neun von 16 untersuchten Wirkstoffen, die in feste, perorale Arzneimittel formuliert werden können, sind im Hinblick auf ihre BCS Klasse für das eine Zulassung per BCS-Biowaiver geeignet. Eine umfangreichere Empfehlung könnte im Rahmen einer Biowaiver Monografie gegeben werden.
Die experimentelle Bestimmung der Löslichkeit über einen pH-Wert-Bereich von 1-6,8 war essenzieller Bestandteil beider Projekte, da Literaturdaten zur Löslichkeit der Wirkstoffe nicht oder nur unvollständig vorlagen. Die entwickelte Methode basiert auf einer im Kleinmaßstab angesetzten „Shake-Flask“-Methode zur Bestimmung der thermodynamischen Löslichkeit, wird jedoch in einem Zeitrahmen von 24 Stunden durchgeführt. Sie nutzt die höchste Dosis der Wirkstoffe als Substanzmenge, um zu bestimmen, ob dieser „hochlöslich“ gemäß den BCS-Biowaiver Richtlinien ist oder nicht. Die Methode bzw. das dazugehörige Studienprotokoll beinhalten Empfehlungen zu den einzelnen Schritten der Durchführung, der Auswahl der Medien und Herausforderungen wie Präzipitation (Fallbeispiel: Proguanilhydrochlorid) und Zersetzungsreaktionen (Fallbeispiel: Cefalexinmonohydrat). Löslichkeitsdaten, die mit dieser Methode erhoben werden, können für eine Zulassung per BCS-Biowaiver bei den Gesundheitsbehörden eingereicht werden, aber auch für ein Vorab-Screening genutzt werden, dass „hochlösliche“ Arzneistoffe aus einer Vielzahl von Substanzen herauszufiltern soll, um nähere Untersuchungen im Rahmen einer Biowaiver Monografie anzuschließen.
Im Rahmen dieser vorliegenden Thesis wurden verschiedene photosensitive Systeme anhand statischer und zeitaufgelöster optischer Spektroskopiemethoden charakterisiert. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit lag in der Entwicklung und Untersuchung neuer Quantenpunkt-basierter Hybridsysteme. Es war möglich die optischen Eigenschaften der Quantenpunkte über Optimierung der Syntheseschritte zu variieren und so auf geplante Projekte anzupassen.
Im Projekt „Quantenpunkte als Zwei-Photonen Antenne“ sollten die hohen Zwei-Photonen Einfangquerschnitte von Quantenpunkten ausgenutzt werden um in Kombination mit einer photolabilen Schutzgruppe, ein Uncaging im NIR-Bereich zu realisieren. Es wurden ZnSe/ZnS Partikel synthetisiert, die eine starke Emission im Bereich der Absorption der Schutzgruppe zeigen. Anhand von zeitaufgelösten transienten Absorptionsexperimenten mit einer Anregungswellenlänge bei 775 nm wurde eine Zwei-Photonen Absorption der Partikel nachgewiesen. Jedoch wurden starke Emissionsbeiträge aus Fallenzuständen und eine geringe Stabilität beobachtet. Die Synthese von CdS/ZnS Quantenpunkten lieferte stabile Partikel mit geringer trap state Emission. Diese Partikel wurden in einem Modellhybridsystem als Energiedonoren eingesetzt. Als Akzeptor wurde der Farbstoff Cumarin343 gewählt. In statischen Absorptions- und Emissionsmessungen, zeitkorrelierten Einzelphotonenmessungen sowie in fs-zeitaufgelösten transiente Absorptionsmessungen konnte ein ultraschneller Energietransfer nach Ein-Photonen Anregung des Hybridsystems beobachtet werden. Über TPiF Messungen wurde die Zwei-Photonen Absorption der Quantenpunkte detektiert. Ein Energietransfer nach Zwei-Photonen Anregung der Quantenpunkte wurde beobachtet. Schließlich wurde ein Hybridsystem aus CdS/ZnS und der photolabilen Schutzgruppe Az-NDBF (Synthese im AK Heckel, Goethe Universität, Frankfurt a. M.) untersucht. Auch in diesem System wurde ein Energietransfer von Quantenpunkt auf die Schutzgruppe nach Ein- und Zwei-Photonen Anregung beobachtet. Anhand von TA Experimenten wurde eine Zeitkonstante von <100 ps für den Energietransfer nach Ein-Photonen Anregung ermittelt. Es konnte anhand der vorgestellten Resultate gezeigt werden, dass sich Quantenpunkte, aufgrund der guten Anpassung ihrer optischen Eigenschaften generell sehr gut als Antennen für organische Verbindungen eigenen.
Des Weiteren wurde ein Hybridsystem aus CdSe/ZnS Quantenpunkten und einer Dyade (Verbindung eines DTE Photoschalters und BODIPY Derivats), entworfen und charakterisiert. Ein ultraschneller EET von BODIPY auf den geschlossenen DTE Schalter wurde in vorangegangenen Studien beobachtet. Dieser EET führte zur Löschung der BODIPY-Emission. Sobald der Photoschalter im offenen Zustand vorliegt, findet aufgrund des fehlenden spektralen Überlapps kein EET statt und es wird die BODIPY-Emission detektiert. Die Erweiterung der Dyade um einen Quantenpunkt zeigte nach Anregung des Quantenpunkts dessen Fluoreszenzlöschung. Da die Emissionsbande der Quantenpunkte im Absorptionsbereich des BODIPY Farbstoffes liegt, konnte über statische und zeitaufgelöste Experimente ein ultraschneller EET von CdS/ZnS auf den Farbstoff ermittelt werden. Dies führte zu der Erweiterung des Anregungsspektrums des BODIPY Farbstoffs. Die Kopplung der Dyade an die Quantenpunktoberfläche lieferte eine Verbindung mit dem breiten Anregungsspekrum des Quantenpunkts und der schaltbaren Fluoreszenz der Dyade.
Das Hybridsystem aus CdSe Quantenpunkten und PDI zeigte vom Verhältnis der Quantenpunkte zu gekoppelten PDI Molekülen abhängige Fluoreszenzsignale. In TA Experimenten wurde ein ultraschneller EET ermittelt. Für hohe PDI Konzentrationen wurde ein weiterer EET von höher angeregten Elektronen auf das PDI identifiziert. Neben der EET Charakterisierung konnte ein zusätzlicher Prozess innerhalb des Hybridsystems mit hoher PDI Konzentration beobachtet werden. Auf den EET von Quantenpunkt auf PDI folgt ein ET aus dem Valenzband des Quantenpunkts in das HOMO des PDI*. In vorangegangene Arbeiten zu Hybridsystemen aus CdSe/ZnS und PDI wurde kein ET beobachtet. In dem beschriebenen Projekt konnte der Einfluss einer passivierenden Schale auf die elektronischen Eigenschaften von CdSe Quantenpunkten gezeigt werden.
Im letzten Teil dieser Thesis wurde die spektroskopische Charakterisierung einer NVOC und zweier NDBF Schutzgruppen beschrieben. Es konnten anhand statischer Absorptionsmessungen eine Freisetzungsquantenausbeute für NVOC-Adenin von 1,1 % ermittelt werden. Die Charakterisierung der Schutzgruppen mit einer NDBF Grundstruktur (DMA-NDBF und Az-NDBF) ergab eine Abhängigkeit der Freisetzungs- und Fluoreszenzausbeute von der Polarität des Lösungsmittels. In polarer Umgebung reduzierten sich die Quantenausbeuten deutlich...
The most versatile tool for visualizing endogenous RNA is molecular beacons (MBs). MBs are modified oligonucleotides that consist of a stem-loop structure equipped with a fluorophore and a quencher at the opposite ends. They only give a fluorescent signal when hybridized to the target RNA. Here we present our recent efforts to enhance the spatiotemporal resolution of RNA visualization by refining MBs.
We first asked if we could refine MBs to visualize defined subcellular populations of RNA in living neurons. To achieve this, we utilize visible light-activatable Q-dye MBs to allow only a subcellular fraction to be activated. Here, the fluorophore at the 5’-end was linked to a second quencher via a photolabile coumarin protecting group. Therefore, the MB only gives a fluorescent signal, when activated with visible light and hybridized to the target. This architecture allowed local activation of a hybridized subpopulation in a defined area of the cell. Knowing the exact origin of the activated RNA, we were able to increase the available monitoring time for neuronal mRNA from several minutes (literature known MBs) to more than 14 hours.
We next asked if it would be possible to gain spatiotemporal control over where the MB hybridization events occur. Therefore, we developed photo-tethered MBs where two phosphates in the loop backbone are covalently linked to each other via two photocages. This prevents the MB from hybridization to the target RNA. Only when light is applied, the photo-tethers are cleaved, and the inherent hybridization function of the MB is activated. This architecture allowed us to control the hybridization of photo-tethered MBs in primary cultured neurons.
To this day, stroke is the leading cause of death and disability worldwide. Due to increasing age of the world population and poor lifestyle, the incidence is further rising. Besides mechanical thrombectomy as a surgical option, there is a lack of therapeutic options with recombinant tissue plasminogen activator (rt-PA) being the only approved drug for treatment for ischemic stroke. However, there are various problems that make the administration of rt-PA difficult. In particular, it can only be given for ischemic (not hemorrhagic) stroke, and there is a narrow time frame of 4.5 hours after onset of stroke, in which it can be successfully applied. While the success rates of combined thrombectomy with rt-PA are around 60%, less than 5% of patients receive this therapy.
ß-Hydroxybutyrate (BHB) is a ketone body that is formed in high amounts during fasting and lipolysis. Ketone bodes and the ketogenic diet have been shown to have neuroprotective properties in neurodegenerative diseases. In prior work of our group, the ketogenic diet was shown to have beneficial effects in mice after transient ischemia. In the present work, a single dose of BHB was tested for beneficial effects. For this purpose, microdialysis was used to demonstrate that BHB can cross the blood-brain barrier. For the next series of experiments, transient cerebral ischemia was induced in mice for 90 minutes by unilaterally occluding the middle cerebral artery (MCAO) with a silicone-covered filament. Behavioral tests one day after BHB administration showed that the moderate dose of 30 mg/kg, given immediately after reperfusion, improved the neurological score significantly whereas a lower (10 mg/kg) and a higher dose (100 mg/kg) had no effects The main part of the experiments focused on mitochondrial respiration as a potential mechanism of action for BHB. In isolated mitochondria from mouse brain, BHB (1-10 mM) was able to stimulate mitochondrial respiration stronger than pyruvate, but not as strong as succinate.. In the following experiments, MCAO was induced in vivo, and mitochondria were isolated and investigated ex vivo. Experiments were conducted 60 minutes, 24 hours, 72 hours, and 7 days after cerebral ischemia and reperfusion. Besides mitochondrial respiration (normalized to mitochondrial protein content or citrate synthase activity), several other parameters were monitored: the development of bodyweight throughout the experiment, citrate synthase activity, plasma metabolites and behavior to assess motor functions. Three behavioral tests were conducted: first, the Corner test, an experiment for measuring the extent of unilateral movement. Here, if a stroked mouse is put into a narrow corner (30°), it is most likely to turn unilaterally to the right, whereas an unimpaired mouse will turn to both sides randomly. From a total of 10 turns, a laterality index was calculated. Second, in the Chimney test, the mouse walks heads first into a tube. Once it reaches the end, the tube is tipped 90 degrees to stand on the table vertically. Motorically impaired animals have difficulties crawling backwards up to the top of the tube. The experiment was stopped if an animal did not reach the top of the tube within 60 seconds. Third, in the Rotarod test, the mouse is placed on a rotating beam on which it is supposed to walk for at least 60 seconds, and the time when the animal falls off the rotating tube is measured.
All animals that had undergone ischemia showed massive weight loss until 72 hours after reperfusion. Weight loss then stagnated and there was a trend of increasing weight 7 days after reperfusion. The behavioral analysis showed that 24 hours after reperfusion, BHB-treated animals performed significantly better in the Corner test, meaning their moving patterns were more heterogeneous than those of saline-treated animals and in the Chimney test. 72 hours after reperfusion, BHB-treated animals still performed significantly better in the Chimney test, but 7 days after reperfusion, the performances of BHB- and saline-treated animals were no longer different from each other in any of the behavioral tests. In separate experiments, the plasma metabolites glucose, lactate, and pyruvate were changed in the animals that had undergone ischemia but were not affected by BHB administration.
Mitochondrial respiration was tested at four time points after the administration of BHB after reperfusion – 60 minutes, 24 hours, 72 hours, and 7 days after transient cerebral ischemia. 60 minutes later, data showed an increase of oxygen consumption of the complexes I and II. OxPhos was also increased but the effect at this point, did not reach statistical significance. 24 hours after reperfusion, this effect was consolidated: complex I, complex II and OxPhos respiration were significantly improved in the BHB-treated group compared to saline...
Intrinsische und extrinsische Faktoren wie die Darreichungsform, Komedikation und genetische Polymorphismen können einen signifikanten Einfluss auf die Exposition des Wirkstoffes haben und in der Folge zu Veränderungen in der Wirksamkeit oder Sicherheit eines Wirkstoffes führen. Die Fähigkeit die Auswirkungen solcher Faktoren auf die Exposition und die pharmakologische Aktivität eines Wirkstoffes zu quantifizieren und zu extrapolieren, repräsentiert einen Meilenstein bei der Bestimmung der erforderlichen Dosisanpassungen und der Umsetzung von Risikomanagementstrategien in der klinischen Pharmakologie. Unter dem Blickwinkel der modellbasierten Arzneimittelforschung und -entwicklung (engl. model-informed drug discovery and development (MID3)) können dynamisch mechanistische Modelle, wie z. B. whole-body PBPK/PD-Modelle, für die Vorhersage des Effekts sowie der Wechselwirkung mehrerer Faktoren auf PK und PD nützlich sein und könnten daher als Orientierung für die Wahl der Formulierung und für klinische Dosierungsempfehlungen dienen.
Obwohl PBPK-Modelle in der Pharmabranche inzwischen routinemäßig zur internen Entscheidungsfindung und zur Unterstützung der regulatorischen Bewertung eingesetzt werden, bleibt das Vertrauen Waiver von speziellen klinischen pharmakologischen Studien für biopharmazeutische Anwendungen durch PBPK- Modellanalysen zu stützen eher gering. Andererseits hat sich die virtuelle Bioäquivalenz im Zusammenhang mit der Simulation klinischer Studien als ein vielversprechendes, aber noch unterentwickeltes Feld erwiesen, mit dessen Hilfe der Anwendungsbereich der PBPK-Modellierung in der Biopharmazeutik erweitert werden kann. So werden beispielsweise BCS-basierte Biowaiver für Wirkstoffe der BCS-Klassen II und IV derzeit von den Gesundheitsbehörden nicht akzeptiert. In einigen Fällen hat die PBPK-Modellierung durch Verknüpfung der In-vitro-Freisetzung mit der In-vivo-Performance der Formulierung jedoch gezeigt, dass ein solcher Ansatz unter Umständen wissenschaftlich gerechtfertigt sein könnte. Auf ähnliche Weise können PBPK-Modellierung und VBE verwendet werden, um klinisch relevante Spezifikationen für die Wirkstofffreisetzung festzulegen und den "safe space" der Freisetzung zu definieren (oder zu erweitern). Doch selbst bei Wirkstoffen, die Unterschiede im Umfang und in der Rate der Absorption außerhalb der Bioäquivalenzgrenzen aufweisen, was bedeutet, dass sie nicht als bioäquivalent und damit austauschbar angesehen werden können, kann die therapeutische Äquivalenz beibehalten werden, sofern dies durch eine Expositions-Wirkungs-Analyse und/oder eine Expositions-Sicherheits-Analyse unter Verwendung empirischer, halb- oder vollmechanistischer PK/PD-Modelle angemessen begründet wird.
Wie bereits erwähnt bieten PK/PD- und insbesondere PBPK/PD-Modelle einen mechanistischen Ansatz, der die Gewebekonzentrationen am Wirkort des Wirkstoffes mit der pharmakologischen Wirkung verknüpft. Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst ein Überblick über bestehende PK/PD-Modelle und deren mathematischen Umsetzung vorgestellt. Darüber hinaus sind wirkstoffspezifische Fallbeispiele mit einer offensichtlichen Entkopplung von PK und PD von besonderem Interesse, bei denen Expositionsschwankungen weniger kritisch, wenn nicht gar irrelevant für die pharmakologische Reaktion sind (Publikation 1).
In diesem Zusammenhang bietet PBPK Modellierung und Simulation die Möglichkeit die oben genannten wissenschaftlichen Überlegungen zu untersuchen, ungetestete Szenarios zu erforschen und schließlich evidenzbasiert und arzneimittelspezifische Empfehlungen für Bioäquivalenzprüfungen zu erteilen. Daher bestand das Hauptziel darin PBPK/PD-Modelle zu entwicklen, zu validieren und anzuwenden sowie virtuelle Trials zu simulieren, um den relativen Effekt der In-vitro/ In-vivo-Freisetzung, PK-Charakteristiken (z.b. die Halbwertszeit) und die intraindividuelle Variabilität bei der In-vivo-Arnzeimittelwirkung von BCS Klasse II schwach sauren Verbindungen zu beurteilen und einen PBPK-IVIVE integrierten Arbeitsablauf vorzuschlagen, um virtuelle Bioäquivalenzstudien durchzuführen.
Es wurden drei BCS Klasse II schwach saure Wirkstoffe (Naproxen, Flurbiprofen, Ibuprofen) mit ähnlicher Disposition und ähnlichen metabolischen Eigenschaften zur Untersuchung ausgewählt. Allgemein sind alle drei Wirkstoffe stark an Plasmaproteine gebunden und haben daher ein niedriges Verteilungsvolumen, niedrigen First-Pass-Effekt, niedrige systemische Clearance und eine nahezu vollständige Bioverfügbarkeit (F>0.9). Allerdings unterscheiden sie sich signifikant in ihrer Halbwertszeit: Für Naproxen beträgt t1/2≃20-24 h, für Flurbiprofen t1/2≃7 h und für Ibuprofen t1/2≃2 h, was moderate bis lange, moderate und kurze Halbwertszeiten widerspiegelt.
Für alle drei Wirkstoffe wurde ein systematischer Arbeitsablauf erstellt einschließlich: i) Charakterisierung von in vitro biopharmazeutischen Eigenschaften (z.b. Löslichkeit, Freisetzung) gefolgt von modellbasierten Analysen von In-vitro-Ergebnissen, ii) Entwicklung und umfassende Validierung von PBPK/PD-Modellen und iii) Simulierung und Risikoeinschätzung von Bioäquivalenzstudien. Die Fallstudien von Naproxen (Publikation 2) und Ibuprofen (Publikation 3) konzentrieren sich auf bewährte Verfahren der IVIVE für biopharmazeutische Parameter, Risikoabschätzung und Simulation von Bioäquivalenzstudien mit PBPK-Modellen, welche die inter-occasion Variabilität miteinbeziehen. Das Beispiel von Flurbiprofen (Publikation 4) hebt die Wichtigkeit des Verständnisses des relativen Einflusses von intrinsischen (z.b. genetische Polymorphismen) und extrinsischen (z.b. Komedikationen) Faktoren auf die PK und PD des Wirkstoffes hervor, wenn Empfehlungen für die Bioäquivalenz und die therapeutische Gleichwertigkeit gemacht werden. Alle drei Fallbeispiele liefern mechanistische Erkenntnisse über die Freisetzungssgrenzen, die für die In-vivo-Arneimittelwirksamkeit kritisch ist, unter Berücksichtigung der PK-Eigenschaften des Wirkstoffes und der physiologischen Variabilität mit dem Ziel den Status quo des aktuellen BCS-basierten Biowaiveransatzes in Frage zu stellen und integrierte In-vitro-, In-vivo- und In-silico-Paradigma der Risikobewertung für Waiver von In-vivo-Bioäquivalenzstudien einzuführen.
In dem letzten Teil der Arbeit werden Herausforderungen, Kenntnislücken und Möglichkeiten von PBPK/PD-Modellierung zur Unterstützung von Waivern von in vivo klinischen Studien im Bereich von oralen Biopharmazeutika diskutiert (Publikation 5).
Im Großen und Ganzen schlägt diese Dissertation biorelevante In-vitro-Methoden für die Vorhersage von In-vivo-Formulierungsperformance und neue PBPK/PD-Methoden vor, um Daten von in vitro biopharmazeutischen Experimenten zu den In-vivo-Bedingungen zu extrapolieren. Außerdem ist dies das erste Mal nach unserem Kenntnisstand, dass PBPK/PD-Ansätze zur Durchführung virtueller Bioäquivalenzstudien vorgeschlagen werden, die auch die inter-occasion Variabilität der Pharmakokinetik berücksichtigen. Desweiteren hebt diese Arbeit die Bedeutung von pharmakokinetischen Eigenschaften auf Bioäquivalenz-Ergebnissen hervor und stellt ein neues Konzept zur Risikoeinschätzung von Bioäquivalenz vor, in welchem die Bewertung des Bedarfs eines Waivers von einer In-vivo-Bioäquivalenzstudie sowohl auf biopharmazeutischen als auch pharmakokinetischen Wirkstoffeigenschaften basiert und quantitativ mit PBPK/PD-Modellierung bewertet wird.
Macroautophagy, herein referred to as autophagy, is an evolutionarily conserved homeostatic process that normally occurs inside eukaryotic cells which involves degradation of cytoplasmic substances via lysosomes. It can be induced by various conditions such as starvation and drug exposure, as well as be inhibited by numerous compounds. Under normal conditions, the doublemembrane autophagosomes engulf the cytosolic substrates and deliver them to lysosomes for digestion. These substrates include unnecessary or dysfunctional cell components, such as faulty macromolecules, organelles and even invading pathogens. Autophagosomes are formed through the co-operative work of various autophagy-related (ATG) proteins organized into complexes. Upon closure of the autophagosomes, they fuse with the acidic lysosomes, resulting in formation of autolysosomes and the delivery of lysosomal hydrolases to degrade the engulfed contents. The fusion of the autophagosome with lysosome is carried out by specific SNARE proteins, small GTPases and their effectors including tethers, adaptors and motor proteins. Autophagy is impaired in many human diseases including cancer, neurodegenerative diseases, aging and inflammation. Therefore, manipulation of autophagy pathway holds a great promise for new therapeutic applications ...
Zika-virus (ZIKV), a flavivirus mainly transmitted by Aedes mosquitoes, is a single-stranded, positive-sense RNA virus. The viral genome is surrounded by a nucleocapsid and a lipid bilayer, in which membrane and envelope proteins are embedded. ZIKV disease is mainly characterized by mild symptoms, such as fever, rash as well as pain in head and joints. However, after epidemics it caused in the Americas in 2015/16, ZIKV infections were also associated with severe neurological complications like the Guillain-Barré syndrome (GBS) and microcephaly in fetuses and newborns. So far there are no specific antiviral treatments or vaccines available against ZIKV. This strengthens the need for a detailed understanding of the viral life cycle and virus-host interactions.
The antiviral host factor tetherin (THN) is an interferon-stimulated protein and therefore part of the cellular innate immune response. It comprises an N-terminal cytoplasmic domain, followed by a transmembrane helix, an extracellular coiled-coil domain and a C-terminal glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor. Containing two sites for membrane insertion linked by a flexible structure, THN is able to integrate into the membrane of budding viruses, thereby attaching them to each other and to the cell membrane and preventing their further release and spread.
In this study, the crosstalk of ZIKV and THN was analyzed. Previous gene expression analyses by microarray and quantitative polymerase chain reaction (qPCR) had revealed a strong upregulation of the BST2 gene encoding for THN in ZIKV-infected cells. However, this enhanced expression did not correlate with an enhanced THN protein level. On the contrary, the amount of THN in THN-overexpressing cells was after infection even heavily reduced. Furthermore, immunofluorescence analyses revealed a loss of THN membrane localization in these cells. By performing a cycloheximide assay, this loss could be traced back to a reduced protein half-life of THN in infected versus uninfected cells. Treatment with inhibitors of different protein degradation pathways as well as colocalization analyses with markers of several subcellular compartments indicated an involvement of the endo-lysosomal route. A knock-down of the ESCRT-0 protein HRS however prevented the sorting of THN for lysosomal degradation and led to a stabilization of THN protein levels. After HRS depletion, the release and spread of viral particles was reduced in THN-overexpressing compared to wildtype cells.
Taken together, the data obtained in this study revealed the potential of THN to restrict ZIKV release and spread. The enhanced degradation of THN in ZIKV-infected cells via the endo-lysosomal pathway could therefore be explained as an effective viral escape strategy. This could be circumvented by knockdown of the ESCRT-0 protein HRS, which highlighted HRS as a potential target for the development of antiviral treatments.
Pulsed dipolar (PD) EPR spectroscopy is an established and reliable tool for the investigation of biomolecules. In terms of long distance and orientation measurements, it is one of the leading methods and further fields of application are constantly being explored. The distances that can be detected with PD EPR also correspond to the range in which almost all important biomolecule interactions occur. In the transition from in vitro spectroscopy to in-cell spectroscopy, the power of PD EPR spectroscopy is particularly evident. It is non-invasive, more sensitive than NMR, and does not exhibit background signals from diamagnetic molecules. In particular, the absence of background signals is of great importance given the high density of molecules within cellular environment. However, like any other spectroscopic method, PD EPR has certain limitations. Owing to the intrinsically fast electron spin echo dephasing at higher temperature, these experiments are commonly carried out in frozen solutions at about 50 K. This temperature is far away from the physiological conditions and the freezing additives used, e.g. glycols, can further influence the structure. To enable measurements with and within living organisms, it is therefore necessary to ascend from the cold depths of the frozen state. At the same time, one has to adapt the spin tags for the desired application. Established nitroxides commonly used for EPR studies are typically susceptible to reduction. Thus, for studies under physiological conditions, e.g. in the cell, one has to fight against the reductive environment in the cell and somehow protect the spin labels. Initial published in-cell experiments within the research group and investigations of homogeneously distributed labeled double-stranded (ds) ‐DNA samples in solid matrices showed promising results and enabled pulsed measurement in the temperature range of 50‐ 295 K. It could also be demonstrated that spherical shielded nitroxides have a significantly longer life span in cellular environments than non-protected ones and first nuclear acids were measured in cell. Based on these results, we have gone further to overcome the standing limitations and developed the use of PD EPR spectroscopy. This work addresses these challenges with the overall goal of advancing the applications of PD EPR spectroscopy for studying biomolecules under physiological conditions.
We have focused on four different approaches. The results of these studies were published in various publications. They are presented and discussed together with further studies and put into the context of research conducted before and after the authors' publications.
In approach 1, we fought against the two main obstacles for using pulsed dipolar spectroscopy at ambient conditions – minimizing phase memory time T2 and averaging of the anisotropic dipolar coupling by rotational diffusion. We focused on an immobilization approach, while using rigid spin labels at same time. Besidesto the distance information, the incorporated rigid spin labels will give additional angular constrains and information about the molecular dynamics.
In approach 2, we focused on the on-site and on-demand formation of nitroxide spin labels using light-sensitive alkyl protection groups. This a very mild and efficient procedure that will hardly interfere with sensitive functional groups present in oligonucleotides or peptides. By establishing this method and using coumarin protecting groups plus two-photon excitation, this property may offer the potential to generate spin labels with very high levels of spatial and temporal resolution.
For approach 3, we used paramagnetic Gd3+ -ions as intrinsically stable labels, which are not reducible within a cellular environment. Easy to mix and bound to encodable lanthanide binding tags within the molecule Interleucin 1β, we were able to measure distances between two tags with PELDOR spectroscopy. We tested the extent to which this system is suitable for in-cell measurements.
Finally, we focus on methods for easier labeling by using non-covalentlabeling techniques. One of these is the novel nitroxide G´ for site-directed spin labeling of nucleic acids, especially for RNA. This spin label is sterically hindered, easy to build and binding occurs in seconds by simply mixing the spin label with the target. For large RNAs, another easy-to-mix and noncovalent spin-labeling strategy will be experimentally accompanied and presented.
The approaches and results described here are intended to demonstrate that the study of the biological functions of biomolecules under physiological conditions by pulsed EPR spectroscopy is feasible and operational. In combination, they will enable the life sciences to make further and faster progress in the search for the molecular master plan.
Rhabdomyosarcoma (RMS) is the most common soft tissue sarcoma in early childhood. Despite recent advances in the treatment regimes of rhabdomyosarcoma, the 5-year survival is still alarmingly low for the more aggressive metastasizing alveolar rhabdomyosarcoma subtype. Novel treatment strategies are needed in order to increase the overall survival rate. Hallmarks of cancer include evade cell death induction and evade immune system surveillance. This is mediated in part by up-regulation of inhibitor of apoptosis (IAP) proteins. With the development of Smac mimetic compounds mimicking the endogenous IAP antagonist Smac, this tumor evasion mechanism became exploitable.
In this PhD thesis, a combinatory approach for a putative treatment option of RMS will be presented. Here, the Smac mimetic compound BV6 will be used as a pre-treatment of RMS cells. This leads to a sensitizing effect within the tumor cells, increasing the killing efficacy of natural killer (NK) cells.
Subtoxic concentrations of BV6 were chosen to sensitize RMS cells. To remodel the solid tumor characteristics of RMS, a multicellular RMS tumor spheroid culture model was used.
In both tumor spheroids and conventional monolayer cell culture BV6 induced the degradation of IAP proteins (cIAP1, cIAP2, in spheroids XIAP). Further, BV6 led to the activation of both, the canonical and non-canonical NF-κB signaling pathways.
This was demonstrated by an increased IκBα and p65 phosphorylation, and nuclear translocation of p-p65, indicative for an active canonical NF-κB signaling. On the other side, cIAP degradation led to the stabilization and accumulation of NIK and downstream partial degradation of p100 to p52 and its nuclear translocation, indicating non-canonical NF-κB signaling pathway activity. A bulk RNA sequencing approach of BV6 treated RH30 cells validated the NF-κB signaling involvement and identified 182 differentially expressed genes. Among the interesting target genes are NFKBIA (IκBα),BIRC3 (cIAP2), NFKB2 (p100), CCL5 and SSTR2. SSTR2 was thoroughly validated as being up-regulated on a transcriptional and on protein level. Here, SSTR2A, one of the two alternative splicing variants, is up-regulated and opens a hypothetical targeted treatment strategy, as SSTR2 expression is not associated with RMS, but rather described with neuroendocrine tumor entities. In addition, CCL5 was thoroughly validated as a BV6 induced target. Again, the up-regulated mRNA transcription was validated by an increased translation and by increased secretion of CCL5. As CCL5 being associated as pro-migratory and activating of NK cells, CRISPR/Cas9 mediated CCL5 knock-out studies were performed to evaluate the influence of CCL5 within a BV6 pre-treatment and NK cell co-cultivation setting. It was shown that CCL5 knock-out does not rescue BV6 pre-treated RMS spheroids from NK cell attack and killing.
The previous mentioned transcriptional activity by BV6 stimulation was NIK mediated as knock-down of NIK reduced the mRNA transcription of several interesting genes.
However, NIK mediated down-stream signaling had no influence on the BV6 induced sensitizing effect towards NK cell mediated attack. A NIK knock-down had no rescue effect upon BV6 pre-treatment and NK cell co-treatment.
As cIAP proteins are present in receptor bound complexes, e.g. complex I at the TNF receptor 1 (TNFR1), a putative involvement of death receptors in general was evaluated.
Indeed, BV6 treatment of RMS cells could increase the surface presentation of DR5, a death receptor ligating TRAIL. Functionally, co-treatment of BV6 with TRAIL led to an additive cell death inducting effect. However, within the NK cell co-cultivation setting, addition of a neutralizing TRAIL anitbody could not rescue BV6 pre-treated RMS spheroids from NK cell killing. A similar effect was observed when neutralizing TNFα by adding Enbrel during the NK cell co-cultivation. BV6 sensitization of RMS spheroids seems to be independent of death receptors.
In addition to activating NF-κB, BV6 as a Smac mimetic is supposed to be able to release caspases bound by IAP proteins. Indeed, BV6 pre-treatment of RMS spheroids and co-cultivation with NK cells could cleave and thereby activate the executioner caspase-3. Further, treatment with a pan-caspase inhibitor, zVAD.fmk, could reduce the BV6 mediated sensitizing effect towards NK cell attack in RD spheroids.
Taken together, BV6 does induce a thoroughly validated NF-κB signaling pathway, leading to a NIK mediated transcriptional signature change. However, the NF-κB activation might not be responsible for the observed sensitization. Further, BV6 in combination with NK cells led to a seemingly death receptor independent, caspase dependent cell death induction of RMS spheroids. Although the mechanism remains partially con-cealed, a therapeutic benefit by combining a cell death sensitizing compound, i.e. BV6, with cytotoxic lymphocytes is evident.
KMT2A-rearrangements are causative for 70-80% all infant acute lymphoblastic leukemias (Pieters et al., 2019, 2007). Among these, the translocation t(4;11)(q21;23) generating the oncogenic fusion genes KMT2A::AFF1 and AFF1::KMT2A is the most frequent one, accounting for almost every second case of KMT2A-r infant ALL (Meyer et al., 2018). Despite passing a multimodal chemotherapy, 64% of patients achieve an event including relapse or death within four years from diagnosis, and overall survival three years from relapse remains poor with only 17% (Driessen et al., 2016; Pieters et al., 2019, 2007). Vari-ous studies have shown that relapse and therapy resistance were not mediated by chemotherapy-induced mutagenesis as there was no accumulation of secondary mutations in the dominant leukemic clone between diagnosis and relapse (Agraz-Doblas et al., 2019; Andersson et al., 2015; Bardini et al., 2011; Dobbins et al., 2013; Driessen et al., 2013; Mullighan et al., 2007).
Intriguingly, exclusively infant t(4;11) ALL patients were reported to subdivide in two groups depending on the level of HOXA gene cluster expression (Trentin et al., 2009). The HOXAlo group displayed a high expression of IRX1 and the HOXAhi group a low expression of IRX1 (Symeonidou and Ottersbach, 2021; Trentin et al., 2009). Importantly, the HOXAlo/IRX1hi group was characterized to possess a strongly ele-vated relapse incidence compared to the HOXAhi/IRX1lo group (Kang et al., 2012; Stam et al., 2010). IRX1 was identified to upregulate the Early growth response genes EGR1, EGR2 and EGR3 (Kühn et al., 2016).
The doctoral project “EGR-mediated relapse mechanisms in infant t(4;11) acute lymphoblastic leuke-mia” aimed to investigate a potential correlation between the HOXAlo-IRX1-EGR axis and relapse development in infant t(4;11) ALL. The primary objective was to clarify through which molecular mechanism(s) relapse development despite continuous chemotherapy could be achieved. In this context, the role of the EGR genes has been investigated. In addition, this project aimed to disclose molecular targets which could offer novel therapeutic interventions to interfere with therapy resistance and relapse formation.
Meat adulteration is a global problem which undermines market fairness and harms people with allergies or certain religious beliefs. In this study, a novel framework in which a one-dimensional convolutional neural network (1DCNN) serves as a backbone and a random forest regressor (RFR) serves as a regressor, named 1DCNN-RFR, is proposed for the quantitative detection of beef adulterated with pork using electronic nose (E-nose) data. The 1DCNN backbone extracted a sufficient number of features from a multichannel input matrix converted from the raw E-nose data. The RFR improved the regression performance due to its strong prediction ability. The effectiveness of the 1DCNN-RFR framework was verified by comparing it with four other models (support vector regression model (SVR), RFR, backpropagation neural network (BPNN), and 1DCNN). The proposed 1DCNN-RFR framework performed best in the quantitative detection of beef adulterated with pork. This study indicated that the proposed 1DCNN-RFR framework could be used as an effective tool for the quantitative detection of meat adulteration.
The current pandemic situation caused by the Betacoronavirus SARS-CoV-2 (SCoV2) highlights the need for coordinated research to combat COVID-19. A particularly important aspect is the development of medication. In addition to viral proteins, structured RNA elements represent a potent alternative as drug targets. The search for drugs that target RNA requires their high-resolution structural characterization. Using nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, a worldwide consortium of NMR researchers aims to characterize potential RNA drug targets of SCoV2. Here, we report the characterization of 15 conserved RNA elements located at the 5′ end, the ribosomal frameshift segment and the 3′-untranslated region (3′-UTR) of the SCoV2 genome, their large-scale production and NMR-based secondary structure determination. The NMR data are corroborated with secondary structure probing by DMS footprinting experiments. The close agreement of NMR secondary structure determination of isolated RNA elements with DMS footprinting and NMR performed on larger RNA regions shows that the secondary structure elements fold independently. The NMR data reported here provide the basis for NMR investigations of RNA function, RNA interactions with viral and host proteins and screening campaigns to identify potential RNA binders for pharmaceutical intervention.
Leukemia is a cancer of the blood and bone marrow characterized by an uncontrolled proliferation and accumulation of abnormal white blood cells. Leukemia can be classified based on the course of the disease (acute or chronic) and the blood cell type involved (myeloid or lymphocytic), leading to four main subtypes: acute lymphoblastic leukemia (ALL), acute myeloid leukemia (AML), chronic lymphocytic leukemia (CLL) and chronic myeloid leukemia (CML). Leukemia represents 2.5% of all new cancer cases per year, and survival rates in some leukemias remain low at 40%.
The bone marrow microenvironment (BMM) is a system within the bone marrow comprising cellular and acellular components, all of which play a major role in hematopoiesis, providing the physical space where hematopoietic stem cells (HSCs) reside. The BMM interacts with HSCs, offering a “niche” for those cells and in case of leukemia, the BMM has a supportive role in disease maintenance and progression by supporting Leukemia stem cells (LSCs). One of the components of the BMM are calcium ions. Calcium is the most abundant mineral in the body, a key component of bones and is released by parathyroid hormone (PTH) induced bone remodeling. Calcium ions play a role in the localization, engraftment and adhesion of normal HSC to extracellular matrix (ECM) proteins in the BMM via the calcium sensing receptor (CaSR), thereby maintaining normal hematopoiesis. In addition of a major regulator of calcium homeostasis, CaSR contribute to the development of different cancers, functioning as either tumor suppressor or oncogene, depending on the involved tissue. However, the role of CaSR and its associated pathways in the local BMM for the development of leukemia is poorly understood. We hypothesized that calcium ions released from bone, subject to a fine balance between osteoblasts and osteoclasts, and/or CaSR, contribute to development, progression and response to therapy.
We have shown that the local calcium concentration forms a gradient in the bone marrow niche and in mice with CML is similarly low as in control mice, but significantly higher in mice suffering from BCR ABL1 driven B ALL or MLL AF9 driven AML. Similarly, the calcium concentration in the human BMM was found to be higher in AML than in other leukemias. Regarding the function of calcium in leukemia cells, we found that AML and CML cells respond differently to calcium exposure, with AML cells exhibiting regulation of cellular processes such as adhesion to the ECM protein fibronectin and migration toward CXCL 12, whereas CML cells remained mostly unaltered. Using genetic deletion or overexpression of CaSR in murine models of leukemia, we observed that CaSR acts as tumor suppressor in BCR-ABL1 driven CML and B ALL and as oncogene in AML.
Focusing on AML, our data shows that deficiency of CaSR on LICs leads, on one hand to increased apoptosis, and on the other hand to reduced cell cycle, reactive oxygen species (ROS) production and DNA damage in vivo, which may explain the observed prolongation of survival of mice. Complementary, in vitro experiments demonstrated that cells overexpressing CaSR have a distinct, cancer promoting phenotype compared to wildtype cells. Overexpression of CaSR led to an increase in proliferation, cell cycle, ROS production, DNA damage and reduced apoptosis. We have identified CaSR mediated pathways in AML and shown that CaSR enhances leukemia progression by activating MAPK/ERK and Wnt β catenin signaling. In addition, the CaSR interacting protein filamin A (FLNA) was shown to contribute to aggressive disease in vitro and in vivo. Furthermore, the mechanism underlying the role of CaSR in AML pathogenesis and possible regulation of LSCs was studied. Our findings demonstrated that CaSR ablation reduces myeloid progenitor function and proved that CaSR is required for maintenance of LSC pool by regulating its frequency and function. Further supporting the role of CaSR in LSC maintenance, genes associated with AML stemness and self renewal capacity were upregulated when CaSR was overexpressed and downregulated when CaSR was depleted. Given the role of CaSR in AML, the CaSR antagonist NPS 2143 was tested in vivo. The combination treatment of NPS 2143 with the standard of care, ara C, significantly reduced the tumor burden and prolonged the survival of mice with AML in syngeneic and xenotransplantation experiments. Based on the finding that CaSR functions as a tumor suppressor in CML, treatment of mice with the CaSR agonist cinacalcet in combination with imatinib prolonged survival of mice with CML compared to treatment with the mice given vehicle.
Our results suggest that calcium ions stemming from the calcium-rich BMM via CaSR strongly and differentially influence leukemia progression. As an adjunct to existing treatment therapies, targeting of CaSR with specific pharmacologic antagonists may prolong survival of patients with AML.