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Lange ging man davon aus, dass die Physiologie der Thyroidhormone weitestgehend erforscht ist und nahm an, dass sämtliche Thyroidhormon-Wirkungen auf einer Bildung von L-Thyroxin (T4) und einer anschließenden Deiodierung zu Triiodthyronin (T3) beruhen, welches an die nukleären Thyroidhormon Rezeptoren (THRs) bindet. Über die THRs werden genomische Signalwege vermittelt, die während der Wachstums- und Entwicklungsphase essentiell sind. Beim Erwachsenen werden zudem vorwiegend katabole Stoffwechsel-Prozesse induziert. Jedoch zeigte sich in den letzten 20 Jahren, dass die Signalwege der Thyroidhormone komplexer sind als bisher angenommen. Vor allem die Metabolite des in der Schilddrüse gebildeten T4s, zeigen ein breites Interaktions-Profil mit anderen molekularen Zielstrukturen. Thyronamine, die decarboxylierten Thyroidhormon-Metabolite, binden beispielsweise den G-Protein-gekoppelten Trace Amine Associated Receptor 1 (TAAR1). Wird dieser Rezeptor aktiviert, kommt es innerhalb kürzester Zeit zu einem rapiden Abfall der Köpertemperatur, sowie zu einer akuten Bradykardie. Die durch oxidative Deaminierung gebildeten Iodthyroacetate Tetraiodthyroacetat (TETRAC) und Triiodthyroacetat (TRIAC) sind Antagonisten des Membran-Rezeptors Integrin αVβ3 und besitzen antiproliferative und pro-apoptotische Eigenschaften.
In dieser Arbeit sollte die Hypothese untersucht werden, ob Thyroidhormone neben diesen neuen zumeist nicht-genomischen Signalwegen, auch THR-unabhängige genomische Wirkmechanismen besitzen.
Mit Hilfe eines Gal4-Luciferase-Reportergen-Assays wurde in einem Screening die Aktivität einiger Thyroidhormone und Thyroidhormon-Metabolite an elf THR-ähnlichen Rezeptoren und den drei Retinoid X Rezeptor (RXR)-Subtypen untersucht. Es konnte detektiert werden, dass Thyroidhormone, vor allem TETRAC, potente Peroxisom-Proliferator-aktivierter Rezeptor (PPAR)γ-Agonisten sind, die zum Teil zusätzlich dessen Heterodimer-Partner RXR aktivieren können. Diese PPARγ- und RXR-Aktivität wurde zunächst mit Hilfe eines Coaktivator-Rekrutierungs-Assays, einer Isothermen Titrationskalorimetrie (ITC) und einer Kristallstrukturanalyse genauer charakterisiert. Zum einen konnte nachgewiesen werden, dass sowohl PPARγ, als auch RXR in artifizielleren Testsystemen durch Thyroidhormone aktiviert werden. Zum anderen konnte die für permissive Heterodimere, wie das PPARγ/RXR-Heterodimer, typische additive Transaktivierungs-Effizienz nach Bindung beider Heterodimer-Partner bestätigt werden. Außerdem zeigte die Untersuchung der Kristallstruktur von TETRAC und PPARγ, dass Thyroidhormone einen abweichenden Bindungsmodus im Vergleich zu anderen PPARγ Agonisten, wie den Glitazonen und entsprechende Fettsäuren oder Fettsäuremimetika, besitzen.
Die Evaluation der biologischen Relevanz der PPARγ/RXR-Heterodimer-Aktivierung ergab zudem, dass TETRAC, als potentester PPARγ-Agonist, in der Lage ist die Differenzierung von Präadipocyten zu Adipocyten zu induzieren. Außerdem wurde die mRNA-Expression wichtiger PPARγ-regulierter Gene in Hepatozyten trotz knockdown beider THR-Isoformen signifikant durch Thyroidhormone induziert.
Für eine erste Abschätzung einer möglichen physiologischen Relevanz der PPARγ/RXR-Aktivierung durch Thyroidhormone, wurde die Bildung von TETRAC nach Inkubation von Hepatozyten mit T4 quantifiziert. Es konnte festgestellt werden, dass ausreichend TETRAC in den Hepatozyten gebildet werden kann, um PPARγ zu aktivieren. Auch in einem in vivo-Experiment, bei dem Mäusen ein mit Brom substituiertes T4-Analog (Br-T4) appliziert wurde, um Interferenzen mit der endogenen Thyroidhormon-Produktion zu verhindern, konnte gezeigt werden, dass die PPARγ-regulierte Genexpression in den Lebern der Tiere induziert wurde. Dies deutete auf eine physiologisch relevante Bildung von Br-TETRAC hin, da Br-TETRAC analog zu TETRAC eine hohe Bindungs-Aktivität an PPARγ besaß, während Br-T4 keine Aktivität an diesem Rezeptor aufwies.
Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass Thyroidhormone neben den THR-vermittelten Effekten auch andere genomische Wirkmechanismen besitzen, indem sie das PPARγ/RXR-Heterodimer aktivieren. Diese biologische Aktivität könnte sowohl eine physiologische als auch eine pharmakologische Relevanz besitzen. Die beiden T4-Metabolite T3 und TETRAC sind in der Lage komplementäre Signalwege zu induzieren. Wird T4 deiodiert kommt es zur Bildung von T3, welches den THR aktiviert. Durch oxidative Deaminierung des T4s bildet sich TETRAC, das wiederum PPARγ bindet und aktiviert. Durch die vermehrte Bildung von TETRAC und anschließende Aktivierung von PPARγ könnte die katabole Wirkung der THR-Signalwege abgeschwächt werden und so eine Art negative Rückkopplung gewährleistet werden. Die physiologische Bedeutung der Interaktion von Thyroidhormonen mit PPARγ/RXR muss jedoch noch genauer untersucht werden.
Aber auch pharmakologisch könnte die Iodthyroacetat-Aktivität an PPARγ eine Rolle spielen. TETRAC könnte durch seinen individuellen Bindungsmodus als Leitstruktur für neue PPARγ-Partialagonisten mit verbessertem Nebenwirkungs-Profil dienen. Außerdem wird das Thyroidhormon-Derivat TRIAC schon jetzt als Leitstruktur für die Entwicklung von Thyroidhormon-Analoga mit THRβ-Selektivität verwendet. Durch die zusätzliche PPARγ-Aktivität könnte zukünftig ein dualer THRβ/PPARγ-Agonist bei Erkrankungen, die mit einer Insulinresistenz einhergehen, Verwendung finden.
Zusammenfassend stellt die Entdeckung der Aktivität von Thyroidhormonen an PPARγ und RXR einen weiteren Baustein im komplexen System der Thyroidhormone dar.
Polyketides are highly valuable natural products, which are widely used as pharmaceuticals due to their beneficial characteristics, comprising antibacterial, antifungal, immunosuppressive, and antitumor properties, among others. Their biosynthesis is performed by large and complex multiproteins, the polyketide synthases (PKSs). This study solely focuses on the class of type I PKSs, which arrange all their enzymatic domains on one or more polypeptides. Despite their high medical value, little is known about mechanistic details in PKSs.
One central domain is the acyl transferase (AT), which is present in all PKSs and channels small acyl substrates into the enzyme. More precisely, the AT loads the substrates onto the essential acyl carrier protein (ACP), which subsequently shuttles the substrates and all intermediates for condensation and modification to additional domains to build the final polyketide.
Some PKSs use their domains several times during biosynthesis and work iteratively – these are called iterative PKSs. Others feature several sets of domains, each being used only once during biosynthesis – these PKSs are called modular PKSs. All PKSs or PKS modules consist of minimum three essential domains to connect the acyl substrates. Three modifying domains are optional and can enlarge the minimal set. According to the domain composition, the acyl substrate is fully reduced, partly reduced, or not reduced at all. This variation of modifying domains accounts for the huge structural and therefore functional variety of polyketides.
Even though the structure of fatty acids is not exactly reminiscent of polyketides, their biosynthetic pathways are closely related. Fatty acid biosynthesis is carried out by fatty acid synthases (FASs), which share many similarities with PKSs. Both megasynthases feature the same domains, performing the same reactions to connect and modify small acyl substrates. In contrast to PKSs, FASs always contain one full set of modifying domains which is used iteratively, leading to fully reduced fatty acids.
The present thesis extensively analyzes the AT of different PKSs in its substrate selectivity, AT-ACP domain-domain interaction, and enzymatic kinetic properties. The following key findings are revealed through comparison: 1.) ATs of PKSs appear slower than the ones of FASs, which may reflect the different scopes of biosynthetic pathways. Fatty acids as essential compounds in all organisms are needed in high amounts for physiological functions, whereas polyketides as secondary metabolites only require basal concentrations to take effect. 2.) The slower ATs from modular PKSs do not load non-native substrates even in absence of the native substrates. This is different to the faster ATs from iterative PKSs and FASs, which indicates high substrate specificity solely for the ATs from modular PKSs and emphasizes their role as gatekeepers in polyketide synthesis. 3.) The substrate selectivity can emerge in either the first or the second step of the AT-mediated ACP loading and is not assured by a hydrolytic proofreading function.
Moreover, a mutational study on the AT-ACP interaction in the modular PKS 6-deoxyerythronolide B synthase (DEBS) shows that single surface point mutations can influence AT-mediated reactions in a complex manner. Data reveals high enzyme kinetic plasticity of the AT-ACP interaction, which was also recently demonstrated for the interaction in a type II FAS.
Based on these findings, the mammalian FAS is engineered towards a modular PKS-like as- sembly line with the long-term goal to rationally synthesize new products. Basically, three important aspects need to be considered: 1.) AT’s loading needs to be splitted in specific loading of a priming substrate by a priming AT and in specific loading of an elongation substrate by an elongation AT. 2.) FAS-based elongation modules need to be designed with varying domain compositions for introducing functional groups in the product. 3.) Covalent and non-covalent linkers need to be designed for connection of priming and elongation modules.
This study focuses on the first aspect, splitting loading of priming and elongation substrates. An elongation substrate-specific AT is installed in the mammalian FAS via domain swapping. Since ATs from modular PKSs were proven to be substrate specific, these are used to exchange the mammalian FAS AT. This work demonstrates that it is extremely challenging to create stable and functional chimeras, but first essential steps are taken. Proper domain boundaries for AT swapping are established and a stable chimera with 70 % wild type AT activity is created. However, this chimera is only of limited value for application in an elongation module due to the intrinsic slow turnover rate of the wild type AT. Using another PKS AT, a stable elongation module is designed and analyzed in its activity in combination with a priming module. These experiments demonstrate that the loading of priming substrates are successfully suppressed in the elongation module, but nonetheless only minor turnover rates are detected in the assembly line.
...
Background. Recent pathomolecular studies on the MLL-AF4 fusion protein revealed that the murinized version of MLL-AF4, the MLL-Af4 fusion protein, was able to induce leukemia when expressed in murine or human hematopoietic stem/progenitor cells (Lin et al. in Cancer Cell 30:737–749, 2016). In parallel, a group from Japan demonstrated that the pSer domain of the AF4 protein, as well as the pSer domain of the MLL-AF4 fusion is able to bind the Pol I transcription factor complex SL1 (Okuda et al. in Nat Commun 6:8869, 2015). Here, we investigated the human MLL-AF4 and a pSer-murinized version thereof for their functional properties in mammalian cells. Gene expression profiling studies were complemented by intracellular localization studies and functional experiments concerning their biological activities in the nucleolus.
Results: Based on our results, we have to conclude that MLL-AF4 is predominantly localizing inside the nucleolus, thereby interfering with Pol I transcription and ribosome biogenesis. The murinized pSer-variant is localizing more to the nucleus, which may suggest a different biological behavior. Of note, AF4-MLL seems to cooperate at the molecular level with MLL-AF4 to steer target gene transcription, but not with the pSer-murinized version of it.
Conclusion: This study provides new insights and a molecular explanation for the described differences between hMLL-hAF4 (not leukemogenic) and hMLL-mAf4 (leukemogenic). While the human pSer domain is able to efficiently recruit the SL1 transcription factor complex, the murine counterpart seems to be not. This has several consequences for our understanding of t(4;11) leukemia which is the most frequent leukemia in infants, childhood and adults suffering from MLL-r acute leukemia.
Mixed-valence compounds as polarizing agents for overhauser dynamic nuclear polarization in solids
(2021)
Herein, we investigate a novel set of polarizing agents—mixed-valence compounds—by theoretical and experimental methods and demonstrate their performance in high-field dynamic nuclear polarization (DNP) NMR experiments in the solid state. Mixed-valence compounds constitute a group of molecules in which molecular mobility persists even in solids. Consequently, such polarizing agents can be used to perform Overhauser-DNP experiments in the solid state, with favorable conditions for dynamic nuclear polarization formation at ultra-high magnetic fields.
Komplexe biologische Phänotypen resultieren aus einem koordinierten Zusammenspiel von einer Vielzahl von Genen. Um zu verstehen, wie Krankheiten durch genetische Dysfunktionen
entstehen können, ist es unabdingbar die genetischen Interaktionsnetzwerke in menschlichen Zellen zu entschlüsseln. Eine Identifizierung von Kontext-abhängigen genetischen Interaktionen kann bedeutende Erkenntnisse über die Beziehung von Phänotyp und Genotyp liefern und erklären, wie synergistische Gen-Funktionen die Entstehung von komplexen Krankheiten bedingen.
Gepoolte, kombinatorische CRISPR (kurz für: clustered regularly interspaced short palindromic repeats) Screens stellen eine wirkungsvolle Methode zur simultanen Untersuchung potentieller Interaktionen von einer großen Anzahl von Genen dar. Mit sogenannten multiplex CRISPR
gRNA Bibliotheken werden im Rahmen großangelegter Screens vielzählige kombinatorische Gen-Knockouts in Zellen generiert. Diese multiplex CRISPR gRNA Bibliotheken können aus bis zu hunderttausenden Plasmiden bestehen, die jeweils für eine andere gRNA-Kombination kodieren und auf ein spezifisches Gen-Paar abzielen. Im Gegensatz zu CRISPR Screens für Einzel-Knockouts gehen multiplex CRISPR Screens zur Identifizierung von genetischen Interaktionen mit zusätzlichen Herausforderungen einher: Zum einen wächst der verbundene Arbeitsaufwand für die Konstruktion der multiplex CRISPR gRNA Bibliotheken proportional mit der Anzahl der gewünschten Ziel-Gene, welche die Diversität der Bibliothek bestimmt. In einer idealen gRNA-Bibliothek wären alle gRNA-Sequenzen gleich häufig vorhanden. Jedoch weisen
gRNA-Bibliotheken aufgrund von technischen Beschränkungen gRNA-Sequenzen mit höherer, beziehungsweise niedriger Abundanz auf. Konventionelle Methoden zur Herstellung von
gRNA-Bibliotheken basieren beispielsweise auf iterativen, gepoolten Klonierungsschritten mit PCR-amplifizierten Oligonucleotiden, welche zu einer Ungleichverteilung oder zum Verlust von gRNA-Sequenzen führen können. Daher bieten Methoden zur gRNA-Bibliotheken-Generierung Optimierungspotenzial. Da die Reproduzierbarkeit der Screen-Ergebnisse durch die sogenannte Screening Coverage sichergestellt werden muss, erfordert eine Erhöhung der
Bibliotheks-Diversität gleichzeitig auch eine Vergrößerung des Versuchsmaßstabs und ist mit umfangreichem Zellkultur-Arbeitsaufwand verbunden. Die Screening Coverage gibt die
durchschnittliche Abundanz der einzelnen gRNA-Sequenzen in der Zellpopulation während des Screens an. Aktuelle Richtlinien empfehlen eine Screening Coverage, die zwischen dem 200- bis 1000-fachen Wert der Bibliotheks-Diversität liegt, allerdings fehlen bisher genaue Angaben die auf die verwendete gRNA Bibliothek abgestimmt sind. Deshalb stellt die benötigte Screening Coverage bisher einen limitierenden Faktor dar, der die Anzahl der möglichen Ziel-Gene-Kombinationen in einem Screen beschränkt.
In der vorliegenden Arbeit stellen wir eine neue Methode zur Generierung von multiplex gRNA Bibliotheken mit hohen Diversitäten vor. Die Methode, genannt 3Cs (covalently-closed circular-synthesized) Multiplexing, umgeht iterative, gepoolte Klonierugsschritte mit Restriktionsenzymen und PCR-Amplifikation von gRNA-kodierenden Oligonucleotiden. Wir
zeigen, dass 3Cs Multiplexing auf robuste Weise zur Herstellung von gleichmäßig verteilten multiplex gRNA Bibliotheken verwendet werden kann. Der Verteilungs-Skew, auch Skew-Ratio oder Bibliotheksbreite genannt, ist ein Maß zur Ermittlung der Gleichverteilung der gRNA-Sequenzen in der Bibliothek. Wir zeigen, dass 3Cs multiplex Bibliotheken typischerweise einen Verteilungs-Skew von 2.5 aufweisen, was unter den üblichen Werten von Einzel-gRNA Bibliotheken liegt.
Wir nahmen an, dass die gRNA-Bibliotheksverteilung die Robustheit von gepoolten CRISPR Screens beeinflussen könne und deshalb bei der Auswahl einer geeigneten Screening
Coverage berücksichtigt werden müsse. Um den Einfluss der gRNA-Bibliotheksverteilung auf die Screen-Qualität in Abhängigkeit von der verwendeten Screening Coverage zu untersuchen, generierten wir zwei künstlich fehlverteilte multiplex gRNA-Bibliotheken. Diese wurden, zusätzlich zu einer nahezu gleichverteilten multiplex gRNA-Bibliothek, jeweils mit einer 20- und 200-fachen Screening Coverage in einem kombinatorischen Proliferationsscreen angewandt.
Dadurch konnten wir die gRNA-Bibliotheksverteilung als den bestimmenden Parameter für die benötigte Screening Coverage identifizieren. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass 3Cs multiplex gRNA-Bibliotheken auf Grund ihrer gleichmäßigen Verteilung mit minimierter Screening Coverage eingesetzt werden können, was zu einer 10-fachen Reduktion des assoziierten Arbeitsaufwands führt. Während bisherige Richtlinien für gepoolte CRISPR Screens die initiale
gRNA-Bibliotheksverteilung nicht berücksichtigen, empfehlen wir die Screening Coverage an dieser auszurichten.
Autophagie ist ein streng regulierter zellulärer Prozess, der den Lysosomen Abbau von intrazellulärem Material steuert und im Zusammenhang mit zahlreichen menschlichen Erkrankungen steht. Da Autophagie in eine Vielzahl von Signalwegen integriert ist, bietet es außerdem therapeutische Ansatzpunkte zur Behandlung von Krankheiten. Die Identifizierung von synergistischen Funktionen zwischen Autophagie-Genen könnte unser Verständnis über die molekularen Mechanismen, die der Regulation der Autophagie zu Grunde liegen, erweitern und dadurch neuartige Behandlungen ermöglichen.
Um genetische Interaktionen von Autophagie-Genen zu untersuchen haben wir eine 3Cs multiplex gRNA Bibliothek generiert, die auf menschliche Autophagie-Genkombinationen
abzielt. In dieser Arbeit demonstrieren wir die Funktionalität der 3Cs Autophagie multiplex gRNA Bibliothek unter Anwendung minimierter Screening Coverage in zwei verschiedenen Screen-Ausführungen: In einem Proliferationsscreen konnten wir Geninteraktionen
identifizieren, deren Verlust zu einer gesteigerten oder verringerten Zellproliferation führt. Unter diesen resultierte der Knockout von WDR45B-PIK3R4 zur stärksten Suppression der Proliferation, während die Depletion von ATG7-KEAP1 zu extrem verstärkter Proliferation beitrug. Unter Einsatz eines Autophagie-Reporters konnten wir in einem Autophagie Screen genetische Interaktionen aufdecken, die essentiell für Autophagie sind, darunter die
Interaktionen zwischen ATG2A-ATG2B , GABARAPL2-WIPI2 und ULK4-SQSTM1.
Wir glauben, dass 3Cs Multiplexing in Zukunft breite Anwendung in verschiedenen biologisch relevanten Feldern finden kann und die Entschlüsselung von kontext-abhängigen genetischen Interaktionen voranbringen und so das Verständnis für die Entstehung von komplexen pathologischen Phänotypen erweitern wird.
Im Forschungsgebiet der Proteomik hat sich die Massenspektrometrie als essenzielles Werkzeug etabliert. Zur Probengewinnung und deren Präparation für die chromatogra-phische Trennung und massenspektrometrische Analyse existieren eine Vielzahl von Protokollen, deren Verwendung jedoch unterschiedlichste Vor- und Nachteile mitbringt. Im Idealfall wäre ein solches Protokoll schnell und kostengünstig durchführbar, würde mit hoher Robustheit die Proteine aus den Ausgangszellmaterial quantitativ extrahieren und Probenverluste auf ein Minimum beschränken. Ziel dieser Arbeit war es, in einem strukturierten Ansatz sich diesem Ideal zu nähern und mögliche Kompatibilitaten mit anderen Methoden wie dem Arg-C analogen Proteinverdau zu untersuchen. Als Maß-stäbe dienen hierbei die aktuellen Standardprotokolle: die Acetonfällung der Proteine mit anschließender Solublisieung und das FASP-Protokoll, bei dem die zur Proteinpro-zessierung notwendigen Arbeitsschritte auf einer Größenausschlussmembran stattfinden. Dazu wurde zunächst das Adsorptionsverhalten von Proteinen auf den Silica-Oberflächen paramagnetischer Beads untersucht und dabei insbesondere der Einfluss von Chemikalien zur Zell-Lyse und den im Anschluss verwendeten Reduktions- und Alkylierungsreagenzien analysiert. Dabei wurde festgestellt, dass die Proteine aus dem Totalzelllysat sehr effektiv an die Silicaoberfläche binden und dass der Prozess der Re-duktion von Disulfidbrücken mit nachfolgender Carbamidomethylierung positiv zur Adsorption beiträgt und negative Einflüsse auf die Immobilisierung negieren kann. Dar-aus wurde ein Protokoll zur kombinierten Lyse, Aufreinigung, Modifikation und Proteo-lyse (abgekürzt: ABP) entwickelt. Parallel dazu konnte die Kompatibilität des Protokolls mit dem ArgC-analogen Verdau gezeigt werden und in der Folge konnte die Komple-mentarität der Methoden erfolgreich getestet werden. Mit frischen Zell-Lysaten wurde der Einfluss der Lysisreagentien unter Einschluss einer kommerziellen Variante ("Bug-buster" Lysis-Puffer) bestimmt und Harnstoff konnte als Mittel der Wahl definiert wer-den, da mit diesem höhere Identifikationszahlen erreicht wurden, lipophile Proteine vermehrt in der Probe erhalten blieben und größere Ionscores ermittelt werden konnten. Das Potential von ABP wurde im Direktvergleich mit FASP und dem Verdau in Lösung anhand eines humanen Proteoms genauestens untersucht, wobei eine konsequente Ver-besserung gegenüber beiden Methoden festgestellt werden konnte, insbesondere im Hinblick auf Praktikabilität und die Zahl der erforderlichen Arbeitsschritte, Reprodu-zierbarkeit und Zahl der identifizierten Peptide. Ein Bias des ABP zugunsten spezieller Proteineigenschaften konnte nach ausführlicher Analyse der identifizierten Proteine und Peptide nicht festgestellt werden. Eine vermehrt auftretende Oxidation von Methionin wurde identifiziert, allerdings zeigten sich keine negativen Auswirkungen auf die Pro-teinidentifizierungen. Zur Unterdrückung potentieller und unerwünschter Nebenpro-dukte in Form von Methylierungen, die als Folge des ursprünglichen ArgC-analogen Verdaus36 auftreten, wurde mit Verwendung von Acetonitril eine Alternative erfolg-reich getestet. Ein humanes Proteom wurde mittels des formulierten Protokolls sowohl tryptisch als auch mit ArgC-analogen Verdau (mit Acetonitril bzw. Methanol) analysiert. In diesem Zusammenhang wurde die Vollständigkeit der Modifikation der Lysine unter Verwendung von ACN mit zufriedenstellenden 99% bestätigt und die unerwünschte Carbamylierung der Aminosäure durch Harnstoff als Lysisreagenz konnte ausgeschlos-sen werden. Beide Ansätze zum ArgC-analogen Verdau erwiesen sich zudem gegenüber der tryptischen Variante als überlegen, was sich in einer Erhöhung der Identifikations-zahlen des humanen Proteoms widerspiegelt. Insbesondere wenig abundante Proteine, Histone und membranassoziierte Proteine bildeten den Großteil der zusätzlich identifi-zierten Proteine. Zusätzlich konnte eine günstigeres Fragmentierungsverhalten beobach-tet werden. Die effektiven Grenzen des ABP im Hinblick auf die erforderliche Protein-menge wurden untersucht und beschrieben. Der zu erwartende Zusammenhang zwi-schen abnehmender Proteinmenge und Identifikationszahlen niedrig abundanter Protei-ne wurde bestätigt und ein effektiver Grenzwert von 5µg Ausgangsmenge humanen Proteoms ermittelt. Abschließend wurden Dauer und Aufwand der Probenvorbereitung durch Etablierung paralleler Reduktion, Carbamidomethylierung und Propionylierung minimiert und damit zusätzlich Probenverluste reduziert. Die dadurch erreichte Erhö-hung der Identifikationszahlen ergab sich wiederum aus der höheren Repräsentanz nied-rig abundanter Proteine.
Im Rückblick ist es überraschend, dass die Verwendung der Adsorptionstendenzen von Proteinen bisher keine größere Rolle in der Probenvorbereitung proteomischer Analysen eingenommen hat. Die symbiotisch wirkende, aktive Denaturierung als Resultat der durchgeführten Derivatisierung zur Analysenpräparation macht die Adsorption auf Sili-ca-Oberflächen zum prädestinierten Mittel der Probengewinnung und schafft die Vo-raussetzung für die erreichte Verkürzung der Arbeitsabläufe und Verbesserung der Ergebnisse.
Methanol derived from plant tissue is ubiquitous in anaerobic sediments and a good substrate for anaerobes growing on C1 compounds such as methanogens and acetogens. In contrast to methanogens little is known about the physiology, biochemistry and bioenergetics of methanol utilization in acetogenic bacteria. To fill this gap, we have used the model acetogen Acetobacterium woodii to study methanol metabolism using physiological and biochemical experiments paired with molecular studies and transcriptome analysis. These studies identified the genes and enzymes involved in acetogenesis from methanol and the redox carriers involved. We will present the first comprehensive model for carbon and electron flow from methanol in an acetogen and the bioenergetics of acetogenesis from methanol.
Metal ions as novel polarizing agents for dynamic nuclear polarization enhanced NMR spectroscopy
(2017)
High-spin complexes of Gd(III) and Mn(II) were introduced as polarizing agents (PAs) for solid-state dynamic nuclear polarization (DNP) in 2011. This dissertation was undertaken in 2013, with the intention of exploring these PAs further. Major goals of this work were to understand their DNP mechanism(s) and explore their application in biomolecular research. This cumulative thesis details the methods, advantages, and practical implications of using high-spin PAs for MAS DNP. Data from electron paramagnetic resonance (EPR) and NMR spectroscopy are discussed for a complete understanding of DNP mechanisms.
Out of the two main mechanisms − solid effect (SE) and cross effect (CE − active under experimental conditions of solid-state DNP, commonly used nitroxide PAs evoke CE owing to their broad EPR spectra. On the other hand, DNP mechanisms evoked by high-spin metal ions seem non-trivial due to additional features (originating from spin-orbit coupling or zero field splitting) in their EPR spectra. The features of the EPR signal generally influence the shape of enhancement profiles. Therefore, the metal ion with a simpler EPR signal i.e., Gd(III) , is chosen as the starting point for the investigation of DNP mechanisms. Varying concentrations (2, 10, 20 mM) of a water-soluble and stable complex Gd-DOTA was dissolved as the PA in a glycerol-water solution of 13C,15N - urea. Field profiles of DNP enhancement on each nuclear type (1H, 13C, and 15N) establishes SE as the active DNP mechanism at the smallest PA concentration (2 mM). This confirms the theoretical predictions that narrow line width of the Gd(III) EPR signal arising from the central transition (CT, ms = -1/2 +1/2) allows for resolved SE DNP. However, that is no longer the case at higher PA concentrations of 10 and 20 mM. At higher Gd(III) concentrations, the CE mechanism contributes significantly and varies with nuclear Larmor frequency (ωn) of the concerned nuclei. The enhancement maxima shifts towards the EPR resonance as the contribution from CE increases. This shift is evident in the field profiles of 15N and 13C, whereas that of 1H is least influenced. This observation can be explained by combining theoretical estimates with the experimental data; the CE is evoked by increased dipolar coupling (Dee) – a prerequisite for CE – between neighboring Gd(III) spins as the statistical inter-spin distance shortens at elevated concentrations. This finding is important because the knowledge of active DNP mechanisms is essential for accurate interpretation of results from DNP experiments.
From the experiments on Gd-DOTA it becomes clear that concentration, inter-spin distances, and hence induced Dee are intertwined. In order to explicitly address the influence of inter-spin distances on DNP mechanisms we started a collaboration with the group of Adelheid Godt (Bielefeld). In this collaborative project, bis-complexes of the type Gd(III)-spacer-Gd(III) with variable spacer lengths were investigated. These PAs provided an excellent model system where the influence of only inter-spin distances can be determined for a fixed Gd(III) concentration. A small PA concentration of 4 mM is used to ensure absence of significant inter-molecular dipolar interactions. A mono-Gd complex of similar geometry and chemistry is taken as a reference for SE DNP.
The mono-Gd complex yields enhancements arising from SE as expected from negligible inter-molecular Dee. The contribution of CE increases as the inter-spin distances between Gd(III) ions become shorter going from 3.4 nm 2.1 nm 1.4 nm 1.2 nm due to corresponding increase in Dee. The extent of CE on ωn follows the same trend as for Gd-DOTA. Highest CE contribution is observed on nuclei with the smallest ωn 15N because smaller ωn approaches the width of the EPR signal, this is an additional requirement for CE DNP.
The field position for maximum DNP enhancement corresponding to Gd-DOTA, is used for DNP experiments on Ubiquitin with an attached Gd-tag as PA. The success of DNP on this sample illustrates the possibility of site-directed DNP with metal ions tags as PAs. As a perspective Gd-tags can be used to examine change in conformation of a protein that would give higher enhancements due to CE if two Gd(III) labeled domains are closer in space. In a separate project, Mn(II) (s=5/2) bound to the divalent site of a hammerhead ribozyme was used as a PA which resulted in the first demonstration of intra-complex DNP using an intrinsically bound metal ion PA.
The transporter associated with antigen processing (TAP) translocates antigenic peptides from the cytosol into the endoplasmic reticular lumen for subsequent loading onto major histocompatibility complex (MHC) class I molecules. These peptide-MHC complexes are inspected at the cell surface by cytotoxic T-lymphocytes. Assembly of the functional peptide transport and loading complex depends on intra- and intermolecular packing of transmembrane helices (TMs). Here, we have examined the membrane topology of human TAP1 within an assembled and functional transport complex by cysteine-scanning mutagenesis. The accessibility of single cysteine residues facing the cytosol or endoplasmic reticular lumen was probed by a minimally invasive approach using membrane-impermeable, thiol-specific fluorophores in semipermeabilized “living” cells. TAP1 contains ten transmembrane segments, which place the N and C termini in the cytosol. The transmembrane domain consists of a translocation core of six TMs, a building block conserved among most ATP-binding cassette transporters, and a unique additional N-terminal domain of four TMs, essential for tapasin binding and assembly of the peptide-loading complex. This study provides a first map of the structural organization of the TAP machinery within the macromolecular MHCI peptide-loading complex.
Biomoleküle, insbesondere Membranproteine (MPs), sind oftmals sehr sensitiv gegenüber ihrer chemischen Umgebung, wie pH-Wert, Puffer, Salzkonzentration und vielen weiteren Faktoren. MPs stabil und funktional in Lösung zu halten ist nicht trivial. Sie stellen deshalb eine besondere Herausforderung bei der Analyse von biologischen Systemen dar. Aus diesem Grund wurden und werden nach wie vor sogenannte membrane mimicking-(MM-) Systeme, wie beispielsweise Nanodiscs (NDs) oder styrene-maleic acid lipid particles (SMALPs), untersucht und entwickelt, um MPs eine naturähnliche Umgebung in Form einer Lipid-Doppelschicht zu bieten und sie so in ihrer natürlichen Konformation und natürlichen Funktionsweise/Aktivität in Lösung zu halten.
Laser induced liquid bead ion desorption (LILBID) Massenspektrometrie (MS) hat sich als hervorragende analytische Methode herausgestellt, um MPs in Kombination mit MM-Systemen zu untersuchen. LILBID-MS bietet nicht nur die Möglichkeit Proteine an sich zu identifizieren, sondern ermöglicht ebenfalls eine zerstörungsfreie Analyse von nicht-kovalent gebundenen Proteinkomplexen, sowie die Detektion einzelner Subkomplexe eines Proteinkomplexes. Auch die Analyse von Protein-Ligand-Wechselwirkungen ist möglich. Bei der LILBID-Ionisationsmethode werden kleine Tröpfchen erzeugt, die einen wässrig gelösten Analyt enthalten. Die Analyt-Tröpfchen werden anschließend mittels IR-Laser bestrahlt, wodurch der Analyt freigesetzt und massenspektrometrisch analysiert werden kann.
Diese Dissertation beschäftigt sich zum einen mit der Analyse des Lyse-Proteins ΦX174-E der Bakteriophage ΦX174, zum anderen mit Untersuchungen zur Histidinkinase SpaK aus B. subtilis in Kombination mit MMs. Weiterhin wird die Frage geklärt, ob und wie gut sich LILBID-MS zur Analyse von Saposin-Nanopartikel-(SapNPs)-solubilisierten MPs eignet. Darüber hinaus wird in dieser Dissertation die Darstellung von SapNP-solubilisierten MPs mittels zellfreier Proteinsynthese näher charakterisiert und untersucht welche Parameter aus präparativer Sicht optimiert werden können.
In vorausgegangenen Analysen von ND-solubilisierten MPs mittels LILBID-MS zeigte sich, dass manche in Verbindung mit NDs genutzten Lipide unerwünschte Signale im Spektrum zur Folge haben, die aus massiven Lipid-Anhaftungen am MSP oder dem Analyten resultieren. Überlappungen der m/z-Signale verschiedener Analyt- und/oder Komplexkomponenten mit diesen Lipid-Cluster-Signalen kann wiederum zum Verlust von Informationen führen. Daher beschäftigt sich ein weiterer Teil dieser Arbeit mit der Frage, ob durch den Einsatz von UV-schaltbaren Lipiden der Anwendungsbereich und/oder die Auflösung von LILBID-MS erweitert und verbessert werden kann.
Um biologische Prozesse zu verstehen ist es ebenfalls wichtig die zeitlichen/kinetischen Aspekte einer Reaktion zu untersuchen/kennen, sowie molekulare Prozesse gezielt zu kontrollieren. Licht hat sich hierbei als ein hervorragendes Werkzeug in der Analytik, sowie in der molekularen Prozesskontrolle etabliert. Licht bietet den Vorteil sehr selektiv eingesetzt werden zu können und sowohl orts- als auch zeitaufgelöst Informationen liefern zu können. Das gezielte Triggern einer Reaktion oder einer Protein-Protein-Interaktion kann beispielsweise durch sog. photo-cleaving von photolabilen Schutzgruppen ermöglicht werden. Bisweilen bietet die native MS nur wenig Möglichkeiten schnelle Reaktionen zu analysieren und kinetische Informationen zu gewinnen. Daher beschäftigt sich ein weiterer Teil dieser Dissertation damit zu untersuchen, ob und wie sich lichtgesteuerte Reaktionen im LILBID-Ionisationsprozess induzieren und gegebenenfalls auch zeitlich analysieren und charakterisieren lassen können.
The bacteriophage ΦX174 causes large pore formation in Escherichia coli and related bacteria. Lysis is mediated by the small membrane-bound toxin ΦX174-E, which is composed of a transmembrane domain and a soluble domain. The toxin requires activation by the bacterial chaperone SlyD and inhibits the cell wall precursor forming enzyme MraY. Bacterial cell wall biosynthesis is an important target for antibiotics; therefore, knowledge of molecular details in the ΦX174-E lysis pathway could help to identify new mechanisms and sites of action. In this study, cell-free expression and nanoparticle technology were combined to avoid toxic effects upon ΦX174-E synthesis, resulting in the efficient production of a functional full-length toxin and engineered derivatives. Pre-assembled nanodiscs were used to study ΦX174-E function in defined lipid environments and to analyze its membrane insertion mechanisms. The conformation of the soluble domain of ΦX174-E was identified as a central trigger for membrane insertion, as well as for the oligomeric assembly of the toxin. Stable complex formation of the soluble domain with SlyD is essential to keep nascent ΦX174-E in a conformation competent for membrane insertion. Once inserted into the membrane, ΦX174-E assembles into high-order complexes via its transmembrane domain and oligomerization depends on the presence of an essential proline residue at position 21. The data presented here support a model where an initial contact of the nascent ΦX174-E transmembrane domain with the peptidyl-prolyl isomerase domain of SlyD is essential to allow a subsequent stable interaction of SlyD with the ΦX174-E soluble domain for the generation of a membrane insertion competent toxin.
Protein biosynthesis is a fundamental process across all domains of life. Polypeptides are produced by translating the genetic information of the messenger RNA (mRNA) into amino acids. This elaborate procedure is divided into the four distinct phases: initiation, elongation, termination, and ribosome recycling. The phases are controlled and regulated by a multitude of translation factors. During initiation, the ribosome assembles on the mRNA. Initiation factors (IFs) bind to the small ribosomal subunit (SSU) and assist the recruitment of mRNA and initiator transfer RNA (tRNA), which delivers the first amino acid methionine. After positioning the SSU at the start codon of the mRNA, additional IFs support the joining of the large ribosomal subunit (LSU). Next, elongation factors (EFs) deliver amino-acylated tRNAs (aa-tRNAs) to the translating ribosome and assist kinetic proofreading and ribosome subunit translocation after the catalytic transfer of the polypeptide onto the aa-tRNA. When a stop codon is reached, translation is terminated by release factors (RFs) that hydrolyze the peptidyl-tRNA to release the nascent protein chain. Afterwards, the ribosome is recycled in Eukaryotes and Archaea by the conserved and essential factor ABCE1, which splits the ribosome into the LSU and SSU. ABCE1 remains bound to the SSU forming the post-splitting complex (post-SC). mRNA translation closes into a cycle by recruitment of IFs to the post-SC and the start of a new round of initiation. The post-SC presents the platform for translation initiation. However, the role of ABCE1 in initiation remains elusive. Therefore, the main goal of my thesis was to unravel the molecular mechanism of ABCE1 on the post-SC and during initiation complex (IC) assembly.
Using a reconstituted system, the high-resolution structure of the archaeal post-SC was solved by cryogenic electron microscopy (cryo-EM) following the native splitting route. It was the first complete model of an archaeal SSU at atomic resolution and revealed a previously undescribed ribosomal protein, which we termed eS21. The hinge 2 region of ABCE1 was identified to be the major interaction interface that anchors to the SSU. Functional characterization of single residue mutations in hinge 2 unraveled essential interactions with the ribosomal RNA backbone of the SSU. Sensing of SSU-binding was found to be allosterically transmitted to the nucleotide-binding sites (NBSs) for integration into the ATPase cycle of ABCE1.
Reconstitution of the archaeal translation apparatus allowed for dissection of IC assembly in the presence of ABCE1. Three different ICs were resolved by cryo-EM. The results were in accordance with recent structural findings of eukaryotic translation initiation and highlighted that the involvement of ABCE1 is conserved.
In a semi-native approach, recombinant ABCE1 was pulled-down from crenarchaeal cell lysates. Mass spectrometric analysis of co-immunoprecipitated ribosomal complexes identified the association of numerous translation factors to the post-SC in a cellular context. The establishment of the genetic toolbox of the acidothermophilic Sulfolobus acidocaldarius allowed the homologous expression of ABCE1. Pull-down of native ABCE1 revealed similar ribosomal complexes as the semi-native and reconstituted approaches. Together, my results gave first physiological relevance of ABCE1 involvement in mRNA translation initiation in Archaea. Native archaeal ABCE1-ICs were vitrified for structural analysis by cryo-EM. Thereby, future structural analysis will allow to analyze the interactions of ABCE1 on native ICs and identify its role in IC assembly.
To address the molecular process of IC assembly, the binding affinity of aIF1 to the SSU was determined by fluorescence polarization. Similar studies will allow for a detailed functional analysis on IF recruitment to the SSU in presence of ABCE1.
mRNA surveillance and ribosome-associated quality control (RQC) mechanisms evolved to ensure cell viability. The pathways overcome ribosome stalling and defective translation components. Stalled ribosomes are terminated by special RFs, which do not hydrolyze the peptidyl-tRNA, but allow dissociation of the ribosome by ABCE1. Faulty messages are degraded via mRNA decay pathways and the LSU is rescued by RQC factors. Recently, the bacterial RQC factor MutS2 was identified to specifically target collided di- and polysomes but its molecular mechanism remains unknown. In this thesis, initial functional analyses showed tri-phosphate specific nucleotide binding of MutS2. While the dissociation of collided disomes by MutS2 could not be observed, the results pave the way for future in vitro studies of bacterial RQC factors acting on specific ribosome populations.
In the future, mRNA translation research must focus on complex quality control processes to comprehensively understand this fundamental cellular process in a holistic context.
Mechanistic characterization of photoisomerization reactions in organic molecules and photoreceptors
(2023)
In dieser Arbeit wurden verschiedene Einflüsse auf die Dynamik von Photoisomerisierungen in Phytochromen und indigoiden Photoschaltern untersucht. Beide Forschungsgebiete teilen wesentliche Aspekte wie die Kontrolle durch sterische Wechselwirkungen und den starken Einfluss der Polarität oder der ionischen Umgebung.
Auf dem Gebiet der Phytochrome wurde die relative Positionierung der knotenlosen Phytochrome innerhalb der Superfamilie der Phytochrome in Bezug auf ihre Photodynamik und den Effekt von Grundzustandsheterogenität herausgearbeitet. Es wurde anhand von ultraschnellen, zeitaufgelösten Anrege-Abtast-Experimenten der einzelnen GAF-Domäne All2699g1 im Vergleich mit dem vollständigen knotenlosen Phytochrom All2699g1g2 und dem strukturell ähnlichen knotenlosen Phytochrom SynCph2 gezeigt, dass knotenlose Phytochrome in ihrer Vorwärtsdynamik eine komplexe mehrphasige Kinetik mit einem langlebigen angeregten Zustand (~100 ps) aufweisen. Die beobachtete mehrphasige Kinetik konnte einer initialen Chromophordynamik sowie einer nicht exponentiellen Reorganisation der chromophor-umgebenden Proteinmatrix zugeordnet werden. Dies steht im starken Kontrast zur im Gebiet der Phytochrome etablierten Beschreibung derartiger mehrphasiger Kinetiken mittels heterogener Grundzustände. Stattdessen wurde ein konserviertes kinetisches Muster identifiziert, welches die mehrphasige Dynamik beschreibt und in allen in dieser Arbeit untersuchten Phytochrome beobachtet wurde. Zudem konnte dieses Muster in einem Phytochrom der Gruppe I und einem Phytochrom der Gruppe III, die einen ähnlichen Pr Dunkelzustand aufweisen, gezeigt werden, was eine breite Anwendbarkeit des damit verbundenen Mechanismus vermuten lässt. Weiterhin konnte die zentrale Rolle eines konservierten Tyrosins in der Photoisomerisierung anhand von Mutationsstudien in All2699g1 herausgearbeitet werden. Diese konservierte Aminosäure muss im Rahmen der Reorganisation der Proteinmatrix vom Chromophor weggezogen werden, damit die sterische Blockade abgebaut werden kann, die die Isomerisierung des Chromophors zunächst verhindert. Da diese Bewegung von diversen Faktoren in der den Chromophor umgebenden Proteinmatrix abhängt, weist sie eine nicht exponentielle Kinetik auf, die je nach Phytochrom, der spezifischen Flexibilität und dem vorhandenen Raum in der Bindetasche unterschiedliche Lebenszeiten aufweist.
Die Rückreaktion knotenloser Phytochrome konnte ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit charakterisiert werden, welche im Pikosekundenbereich abläuft, und damit signifikant schneller ist als die Vorwärtsreaktion. Im Gegensatz zur Vorwärtsreaktion nimmt Grundzustandsheterogenität in der Rückreaktion eine weitaus bedeutendere Rolle ein. Hier weisen die in All2699g1 vorhandenen heterogenen Grundzustandspopulationen jeweils eine eigene Kinetik ihres angeregten Zustands auf, während die homogenen Grundzustände von All2699g1g2 und SynCph2 jeweils nur einen Zerfall des angeregten Zustands zeigen. Der Ursprung dieser Heterogenität konnte im Wasserstoffbrückennetzwerk des Chromophors lokalisiert und mit dem konservierten Tyrosin und einem konservierten Serin in der PHY-Domäne verknüpft werden. Die Anwesenheit der PHY-Domäne sorgt demnach für eine Verringerung der Grundzustandsheterogenität und des vorhandenen Raums in der Bindetasche, wodurch die Effizienz der Photoreaktion optimiert wird.
Zuletzt konnte die Millisekundendynamik knotenloser Phytochrome und der Einfluss der PHY-Domäne auf diese aufgeklärt werden. Die PHY-Domäne sorgt hierbei durch den verringerten Raum in der Bindetasche dafür, dass die zunächst stattfindende thermische Relaxation des Chromophors signifikant verlangsamt wird, während spätere Änderungen im Photozyklus nur wenig beeinflusst werden.
Auf dem Gebiet der indigoiden Photoschalter konnte, anhand eines sterisch überladenen Hemithioindigo Photoschalters, der Photoisomerisierungsmechanismus des Hula-Twists beobachtet und eine starke Lösungsmittelabhängigkeit der entsprechenden Kinetik aufgezeigt werden. Aus den durchgeführten zeitaufgelösten Anrege-Abtast-Experimenten in verschiedenen Lösungsmitteln konnte ein Modell für die Photodynamik des verwendeten Hemithioindigo Photoschalters entwickelt werden. In unpolaren Lösungsmitteln muss eine hohe Barriere zur produktiven konischen Durchschneidung überwunden werden, was zu Lebenszeiten des angeregten Zustands im Nanosekundenbereich führt. Der Weg zur produktiven konischen Durchschneidung folgt dabei dem Hula-Twist Mechanismus. Dieser Pfad ist in polaren Lösungsmitteln unerreichbar, weshalb eine schnelle Relaxation über eine unproduktive konische Durchschneidung stattfindet.
Im zweiten Projekt auf dem Gebiet der indigoiden Photoschalter wurde anhand der neuartigen Klasse der Iminothioindoxyl Photoschalter ein Schwingungsenergiedonor für Schwingungsenergietransferstudien entwickelt. Das daraus entwickelte Modellsystem, bestehend aus einer künstlichen Aminosäure auf Basis des Iminothioindoxyl Photoschalters und einem daran gekoppelten Schwingungsenergiesensor, wurde charakterisiert und die primäre Photoreaktion untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der angeregte Zustand des Modellsystems kurzlebig ist und unter Abgabe von großen Mengen an Schwingungsenergie zerfällt, unabhängig von der Anregungswellenlänge und dem verwendeten Lösungsmittel. Somit zeigt das entwickelte System vorteilhafte Eigenschaften für Schwingungsenergietransferstudien.
Insgesamt konnten somit die Mechanismen der Photoisomerisierungsreaktionen in knotenlosen Phytochromen und indigoiden Photoschaltern aufgeklärt und daraus die Relevanz der Umgebung für derartige Reaktionen herausgearbeitet werden.
The peptide loading complex (PLC) is a central machinery in adaptive immunity ensuring antigen presentation by major histocompatibility complex class I (MHC I) molecules to immune cells. If nucleated cells present foreign antigenic peptides from various origins (e.g., viral infected or cancer cells) on their cell surface they are targeted and eliminated by effector cells of the immune system to protect the organism against the hazard. The antigen presentation process starts with proteasomal degradation. Peptide loading and quality control of most, if not all, MHC I is performed by the PLC. Despite the main components, architecture, and general functions of this labile and multi-subunit assembly have been described, knowledge about the inner mechanics of MHC I loading and quality control in the PLC is limited. Detailed structural insights into the interactions and functions of key elements are lacking. In this PhD thesis, structural and functional aspects of the PLC in peptide loading and quality control of MHC I are unraveled, and the PLC was analyzed from an evolutionary perspective.
First, composition and architecture of native PLC isolated from different mammalian species was analyzed. Comparison of detergent-solubilized PLC from cow and sheep spleens with PLC isolated from human source showed a compositional conservation in mammals, with the central components TAP, ERp57, tapasin, calreticulin, and the MHC I heterodimer were conserved in these species. Negative-stain electron microscopy (EM) analyses revealed an identical overall architecture of PLCs from human, sheep, and cow with two major densities at opposing sides of the plane of the detergent micelle corresponding to endoplasmic reticulum (ER) luminal and cytosolic domains. Interestingly, the glucose-regulated protein 78 (GRP78) was associated only with the PLC from sheep and cow as revealed by mass spectrometry. This ER chaperone is involved in initial folding steps of MHC I but was not co-purified with human PLC, rendering it an interesting target for future functional and in-depth structural studies.
The human PLC was stabilized by reconstitution in membrane mimicking systems that replace the detergent, which is necessary to solubilize the complex. This stabilization allowed detailed structural analysis by single-particle cryogenic electron microscopy (cryo-EM). The structure of the MHC I editing module in the PLC, composed of tapasin, ERp57, calreticulin, MHC I, and β-2-microglobulin (β2m), was solved at an overall resolution of 3.7 Å. Within the structure, two important features were visualized: (i) the editing loop of tapasin, which is directly involved in peptide proofreading of MHC I; (ii) the A-branch of the Asn86 tethered N-linked glycan on MHC I. Both features are crucial elements in the quality control and peptide editing process on MHC I. The editing loop interacts with the peptide binding groove in MHC I. It disturbs the interaction between a cargo peptide C terminus and the F-pocket in the binding groove by displacing Tyr84 and the helices α1 and α2. The helix displacement widens the F-pocket which allows a faster peptide exchange on MHC I. The glycan is bound in its monoglucosylated form (Glc1Man9GlcNAc2) by the lectin domain of calreticulin. The A-branch of this glycan is stretched between MHC I Asn86 and the lectin domain, leading to the hypothesis that the glycan will be released from calreticulin once MHC I is loaded with a favored peptide (pMHC I).
For investigation of the glycan status of MHC I, intact protein liquid chromatography coupled mass spectrometry (LC-MS) was performed under denaturating conditions. An allosteric coupling between peptide loading and removal of the terminal glucose by α-Glucosidase II (GluII) was discovered. In addition, the PLC remained fully intact after peptide loading, which demonstrated GluII action on the PLC once MHC I is loaded.
With establishing GluII as transient interaction partner, this work deepens the knowledge of the molecular sociology of the PLC and how the PLC is involved in the endoplasmic reticulum quality control (ERQC). Further investigation of the ER aminopeptidases ERAP1 and ERAP2 showed that these enzymes neither alone nor together stably interact with the PLC. In contrast, both work independent from the PLC on free peptides in the ER.
LC-MS analysis of the PLC components revealed a very unusual glycosylation pattern of tapasin. Tapasin was observed with N-linked glycans ranging from the full glycan (Man9GlcNAc2) to heavily trimmed glycans, where only a single GlcNAc remained attached to Asn233. In the PLC, tapasin is probably shielded from degradation by ERQC and can remain functional and intact without a full N-linked glycan.
Mechanistic and structural insights into the quality control of the MHC I antigen processing pathway
(2022)
The human body is permanently exposed to its environment and thus to viruses and other pathogens, which require a flexible response and defense. Alongside to the innate immune system, the adaptive immune system provides highly specialized protection against these threats. The major histocompatibility complex class I (MHC I) antigen presentation system is a cornerstone of the adaptive immune system and a major constituent of cellular immunity. Pathogens such as viruses that invade a cell will leave traces in the form of proteins and peptides which are degraded and loaded onto MHC I molecules. MHC I peptide loading is performed by peptide loading complex (PLC) in the membrane of the endoplasmic reticulum as part of a multifaceted and comprehensive quality control machinery. Monitored by multiple layers of quality assurance, the MHC I molecules consequently display the immune status of the cell on its surface. In this context, the captured fragment of the virus serves as a call for help issued by the cell, alerting the adaptive immune system to the infection to mount an appropriate immune response.
The three-dimensional structure as well as the mechanistic details of parts of this complex machinery were characterized in the context of this dissertation. Among other tools, light-modulable nanotools were developed in this thesis, which permit external regulation of cellular processes in temporal and spatial resolution. Furthermore, methods and model systems for the biochemical characterization of cellular signaling cascades, proteins, as well as entire cell organelles were developed, which are likely to influence the field of cellular immunity and protein biochemistry in the future.
This cumulative work comprises a total of six publications whose scientific key advances will be briefly outlined in this abstract. In the introduction, the scientific background as well as the current state of research and methodological background knowledge are conveyed. The results section condenses the main aspects of the publications and links them to each other. Further details can be retrieved from the attached original publications.
In “Semisynthetic viral inhibitor for light control of the MHC I peptide loading complex, Winter, Domnick et al., Angew Chem Int Ed 2022” a photocleavable viral inhibitor of the peptide loading complex was produced by semi-synthesis. This nanotool was shown to be suitable for both purifying the PLC from human Raji cells as well as reactivating it in a light-controlled manner. Thus, this tool establishes the isolation of a fully intact and functional peptide loading complex for biochemical characterization. In addition, a novel flow cytometric analysis pipeline for microsomes was developed, allowing cellular vesicles to be characterized with single organelle resolution, similar to cells.
In “Molecular basis of MHC I quality control in the peptide loading complex, Domnick, Winter et al., Nat Commun 2022” the peptide loading complex was reconstituted into large nanodiscs, and a cryo-EM structural model of the editing module at 3.7 Å resolution was generated. By combining the structural model with in vitro glycan editing assays, an allosteric coupling between peptide-MHC I assembly and glycan processing was revealed, extending the known model of MHC I loading and dissociation from the PLC. These mechanisms provide a prototypical example for endoplasmic reticulum quality control.
In a related context, in “Structure of an MHC I–tapasin–ERp57 editing complex defines chaperone promiscuity, Müller, Winter et al., Nat Commun 2022” a recombinantly assembled editing module comprised of MHC I-tapasin-ERp57 was crystallized for X-ray structural biology. The resulting crystal structure at a resolution of 2.7 Å permitted the precise identification of characteristic features of the editing module and particularly of the peptide proofreading mechanism of tapasin. This study provided pivotal insights into the tapasin-mediated peptide editing of different MHC I allomorphs as well as similarities to TAPBPR-based MHC I peptide proofreading.
In “TAPBPR is necessary and sufficient for UGGT1-mediated quality control of MHC I, Sagert, Winter et al. (in preparation)” novel insights concerning the peptide proofreader TAPBPR and its close interplay with the folding sensor and glucosyltransferase UGGT1 were obtained. It was shown that TAPBPR is an integral part of the second level of endoplasmic quality control and is indispensable for effective MHC I coordination by UGGT1.
In “Light-guided intrabodies for on-demand in situ target recognition in human cells, Joest, Winter et al., Chem Sci 2021” intracellular nanobodies were equipped with a photocaged target recognition domain by genetic code expansion via amber suppression. These intrabodies, acting as high-affinity binding partners endowed with a fluorophore, could be used in a light-triggered approach to instantaneously visualize their target molecule...
Inhibitoren der Apoptose (IAP, inhibitor of apoptosis) Proteine spielen eine wichtige Rolle in Bezug auf Zelltodregulation und es ist anzunehmen, dass eine Dysregulation dieser Proteine zu einer Tumorentwicklung und Tumorprogression beiträgt. Erhöhte Expressionslevel von IAP Proteinen verhindern die Aktivierbarkeit des Zelltodprogrammes von Tumorzellen und eine Reihe von Studien konnte bereits erhöhte IAP Level in Tumorzelllinien sowie in primären Tumorproben nachweisen. Des Weiteren korrelieren erhöhte Expressionslevel von IAPs in Tumoren mit Behandlungsresistenzen und schlechten Prognosen für die Patienten.
Das diffuse großzellige B-Zell Lymphom (DLBCL, diffuse large B-cell lymphoma) zählt zu den häufigsten Subtypen der Non-Hodgkin Lymphome (NHL) mit 40 % aller neu diagnostizierten NHL Fälle. DLBCL ist eine sehr heterogene Erkrankung die in drei verschiedene Gruppen klassifiziert wurde: aktivierter B-Zell Typ (ABC, activated B-cell), Keimzentrum B-Zell Typ (GCB, germinal center B-Cell) und Mediastinaler großzelliger B-Zell Typ (PMBL, primary mediastinal B-cell lymphoma). Erhöhte Expressionslevel von zellulärem IAP1 (cIAP, cellular IAP) und cIAP2 wurden ebenfalls in primären Tumorproben von DLBCL Patienten nachgewiesen. Smac mimetics wurden entwickelt, um IAPs zu antagonisieren und stellen damit eine Behandlungsstrategie für DLBCL Patienten dar, denn ca. 40 % aller DLBCL Patienten entwickeln ein Rezidiv oder erreichen gar keine Remission unter Standardtherapie. Jedoch ist der Effekt von Smac mimetics in einer Einzelbehandlung limitiert, weswegen Kombinationstherapien mit Smac mimetics eine vielversprechende Strategie für ihren klinischen Einsatz darstellen. Aus diesem Grund haben wir in dieser Arbeit den Effekt von Smac mimetic in Kombination mit Proteasom-Inhibitoren analysiert und einen speziellen Fokus auf den molekularen Mechanismus des ausgelösten Zelltodsignalweges gelegt.
Die Kombination verschiedener Konzentrationen des Smac mimetics BV6 mit dem Proteasom-Inhibitor carfilzomib (CFZ) löst in allen drei getesteten DLBCL Subtypen (ABC, GCB und PMBL) Zelltod aus. Die Kalkulation des Kombinationsindexes (CI, combination index) sowie des Bliss Scores, zwei quantitative Parameter zur Bestimmung eines Synergismus, zeigen, dass fast alle getesteten Kombinationen einen Synergismus aufweisen. Dies verdeutlicht, dass eine Co-Behandlung von BV6 und CFZ eine wirksame Kombination ist um Zelltod in DLBCL Zelllinien auszulösen. Außerdem zeigt eine Kombination von BV6 mit anderen Proteasom-Inhibitoren wie ixazomib (IXA) oder oprozomib (OPR), ebenfalls eine synergistische Reduktion der Zellviabilität. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der detektierte Effekt nicht auf eine Substanz limitiert ist, sondern, dass ein genereller Effekt von Smac mimetic und Proteasom-Inhibitoren vorliegt, um Zellviabilität in DLBCL zu reduzieren. BV6 und CFZ induzieren einen apoptotischen Zelltod, da sie die Spaltung und Aktivierung von Initiator- und Effektorcaspasen (Caspasen-3, -7, -8 und -9) initiieren und sich der induzierte Zelltod mit Hilfe des Caspasen-Inhibitors zVAD.fmk verhindern lässt. Die Behandlung mit BV6 und CFZ führt zu einer Akkumulation von NIK, ein Protein welches zur Aktivierung des non-kanonischen NF-kB Signalweges benötigt wird. Weitere Untersuchungen zeigen jedoch, dass NIK nicht an der Zelltodinduktion beteiligt ist, da eine siRNA-basierte Herunterregulierung des NIK Proteins keinen Einfluss auf die Zelltodinduktion nimmt. Ebenfalls ist der Zelltod unabhängig von dem TNFa Signalweg, da weder eine Behandlung mit dem TNFa Inhibitor Enbrel den Zelltod verringern kann noch eine zusätzliche Gabe von TNFa den Zelltod erhöht. Weitere mechanistische Studien zeigen eine kritische Rolle der mitochondrialen Apoptose für den BV6/CFZ-vermittelten Zelltod. Unter Behandlung mit BV6/CFZ wurde eine Aktivierung von BAX und BAK nachgewiesen, welche beide mit verantwortlich für die Porenbildung in der mitochondrialen Membran sind. Eine Herunterregulation dieser beiden Proteine mittels siRNA reduziert signifikant den durch BV6/CFZ-induzierten Zelltod auf ein Minimum. Gleichzeitig löst eine Co-Behandlung mit BV6/CFZ einen Verlust des mitochondrialen Membranpotentials (LOMMP, loss of mitochondrial membrane potential) aus. In Übereinstimmung mit den vorherigen Experimenten, zeigen wir eine Akkumulation von mitochondrialen reaktiven Sauerstoffspezies (ROS; reactive oxygen species), sowie einen generellen Anstieg des allgemeinen ROS Levels. Eine Behandlung mit BV6/CFZ zeigt eine deutliche Akkumulation des pro-apoptotischen Proteins NOXA. Um dessen funktionelle Relevanz zu überprüfen, wurde die Proteinmenge von NOXA mittels siRNA stark reduziert. Eine Behandlung mit der Kombination aus BV6 und CFZ zeigt daraufhin eine signifikant reduzierte Zelltodinduktion, was die funktionelle Relevanz von NOXA für den BV6/CFZ-vermittelten Zelltod unterstreicht. Immunopräzipitationsstudien zeigen, dass in RIVA und U2932 Zellen NOXA konstitutiv an seinen anti-apoptotischen Bindungspartner MCL-1 gebunden ist, was die Zellen bereits darauf vorbereitet Apoptose zu durchlaufen. Dieses sogenannte „primen“ für Apoptose wird durch die Behandlung mit BV6 und CFZ weiter verstärkt, da es die Bindung zwischen NOXA und MCL-1 weiter erhöht. Dadurch wird die Balance zwischen pro- und anti-apoptotischen Proteinen zu Gunsten der pro-apoptotischen Proteine verschoben und die Induktion von Apoptose begünstigt.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass DLBCL Zelllinien sensitiv auf eine Behandlung mit Smac mimetic und Proteasom-Inhibitor reagieren und damit eine mögliche neue Behandlungsstrategie für diese heterogene Tumorerkrankung darstellt.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der vergleichenden funktionalen Charakterisierung der E.coli Transporter LacY, FucP und XylE und des Glucose-Transporters GlcP aus Staphylococcus epidermidis sowie funktionsrelevanter Mutanten. Sie katalysieren in vivo den PMF-gekoppelten Zuckertransport und repräsentieren die major facilitator superfamily (MFS), einer der größten Transporter-Familien überhaupt. Die Studien wurden mithilfe einer elektrophysiologischen Methode auf Basis Festkörper-unterstützter Membranen (SSM) durchgeführt. Komplementär dazu wurden radioaktive Transportassays, fluorometrische Messungen, kinetische Simulationen und theoretische Berechnungen auf Basis der 3D-Strukturen durchgeführt. Experimentell bestimmte Zucker- und pH-Abhängigkeiten elektrogener steady-state und pre steady-state Reaktionen wurden verwendet, um ein allgemeingültiges kinetisches Modell aufzustellen.
Insgesamt konnten bei allen Transportern zwei elementare elektrogene Reaktionen identifiziert werden. Eine schnelle Zucker-induzierte Konformationsänderung wurde dem induced fit des Zuckermoleküls zugeordnet. Die Elektrogenität im steady-state wird dagegen durch den langsamen Transfer der negativ geladenen Protonenbindestelle bestimmt. Die für den Symport ratenlimitierende Reaktion ist abhängig von den äußeren Bedingungen wie pH-Werten, Zuckerkonzentrationen, Substrat-Spezies und Membranpotential meist die Konformationsänderung des leeren (P) oder des beladenen (PSH) Carriers, welche die Substratbindestellen im Zuge des Alternating Access über die Membran transferieren. Ein Wechsel zwischen hohen Protonenbindungs-pK-Werten und niedrigen Protonenfreisetzungs-pK-Werten durch weitere lokale Konformationsänderungen ist zentraler Bestandteil des Transportmechanismus. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Kopplung zwischen Zucker- und Protonen-Translokation, die sich zwischen E.coli Transportern und GlcP strikt unterscheidet. In E.coli Transportern erfolgt eine kooperative Bindung von Zucker und Proton. Zudem erfolgt keine Konformationsänderung im Zucker-gebundenen, unprotonierten Carrier (PS). In GlcP ist die Kopplung erheblich reduziert. Der Transport-Modus selbst ist abhängig von den äußeren Bedingungen. So katalysiert GlcP abhängig vom pH-Gradienten Uniport, Symport oder Antiport.
Die vorliegende Arbeit leistet einen wichtigen Beitrag zum Verständnis des PMF-gekoppelten Zuckertransports und zeigt die Grenzen des für LacY formulierten 6-Zustands-Modells mit nur zwei Konformationsänderungen auf. Ein erweitertes 8-Zustands-Modell mit vier Konformationsänderungen, die unterschiedliche Ratenkonstanten aufweisen können, erklärt sowohl Symport, Antiport als auch Uniport und berücksichtigt zudem die zahlreichen Ergebnisse für LacY aus der Literatur.