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Multiple resistance and pH adaptation (Mrp) cation/proton antiporters are essential for growth of a variety of halophilic and alkaliphilic bacteria under stress conditions. Mrp-type antiporters are closely related to the membrane domain of respiratory complex I. We determined the structure of the Mrp antiporter from Bacillus pseudofirmus by electron cryo-microscopy at 2.2 Å resolution. The structure resolves more than 99% of the sidechains of the seven membrane subunits MrpA to MrpG plus 360 water molecules, including ~70 in putative ion translocation pathways. Molecular dynamics simulations based on the high-resolution structure revealed details of the antiport mechanism. We find that switching the position of a histidine residue between three hydrated pathways in the MrpA subunit is critical for proton transfer that drives gated trans-membrane sodium translocation. Several lines of evidence indicate that the same histidine-switch mechanism operates in respiratory complex I.
Bei der UV-Bestrahlung von Uracil-[5.6-3H] bilden sich je nach eingestrahlter Energie dimeres Uracil und Uracil-Wasseranlagerungsprodukt [5.6-Dihydro-6-hydroxyuracil] als radioaktive Photoprodukte. Während bei der Synthese des Wasseranlagerungsproduktes ein beträchtlicher sekundärer Isotopeneffekt wirksam wird, verändert sich die Radioaktivität des dimeren Uracils gegenüber der des Ausgangsuracils kaum.
Wird das Wasseranlagerungsprodukt durch Erwärmen zu Uracil zurückgewandelt, so dehydratisiert das Molekül ebenfalls unter Mitwirkung eines Isotopeneffektes. Wird das Uracildimere zu Uracil rückgewandelt, so beobachtet man keinen Isotopeneffekt.
Bei der Bestrahlung von Uracil in Tritium-haltigem Wasser werden nur sehr geringe Radioaktivitäten in die Photoprodukte eingebaut. Der Isotopeneffekt beträgt ca. 8. — Durch Synthese der Photoprodukte aus spezifisch an C-5 oder C-6 Tritium-markiertem Uracil bzw. durch Bromierung von 5.6-Tritium-markiertem Uracil bzw. dessen Photoprodukten zu den 5-Brom-Derivaten erhält man Hinweise, daß der Geschwindigkeits-bestimmende Schritt der Wasseraddition an C-6 des Uracils verläuft. Die inversen sekundären Isotopeneffekte betragen für Tritium an C-6 etwa 0,65, für Tritium an C-5 dagegen nur 0,95.
The knob-associated histidine-rich protein (KAHRP) plays a pivotal role in the pathophysiology of Plasmodium falciparum malaria by forming membrane protrusions in infected erythrocytes, which anchor parasite-encoded adhesins to the membrane skeleton. The resulting sequestration of parasitized erythrocytes in the microvasculature leads to severe disease. Despite KAHRP being an important virulence factor, its physical location within the membrane skeleton is still debated, as is its function in knob formation. Here, we show by super-resolution microscopy that KAHRP initially associates with various skeletal components, including ankyrin bridges, but eventually colocalizes with remnant actin junctions. We further present a 35 Å map of the spiral scaffold underlying knobs and show that a KAHRP-targeting nanoprobe binds close to the spiral scaffold. Single-molecule localization microscopy detected ~60 KAHRP molecules/knob. We propose a dynamic model of KAHRP organization and a function of KAHRP in attaching other factors to the spiral scaffold.
The knob-associated histidine-rich protein (KAHRP) plays a pivotal role in the pathophysiology of Plasmodium falciparum malaria by forming membrane protrusions in infected erythrocytes, which anchor parasite-encoded adhesins to the membrane skeleton. The resulting sequestration of parasitized erythrocytes in the microvasculature leads to severe disease. Despite KAHRP being an important virulence factor, its physical location within the membrane skeleton is still debated, as is its function in knob formation. Here, we show by super-resolution microscopy that KAHRP initially associates with various skeletal components, including ankyrin bridges, but eventually colocalizes with remnant actin junctions. We further present a 35 Å map of the spiral scaffold underlying knobs and show that a KAHRP-targeting nanoprobe binds close to the spiral scaffold. Single-molecule localization microscopy detected ~60 KAHRP molecules/knob. We propose a dynamic model of KAHRP organization and a function of KAHRP in attaching other factors to the spiral scaffold.
Im ersten Projekt der vorliegenden Arbeit wurden CD - 1 Mäuse mit drei unterschiedlichen Diäten für zwei Wochen ad libitum gefüttert. Die Diäten bestanden aus zwei kohlenhydratarmen, fettreichen Diäten und einer Standard Haltungsdiät. Die kohlenhydratarmen, fettreichen Diäten enthielten entweder Triheptanoin (dreifach mit Heptanoat verestertes Glycerol) oder Soja - Öl als Fettkomponente (jeweils 35 % der Gesamtkalorien). Nach zwei Wochen wurde ein ischämischer Schlaganfall für 90 min. mithilfe eines Silikonfadens induziert. Die Leber, das Blut und das Gehirn wurden nach dem Schlaganfall entnommen und die Konzentrationen der Metabolite β - Hydroxybutyrat, Glukose, Laktat und Citrat wurden mit der zuvor etablierten GC - MS-Methode ermittelt. Unter gleichen Bedingungen wurde eine Mikrodialysestudie durchgeführt.
Bei den Tieren, die die kohlenhydratarmen, fettreichen Diäten erhielten, konnte in den Leber - und Hirnhomogenaten, im Plasma sowie im Mikrodialysat eine Ketose festgestellt werden. Die BHB Konzentrationen durch eine Soja Diät erreichten im Leberhomogenat bis zu 4 mM, im Plasma bis zu 1,5 mM, im Hirnhomogenat bis zu 1,5 mM und im Mikrodialysat bis zu 30 µM. Um eine Aussage treffen zu können, ob das Gehirn die von der Leber produzierten Ketonkörper als Energiesubstrate nutzen kann, wurde eine Folgestudie (unter gleichen Bedingungen) durchgeführt. Bei dieser Studie wurde der Zeitpunkt der Gewebeentnahme 60 min. nach Entfernen des Fadens (Reperfusion) gewählt. In den Leber – und Hirnhomogenaten konnten erniedrigte Konzentrationen des Ketonkörpers BHB nachgewiesen werden. Die nicht operierten Tiere, die eine fettreiche Diät erhielten, hatten erhöhte Konzentrationen an Citrat in den genannten Geweben. Durch den Abbau des Ketonkörpers BHB können bei Verstoffwechslung in Geweben außerhalb der Leber, zwei Moleküle Acetyl - CoA gebildet werden. Diese gebildeten Acetyl - CoA Moleküle können in den Citratzyklus eingespeist werden.
Um diesen Befund mechanistisch besser verstehen zu können, wurde den Mäusen Propranolol (ein unselektiver β - Blocker) verabreicht, und zwar kurz nachdem der Faden die mittlere Zerebralarterie verschlossen hatte. Als Folge blieb bei den fettreich gefütterten Tieren die zuvor beobachtete Ketose, aus. Daraus wurde geschlossen, dass die auftretende Ketose bei den fettreich gefütterten Tieren durch adrenerge β - Rezeptoren vermittelt wurde. Zusammengefasst kann eine fettreiche bzw. ketogene Ernährung im Falle einer Ischämie die Versorgung des Gehirns durch die Bildung von Ketonkörper gewährleisten.
Die zu beobachtende hepatische Ketogenese aus dem ersten Projekt hat die Frage entstehen lassen, ob eine akute Gabe von β - Hydroxybutyrat (BHB) bei Entfernen des Fadens schützende Effekte auf das Verhalten bzw. die Mitochondrien als Kraftwerke der Zelle hat. Hierzu wurde BHB bei Reperfusion gegeben und die Wirkungen dieser Einmalgabe nach 24 h untersucht. Als erster Schritt wurde der Nachweis erbracht, dass eine exogene Gabe von BHB das Gehirn erreicht. Im zweiten Schritt wurde das Verhalten der Mäuse nach 24 h untersucht. Hierbei erbrachte die Gabe von BHB eine signifikante Verbesserung der sensorischen und motorischen Fähigkeiten der Mäuse. Die metabolischen Veränderungen nach 24 h wurden erneut in Leberhomogenaten und Plasma vermessen. Eine Einzelgabe von BHB bewirkte eine milde Ketose auch 24 h nach Reperfusion der mittleren Zerebralarterie. Um eine detailliertere Erkenntnis über die Wirkung von BHB zu erlangen, wurden die Mitochondrien als potentielles Ziel für BHB in den Fokus genommen. Die Einmalgabe von BHB verhinderte ein Absinken der Komplex – II Aktivität. Außerdem kann die Aktivität der Citratsynthase unter der Gabe von BHB erhalten werden, sodass die Mitochondrien vor allem im wichtigen Zeitraum nach der Reperfusion geschützt werden. Im Rahmen der Untersuchungen der Mitochondrien wurden unterschiedliche Substrateinflüsse auf die Respiration der isolierten Mitochondrien getestet. Bei Zugabe von BHB, Oxalacetat + Acetat oder Citrat zu dem Respirationsmedium stieg die Respiration der Mitochondrien an. Im Falle von Glukose, Propranolol oder Acetat wird die Respiration verringert. Bei Zugabe von Laktat, verbleibt die Respiration auf Ausgangsniveau. Abschließend ist festzustellen, dass die Einzelgabe von BHB nach 24 h das Verhalten der Mäuse verbessert, eine milde Ketose induziert, sowie Mitochondrien und die Citratsynthase gegen ischämische Ereignisse schützt.
Um die in dieser Arbeit gezeigten Daten über metabolische Veränderungen zeigen zu können, musste eine vorherige Etablierung der GC – MS Analytik vollzogen werden. Auf der einen Seite musste die Probenvorbereitung, aber auch die gesamte Vermessung der Proben aufgebaut werden. Es wurden insgesamt 11 Analyte in vier unterschiedlichen Kompartimenten quantifiziert. Die Nachweisgrenze lag bei diesen 11 Analyten bei 0,01 - 1 ng/µl, was einer umgerechneten Stoffmengenkonzentration von 0,5 - 10 µM entspricht. Mithilfe dieser Methode können optional weitere Substanzen aus verschiedenen Geweben zugänglich gemacht werden. Diese Arbeit bietet hierzu eine Anleitung, wie die Etablierung erfolgen kann. Im Rahmen der Probenvorbereitung wurden alle Schritte systematisch verbessert. Dazu wurden Wiederholungsmessungen für unterschiedliche Modalitäten vollzogen. Die Abundance und die Zeitbeständigkeit waren die wesentlichen Beurteilungskriterien. So wurden die Daten für die Extraktionseffektivität, die Lösungsmittelabhängigkeit der Silylierung, der Zusatz von Hünig - Base sowie die Temperatur und Zeitabhängigkeit der Silylierung in dieser Arbeit erarbeitet. Die Quantifizierung wurde anhand von internen Standardverbindungen durchgeführt. Die jeweiligen Response – Faktoren blieben über die gesamte Zeit nach der Etablierung konstant und erlaubten die Quantifizierung mit geringen Fehlern. Die Beurteilung der ermittelten Daten über die Validierung wurden anhand von geltenden Regelwerken der pharmazeutischen Industrie entschieden. Es wurde ein Protokoll entwickelt, das im Rahmen der universitären Forschung eine vertrauenswürdige Aussage über Veränderungen von Metabolitenspiegeln in vielen Geweben der Maus und der Ratte geben kann.
Die Synthese und Charakterisierung von neuartigen metallorganischen Koordinationsverbindungen hat in den vergangenen Jahrzehnten einen wahren Aufschwung erlebt. Aufgrund ihrer außerordentlichen strukturellen Vielfalt eröffnen sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten über alle naturwissenschaftlich-technischen Domänen hinweg. Daher besteht ein allgemeines Interesse nicht nur in der Entwicklung neuer Verbindungen und Untersuchungen von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen, sondern auch in einer Verbesserung ihrer Darstellungsmethoden.
Diese Dissertation beschäftigt sich mit Koordinationspolymeren und -netzwerken, die aus zweiwertigen 3d-Übergangsmetallhalogeniden (MX2, wie bspw. MnCl2 oder FeBr2) und Pyridin (py) bzw. Pyridinderivaten (CNpy, wie bspw. 3-Cyanopyridin) aufgebaut sind. Die Darstellung der Koordinationsverbindungen erfolgte in erster Linie über gewöhnliche Kristallisationsexperimente in alkoholischer Lösung, bei denen Phasen der Stöchiometrie [MX2(CNpy)4] oder [MX2(CNpy)2]n anfielen. Diese wurden anschließend systematisch erhitzt (“getempert“), was in der Regel zu einer stufenweisen und irreversiblen Abgabe eines Teils der Liganden führte, also bspw. von [MX2(CNpy)2]n zu [MX2(CNpy)1]n. Für diesen sog. „thermischen Abbau“ hat sich die Verwendung eines DTA-TG-Gerätes bewährt. Da die Zielverbindungen als mikrokristalline Pulver anfielen, erfolgte die Bestimmung ihrer Kristallstrukturen auf Basis von Röntgenpulverdaten.
Insgesamt wurden im Rahmen dieser Arbeit 41 neue Phasen synthetisiert und deren Kristallstrukturen aus Röntgenpulverdaten bestimmt. Zusammenfassend ist für die verschiedenen Pyridinderivate folgendes zu konstatieren:
3-Cyanopyridin
Im Falle der MBr2-Serie wurden für M = Mn, Fe, Co und Ni Koordinationsverbindungen der Stöchiometrie [MBr2(3-CNpy)4] erhalten, deren Kristallstrukturen aus diskreten Komplexmolekülen bestehen. Derart ligandenreiche Verbindungen konnten bei keiner der übrigen Serien erhalten werden. Alle Kristallstrukturen der Zusammensetzung [MX2(3-CNpy)2]n zeigen bei M = Mn, Fe, Co, Ni und Cu eine Kettenstruktur, in der die Halogenatome als µ2-Brückenliganden fungieren. Die Ketten weisen eine Fischgrät-Anordnung auf. Im Falle von [ZnX2(3-CNpy)2] werden ausschließlich diskrete Komplexmoleküle beobachtet. In allen Kristallstrukturen der [MCl2(3-CNpy)1]n-Serie liegen Doppelketten mit µ2- und µ3-verbrückenden Cl-Atomen vor. Hingegen weisen die Verbindungen der [MBr2(3-CNpy)1]n-Serie Netzwerkstrukturen auf, in denen, zusätzlich zu µ2-Cl-Atomen, über NCN-Atome gebrückt wird.
3,5-Dicyanopyridin
Aufgrund der umfassenden Erkenntnislage bei [NiCl2(CNpy)x]n und [NiCl(py)x]n- Verbindungen wurde NiCl2 für erste Experimente mit 3,5-Dicyanopyridin als neuem, bifunktionalem Liganden ausgewählt. Erwartungsgemäß führte deren Umsetzung zur Bildung von [NiCl2(3,5-CNpy)2]n, dessen Kristallstruktur das hinlänglich bekannte charakteristische Kettenmotiv aufweist. Thermischer Abbau von [NiCl2(3,5-CNpy)2]n führt indes nicht zur Bildung von [NiCl2(3,5-CNpy)1]n (bzw. grundsätzlich zu [NiCl2(3,5-CNpy)x<2]n (mit bi- oder gar tridentatem Liganden), sondern unmittelbar zur vollständigen Zersetzung in NiCl2 und 3,5-CNpy. Daher sollten weitere Experimente mit NiBr2 als Edukt durchgeführt werden, da in [NiBr2(CNpy)1]n neben Npy auch NCN an Ni-Atome zu koordinieren vermag, wodurch ja deren Netzwerkstrukturen resultieren.
4-Cyanopyridin
Alle Kristallstrukturen der Zusammensetzung [MX2(4-CNpy)2]n zeigen bei M = Mn, Fe, Co, Ni und Cu ebenfalls eine Kettenstruktur, in der die Halogenatome als µ2-Brückenliganden fungieren. Auch in diesen Kristallstrukturen liegt eine Fischgrät-Anordnung der Ketten vor. Im Falle von [ZnX2(4-CNpy)2] werden ausschließlich diskrete Komplexmoleküle beobachtet. In allen Kristallstrukturen der [MX2(4-CNpy)1]n-Serie liegen Netzwerkstrukturen vor, in denen die Metallatome über µ2-Halogenatome und NCN-Atome verbrückt werden. Alle Kristallstrukturen der [MBr2(4-CNpy)1]n-Serie sind charakteristisch fehlgeordnet, da die Orientierung der 4-CNpy-Liganden invertiert wird („Kopf-Schwanz“-Fehlordnung).
Im Rahmen dieser kumulativen Dissertation konnte eine Methode mitentwickelt werden, die die Bestimmung der absoluten Konfiguration pharmazeutischer Verbindungen aus Röntgenpulverbeugungsdaten ermöglicht. Die Methode basiert auf der Bildung von Salzen. Die notwendige Herstellung dieser Salze mit Salzbildnern bekannter Konfiguration wurde hinsichtlich einer minimalen Ansatzgröße optimiert und erlaubt ein Arbeiten mit Mengen von unter zehn Mikrogramm. Die Kristallisation konnte sogar direkt in den Kapillaren für die Aufnahme der Pulverdiagramme durchgeführt werden. Die absolute Konfiguration einiger als Testfälle gewählter pharmazeutischer Wirkstoffe konnte auf diese Art erfolgreich bestimmt werden. Dies stellt eine erfolgreiche Erweiterung bisher verfügbarer Methoden dar.
1,1,3,3-Tetraethyl-5-nitroisoindolin (TENI) und 1,1,3,3-Tetraethyl-5-nitroisoindolin-2-oxyl (TENO) sind Zwischenstufen in der Synthese von RNS-Spinlabeln für die EPR-Spektroskopie. Die Kristallstrukturen beider Verbindungen konnten aus Einkristallbeugungsdaten bestimmt werden. TENI hat einen Schmelzpunkt nahe der Raumtemperatur. TENO hat dagegen einen wesentlich höheren Schmelzpunkt, obwohl das Molekül nur ein Sauerstoffatom zusätzlich hat. Die Kristallstruktur liefert die Erklärung für dieses Phänomen: In der Kristallstruktur von TENI findet sich als stärkste intermolekulare Wechselwirkung eine einzelne schwache, sehr lange Wasserstoffbrückenbindung.
6-Amino-2-iminiumyl-4-oxo-1,2,3,4-tetrahydropyrimidin-5-aminiumsulfat, ein Edukt der Synthese von Leukopterin konnte als Hydrat erhalten werden. Die Kristallstruktur dieses Monohydrats konnte problemlos bestimmt werden, ebenso wie die von synthetisiertem 4-Amino-2,6-dimethylpyrimidin.
Natriumethanolat wurde nach einer 180 Jahre alten Vorschrift von Liebig synthetisiert. Wie die Röntgenpulverdiagramme zeigen, bilden sich dabei jedoch Gemische von verschiedenen Phasen. Die Kristallstruktur von reinem NaOEt konnte aus Pulverdaten bestimmt werden. Ebenfalls wurden ein Diethanolsolvat sowie zwei weitere Phasen identifiziert. Vom Diethanolsolvat NaOEt · 2 HOEt konnten Einkristalle hergestellt und die Kristallstruktur aus diesen bestimmt werden. Die Kristallstrukturen von Natrium-n-propanolat (NaOnPr), Natrium-n-butanolat (NaOnBu) und Natrium-n-amylat (NaOnAm) konnten ebenfalls aus Pulverdaten aufgeklärt werden. Sie weisen ein ähnliches Na-O-Gitter wie Natriumethanolat auf, allerdings kristallisieren sie in der Raumgruppe P 4/n m m. Die abweichende Raumgruppe des NaOEt (P -4 21 m) liegt am sterischen Anspruch der Ethylgruppe. Die längeren Alkylgruppen sind hochgradig fehlgeordnet und somit im Mittel zylinderförmig. Die Ethylgruppe dagegen hat einen weniger symmetrischen Raumbedarf. Die Solvate der Alkalialkoholate wurden mit zunehmender Länge der Alkylketten instabiler. Nichtsdestotrotz konnten drei verschiedene Solvate hergestellt werden: NaOnPr · 2 HOnPr, NaOiPr · 5 HOiPr und NaOtAm · HOtAm. Ihre Kristallstrukturen konnten aus Einkristallbeugungsdaten bestimmt werden. In diesen Strukturen zeigen sich sehr unterschiedliche Strukturmotive, die teilweise die mögliche Existenz weiterer Solvatstufen andeuten.
Die industriellen Rotpigmente Pigment Red 52 und Pigment Red 48 wurden im Labor unter verschiedenen Bedingungen synthetisiert. Dabei wurden neben den kommerziell verfügbaren Phasen einige neue Phasen identifiziert. Erstmals konnten Kristallstrukturen von P.R.52 und P.R.48 bestimmt werden. Von Pigment Red 52 konnte ein bisher unbekanntes Mononatriumsalz hergestellt werden. Von diesem Salz konnte ein DMSO-Solvat-Monohydrat kristallisiert werden. Aus erhaltenen Einkristallen konnte die Struktur bestimmt werden. Von Pigment Red 48 konnte ebenfalls ein bisher nicht literaturbekanntes Mononatriumsalz isoliert werden. Von zwei Hydratstufen dieser Verbindung konnten Einkristalle hergestellt und ihre Kristallstrukturen bestimmt werden. Eine weitere Phase wurde als Anhydrat identifiziert. Vom Di-Natriumsalz des P.R.52 sowie von seinem Calciumsalz wurden insgesamt fünf verschiedene Hydratstufen gefunden. Die Kristallstrukturen dieser Hydrate konnten aus Röntgenpulverbeugungsdaten bestimmt werden. Von einer Hydratstufe konnte ebenfalls ein Einkristall erhalten und die Struktur bestätigt werden. Eine Veröffentlichung ist in Vorbereitung.
Die Isomere des Orangepigments Perinon werden nach gemeinsamer Synthese industriell durch Überführung in „Trennsalze“ getrennt. Weder die Molekülkonstitution der Trennsalz-Ionen, noch die chemische Zusammensetzung der Feststoffe, noch deren Kristallstrukturen waren bisher bekannt. Die industrielle Form des „trans-Trennsalzes“ konnte im Labor hergestellt werden. Eine weitere Phase des trans-Perinontrennsalzes konnte hergestellt und identifiziert werden. Durch die nachfolgende Einkristallstrukturanalyse zeigte sich, dass die Trennsalze eine völlig andere Molekülkonstitution haben, als in der Literatur beschrieben war: Statt eines planaren Perinongerüsts enthält das Trennsalz ein verdrehtes Bis(benzimidazolat)naphthalindicarboxylat-tetraanion, dessen Ladung durch Kalium-Kationen kompensiert wird. Das bisher nie als Feststoff beschriebene cis-Perinontrennsalz wurde hergestellt und kristallisiert. Es konnten Einkristalle hergestellt und die Kristallstruktur aus diesen bestimmt werden. Alle Perinontrennsalze enthalten im Kristallgitter eine beträchtliche Anzahl Wasser- und Ethanolmoleküle. Durch Festkörper-NMR-Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass das Wasser-Ethanol-Netzwerk stark dynamisch ist. Bei der Hydrolyse der Trennsalze entstehen wieder die ursprünglichen, wasser- und lösungsmittelfreien Perinonpigmente.
Die chemischen und physikalischen Eigenschaften eines Festkörpers sind vom inneren Aufbau des Festkörpers abhängig. Die Methode der Wahl zur Bestimmung von Kristallstrukturen sind Beugungsexperimente. Fehlordnungen in den Kristallstrukturen werden mit Beugungsexperimenten häufig nur unzureichend ausgewertet oder ignoriert. In dieser Arbeit wurden die (möglichen) Stapelfehlordnungen der Aminosäuren DL-Norleucin und DL-Methionin, sowie von Chloro (phthalocyaninato)aluminium(III) untersucht. Dazu wurden Gitterenergieminimierungen mit Kraftfeld- und quantenchemischen Methoden an einem Satz geordneter Modellstrukturen durchgeführt.
In den Kristallstrukturen der α- und β-Phasen von DL-Norleucin ordnen sich die Moleküle in Doppelschichten an und bilden jeweils eine Schichtstruktur mit unterschiedlicher Stapelsequenz. Röntgenbeugungsexperimente an Kristallen dieser Verbindung zeigen charakteristische diffuse Streuung. Die durchgeführten Gitterenergieminimierungen reproduzieren die experimentelle Stabilitätenreihenfolge der beiden Polymorphe von DL-Norleucin. Die berechneten Gitterenergien zeigen, dass es für DL-Norleucin bevorzugte Stapelsequenzen gibt. Die Gitterenergien und Molekülstrukturen einer einzelnen Doppelschicht sind dabei von der Anordnung benachbarter Doppelschichten abhängig. Zudem wurden Strukturmodelle mit Stapelsequenzen aufgebaut, die aus kristallographischer Sicht möglich sind, jedoch experimentell nicht beobachtet wurden, und deren Gitterenergie berechnet. Diese Stapelsequenzen liefern im Vergleich zu den energetisch günstigsten Stapelsequenzen einen signifikanten Energieverlust und treten daher selten auf. Ausgehend von den Ergebnissen der Gitterenergieminimierungen mit DFT-D-Methoden wurden Stapelwahrscheinlichkeiten mit Hilfe der Boltzmann-Statistik berechnet. Es wurde ein großes geordnetes Modell mit einer Stapelsequenz gemäß der Stapelwahrscheinlichkeiten aufgebaut. Dieses Modell wurde verwendet, um Beugungsexperimente zu simulieren und mit experimentellen Daten zu vergleichen. Die theoretischen und experimentellen Beugungsdaten waren in guter Übereinstimmung.
Die Moleküle in den Kristallstrukturen der α- und β-Phasen von DL-Methionin bilden Doppelschichten. Die beiden Phasen unterscheiden sich in der Stapelung der Doppelschichten und der Molekülkonformation. Es wurden Gitterenergieminimierungen sowohl mit Kraftfeld-Methoden als auch mit DFT-DMethoden an geordneten Modellen mit unterschiedlichen Stapelsequenzendurchgeführt. Die experimentell bestimmte Stabilitätenreihenfolge der Polymorphe von DL-Methionin bei tiefen Temperaturen wurde durch die Ergebnisse der kraftfeldbasierten Rechnungen reproduziert. Die Modellstrukturen wurden während den Rechnungen moderat verzerrt. Die Bandbreite der relativen Energien aller Modelle ist relativ gering, sodass eine Stapelfehlordnung aus thermodynamischer Sicht nicht ausgeschlossen werden kann. In der Regel liefern Gitterenergieminimierungen mit DFT-D Methoden genauere Ergebnisse. Die Modellstrukturen wurden während den Rechnungen nur leicht verzerrt. Allerdings unterscheidet sich das Energieranking zwischen den Kraftfeld- und DFT-D-Methoden deutlich. Die experimentell bestimmte Stabilitätenreihenfolge der Polymorphe von DL-Methionin wurde mit DFT-D-Methoden nicht reproduziert. Die Energieunterschiede zwischen den beiden Polymorphen (ΔE = 1,60 kJ∙mol−1 (DFT-D2) bzw. ΔE = 0,83 kJ∙mol−1 (DFT-D3)) sind relativ gering und liegen im Fehlerbereich der Methode. Die Bandbreite der relativen Energien aller Strukturmodelle beträgt nur etwa 1,8 kJ∙mol−1. Auf dieser Grundlage ist eine Stapelfehlordnung in den Kristallstrukturen von DL-Methionin möglich, jedoch nicht experimentell beobachtet. Nicht nur die Kraftfeld-,sondern auch die DFT-D-Methoden scheinen für die Berechnung der Gitterenergien für das System DL-Methionin nicht genügend genau zu sein. Die erhaltenen relativen Energien sollten daher mit Vorsicht betrachtet werden.
Chloro(phthalocyaninato)aluminium(III) (AlPcCl) bildet eine Schichtstruktur, in der sich die Moleküle zu Doppelschichten zusammenlagern. Die 1984 durchgeführte Kristallstrukturbestimmung [98] lieferte auf Grund der schlechten Datenqualität nur eine ungenaue Kristallstruktur. Die asymmetrische Einheit enthält zwei Moleküle, von denen das eine Molekül geordnet, das andere fehlgeordnet ist. Die Kristallstruktur von AlPcCl ist fehlgeordnet, weil eine einzelne Doppelschicht von Molekülen eine tetragonale P4/n-Symmetrie aufweist, die vier symmetrieäquivalente Möglichkeiten bietet, eine zweite Doppelschicht auf einer ersten Doppelschicht zu platzieren. Mit Hilfe der OD-Theorie wurde ein Satz geordneter Modelle mit verschiedenen Stapelsequenzen aufgestellt und die Gitterenergie zunächst mit Kraftfeld-Methoden und anschließend mit DFT-DMethoden berechnet. Auf Grund unzureichender Parametrisierung, musste das Kraftfeld an das System AlPcCl angepasst werden. Die Modellstrukturen werden während den Kraftfeld-Rechnungen nur leicht verzerrt. Die berechneten Gitterenergien hängen allerdings stark von der verwendeten Parametrisierung und den Atomladungen ab und sollten daher mit Vorsicht betrachtet werden. Genauere Ergebnisse erzielten Gitterenergieminimierungen mit DFT-D-Methoden. Die verschiedenen Stapelsequenzen haben eine ähnliche Energie, was die Stapelfehlordnung in der Kristallstruktur von AlPcCl erklärt. Die Überlagerung der vier energetisch günstigsten geordneten Stapelsequenzen führt zu einer gemittelten Struktur, die sehr gut die fehlgeordnete experimentelle Kristallstruktur von AlPcCl erklärt.
Ziel dieser Doktorarbeit war es, die Bedeutung der Kristallstrukturbestimmung aus Pulverdaten (SDPD) herauszuarbeiten und etwaige Grenzen durch neue Methodenentwicklungen zu erweitern, insbesondere bei Analyse der Paarverteilungsfunktion (PDF).
Die Effizienz der SDPD konnte anhand der erfolgreich gelösten Kristallstruktur von Carmustin (1,3 Bis-2-chlorethyl-1-nitrosoharnstoff, C5H9Cl2N3O2) aufgezeigt werden. [CS01]
Die Grenzen der SDPD wurden ausgelotet und erfolgreich erweitert. Nach weit verbreiteter kristallographischer Meinung ist die Strukturlösung mittels des simulierten Temperns (simulated annealing, SA) bei mehr als 25 zu bestimmenden Parametern problematisch oder unmöglich. Die pharmazeutischen Salze Lamivudin-Camphersulfonat (LC) und Aminogluthethimid-Camphersulfonat (AC) konnten, trotz ihrer hohen Anzahl an Freiheitsgraden von 31 für LC bzw. 37 für AC erfolgreich bestimmt werden. Die Strukturlösung von AC war herausfordernd und nicht direkt bei Anwendung der SA-Methode möglich. Nach einer intensiven Fehleranalyse stellte sich heraus, dass nicht die Grenzen der SA-Methode ausschlaggebend für das anfängliche Scheitern der Strukturlösung waren, sondern falsch extrahierte Intensitäten des vorangegangenen Pawley-Fits. Nach Behebung dieser Fehlerquelle war die Strukturlösung von AC problemlos. [CS02]
Mittels SDPD kann die absolute Konfiguration chiraler Verbindungen nicht direkt bestimmt werden. Durch Kristallisation der zu bestimmenden chiralen Verbindung mit einem chiralen Gegenion bekannter Konformation in einer simplen Säure-Base-Reaktion zu einem diastereomeren Salz und nachfolgender SDPD konnte eine neue Methode entwickelt werden, um die Konfigurationsbestimmung aus Pulverdaten zu ermöglichen. Diese Methode wurde anhand der drei pharmazeutischen Salze (R)-Flurbiprofen-(R)-Chinin (FQ), (2R5S)-Lamivudin-(R)-Camphersulfonat (LC) und (R)-Aminogluthethimid-(R)-Camphersulfonat (AC) aufgezeigt: In allen drei Fällen konnte die korrekte Konfiguration des pharmazeutischen Wirkstoffes mit den hierfür entwickelten Kriterien erfolgreich bestimmt werden. [CS03, CS04]
Durch Kombination der klassischen SDPD mit neuen methodischen Ansätzen konnten die Kristallstrukturen der schlecht kristallinen organischen Pigmente 2-Monomethylchinacridon (MMC, C21H14N2O2) und 4,11-Difluorchinacridon (DFC, C20H10N2O2F2) bestimmt werden, obwohl aufgrund ihrer geringen Kristallqualität keine sinnvolle Indizierung möglich war.
Für die Kristallstrukturbestimmung von DFC lieferte der neu entwickelte Global-Fit des Programms FIDEL mögliche Strukturmodelle mit ähnlich guter Übereinstimmung an das experimentelle Pulverdiagramm. Die Rietveld-Verfeinerung der Strukturmodelle in Kombination mit der Anpassung der Kristallstruktur an die PDF-Daten und kraftfeldbasierter Gitterenergieminimierung konnte einen geeigneten Strukturrepräsentanten von DFC liefern. [CS05, CS06]
Im Fall von MMC war eine Kombination der Methoden von Rietveld-Verfeinerung, Verfeinerung an die PDF-Daten und Gitterenergieminimierung zielführend zur Bestimmung der Orientierungs-Fehlordnung von MMC im Kristall. MMC ist hierbei die erste organische Verbindung, deren Fehlordnung durch Anpassung an die PDF bestimmt werden konnte. [CS07]
Große Erfolge konnten bei der Methodenentwicklung der PDF-Analyse erzielt werden. Die Bestimmung von Kristallstruktur organischer Verbindungen durch Anpassung an die PDF ohne vorherige Kenntnis der Gitterparameter oder Raumgruppe wurde durch die Entwicklung des PDF-Global-Fits erreicht. Lediglich die PDF-Kurve und eine Molekülstruktur werden als Input benötigt. Die Strukturlösung beruht auf einem globalen Optimierungs-Ansatz, bei welchem in ausgewählten Raumgruppen Zufallsstrukturen erzeugt werden. Die Zufallsstrukturen werden mit den experi¬mentellen Daten verglichen und entsprechend ihres Ähnlichkeitsindexes, basierend auf der Kreuz-Korrelation, sortiert. [CS08, CS09] Die vielversprechendsten Kandidaten werden in einem einge¬schränkten simulierten annealing-Ansatz an die experimentelle PDF angepasst. Eine nachfolgende Strukturverfeinerung der besten Strukturmodelle liefert die korrekte Kristallstruktur. Der Erfolg des PDF-Global-Fits wurde am Beispiel der Barbitursäure aufgezeigt: Ausgehend von 300 000 Zufallsstrukturen konnte die korrekte Kristallstruktur von Barbitursäure bestimmt werden. Barbitursäure ist hierdurch die erste organische Verbindung, deren Lokalstruktur durch Anpassung an die PDF bestimmt wurde, ohne Input oder Vorgabe von Gitterparametern oder Raumgruppe.[CS10]
Die Akademische Feier der Vereinigung von Freunden und Förderern der Goethe-Universität schafft es wie keine andere Veranstaltung, jedes Jahr aufs Neue in nur knapp zwei Stunden den Wissenschaftskosmos dieser Universität abzubilden: In kurzweiligen, auch für Laien verständlichen Vorstellungen skizzierten die Laudatoren, worüber die 13 Preisträgerinnen und Preisträger in ihren ausgezeichneten Arbeiten geforscht hatten.
Lack of efficacy of a partial adenosine A1 receptor agonist in neuropathic pain models in mice
(2021)
Previous studies suggest that adenosine A1 receptors (A1R) modulate the processing of pain. The aim of this study was to characterize the distribution of A1R in nociceptive tissues and to evaluate whether targeting A1R with the partial agonist capadenoson may reduce neuropathic pain in mice. The cellular distribution of A1R in dorsal root ganglia (DRG) and the spinal cord was analyzed using fluorescent in situ hybridization. In behavioral experiments, neuropathic pain was induced by spared nerve injury or intraperitoneal injection of paclitaxel, and tactile hypersensitivities were determined using a dynamic plantar aesthesiometer. Whole-cell patch-clamp recordings were performed to assess electrophysiological properties of dissociated DRG neurons. We found A1R to be expressed in populations of DRG neurons and dorsal horn neurons involved in the processing of pain. However, administration of capadenoson at established in vivo doses (0.03–1.0 mg/kg) did not alter mechanical hypersensitivity in the spared nerve injury and paclitaxel models of neuropathic pain, whereas the standard analgesic pregabalin significantly inhibited the pain behavior. Moreover, capadenoson failed to affect potassium currents in DRG neurons, in contrast to a full A1R agonist. Despite expression of A1R in nociceptive neurons, our data do not support the hypothesis that pharmacological intervention with partial A1R agonists might be a valuable approach for the treatment of neuropathic pain.
A necessary requirement for a pharmacological effect is that a drug molecule tightly interacts with its disease relevant target molecule in the patient. Kinases are regulatory, signal transmitting enzymes and are a large protein family that belongs to the most frequent targets of pharmaceutical industry, as deregulation of kinases has been associated with the development of a variety of diseases, including cancer. In drug discovery, equilibrium binding metrics such as the affinity (Ki, KD) or potency (IC50, EC50) are usually applied for the systematic profiling for potent and selective drug candidates. In recent years, dynamic binding parameters, the drugs association (kon) and dissociation (koff) rates for desired primary-targets and undesired off-targets, were discussed to be better predictors than steady-state affinity per se (KD = koff / kon) for the onset and duration of the drug-target complex in the open in vivo environment and thereby for the therapeutic effect and safety of the drug. It is yet unclear whether and when the binding kinetics parameters can influence drug action in the complex context of pharmacokinetics and pharmacodynamics and how the kinetic rate constants can be optimized rationally. One major obstacle for providing proof for the hypothesis that drug binding kinetics is of importance for drug action is the generation of large and comparable binding kinetic datasets.
The aim of this thesis was the comprehensive analysis of the binding kinetic and affinity parameters of a diverse spectrum of 270 small-molecule kinase inhibitors against a panel of pharmacologically relevant kinases to study the role played by binding kinetics for drug discovery: The generated dataset was utilized to assess the effect of chemical properties on drug binding kinetics, and to evaluate the impact of kinetic rate constants on the success of compounds in the drug discovery pipeline.
Large scale profiling was made possible by a recently developed “kinetic Probe Competition Assay” (kPCA), whose evaluation is based on Motulsky’s and Mahan’s “kinetics of competitive binding” theory. Monte Carlo analyses performed in this dissertation widened the theoretical knowledge of this theory, provided new insights into its limitations and allowed to derive recommendations about how to best design assays. It was demonstrated that kPCA is indeed high-throughput compatible and that it is comparable to other biochemical and biophysical assay formats in terms of precision and accuracy.
Multivariable linear regression for the description of the determined kinase inhibitors’ target binding characteristics (kon or koff or KD) using molecular properties and/or particular kinase-inhibitor interactions as descriptors supported the assumption that molecular properties of compounds might affect binding kinetics, generated new hypothesis about molecular determinants influencing binding kinetic parameters and provided a rational basis for following structure-kinetic relationship studies. Remarkably, the binding kinetic rate constants were better described by the established models than binding affinities.
Interestingly, the systematic, quantitative analysis of kinase inhibitors’ target binding kinetics indicated that a slow dissociation rate for the main target is a feature which is more frequently observed in inhibitors that reached approval or late stage clinical testing than in earlier phases of clinical development. In addition, it was demonstrated that binding kinetics of kinase inhibitors is a better predictor for the time course of target engagement in cells as compared to affinity per se. Furthermore, in some study cases simulations using a standard pharmacokinetics model and a modified model considering the inhibitors binding kinetics lead to different in vivo kinase occupancy time profiles. It was illustrated by simulations how the concept of kinetic selectivity can be applied to turn an unselective compound in equilibrium conditions into a more selective compound in the open in vivo situation, where the thermodynamic equilibrium of drug-target binding is not necessarily reached.
Thus the generated data and models provide evidence for the importance of binding kinetics in drug discovery and represent a valuable resource for future studies in this field.
The highly infectious disease COVID-19 caused by the Betacoronavirus SARS-CoV-2 poses a severe threat to humanity and demands the redirection of scientific efforts and criteria to organized research projects. The international COVID19-NMR consortium seeks to provide such new approaches by gathering scientific expertise worldwide. In particular, making available viral proteins and RNAs will pave the way to understanding the SARS-CoV-2 molecular components in detail. The research in COVID19-NMR and the resources provided through the consortium are fully disclosed to accelerate access and exploitation. NMR investigations of the viral molecular components are designated to provide the essential basis for further work, including macromolecular interaction studies and high-throughput drug screening. Here, we present the extensive catalog of a holistic SARS-CoV-2 protein preparation approach based on the consortium’s collective efforts. We provide protocols for the large-scale production of more than 80% of all SARS-CoV-2 proteins or essential parts of them. Several of the proteins were produced in more than one laboratory, demonstrating the high interoperability between NMR groups worldwide. For the majority of proteins, we can produce isotope-labeled samples of HSQC-grade. Together with several NMR chemical shift assignments made publicly available on covid19-nmr.com, we here provide highly valuable resources for the production of SARS-CoV-2 proteins in isotope-labeled form.
The repertoire of natural products offers tremendous opportunities for chemical biology and drug discovery. Natural product-inspired synthetic molecules represent an ecologically and economically sustainable alternative to the direct utilization of natural products. De novo design with machine intelligence bridges the gap between the worlds of bioactive natural products and synthetic molecules. On employing the compound Marinopyrrole A from marine Streptomyces as a design template, the algorithm constructs innovative small molecules that can be synthesized in three steps, following the computationally suggested synthesis route. Computational activity prediction reveals cyclooxygenase (COX) as a putative target of both Marinopyrrole A and the de novo designs. The molecular designs are experimentally confirmed as selective COX-1 inhibitors with nanomolar potency. X-ray structure analysis reveals the binding of the most selective compound to COX-1. This molecular design approach provides a blueprint for natural product-inspired hit and lead identification for drug discovery with machine intelligence.
Nukleinsäuren besitzen neben der Speicherung und Übertragung der genetischen Information weitere vielfältige Funktionen in einem komplexen und dynamischen Netzwerk von gleichzeitig ablaufenden Prozessen in der Zelle. Die gezielte Kontrolle bestimmter Nukleinsäuren kann helfen, die jeweiligen Prozesse zu studieren oder auch zu manipulieren. Photoaktive Verbindungen, wie photolabile Schutzgruppen oder Photoschalter, sind ideal dazu geeignet die Struktur und Funktion von Nukleinsäuren zu studieren. Photolabile Schutzgruppen werden dazu meistens auf die Nukleobase installiert und stören die Watson-Crick Basenpaarung. Dies verhindert die Ausbildung einer Sekundärstruktur oder die Möglichkeit einen stabilen Doppelstrang zu bilden. Licht ist ein nicht-invasives Trigger-signal und kann mit hoher Orts- und Zeitauflösung angewendet werden, um selektiv die temporär geschützten Nukleinsäuren in der Zelle zu aktivieren.
Das erste Projekt dieser Arbeit ist eine Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Erin Schuman (MPI für Hirnforschung) und beschäftigt sich mit der lichtgesteuerten Regulation der miR-181a Aktivität in hippocampalen Neuronen von Ratten. Die Langzeitpotenzierung (LTP) ist der primäre Mechanismus von synaptischer Plastizität und somit essentiell für Lernen und Gedächtnis. Die langfristige Aufrechterhaltung von LTP erfordert eine gesteigerte (lokale) Proteinbiosynthese, ein Prozess, der noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Die miR-181a reguliert die Genexpression von zwei für synaptische Plastizität wichtigen Proteinen, GluA2 und CaMKIIα. Mit einem lichtaktivierbaren AntimiR sollte der Einfluss der miR-181a auf die lokale Proteinsynthese von CaMKIIα und GluA2 untersucht werden. Photolabile Schutzgruppen sollen eine ortsaufgelöste Aktivierung des AntimiRs in den Dendriten ermöglichen. Ein Tracking-Fluorophor sollte die Lokalisierung des AntimiRs und eine gezielte Lichtaktivierung ermöglichen. Die Bindung der miRNA sollte fluoreszent visualisiert werden können, um eine Korrelation zwischen der inhibierten Menge an miR-181a und den neu synthetisierten CaMKIIα-Molekülen zu untersuchen. In diesem Projekt wurden drei Konzepte zur Synthese von lichtregulierbaren AntimiR-Sonden verglichen: Das erste Konzept verwendete eine Thiazolorange-basierte Hybridisierungssonde nach Seitz et al. Allerdings war mit diesem Konzept der Fluoreszenzanstieg zur Visualisierung der Hybridisierung zu gering. Im zweiten Konzept wurde ein dual-Fluorophor markierter Molecular Beacon entwickelt, bei dem die photolabilen Schutzgruppen in der Schleifen-Region die Hybridisierung der miR-181a vor Belichtung verhinderten. Nach Optimierung der Stammlänge, Anzahl und Position der photolabilen Schutzgruppen, sowie Auswahl des idealen Fluorophor-Quencher Paars, konnte nach UV-Bestrahlung in Anwesenheit der miR-181a ein signifikanter Anstieg des Hybridisierungsreporter-Fluorophors gemessen werden. Das dritte Konzept untersuchte lichtaktivierbare Hairpin-Sonden, bei denen ein Gegenstrang (Blockierstrang) über einen photospaltbaren Linker mit dem AntimiR verknüpft wurde. Dabei musste die optimale Länge des Blockierstrangs und die Anzahl der photo-spaltbaren Linker im Blockierstrang ermittelt werden, sodass die miR-181a erst nach Photoaktivierung das AntimiR binden und den Quencher-markierten Strang verdrängen konnte. Die in vitro Experimente vom Arbeitskreis Schuman waren zu dem Zeitpunkt des Einreichens dieser Arbeit noch nicht abgeschlossen. Erste Ergebnisse zeigten, dass der mRNA und Protein-Level von CaMKIIα eines gesamten hippocampalen Neurons durch ein nicht-lichtaktivierbare AntimiR um den Faktor ~1,5 gesteigert werden konnte. Zudem konnte durch die lokale Bestrahlung einer lichtaktivierbaren Hairpin-Sonde die lokale Gen-expression von CaMKIIα in einem Dendriten deutlich gesteigert werden.
Das zweite Projekt dieser Arbeit beschäftigte sich mit der reversiblen Lichtregulation von DNA und RNA durch Azobenzol Photoschalter. Azobenzole eignen sich ideal für die Regulation der Duplexstabilität, denn das planare trans-Azobenzol kann zwischen die Basen interkalieren und somit einen Doppelstrang stabilisieren. UV-Licht überführt das trans-Isomer in das cis-Isomer. Dies ist gewinkelt, benötigt mehr Platz und stört dadurch die Stabilität eines Nukleinsäuredoppelstrangs. Entscheidend für die Effizienz der Regulation der Duplexstabilität ist der Linker, der das Azobenzol mit der Nukleinsäure verknüpft. Während vorangegange Studien von Asanuma et al. unnatürliche Linker (D-Threoninol, tAzo) verwendeten, wurde in dieser Studie das Azobenzol mit der C1‘-Position von (Desoxy-)Ribose C-Nukleoside verknüpft, um Azobenzol (pAzo und mAzo) zu erhalten. Der Riboselinker sollte die helikale Natur der Nukleinsäure optimal nachahmen und möglichst wenig Störung des Ribose-Phosphat-Rückgrats bewirken. Thermische Stabilitätsstudien zeigten, dass UV-Licht induzierte trans-zu-cis Isomerisierung den Schmelzpunkt eines RNA- und DNA-Duplexes um 5,9 und 4,6 °C erniedrigte. Dabei führte der Austausch eines Nukleotids gegen pAzo oder mAzo zu einer effektiveren Regulation der Duplexstabilität als der zusätzliche Einbau eines Azobenzol C-Nukleosids in die Sequenz. Ein Vergleich mit dem in der Literatur etablierten System, tAzo, zeigte, dass pAzo und mAzo teilweise einen stärkeren Duplexdestabilisierungseffekt nach UV-Bestrahlung bewirkten.
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Hexoses are the major source of energy and carbon skeletons for biosynthetic processes in all kingdoms of life. Their cellular uptake is mediated by specialized transporters, including glucose transporters (GLUT, SLC2 gene family). Malfunction or altered expression pattern of GLUTs in humans is associated with several widespread diseases including cancer, diabetes and severe metabolic disorders. Their high relevance in the medical area makes these transporters valuable drug targets and potential biomarkers. Nevertheless, the lack of a suitable high-throughput screening system has impeded the determination of compounds that would enable specific manipulation of GLUTs so far. Availability of structural data on several GLUTs enabled in silico ligand screening, though limited by the fact that only two major conformations of the transporters can be tested. Recently, convenient high-throughput microbial and cell-free screening systems have been developed. These remarkable achievements set the foundation for further and detailed elucidation of the molecular mechanisms of glucose transport and will also lead to great progress in the discovery of GLUT effectors as therapeutic agents. In this mini-review, we focus on recent efforts to identify potential GLUT-targeting drugs, based on a combination of structural biology and different assay systems.
Antigen presentation via major histocompatibility complex class I (MHC I) molecules is essential to mount an adaptive immune response against pathogens and cancerous cells. To this end, the transporter associated with antigen processing (TAP) delivers snippets of the cellular proteome, resulting from proteasomal degradation, into the ER lumen. After peptide loading and editing by the peptide-loading complex (PLC), stable peptide-MHC I complexes are released for cell surface presentation. Since the process of MHC I trafficking is poorly defined, we established an approach to control antigen presentation by introduction of a photo-caged amino acid in the catalytic ATP-binding site of TAP. By optical control, we initiate TAP-dependent antigen translocation, thus providing new insights into TAP function within the PLC and MHC I trafficking in living cells. Moreover, this versatile approach has the potential to be applied in the study of other cellular pathways controlled by P-loop ATP/GTPases.
The RHO gene encodes the G-protein-coupled receptor (GPCR) rhodopsin. Numerous mutations associated with impaired visual cycle have been reported; the G90D mutation leads to a constitutively active mutant form of rhodopsin that causes CSNB disease. We report on the structural investigation of the retinal configuration and conformation in the binding pocket in the dark and light-activated state by solution and MAS-NMR spectroscopy. We found two long-lived dark states for the G90D mutant with the 11-cis retinal bound as Schiff base in both populations. The second minor population in the dark state is attributed to a slight shift in conformation of the covalently bound 11-cis retinal caused by the mutation-induced distortion on the salt bridge formation in the binding pocket. Time-resolved UV/Vis spectroscopy was used to monitor the functional dynamics of the G90D mutant rhodopsin for all relevant time scales of the photocycle. The G90D mutant retains its conformational heterogeneity during the photocycle.
Die Etablierung der Festphasensynthese innerhalb der letzten Jahrzehnte macht hoch modifizierte Oligonukleotide verfügbar. Damit werden Methoden wie Einzelmolekül-aufgelöstes Tracking möglich, um beispielsweise den Weg einer einzelnen RNA von der Transkriptionsstelle im Nukleus bis zur Proteinbiosynthese im Cytoplasma verfolgen und kritische Stelle verstehen zu können. In den letzten Jahren entwickelten sich auch vermehrt Fragen zur lokalen Proteinsynthese. Dabei nimmt man besonders im Fall von polaren Zellen wie Neuronen an, dass die Proteinbiosynthese nicht global im Cytosol stattfindet, sondern es einen Transport der „ruhenden“ RNA bis zu dem Ort geben muss, an dem das entsprechende Protein lokal benötigt wird. In dieser vorliegenden Arbeit sollen nun in zwei Hauptprojekten molekulare Werkzeuge entwickelt werden, mit deren Hilfe oben genannte Fragestellungen in Zukunft beantwortet werden könnten. Im ersten Hauptprojekt wurde dazu eine neue Generation lichtaktivierbarer Molecular Beacons (von engl.: molekulare Leuchtfeuer) entwickelt. Dabei handelt es sich um Oligonukleotide, die komplementär zu einer intrazellulären RNA-Sequenz (Target-RNA) sind und mit Fluorophor und Fluoreszenz-Quencher modifiziert werden. Bei den lichtaktivierbaren Designs kann Fluoreszenz detektiert werden, wenn der Molecular Beacon an seine Targetsequenz gebunden und zusätzlich zuvor eine Lichtaktivierung stattgefunden hat. Im Gegensatz zu früheren Designs wurde bei diesem hier vorgestellten Molecular Beacon der Fluorophor mit Hilfe eines zweiten photoabspaltbaren Quenchers verbunden. Dadurch kann der Beacon an seine Targetsequenz binden, obwohl noch keine Lichtaktivierung stattgefunden hat. Fluoreszenz kann allerdings erst nach photoinduzierter Abspaltung des zusätzlichen Quenchers detektiert werden. In der vorliegenden Studie konnten dadurch extrem gute Signal-zu-Rausch-Verhältnisse von bis zu 170:1 erreicht werden. Zusätzlicher Vorteil dieses Designs ist die Tatsache, dass eine Vielzahl kommerziell erhältlicher Fluorophor-Quencher-Paare verwendet werden kann. Dabei ist es nicht relevant, ob der entsprechende Farbstoff co-synthetisch während der Festphasensynthese oder post-synthetisch durch die Modifikation funktioneller Gruppen angebracht wird. Nach anfänglichen in vitro Tests wurden die besten Molecular Beacons in vivo in der Zuckmücken-Art Chironomus tentans getestet. Dieser Organismus ist aufgrund seiner Polytänchromosomen, der sog. Balbiani Ringe, interessant. Dabei handelt es sich um ein Chromosom, das viele Chromatiden mit jeweils identischen Gensequenzen enthält. Diese Balbiani Ringe haben eine sehr charakteristische Struktur. Die Molecular Beacons wurden in den Zellkern injiziert und anschließend photoinduziert. Auch in den in vivo Messungen zeigte sich die Überlegenheit des neuen Design mit Signal-zu-Rausch-Verhältnissen von bis zu 80:1. Im zweiten Hauptprojekt war es das Ziel, lokale mikroRNA-Reifung in Neuronen nachzuweisen bzw. sichtbar zu machen. MikroRNA (kurz miRNA) ist einer der wichtigsten zellulären Werkzeuge, um Genregulation auf post-transkriptioneller Ebene zu ermöglichen. Für dieses Projekt wurde eine Sonde entwickelt, die den nativen miRNA-Vorläufer – die sog. prä-miRNA – nachbildet. Der enzymatische Reifungsprozess durch die RNase Dicer sollte durch Fluoreszenz nachweisbar sein. Dies gelang durch Modifikationen der Sequenz um die enzymatische Schnittstelle herum. Durch den Dicer-vermittelten, enzymatischen Verdau wurde ein Fluorophor von einem Quencher getrennt, wobei der fluoreszente Farbstoff an der reifen mikroRNA verblieb. Nach der Etablierung der in vitro Tests und Auswahl des optimalen Fluorophor-Quencher-Paars zeigte sich in einem Kontrollexperiment, dass bei Verwendung von neuronalen Ganglien aus Dicer-Knock-Out Mäusen kein Fluoreszenzanstieg zu beobachten war. Dieses Experiment bewies, dass bisher beobachtete Fluoreszenzanstiege Dicer-spezifisch waren. Im nächsten Schritt wurden in vivo Messungen durchgeführt. Es zeigte sich dabei, dass die sog. Patch Clamp Technik herkömmlichen Transfektionsmethoden überlegen war. Unter normalen Bedingungen zeigte sich sowohl im Soma als auch in den Dendriten ein Fluoreszenzanstieg. Durch Depolarisation des Neurons konnte dieser Effekt noch verstärkt werden, wobei das somatische Signal grundsätzlich als höher einzustufen war. Interessanterweise führte eine Blockade der NMDA-Rezeptoren auch bei gleichzeitiger Depolarisation zu einer verringerten Fluoreszenz. Dies lässt darauf schließen, dass die Reifung der untersuchten prä-miRNA in Dendriten von der Aktivität des NMDA-Rezeptors bzw. einem als Konsequenz ansteigenden Ca2+-Spiegels in der Zelle abhängig ist. In einem weiteren Experiment wurde nach „Beladung“ eines Neurons mit der prä-miRNA-Sonde Dendriten punktuell aktiviert. Dies konnte durch Licht-aktivierbares Glutamat erreicht werden. Im zentralen Nervensystem gilt Glutamat als der wichtigste aktivierende Neurotransmitter. Es konnte beobachtet werden, wie einerseits Fluoreszenz lokal an der aktivierten Stelle anstieg und gleichzeitig sog. dendritische Spines wuchsen. Zum Teil war auch ein Wachstum benachbarter Spines zu beobachten. Dabei handelt es sich um pilzförmige Aussackungen der Dendriten an Stellen, an denen Vernetzungen zu Synapsen anderer Neuronen existieren. Als Ergebnis kann geschlussfolgert werden, dass es eine lokale Reifung der untersuchten prä-miRNA durch Dicer in Dendriten gibt. Dieser Prozess kann sehr spezifisch und lokal durch die Aktivierung einzelner synaptischer Verbindungen initiiert werden.
One current goal in native mass spectrometry is the assignment of binding affinities to noncovalent complexes. Here we introduce a novel implementation of the existing laser-induced liquid bead ion desorption (LILBID) mass spectrometry method: this new method, LILBID laser dissociation curves, assesses binding strengths quantitatively. In all LILBID applications, aqueous sample droplets are irradiated by 3 µm laser pulses. Variation of the laser energy transferred to the droplet during desorption affects the degree of complex dissociation. In LILBID laser dissociation curves, laser energy transfer is purposely varied, and a binding affinity is calculated from the resulting complex dissociation. A series of dsDNAs with different binding affinities was assessed using LILBID laser dissociation curves. The binding affinity results from the LILBID laser dissociation curves strongly correlated with the melting temperatures from UV melting curves and with dissociation constants from isothermal titration calorimetry, standard solution phase methods. LILBID laser dissociation curve data also showed good reproducibility and successfully predicted the melting temperatures and dissociation constants of three DNA sequences. LILBID laser dissociation curves are a promising native mass spectrometry binding affinity method, with reduced time and sample consumption compared to melting curves or titrations.
Structural Biology has moved beyond the aim of simply identifying the components of a cellular subsystem towards analysing the dynamics and interactions of multiple players within a cell. This focal shift comes with additional requirements for the analytical tools used to investigate these systems of increased size and complexity, such as Native Mass Spectrometry, which has always been an important tool for structural biology. Scientific advance and recent developments, such as new ways to mimic a cell membrane for a membrane protein, have caused established methods to struggle to keep up with the increased demands. In this review, we summarize the possibilities, which Laser Induced Liquid Bead Ion Desorption (LILBID) mass spectrometry offers with regard to the challenges of modern structural biology, like increasingly complex sample composition, novel membrane mimics and advanced structural analysis, including next neighbor relations and the dynamics of complex formation.
Sphingosin 1 Phosphat (S1P) ist ein wichtiger Lipidmediator, der über G Protein gekoppelte Rezeptoren und intrazelluläre Wirkungen vielfältige Wirkungen auslöst und eine Rolle bei der Lymphozytenzirkulation, der Erhaltung der endothelialen Barriere, bei Entzündungsprozessen und Tumorwachstum spielt. Die S1P Lyase (Sgpl1) katalysiert den irreversiblen Abbau von S1P und damit den letzten Schritt des Sphingolipidkatabolismus‘. Ein Fehlen der Sgpl1 bewirkt eine Akkumulation von S1P und anderen Sphingolipiden im Blut und Gewebe, was multiple Organschäden zur Folge hat. Menschen mit S1P Lyase Insuffizienz Syndrom (SPLIS) leiden insbesondere unter steroidresistentem nephrotischem Syndrom, Nebennierenrinden-insuffizienz und neurologischen Störungen. Weitere mögliche Symptome sind Lymphopenie, Hautveränderungen und Dyslipidämien. S1P Lyase defiziente Mäuse weisen sehr ähnliche Organschädigungen auf.
An Sgpl1 Knockoutmäusen war zuerst die massive Akkumulation nicht nur von Sphingolipiden, sondern auch von Cholesterin und Triglyceriden in Blut und Leber aufgefallen. Auch bei SPLIS Patienten wurde eine Hypercholesterinämie beobachtet. Um die Kreuzregulation des Sphingolipid- und Cholesterinmetabolismus besser zu verstehen, sollte die Rolle der Sgpl1 in der Leber, dem Hauptort des Lipidmetabolismus, untersucht werden. Hierzu sollte ein Mausmodell mit einem hepatozytenspezifischen Sgpl1 Knockout (Sgpl1HepKO) etabliert und charakterisiert werden. Dies wurde durch Kreuzen von Sgpl1fl/fl-Mäusen mit Mäusen, welche die Cre-Rekombinase unter dem Albuminpromoter exprimierten, erreicht. Die basale Charakterisierung zeigte, dass diese Mäuse im Gegensatz zu globalen Sgpl1 Knockoutmäusen sowohl im Alter von acht Wochen, als auch im Alter von acht Monaten einen unauffälligen Phänotyp aufwiesen. Das äußere Erscheinungsbild inklusive Leber und Körpergewicht, das Blutbild, die Leberenzyme sowie die Histologie der Leber waren unverändert. Die Analyse der Leberlipide mit Hilfe von Hochleistungsflüssigkeits-chromatographie gekoppelt mit einer Tandem Massenspektrometrie zeigte eine signifikante Akkumulation (≈1,5 2 fach) von S1P, Sphingosin und Ceramiden, aber nicht von Glucosylceramiden und Sphingomyelin in der Leber. Messungen im Plasma zeigten eine Erhöhung mehrerer Ceramide, während der S1P Spiegel normal war. Ferner zeigten Untersuchungen der Galle signifikant erhöhte Konzentrationen an S1P, Dihydro S1P und Glucosylceramiden, jedoch unveränderte Ceramide. Die Ergebnisse legen folgende Schlussfolgerungen nahe: 1. In der Leber kann mit Hilfe von Ceramidsynthasen akkumulierendes Sphingosin in Ceramide umgewandelt werden, welche anschließend ins Blut sezerniert und letztendlich vermutlich von anderen Zellen verstoffwechselt werden. Außerdem ist nicht ausgeschlossen, dass S1P ebenfalls ins Blut sezerniert und dort effektiv abgebaut wird, so dass die S1P Konzentration im Plasma unverändert bleibt. 2. S1P sowie Glucosylceramide werden an die Galle abgegeben und ausgeschieden. 3. Die Sgpl1 in der Leber ist nicht essentiell für die Regulation des Plasma S1Ps, was zuvor vermutet worden war
Eine Analyse der Sterole zeigte in Sgpl1HepKO Mäusen erhöhte Spiegel an Cholesterin und Desmosterol in der Leber. In Übereinstimmung mit der erhöhten Proteinexpression des low density lipoprotein (LDL ) Rezeptors und erniedrigten Konzentrationen des LDL Cholesterins im Plasma, deuten diese Daten auf eine erhöhte Aufnahme von LDL Cholesterin durch die Leber hin. Untersuchungen in der Leber sowie mit primären Hepatozyten zeigten im Gegensatz zu globalen Sgpl1 Knockoutmäusen keine Veränderungen der Peroxisomen-Proliferator-aktiviertem Rezeptor γ Expression. Weitere Gene mit zentraler Rolle wie der Liver X receptor oder die Fettsäuresynthase, waren ebenfalls nicht reguliert. Dieser im Vergleich zu globalen Sgpl1-Knockoutmäusen milde Phänotyp lässt sich durch die deutlich geringere Akkumulation von Sphingolipiden aufgrund der oben beschriebenen Kompensations-mechanismen in Sgpl1HepKO Mäusen erklären.
In weiteren Untersuchungen sollten die Auswirkungen einer Sgpl1-Defizienz an Fibroblasten untersucht werden. Hierzu standen embryonale Fibroblasten aus Sgpl1 Knockoutmäusen zur Verfügung (Sgpl1-/- MEFs). In einer Kooperation mit Dr. Janecke von der Universität Innsbruck standen außerdem humane Fibroblasten eines SPLIS Patienten zur Verfügung.
An Sgpl1-/- MEFs war zuvor eine gestörte Calciumhomöostase festgestellt worden, welche sich durch eine erhöhte zytosolische Calciumkonzentration und vermehrte Calciumspeicherung im Endoplasmatischen Retikulum und in Lysosomen auszeichnete. Die Plasmamembran-Calcium ATPase (PMCA) trägt an Fibroblasten entscheidend zur Regulation der zytosolischen Calciumkonzentration bei. Ihre Expression auf Proteinebene war jedoch in Sgpl1-/- MEFs nicht verändert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde durch eine Immunfärbung erstmals festgestellt, dass die PMCA in Sgpl1-/- MEFs nicht vollständig an der Plasmamembran lokalisiert war. Dies könnte der Grund für die erhöhte zytosolische Calciumkonzentration in den Zellen sein. ...
Chronic rhinosinusitis (CRS) is often treated by functional endoscopic paranasal sinus surgery, which improves endoscopic parameters and quality of life, while olfactory function was suggested as a further criterion of treatment success. In a prospective cohort study, 37 parameters from four categories were recorded from 60 men and 98 women before and four months after endoscopic sinus surgery, including endoscopic measures of nasal anatomy/pathology, assessments of olfactory function, quality of life, and socio-demographic or concomitant conditions. Parameters containing relevant information about changes associated with surgery were examined using unsupervised and supervised methods, including machine-learning techniques for feature selection. The analyzed cohort included 52 men and 38 women. Changes in the endoscopic Lildholdt score allowed separation of baseline from postoperative data with a cross-validated accuracy of 85%. Further relevant information included primary nasal symptoms from SNOT-20 assessments, and self-assessments of olfactory function. Overall improvement in these relevant parameters was observed in 95% of patients. A ranked list of criteria was developed as a proposal to assess the outcome of functional endoscopic sinus surgery in CRS patients with nasal polyposis. Three different facets were captured, including the Lildholdt score as an endoscopic measure and, in addition, disease-specific quality of life and subjectively perceived olfactory function.
2D NOESY plays a central role in structural NMR spectroscopy. We have recently discussed methods that rely on solvent-driven exchanges to enhance NOE correlations between exchangeable and non-exchangeable protons in nucleic acids. Such methods, however, fail when trying to establish connectivities within pools of labile protons. This study introduces an alternative that also enhances NOEs between such labile sites, based on encoding a priori selected peaks by selective saturations. The resulting selective magnetization transfer (SMT) experiment proves particularly useful for enhancing the imino–imino cross-peaks in RNAs, which is a first step in the NMR resolution of these structures. The origins of these enhancements are discussed, and their potential is demonstrated on RNA fragments derived from the genome of SARS-CoV-2, recorded with better sensitivity and an order of magnitude faster than conventional 2D counterparts.
During evolution of an RNA world, the development of enzymatic function was essential. Such enzymatic function was linked to RNA sequences capable of adopting specific RNA folds that possess catalytic pockets to promote catalysis. Within this primordial RNA world, initially evolved self-replicating ribozymes presumably mutated to ribozymes with new functions. Schultes and Bartel (Science 2000, 289, 448–452) investigated such conversion from one ribozyme to a new ribozyme with distinctly different catalytic functions. Within a neutral network that linked these two prototype ribozymes, a single RNA chain could be identified that exhibited both enzymatic functions. As commented by Schultes and Bartel, this system possessing one sequence with two enzymatic functions serves as a paradigm for an evolutionary system that allows neutral drifts by stepwise mutation from one ribozyme into a different ribozyme without loss of intermittent function. Here, we investigated this complex functional diversification of ancestral ribozymes by analyzing several RNA sequences within this neutral network between two ribozymes with class III ligase activity and with self-cleavage reactivity. We utilized rapid RNA sample preparation for NMR spectroscopic studies together with SHAPE analysis and in-line probing to characterize secondary structure changes within the neutral network. Our investigations allowed delineation of the secondary structure space and by comparison with the previously determined catalytic function allowed correlation of the structure-function relation of ribozyme function in this neutral network.
Gephyrin is an ubiquitously expressed protein that, in the nervous system, is essential for synaptic anchoring of glycine receptors (GlyRs) and major GABAA receptor subtypes. The binding of gephyrin to the GlyR depends on an amphipathic motif within the large intracellular loop of the GlyRβ subunit. The mouse gephyrin gene consists of 30 exons. Ten of these exons, encoding cassettes of 5–40 amino acids, are subject to alternative splicing (C1–C7, C4′–C6′). Since one of the cassettes, C5′, has recently been reported to exclude GlyRs from GABAergic synapses, we investigated which cassettes are found in gephyrin associated with the GlyR. Gephyrin variants were purified from rat spinal cord, brain, and liver by binding to the glutathione S-transferase-tagged GlyRβ loop or copurified with native GlyR from spinal cord by affinity chromatography and analyzed by mass spectrometry. In addition to C2 and C6′, already known to be prominent, C4 was found to be abundant in gephyrin from all tissues examined. The nonneuronal cassette C3 was easily detected in liver but not in GlyR-associated gephyrin from spinal cord. C5 was present in brain and spinal cord polypeptides, whereas C5′ was coisolated mainly from liver. Notably C5′-containing gephyrin bound to the GlyRβ loop, inconsistent with its proposed selectivity for GABAA receptors. Our data show that GlyR-associated gephyrin, lacking C3, but enriched in C4 without C5, differs from other neuronal and nonneuronal gephyrin isoforms.
RNAs are key players in life as they connect the genetic code (DNA) with all cellular processes dominated by proteins. The dynamics study of RNA modifications has become an important part of epitranscriptomics field, as they are reversible and dynamically regulated far more than originally thought. Several evidences portrait a catalog of RNA modifications and their links to neurological disorders, cancers, and other diseases. Therefore, a deeper investigation of RNA modifications dynamics including their specific profile, biosynthesis, maturation and degradation is required for pioneering disease diagnostics and potential therapeutics development.
Mammalian tissues reveal diverse physiology and functions, despite sharing identical genomes and overlapping transcription profiles. So far, most research on this diversity were referred to variable transcriptomic processing among tissues and differential post-translational modifications that tune the activity of ubiquitous proteins to each tissue’s needs. However, study of epitranscriptome dynamics relevance to tissues’ functions is not yet revealed. There are a few reports on mouse RNA modification profiles, which are focused on only one type of RNA and limited types of modifications. The first part of my dissertation aims to generate a comprehensive tissue-specific as well as RNA species-specific investigation of all existing RNA modifications, as well as investigating potential codon as an effector of translation diversity among tissues. Using isotope dilution mass spectrometry, I created a library including absolute quantification of 24 tRNA modifications, and up to 22 rRNA modifications. I find an almost identical pattern of modifications in 28S- and 18S-rRNA subunits, but different levels of most modifications in 5.8S-rRNA or tRNA among highly metabolic active organs to e.g. heart or spleen. The findings suggest a high degree of similarity between quantities of modifications between presented data to all previous literature, confirming that it is a suitable model to study the tissue-based RNA modification patterns.
The most noticeable difference exhibited was tRNA modifications, which suggests a discerning tRNA engagement in translation between different organs. This can be a good start for investigation of codon bias in enriched genes of specific tRNA modifications among different tissues that may cause differential translation pattern, causing organs diversity. Moreover, 5.8S rRNA data showed an organ-specific pattern, which proposes functional diversity of this rRNA subunit among different organs. Future studies must investigate the possible implications of organ-specific 5.8S rRNA modifications functions, to elucidate the core of the observed variations.
Abundance of RNA modifications is carefully regulated in cells. Part of this regulation is achieved by activity of enzymes removing RNA modifications, named RNA erasers. Literature has provided proof of demethylation activity of AlkBH family on different types of RNA. For instance, AlkBH5 is known to remove m6A in mRNA, and both AlkBH3 and AlkBH1 are reported to demethylate m1A and m3C in tRNA. So far, RNA erasers are mainly studied in vitro and direct in vivo studies are missing.
Mass spectrometry is a promising approach in the identification and quantification of many RNA modifications. However, mass spectrometric analysis by nature, offers only a static view of nucleic acid modifications, and fails to account for their cellular dynamics. Nucleic Acid Isotope Labeling coupled Mass Spectrometry (NAIL-MS) was developed as a powerful technique which differentiates among remaining, co-transcriptional and post-transcriptional incorporation of a target RNA modification. This temporal resolution captures the dynamic nature of RNA modifications, and offers absolute and relative quantification of all existing nucleosides in any given RNA sequence, including different isotopologues and isotopomers.
The objective of this study was to uncover the first “direct” iv vivo data on AlkBH1, 3 and 5 activities in demethylating each of their specific substrates. I investigated the RNA modification changes through pulse-chase experiments in collaboration with my colleagues Dr. Kayla Borland and Dr. Felix Hagelskamp. A remarkable observation was that AlkBH3 protein -but not AlkBH1- was overexpressed under methylating reagent treatment in vivo. These findings suggest that AlkBH3 -but not AlkBH1- is a methylation damage induced enzyme, that potentially triggers ASCC-AlkBH3 alkylation repair complex after aberrant methylation damage by MMS treatment. However, using NAIL-MS method, we could not detect any significant effect on demethylation activity of the enzymes in tRNA, rRNA or mRNA towards the possible substrates m6A, m1A, m3C, m5C and m7G in vivo. These distinct outcomes can be partially explained by probable existence of other unidentified demethylases that compensate for AlkBHs demethylation activity; or more probably, demethylation may still arise by remaining active AlkBHs to restore the original levels of the observed RNA modifications, since a stronger KD or a complete knockout of AlkBHs genes was not possible. Further research on fully knocked out AlkBHs genes can provide stronger evidence on unidentified demethylation activities in HEK cells.
Translation is a universal process in all kingdoms of life and organized in a cycle that requires ribosomal subunits (40S and 60S), messenger RNA (mRNA), aminoacylated transfer RNAs (tRNAs), and a myriad of regulatory factors. As soon as translation reaches a stop codon or stalls, a termination or surveillance process is launched via release factors eRF1 or Pelota (Dom34), respectively. The ATP-binding cassette (ABC) protein ABCE1 interacts with release factors at the ribosomal A-site and coordinates the recycling process in Eukarya and Archaea. Two asymmetric nucleotide-binding sites (NBSs) control and execute the ribosome splitting upon dimerization and closure of the two nucleotide-binding domains (NBDs).
Ribosome nascent chain complexes (RNCs), ABCE1, and Dom34 from S. cerevisiae were produced for the reconstitution of splitting assays in order to probe for ABCE1’s actions in the splitting process with its native substrate. Translating ribosomes were stalled in vivo in a no-go situation on truncated mRNAs by a 3´-ribozyme motif that generates truncated mRNAs. The initiated decay mechanisms were circumvented by genomic deletion of the release factor Dom34 (Pelota) of the no-go decay machinery. The mRNA coded for an N terminal affinity purification tag (His-tag) and the green fluorescent protein (GFP) as a reporter of the translated nascent chain in the ribosomal complexes. RNCs were successfully in vivo stalled, enriched, and purified. In native gels, the reconstituted splitting experiments were analyzed by separation of RNCs, ribosomal subunits, and nascent chain-tRNA complexes based on the fluorescence readout of the GFP reporter. In addition, the anti-association factor eIF6 was added in the splitting reaction because it blocks the immediate re-association of ribosomal subunits after splitting. The anti-association activity of eIF6 was probed by an anti-/re-association assay, in which ribosomes are anti-associated by high salt and low magnesium conditions and in a second step re-associated. The re-association can be blocked by binding of eIF6 and other anti-associating factors to the ribosomal intersubunit sites. This approach allowed for the discovery of an anti-association activity of ABCE1 that was dependent on the non-hydrolysable ATP analog AMP-PNP. In addition, the formed complex between 40S and ABCE1 represented formally a post-splitting intermediate.
In collaboration with the Beckmann lab, the structure of the post-splitting complex was reconstructed at 3.9 Å. The ABC system of ABCE1 is fully closed and its N-terminal iron-sulfur (FeS) cluster domain is rotated by 150-degree to a cleft at helix 44 and uS12. The FeS cluster domain is stabilized by interactions of Pro30 to uS12, Arg7 to helix 5, and the cantilever arm that links it to NBD1. Tyr301 of NBD1 stabilizes the FeS cluster domain in the rotated position by interaction to the backbone of the cantilever arm. Upon transition to the post-splitting state, the FeS cluster domain must clash with the release factor and push it in between the ribosomal subunits like a wedge and split the ribosome. In addition, in the post-splitting state, the FeS cluster domain would putatively clash with uL14 of the large ribosomal subunit, and this is the structural explanation for the anti-association effect of ABCE1. In Archaea, a similar conformation of the post-splitting complex was reconstructed in collaboration with the Beck and Beckmann labs and Kristin Kiosze-Becker and Elina Nürenberg-Goloub. Based on the high-resolution structure of the post-splitting complex, the post-splitting state of ABCE1 was identified in the 43S initiation complex 40S–ABCE1–tRNA–eIF2–eIF3. Subsequently, we proposed the post-splitting complex as a platform for initiation.
In the quest to elucidate conformational dynamics of ABCE1, a reconstituted system was established to study conformational dynamics in real-time. Single-molecule Förster resonance energy transfer (smFRET) was used for the relative distance detection between a donor and acceptor fluorophore. A cysteine-less ABCE1 variant was engineered with additional cysteines for fluorescent labeling by thiol-maleimide-coupling. In collaboration with Philipp Höllthaler, the double-cysteine variants were labeled for smFRET studies and alternating-laser excitation (ALEX) smFRET measurements were performed with ABCE1 and the small ribosomal subunit. ABCE1’s nucleotide-dependent NBD dimerization and FeS cluster domain rotation was determined in real-time. Finally, a higher opening and closing frequency of the NBDs was discovered than the determined ATPase rate. This observation could be explained by the hypothesis of elastic dimerization that is not immediately connected to ATP hydrolysis.
By translocating proteasomal degradation products into the endoplasmic reticulum for loading of major histocompatibility complex I molecules, the ABC transporter TAP plays a focal role in the adaptive immunity against infected or malignantly transformed cells. A key question regarding the transport mechanism is how the quality of the incoming peptide is detected and how this information is transmitted to the ATPase domains. To identify residues involved in this process, we evolved a Trojan horse strategy in which a small artificial protease is inserted into antigenic epitopes. After binding, the TAP backbone in contact is cleaved, allowing the peptide sensor site to be mapped by mass spectrometry. Within this sensor site, we identified residues that are essential for tight coupling of peptide binding and transport. This sensor and transmission interface is restructured during the ATP hydrolysis cycle, emphasizing its important function in the cross-talk between the transmembrane and the nucleotide-binding domains. This allocrite sensor may be similarly positioned in other members of the ABC exporter family.
Mechanism of the MHC I chaperone TAPBPR and its role in promoting UGGT1-mediated quality control
(2022)
Information about the health status of most nucleated cells is provided through peptides presented on major histocompatibility complex I (pMHC I) on the cell surface. T cell receptors of CD8+ T cells constantly monitor these complexes and allow the immune system to detect and eliminate infected or cancerous cells. Antigenic peptides displayed on MHC I are typically derived from the cellular proteome and are translocated into the lumen of the endoplasmic reticulum (ER) by the ATP-binding cassette (ABC) transporter associated with antigen processing (TAP), which is part of the peptide-loading complex (PLC). In a process called peptide editing, the MHC I-dedicated chaperone tapasin (Tsn) selects peptides for their ability to form stable complexes with MHC I. While initial peptide loading is catalyzed in the confines of the PLC, the second quality control is mediated by TAPBPR, operating in the peptide-depleted cis-Golgi network. TAPBPR was shown to have a more fine-tuning effect on the presented peptide repertoire rather than initial peptide selection. The fundamental mechanism of peptide editing was illuminated by two crystal structures of TAPBPR in complex with peptide-receptive MHC I. Notably, one of these structures reported a structural element that inserted into the peptidebinding pocket. The so-called scoop loop was assumed to be involved in mediating peptide exchange but the underlying mechanism remained undefined. Additionally, latest results suggested that TAPBPR mediates the interaction of the glucosyltransferase UGGT1 with peptide-receptive MHC. To expand the current knowledge of quality control processes in the antigen presentation pathway, the contribution of the scoop loop in peptide editing and the role of TAPBPR in UGGT1-mediated quality control needs to be elucidated. In the first part of this study, TAPBPR proteins with various loop lengths were designed to scrutinize the contribution of the scoop loop in chaperoning peptidereceptive MHC I. In a light-driven approach, the ability of TAPBPR variants to form stable complexes with peptide-free MHC I was tested. These results demonstrated that in a peptide-depleted environment, the scoop loop is of critical importance for TAPBPR to chaperone intrinsically unstable, peptidereceptive MHC I clients. Moreover, fluorescence polarization-based assays allowed the pursuit of peptide exchange in different, native-like environments. Peptide displacement activities of TAPBPR variants illustrated that catalyzed peptide editing is primarily induced by structural elements outside the scoop loop. In a peptide-depleted environment, the scoop loop occupies the position of the peptide C-terminus and acts as an internal peptide surrogate. By combining complex formation and fluorescence polarization experiments, the scoop loop of TAPBPR was shown to be critically important in stabilizing empty MHC I and functions as an internal peptide selector. In the second part of this study, a novel in-vitro glucosylation assay was established to examine the role of TAPBPR in UGGT1-catalyzed re-glucosylation of TAPBPR-bound MHC I clients. Therefore, a peptide-free MHC I-TAPBPR complex with defined glycan species was designed which served as physiological substrate for UGGT1. By subjecting the recombinantly expressed HLA-A*68:02- TAPBPR complex and UGGT1 proteins to the new in-vitro system, UGGT1 was shown to catalyze the transfer of a glucose residue to the N-linked glycan of TAPBPR-bound Man9GlcNAc2-HLA-A*68:02. Moreover, a high-affinity, photocleavable peptide was applied to dissociate the MHC I-chaperone complex. However, in the absence of TAPBPR, no glucosyltransferase activity was observed. Generation of peptide-free MHC I through UV illumination also showed no activity, and only the addition of TAPBPR could restore UGGT1-mediated reglucosylation of the empty MHC I. Independent of the peptide status of HLAA*68:02, the combination of protein glycoengineering and LC-MS analysis implicated that UGGT1 exclusively acts on TAPBPR-chaperoned HLA-A*68:02. The newly established system provided insights into the function of TAPBPR during UGGT1-catalyzed re-glucosylation activity and quality control of MHC I. Taken together, the scoop loop allows TAPBPR to function as MHC I chaperone through stabilizing peptide-receptive MHC I. In a peptide-depleted environment, the loop structure serves as an internal peptide surrogate and can only be dislodged by a high-affinity peptide. Based on these findings, TAPBPR fulfills a dual function in the second level of quality control. On the one hand, TAPBPR functions as peptide editor, shaping the repertoire of presented peptides. On the other hand, TAPBPR mediates peptide-receptive MHC I clients to the folding sensor UGGT1. Here, TAPBPR is essential to promote UGGT1-catalyzed reglucosylation of the N-linked glycan, giving MHC I a second chance to be loaded with an optimal peptide cargo in the peptide loading complex.
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.
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.
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...
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 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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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.
Molecular analysis of the ribosome recycling factor ABCE1 bound to the 30S post-splitting complex
(2020)
Ribosome recycling by the twin-ATPase ABCE1 is a key regulatory process in mRNA translation and surveillance and in ribosome-associated protein quality control in Eukarya and Archaea. Here, we captured the archaeal 30S ribosome post-splitting complex at 2.8 Å resolution by cryo-electron microscopy. The structure reveals the dynamic behavior of structural motifs unique to ABCE1, which ultimately leads to ribosome splitting. More specifically, we provide molecular details on how conformational rearrangements of the iron–sulfur cluster domain and hinge regions of ABCE1 are linked to closure of its nucleotide-binding sites. The combination of mutational and functional analyses uncovers an intricate allosteric network between the ribosome, regulatory domains of ABCE1, and its two structurally and functionally asymmetric ATP-binding sites. Based on these data, we propose a refined model of how signals from the ribosome are integrated into the ATPase cycle of ABCE1 to orchestrate ribosome recycling.
T-cell development is a highly dynamic and stepwise process comprimising T lineage commitment, T-cell receptor (TCR) gene rearrangements and subsequent selection. From a quantitative point of view, only a few hundred progenitor cells migrate from the bone marrow into the thymus. Developing thymocytes (termed double negative (DN), CD4-CD8-) can be further divided into DN1-4 cells based on the expression of CD25 and CD44. These developmental events are interspersed by proliferative bursts which ultimately lead to the generation of millions of double positive (DP, CD4+CD8+) thymocytes that then undergo selection. As a consequence, a proportion of naïve T-cells evolves to ensure adaptive, but not autoreactive immunity.
Previous studies of our lab focused on the quantification of thymus colonization and identified thymus entry to be dependent on expression of the chemokine receptors CCR7 and CCR9 (Krueger et al., 2010; Ziętara et al., 2015). CCR7/9 double knockout (DKO) mice are almost completely devoid of the most immature thymocyte populations (DN1 and DN2), but show near normal DN3 cellularity. Interestingly, a similar defect during early development but a virtually complete recovery of later stages and total thymocyte numbers was also observed in thymi of miR-17~92 deficient mice. Here, a failure of prethymic IL-7 signaling dampens early T-cell development (Regelin et al., 2015). For this reason, we hypothesized a tight regulation of thymocyte population size through alterations in the underlying cell cycle kinetics.
In this thesis, we employed in vivo single- and dual-nucleoside pulse labeling combined with determination of DNA replication over time in different WT thymocyte subsets at steady-state. Based on this, we assessed alterations in cell cycle kinetics of CCR7/9 and miR-17~92 defcicient mice and identified compensatory mechanisms of thymocytes on the level of cell cycle phase distribution and cell cycle speed. In addition, single-cell RNA sequencing helped to obtain information on cell cycle dynamics of early thymocyte subsets, exemplarily shown for WT and CCR7/9 DKO mice. Lastly, we performed cell cycle analyses in a model of endogenous thymic repair upon sublethal total body irradiation which provided insight into intrathymic cell cycle regulation as an adjustable system to re-establish normal thymus cellularity.
In the second part of the thesis, we addressed the role of miR-21 in the thymus. In various studies, we and others identified miRNAs as key posttranscriptional regulators of the immune system and especially for T-cell development (Regelin et al. 2015; Mildner et al. 2017; Li et al. 2007; Ebert et al. 2009; Ziętara et al. 2013; Schaffert et al. 2015). The dynamic expression of miR-21 during T-cell development (Neilson et al. 2007; Kirigin et al. 2012; Kuchen et al. 2010) prompted us to hypothesize that miR-21 has a regulatory function in the thymus. A miR 21-knockout mouse model allowed us to study the role of this miRNA for the development of T-cells in the thymus and the maintenance of T-cells in the periphery. In addition, we performed competitive bone marrow chimera experiments in the context of miR-21 deficiency and overexpression. Further insights were provided by exploring the function of miR-21 in negative selection in vivo as well as in T-cell differentiation in coculture experiments in vitro. To unravel implications of miR-21 to regulate cellular stress responses, we assessed the contribution of miR-21 in a model of endogenous regeneration of the thymus after sublethal irradiation. We could not provide evidence for a prominent role for miR-21 during T-cell development. Together, our experiments revealed that miR-21 is largely dispensable for physiologic T-cell development despite high and dynamic expression in the thymus (Kunze Schumacher et al., 2018). The apparent discrepancy between dynamic expression but lack of a regulatory function in the thymus led us to conclude that miR-21 is rather fine tuning T-cell responses than controlling a developmental event.
Classical Hodgkin lymphoma (cHL) is one of the most common malignant lymphomas in Western Europe. The nodular sclerosing subtype of cHL (NS cHL) is characterised by a proliferation of fibroblasts in the tumour microenvironment, leading to fibrotic bands surrounding the lymphoma infiltrate. Several studies have described a crosstalk between the tumour cells of cHL, the Hodgkin- and Reed-Sternberg (HRS) cells, and cancerassociated fibroblasts (CAF). However, to date a deep molecular understanding of these fibroblasts is lacking. Aim of the present study therefore was a comprehensive
characterisation of these fibroblasts. Moreover, only a few studies describe the interplay of HRS cells and CAF. The paracrine communication and direct interaction of these two
cellular fractions have been investigated within this study. Finally, the influence of a few HRS cells within a lymph node orchestrate the mere alteration of its architecture and
morphology. Gene expression and methylation profiles of fibroblasts isolated from primary lymph node suspensions revealed persistent differences between fibroblasts obtained from NS cHL and lymphadenitis. NS cHL derived fibroblasts exhibit a myofibroblastic - inflammatory phenotype characterised by MYOCD, CNN1 and IL-6 expression. TIMP3, an inhibitor of matrix metalloproteinases, was strongly upregulated in NS cHL fibroblasts, likely contributing to the accumulation of collagen in sclerotic bands of NS cHL. Treatment by luteolin could reverse this fibroblast phenotype and decrease TIMP3 secretion. NS cHL fibroblasts showed enhanced proliferation when they were exposed to soluble factors released from HRS cells. For HRS cells, soluble
factors from fibroblasts were not sufficient to protect them from Brentuximab-Vedotin(BV) induced cell death. However, HRS cells adherent to fibroblasts were protected from BV-induced injury. The cHL specific interaction of both cell fractions reveals an initiation of inflammatory key regulators such as IL13 and IL4. Among important adhesion molecules known from literature the blocking of integrin beta 1 solely interrupted the adhesion of HRS cells to CAF. In summary, this study proves the stable reprograming of CAF phenotype and expression derived from NS cHL. It presents a suitable in vitro model for studying the interaction of HRS cells and CAF by paracrine factors and adherence. Most importantly the observations confirm the importance of fibroblasts for HRS cells´ inflammatory niche and cell survival associated with TIMP3 which probably acts as a major factor to the typical accumulation of fibrosis observed in NS cHL.
Molecular concepts for pandemic viruses : membrane fusion assays and targeting of reservoir cells
(2024)
In den letzten Jahren haben verschiedene pandemische Viren zu beträchtlichen Krankheits- und Todesfällen geführt. Um dieser ständigen Bedrohung entgegenzuwirken, ist es wichtig diagnostische Testsysteme und Therapien anzupassen oder neu zu etablieren. Diese Arbeit konzentriert sich auf die pandemischen Viren SARS-CoV-2 und HIV.
Der Zelleintritt von SARS-CoV-2 wird durch das Spike-Protein (S) ausgelöst, welches die Fusion der Virushülle mit der zellulären Membran bewirkt. Erste Studien haben gezeigt, dass das S-Protein eine hohe Fusionsaktivität aufweist. Aus diesem Grund sollten in dieser Arbeit neue Fusionstests etabliert werden, um potenzielle Inhibitoren der Zellfusion zu evaluieren. Im ersten Teil dieser Thesis wird die Etablierung von quantitativen Tests zur Evaluierung der Zell-Zell und Partikel-Zell Fusionsaktivität, welche durch S bewirkt wird, demonstriert.
Trotz jahrelanger Forschung können HIV-Patienten nicht geheilt werden und Virusinfektionen treten weiterhin weltweit auf. Das größte Problem bei der Entwicklung eines Heilmittels ist die frühe Bildung von Reservoirzellen während einer Infektion. Um diese Reservoirzellen zu identifizieren, wurde der Oberflächenmarker CD32a vorgeschlagen. Die Nutzung von Cas9-Nukleasen zur Inaktivierung von HIV ist in vitro erfolgreich, aber der effiziente Transfer in Reservoirzellen bleibt weiterhin herausfordernd. Im zweiten Teil dieser Thesis werden Rezeptor-gerichtete Adeno-assoziierte Vektoren (AAVs) für die HIV-Gentherapie präsentiert, die CD4 und CD32a für den Zelleintritt nutzen.
Zur Charakterisierung der Fusionsaktivität von SARS-CoV-2 wurden drei quantitative Fusionstests etabliert, welche Partikel- und Zell-Zell Fusionen berücksichtigen. Für den Partikel-Zell Fusionstest wurden lentivirale Vektoren (LV) verwendet, welche das S-Protein auf ihrer Oberfläche präsentierten. Die Transduktionseffizienz von S-LV erreichte auf Zellen, die den SARS-CoV-2 Rezeptor ACE2 exprimieren, ein Signal-zu-Hintergrund Verhältnis von über 2000. Durch die Präsentation von S auf leeren LV-Partikeln konnte die Fusion von benachbarten Zellen detektiert und quantifiziert werden („fusion-from-without“ (FFWO)). Für die Quantifizierung wurde ein Reporter-Komplementationstest etabliert. Hierbei wurden die Alpha- und Omega-Fragmente der β-Galaktosidase getrennt in zwei Zielzellpopulationen exprimiert, die beide ACE2 exprimierten. Durch die Zugabe von S-Partikeln kam es zur Fusion der Zielzellen und zur Komplementation der Alpha- und Omega-Fragmente. Die resultierende β-Galaktosidase-Aktivität konnte anschließend quantifiziert werden. Unter optimalen Versuchsbedingungen erreichte dieser Assay ein Signal-zu-Hintergrund Verhältnis von 2,7 Größenordnungen. Anschließend wurde der Komplementationstest für die Messung der Zell-Zell Fusion verwendet. In diesem Test exprimierten Effektorzellen S und das Alpha-Fragment, Zielzellen ACE2 und das Omega-Fragment. Obwohl die S-Expression auf den Effektorzellen sehr gering war, konnte dennoch eine signifikante Fusion nachgewiesen werden. Auch hier konnte unter optimalen Versuchsbedingungen ein hohes Signal-zu-Hintergrund Verhältnis von 2,9 Größenordnungen festgestellt werden. Nach der Etablierung der Testsysteme wurden S-spezifische Inhibitoren verwendet. Im Gegensatz zu Partikel-Zell-Fusionen wurde die Fusionsaktivität von S auf Zellen nur mäßig inhibiert. Dies deutet daraufhin, dass das Eindringen von Partikeln in Zellen wirksamer verhindert werden kann als die Ausbreitung durch Zell-Zell Fusionen.
Um AAVs spezifisch an HIV-Reservoirzellen zu binden, wurden CD4- und CD32a-spezifische DARPins („designed ankyrin repeat proteins“) in Rezeptor-verblindete AAVs eingebaut. Ebenso wurden beide DARPins gleichzeitig auf dem Kapsid präsentiert, um eine höhere Spezifität für doppelt-positive Zellen zu erreichen. Wenn diese Partikel einer Zellmischung aus CD4-, CD32a- und CD4/CD32a-exprimierenden Zellen zugesetzt wurden, transduzierten die bispezifischen Vektoren vorzugsweise doppelt-positive Zellen. Diese Präferenz war am höchsten in Zellkulturen, die stark unterrepräsentierte CD4/CD32a-exprimierende Zellen enthielten. Unter diesen Voraussetzungen erreichten bispezifische Vektoren eine bis zu 66-fach höhere Transduktionseffizienz auf CD4/CD32a-positive Zellen im Vergleich zu CD32a-exprimierenden Zellen. Darüber hinaus zeigten bispezifische AAV eine präferentielle Bindung und Transduktion von isolierten Primärzellen und Zellen in Vollblut. Selbst nach systemischer Injektion in humanisierte Mäuse wurden doppelt-positive Zellen effizienter von bispezifischen als von monospezifischen AAVs transduziert. Schließlich zeigten die generierten Vektoren, welche die Cas9 Nuklease transferierten, eine effiziente Inhibition der HIV-Replikation.
Acinetobacter baumannii is a worldwide opportunistic pathogen responsible for nosocomial infections. One of the main factors contributing to multidrug resistance in A. baumannii is the upregulation of various chromosomally encoded or acquired efflux pumps, which expel toxic compounds out of the cells with high efficiency.
The resistance-nodulation-cell division (RND)-type efflux pump gene deletion strains ∆adeAB, ∆adeFG or ∆adeIJ and the major facilitator superfamily (MFS) chloramphenicol efflux pump gene deletion strain ∆craA of A. baumannii ATCC 19606 were created and a differential gene expression study was conducted via RT-qPCR. The expression of efflux pump genes adeB, adeG, adeJ, craA, and the outer membrane protein ompA were examined in the absence and presence of chloramphenicol. No significant up- or downregulation of these genes for any of these deletion strains in comparision to the wild-type strain in absence of the drug chloramphenicol.
In contrast, craA was significantly up-regulated in A. baumannii exposed to chloramphenicol, emphasizing the importance of CraA in chloramphenicol resistance. CraA is widely present in clinical isolates of A. baumannii. It is homologous to the well-studied multiple-drug efflux transporter MdfA from Escherichia coli (61% similarity), but surprisingly reported to be acting as a specific chloramphenicol transporter of A. baumannii (Roca et al., 2009).
The drug susceptibility assay done with A. baumannii ATCC 19606 ΔcraA showed that CraA could confer resistance towards phenicols (chloramphenicol, thiamphenicol, and florfenicol), which was in line with the previous report. CraA was heterologously overproduced in E. coli BW25113 ∆emrE∆mdfA and its substrate specificity was determined by drug susceptibility assays and whole cell fluorescent dye uptake experiments. We observed that the substrate specificity of craA overexpressed in E. coli was more diverse and resembling that of the E. coli MdfA homolog. Apart from resistance towards phenicols (chloramphenicol, thiamphenicol, and florfenicol), CraA also confer resistance towards monovalent cationic drugs (benzalkonium, TPP+, and ethidium), long dicationic drugs (dequalinium and chlorhexidine), fluoroquinolones (norfloxacin and ciprofoxacin) and anticancer drugs (mitomycin C). We showed that CraA is a drug/H+ antiporter by ACMA quenching in inverted CraA or CraA variant containing membrane vesicles.
To address the molecular determinants for multidrug binding and transport, 45 mostly single Ala-substitution variants of CraA were created. These include substitution variants for membrane-embedded proton-titratable residues (E38, D46, and E338) and residues predicted to be important for binding and transport of drug, as inferred from docking experiments on basis of a MdfA-derived CraA model. The combined results indicated a high degree of functional similarities between MdfA and CraA. The conserved titratable residues E26 and D34 (E38 and D46 in CraA) are important for transport in both these homologs. The CraA variant E38A is inactive against all tested drugs, but D46A is only inactive for some drugs, suggesting that only E38 is involved in H+-transport.
Another focus of this thesis is the three tetracycline transporters of A. baumannii strain AYE, TetA, TetG and TetA(A). Susceptibility assays involving tetracycline, minocycline, doxycycline and the last-resort antibiotic tigecycline were conducted on E. coli BW25113 ∆emrE∆mdfA overexpressing these transporters. TetA(A) was excluded from further study due to toxicity of the cells caused by protein overexpression. Both TetA and TetG confer resistance against tetracycline, minocycline and doxycycline. Although tigecycline was reported not to be recognized by tetracycline efflux pumps, we surprisingly found that TetA is able to transport tigecycline. The role of TetA in tigecycline efflux in A. baumannii was confirmed by conducting tigecycline susceptibility assays on A. baumannii.
We speculate that TetA embedded in the inner membrane acts in cooperation with RND-type tripartite systems that span the inner and outer membrane to extrude tigecycline from the periplasm across the outer membrane. A. baumannii ATCC 19606 ∆adeAB were indeed sensitive to tigecycline in comparison to wild-type strain. Deletion of adeIJ also leads to sensitivity to tigecycline, but less so compared to the DadeAB phenotype, while A. baumannii ATCC 19606 ∆adeFG did not show any difference compared to wild-type strain in tigecycline susceptibility. Differential gene expression analysis of the RND efflux pumps (adeB, adeG and adeJ) and tetA of A. baumannii strain AYE showed that the expression of tetA expression is significantly upregulated when tigecycline is present in the growth medium.
We conclude that craA encodes a broad-spectrum efflux pump rather than a specific chloramphenicol transporter. In A. baumannii, the synergistic effects with the outer membrane and/or the presence of other transporters could result in the discrepancy observed. Thus, the possibility of CraA in conferring multidrug resistance should not be overlooked, especially when it is up-regulated under antibiotic stress conditions.
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.
In this thesis, molecular dynamics (MD) simulations are used to study the interaction of different proteins with lipid bilayers. MD simulations can be used as a “computational microscope” to gain atomistic insights into the interactions between proteins and lipids that can barely be accessed in such detail by experimental methods. The different chapters of this thesis address the lipid sensing functionality of amphipathic helices (AHs) when bound to membranes, the folding of AHs at lipid-water interfaces as well as the conformational dynamics of the HIV-1 Env glycoproteins in viral-like and experimental bilayers. In the last chapter the possibilities to enhance the performance of MD simulations are explored, leading to a more efficient usage of computational resources.
Protein biosynthesis is a conserved process, essential for life. Proteins are assembled from single amino acids according to their genetic blueprint in the form of a messenger ribonucleic acid (mRNA). Peptide bond formation is catalyzed by ancient ribonucleic acid (RNA) residues within the supramolecular ribosomal complex, which is organized in two dynamic subunits (Ramakrishnan, 2014). Each subunit comprises large ribosomal RNA (rRNA) molecules and several dozens of peripheral proteins. mRNA translation has been divided into three phases, namely translation initiation, elongation and termination in biochemistry textbooks. During initiation, the ribosomal subunits assemble into a functional ribosome on an activated mRNA and acquire the first transfer RNA (tRNA), an adapter between the start codon on the mRNA and the N-terminal methionine of the protein (Hinnebusch and Lorsch, 2012). During elongation, the ribosome translocates along the mRNA exposing one codon after the other, and amino acids are delivered to the ribosome by the respective tRNAs, and attached to the nascent polypeptide chain. During termination, the polypeptide is released and the ribosome remains loaded with mRNA and tRNA at the end of the open reading frame for the translated gene (Hellen, 2018). Bacterial ribosomes are subsequently recycled by a specific ribosome recycling factor and the small ribosomal subunit is simultaneously consigned to initiation factors for a next round of translation – rendering bacterial translation as a cyclic process with an additional ribosome recycling phase. However, the process of ribosome recycling remained enigmatic in Eukarya and Archaea until the simultaneous discovery of the twin-ATPase ABCE1 as the major ribosome recycling factor. Strikingly, ABCE1 has initially been shown to participate in translation initiation (Nürenberg and Tampé, 2013). Thus, closing the translation cycle by revealing the detailed molecular mechanism of ABCE1 and its role for translation initiation are the two goals of this research.
Beyond the plenitude of well-studied translational GTPases, ABCE1 is the only essential factor energized by ATP, delivering the energy for ribosome splitting via two nucleotide-binding sites. Here, I define how allosterically coupled ATP binding and hydrolysis events in ABCE1 empower ribosome recycling. ATP occlusion in the low-turnover control site II promotes formation of the pre-splitting complex and facilitates ATP engagement in the high-turnover site I, which in turn drives the structural re- organization required for ribosome splitting. ATP hydrolysis and ensuing release of ABCE1 from the small subunit terminate the post-splitting complex. Thus, ABCE1 runs through an allosterically coupled cycle of closure and opening at both sites consistent with a processive clamp model. This study delineates the inner mechanics of ABCE1 and reveals why various ABCE1 mutants lead to defects in cell homeostasis, growth, and differentiation (Nürenberg-Goloub et al., 2018).
Additionally, a high-resolution cryo-electron microscopy (EM) structure of the archaeal post-splitting complex was obtained, revealing a central macromolecular assembly at the crossover of ribosome recycling and translation initiation. Conserved interactions between ABCE1 and the small ribosomal subunit resemble the eukaryotic complex (Heuer et al., 2017). The conformational state of ABCE1 at the post-splitting complex confirms the molecular mechanism of ribosome recycling uncovered in this study. Moving further along the reaction coordinate of cellular translation, I reconstitute the complete archaeal translation initiation pathway and show that essential archaeal initiation factors are recruited to the post-splitting complex by biochemical methods and cryo-EM structures at intermediate resolution. Thus, the archaeal translation cycle is closed, following its bacterial model and paving the way for a deeper understanding of protein biosynthesis.
Die Entwicklung von neuartigen, funktionellen Materialien ist eine komplexe Aufgabe, da die Gesamteffizienz der zu entwickelnden Materialien von einer Vielzahl von Faktoren abhängt. Während die auf einer molekularen Ebene durchgeführte Funktionalisierung via chemischer Reaktionsführung genauso wichtig ist wie die makromolekulare Anordnung, kann die Frage nach einer geeigneten Verbesserung von gegenwärtigen Materialien nicht nur auf einer dieser beiden Ebenen beantwortet werden. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse basieren auf der mirkoskopischen aber auch markoskopischen Betrachtung von neuartigen, funktionellen Nanomaterialien und den daraus gewonnenen Erkenntnissen. Das übergeordnete Ziel ist dabei das Verständnis und die Charakterisierung von Ladungsseparationsprozessen und die daraus resultierende Erzeugung von elektrischen Strömen in organischen photovoltaischen Materialien.
Die relevanten Ladungsseparationsprozesse werden oft im Kontext der Dissoziation von Exzitonen, gebundenen Elektron-Loch Paaren, beschrieben, welche innerhalb der Donordomäne eines beliebigen Donor-Akzeptor-Materials erzeugt werden. Dabei ist der Prozess der Exzitonengenerierung abhängig von der Nanomorphologie des entsprechenden Materials, typischerweise so genannten Bulk-Heterojunctions. Dahingehend ist es notwendig, die Effekte von intermolekularen Wechselwirkungen sowohl mittels quantenmechanischer als auch dynamischer Methoden zu betrachten. Um alle relevanten Zeitskalen und Prozesse zu betrachten ist es weiterhin notwendig, auf sowohl eine deterministische Darstellung im Rahmen von quantendynamischen Methoden als auch statistischen Methoden zurückzugreifen.
Um die oft ultraschnellen und kohärenten Exzitonendissoziationsprozesse zu untersuchen wurde eine Kombination aus high-level ab initio Methoden und zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie (TDDFT) angewandt, um geeignete Modellhamiltonians zu parametrisieren, welche schließlich mittels der Multi-Configurational Time-Dependent Hartree (MCTDH) und der Multilayer (ML-MCTDH) variante propagiert wurden. Die MCTDH Methode hat sich als geeignete Methode erwiesen um eine voll quantendynamische Beschreibung von bis zu 100 Freiheitsgraden durchzuführen; die ML-MCTDH Methode erlaubt gar bis zu 1000 Freiheitsgrade quantendynamisch zu behandeln. Die Parametrisierung der Modellhamiltonians, auf welchen die quantendynamische Behandlung basiert, wurde dabei für kleine, jedoch repräsentative Fragmente durchgeführt. Die geeignete Wahl dieser Fragmente sollte sicherstellen, dass zum einen alle relevanten intermolekularen als auch intramolekularen Wechselwirkungen enthalten sind, jedoch gleichzeitig eine möglichst akkurate Beschreibung mittels high-level elektronenstrukturtheoretischer Methoden in gegebener Zeit möglich ist.
Mit Hilfe dieser Methodenkombination wurden zwei Arten von funktionellen organischen Materialien untersucht. Das erste untersuchte System ist ein neuartiges Donor-Akzeptor System, bestehend aus selbstorganisierenden Oligothiophen-Perylenediimid Dimeren, welche in der Gruppe von S. Haacke und S. Mery der Universität Straßburg synthetisiert und spektroskopisch untersucht wurden. Die quantendynamischen Simulationen an diesem System sollten die Ergebnisse der experimentellen, zeitaufgelösten pump-probe Spektroskopie validieren und die dürftige Effizienz im Hinblick auf eine effektive Ladungstrennung erklären. Dabei konnte gezeigt werden, dass nach der Exzitonendissoziation Elektron und Loch auf räumlich benachbarten Donor- und Akzeptorfragmenten lokalisiert werden, was schließlich zu einem Rekombinationsprozess führen wird. Das zweite untersuchte System ist eine Kombination von Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT) als Elektronendonor und [6,6]-Phenyl-C61 Butansäure Methyl-Ester (PCBM) als Elektronenakzeptor, welches schon hinreichend stark in diversen theoretischen und experimentellen Studien untersucht wurde. Aufbauend auf einem Gittermodell, welches in unserer Gruppe entwickelt wurde, wurde das Modellsystem um Charge Transfer Exzitonen in der Donordomäne erweitert. Die Bedeutung von solchen Charge Transfer Exzitonen in regioregulären Oligothiophenaggregaten ist ein aktuelles Thema in der Wissenschaft, sowohl in experimentellen aber auch theoretischen Abhandlungen. Neben der theoretischen Beschreibung zur Entstehung solcher Charge Transfer Exzitonen liegt ein besonderes Augenmerk auf dem Einfluss dieser predissoziierten Elektron-Loch Paaren auf die Ladungsseparationsdynamik zwischen Donor und Akzeptor sowie die Generierung von freinen Ladungsträgern. Dieser Aspekt der Ladungsseparation in einem P3HT-PCBM System wurde in dieser Art und Weise in dieser Arbeit zum ersten mal untersucht.
Neben dem zuvor erwähnten Donor-Akzeptor System erster Generation der Universität Straßburg wurde eine zweite Variante dieses Systems entwickelt, welches sich bei bisherigen experimentellen Untersuchungen als wesentlich effizienter erwies. Der interessante Prozess der Ladungsseparation ist dabei allerdings auf einer Zeitskala von mehreren hundert Pikosekunden angesiedelt, sodass kinetische Monte Carlo Methoden verwendet werden mussten um diese Prozesse zu modellieren. Dazu wurde ein Fortran90 Code entwickelt, welcher den First Reaction Method Algorithmus verwendet und explizite Delokalisationsprozesse behandelt, welche in dieser Form in kommerziellen Programmpaketen nicht enthalten ist. In vorangehenden Arbeiten konnte gezeigt werden, dass die Delokalisation von Exzitonen zu einer effektiven Herabsetzung der energetischen Barriere der Ladungsseparation führt und somit die Effizienz zur Stromumwandlung gesteigert werden konnte. Erste Simulationen mit diesem Code an idealisierten und zufällig generierten Donor-Akzeptor Morphologien lieferten realistische Werte für makroskopische Observablen wie Ladungsträgermobilitäten. Weiterhin wurden Simulationen einer coarse-grained Struktur zur zweiten Generation des Donor-Akzeptor Systems durchgeführt, ebenfalls mit Hinblick zur Untersuchung der Ladungsträgermobilität.
Licht ist ein wertvolles Werkzeug zur Regulation biochemischer Reaktionsabläufe. Denn die Applikation von Licht erlaubt eine sehr präzise Einflussnahme auf den Ort und den Startzeitpunkt der zu untersuchenden Reaktionen. Als nichtinvasives Medium bietet die Lichtkontrolle bei der Wahl einer geeigneten Anregungswellenlänge den Vorteil nur minimal in einen lebenden Organismus einzugreifen. Um eine solche lichtbasierte Kontrolle für biologische Anwendungen zu realisieren, ist die Anwesenheit einer lichtsensitiven Verbindung nötig. Ein Konzept der lichtsensitiven Verbindungen ist die sogenannte photolabile Schutzgruppe. Im Allgemeinen handelt es sich hierbei um einen Chromophor der temporär an ein Biomolekül angebracht wurde, um dessen biologische Aktivität zu unterdrücken.
In dieser Arbeit wurde dieses Konzept auf das Antibiotikum Puromycin angewendet, welches durch das synthetische Anbringen der Cumarin-Schutzgruppe DEACM in seiner biologischen Aktivität behindert und durch einen Lichtpuls wieder freigesetzt wurde. DEACM st eine photolabile Schutzgruppe mit breitem Anwendungsspektrum, da es im Vergleich zu anderen Cumarin-Derivaten vorteilhafte photophysikalische Eigenschaften aufweist. Zum einen ist durch den 7-Diethylamino-Substituenten das Absorptionsmaximum dieser Verbindung um etwa 20 nm bathochrom verschoben. Zum anderen zeichnet sich dieses Derivat durch einen erheblich erhöhten Extinktionskoeffizienten aus, sodass eine Freisetzungsreaktion mit einer geringeren Lichtdosis induziert werden kann, was weniger Stress für die Zellen in lebenden Systemen bedeutet.
Die antibiotische Wirkung von Puromycin beruht auf der strukturellen Ähnlichkeit zum5'-Ende von Tyrosyl-tRNA, wodurch sich das Antibiotikum kondonunspezifisch während der Translation der Proteinsynthese an das Ribosom anlagern kann. Anschließend wird die naszierende Polypeptidkette auf das Puromycin transferiert. Da diese neue Bindung unter biologischen Bedingungen nicht spaltbar ist, führt dies zu einer verfrühten Freisetzung des Polypeptid-Puromycin-Fragments. Schließlich ist die Proteinsynthese vollständig abgebrochen.
Die Motivation zur photoinduzierten Kontrolle von Puromycin besteht in der Vielzahl an biologischen Applikationsmöglichkeiten, da die lichtregulierte Freisetzung der biologischen Aktivität als Trigger für sich anschließende biochemische Abläufe verwendet werden kann. Durch das hier gezeigte System kann in Kombination mit anderen Techniken (z.B. NMR) die posttranslationale Proteinfaltung beobachtet werden, welche als hochgradig komplexer Prozess bisher nicht verstanden ist. Eine weitere Motivationsgrundlage ist die Anwendung von DEACM-puromycin in Nervenzellen. Hier kann durch die Photofreisetzung die Proteinsynthese in den Dendriten der Neuronen beobachtet werden, wodurch Rückschlüsse auf neurodegenerative Krankheiten möglich sein sollten, wie z.B. Alzheimer-Krankheit. In dieser Arbeit konnte in-vitro nachgewiesen werden, dass die antibiotische Wirkung von Puromycin mittels Licht kontrollierbar ist. Aus der photophysikalischen Grundcharakterisierung ging hervor, dass DEACM-puromycin einen hohen Extinktionskoeffizienten bei Wellenlängen größer als 380 nm aufweist. Folglich kann zur Induktion der Photolyse eine geringere Lichtdosis mit energiearmer Strahlung als bei dem Vorläufersystem NVOC-puromycin verwendet werden, angesichts dessen ist das hier vorgestellte DEACM-puromycin für Anwendungen in Zellen zu empfehlen.
Über die Kombination von quantenchemischen Rechnungen und spektroskopischen Methoden konnten die frühen Schritte der Freisetzungsreaktion bestimmt und quantifiziert werden. Zudem zeigte sich ein Einfluss der Lösungsmittelzusammensetzung auf die Uncaging-Schritte. In Gegenwart eines protischen Lösungsmittels wird der zum Uncaging in Konkurrenz stehende Prozess der Fluoreszenz unterdrückt, wodurch die Freisetzungsschritte effektiver werden. Zudem führt die Präsenz von Protonen zu einer Stabilisierung des ionischen Intermediates, sodass die Bildung dessen beschleunigt ablaufen kann. Die Spaltung der photolabilen Schutzgruppen vom Puromycin findet mit einer Rate von 0,71*10^8 s-1 statt, welche im Vergleich zu Vorgängersystem um eine Größenordnung größer ist. Die Wiederherstellung der biologischen Aktivität resultiert aber erst nach einem anschließenden Decarboxylierungsschritt. Mithilfe von IR-Messungen konnte die Decarboxylierung beobachtet und daraus die Quantenausbeute zu 2,5% determiniert werden. Die so bestimmte Quantenausbeute entspricht etwa dem Zweifachen von NVOC-puromycin, sodass die hier untersuchte Verbindung eindeutig als das effizientere System zu betrachten ist. Die hier beschriebenen Ergebnisse zeigen, dass DEACM-puromycin vorteilhafte photophysikalische Eigenschafen aufweist, die diese Verbindung zu einem wertvollen Hilfsmittel für eine Vielzahl von lichtkontrollierten Untersuchungen in biologischer Umgebung macht. Zudem wurden Einblicke in den Reaktionsmechanismus gegeben, die das Verständnis der photolytischen Spaltung von Carbamat-geschützten Cumarinen erstmals auf der ultrakurzen Zeitskala ermöglicht.
In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen an zwei verschiedenen Retinalproteinen durchgeführt. Das erste analysierte Retinalprotein, Channelrhodopsin 2, wurde hauptsächlich auf die Beziehung zwischen Retinalisomerisierung und Photozyklus bzw. Funktionalität untersucht. Hierfür wurde das Chromophor all-trans Retinal durch verschiedene, sterisch anspruchsvolle, Retinalanaloga ersetzt. Das 9,12-Phenylretinal wurde bereits in BR erfolgreich eingesetzt, um die Isomerisierung des all-trans Retinals zum 13-cis Retinal in der Bindetasche zu verhindern und die Funktionalität des Proteins zu stoppen. In ChR2 hingegen kann das Phenylretinal nach Lichtanregung isomerisieren und ein Photoprodukt bilden, welches anschließend einen modifizierten Photozyklus durchläuft. In diesen Photozyklus zerfällt das erste Photoprodukt P1' sehr schnell und bildet ein zusätzliches Intermediat, Px, welches zeitlich zwischen dem P1' und P2' Intermediat liegt und eine grundzustandsähnliche Absorptionsbande besitzt. Im Vergleich zum Wildtyp läuft der modifizierte Photozyklus schneller ab als im Wildtyp und das Protein behält seine Funktion. Ein weiteres Retinalanalogon ist das trans-locked Retinal, welches sich als schwierig in das Protein einzubauen erwies. Dies resultierte in zwei verschiedenen Absorptionsbanden, wobei nicht klar war, welche die mit dem korrekt eingebauten Retinal war. Beide Banden wurden in Ultrakurzzeitexperimenten angeregt, hierbei stellte sich heraus, dass die bathochrom verschobene Spezies das korrekt eingebaute Retinal besitzt, da diese auch eine Schwingungsfeinstruktur, wie auch der Wildtyp, zeigt. Das trans-locked Retinal kann ChR2 erfolgreich an der Isomerisierung hindern und zeigt nach dem Zerfall des angeregten Zustandes keine Photoprodukt-Bildung.
Bei dem zweiten Retinalprotein, welches in dieser Arbeit untersucht wurde, handelt es sich um Krokinobacter eikaustus rhodopsin 2. Zuerst wird in dieser Arbeit die Primärreaktion des Proteins untersucht. Diese wurde unter verschiedenen Salzbedingungen, welche wichtig für die spätere Funktion des Proteins sind, jedoch auch Einfluss auf die Ultrakurzzeitdynamik des Proteins nehmen, analysiert. Der angeregte Zustand des Proteins zerfällt biexponentiell, wobei die erste Komponente den reaktiven Pfad und die langsamere Komponente den nicht-reaktiven Pfad beschreibt. Der reaktive Pfad bildet innerhalb einiger hundert Femtosekunden das bathochrom verschobene, isomerisierte J Intermediat, welches durch Kühlprozesse auf der unteren Pikosekundenzeitskala in das K Intermediat übergeht. Beim nicht-reaktiven Pfad zerfällt der angeregte Zustand innerhalb einiger Pikosekunden und geht in den Grundzustand über, ohne dass eine Isomerisierung des Retinals stattfindet. Sind Na+ oder K+ Ionen in der Lösung anwesend, sind diese Prozesse gleich schnell. In Abwesenheit dieser Ionen wird der nicht-reaktive Pfad stärker populiert und zerfällt langsamer. Das gleiche salzabhängige Verhalten konnte mit der Mutante H30A gezeigt werden. Die Aminosäure H30 sitzt im Interface zweier Oligomere in der Nähe der extrazellulären Na+ Bindestelle. Durch die Mutation von Histidin zu Alanin, wird das Protein fast ausschließlich zu einer Na+-Pumpe und pumpt kaum noch Protonen. Die Ultrakurzzeitdynamik bleibt jedoch unbeeinflusst davon und unterscheidet sich nicht vom Wildtyp. Neben dem normalen all-trans Retinal wurden auch hier, wie schon für Channelrhodopsin 2, Retinalanaloga im Wildtyp untersucht, hier hauptsächlich unter dem Aspekt der Farbanpassung. Die hier verwendeten Analoga waren das A2 Retinal und das MMA Retinal (MMAR), die beide durch die Erweiterung des -Systems zum Grundzustand rotverschobene Absorptionsspektren aufweisen. Das A2 Retinal besitzt eine weitere Doppelbindung und das MMAR zwei weitere Doppelbindungen im -Jonen Ring im Vergleich zum Retinal. Das MMAR hat zusätzlich noch eine weitere Methylamino-Gruppe. Durch das größere -System hat das MMAR auch die größere Rotverschiebung im Spektrum. Beide Retinalanaloga zeigen sehr breite ESA Banden und isomerisieren nur zu einem geringen Prozentsatz, die Hauptpopulation der angeregten Moleküle geht über den nicht-reaktiven Pfad zurück in den Grundzustand.
Der Photozyklus von KR2 wurde ebenfalls untersucht. Hierbei wird unter anderem das Verhalten des Proteins unter verschiedenen pH- und Salzbedingungen analysiert. Hierbei konnte festgestellt werden, dass die Dynamik des Natrium-Pump-Zyklus unabhängig vom pH Wert ist. In einem pH Bereich zwischen 6 und 9.5 ändern sich die Lebenszeiten des Zyklus nicht signifikant, jedoch wird die Amplitude des O Intermediats, welches als Indikator für den (nicht Protonen) Ionentransport genutzt wird, bei niedrigem pH Wert geringer. Die geringere Amplitude weist auf einen geringeren Na+-Transport hin. Dies liegt an der Kompetition der zu transportierenden Ionen, in diesem Fall Na+ und H+. Ist die H+ Konzentration viel höher als die Na+ Konzentration, so fängt das Protein an H+ zu pumpen. Unter physiologischen Bedingungen handelt es sich bei KR2 jedoch um eine reine Na+-Pumpe. Sind Kalium-Ionen bei pH 9.5 anwesend, so zeigt das Protein wie auch beim Natrium-Pump-Zyklus ein starkes O Intermediat, was darauf hindeutet, dass auch K+ transportiert werden kann. Dies konnte von Dr. Janina Sörmann (Arbeitsgruppe Bamberg, MPI für Biophysik Frankfurt) auch in elektrophysiologischen Messungen gezeigt werden. Bisher wurde in der Literatur davon ausgegangen, dass K+ vom Wildtyp nicht transportiert werden kann. Um die Photozyklusdynamik des Natrium-Pumpzyklus besser verstehen zu können, wurde die Temperaturabhängigkeit des Photozkylus mit Hilfe der Target Analysis untersucht. Hierbei stellte sich heraus, dass das simple sequentielle Modell K -> L -> M -> O -> GS die besten Fitresultate liefert, obwohl viele verschiedene Modelle mit Verzweigungen oder Rückraten ebenfalls getestet wurden. Resultat der Target Analysis sind unter anderem die Evolution Associated Difference Spectra (EADS). Diese beinhalten die Differenzspektren der einzelnen Zustände, welche um das Grundzustandsbleichen korrigiert werden können, um die Evolution Associated Spectra (EAS) zu bilden. Durch Entfaltung dieser EAS (auf der Energieskala) konnten die Reinspektren der einzelnen Photointermediate K, L, M und O berechnet werden. Auffällig hierbei war, dass das M Intermediat eine geringere Blauverschiebung als erwartet aufwies, was höchstwahrscheinlich an der Elektrostatik in der Retinal-Bindetasche liegt. Durch die Entfaltung der Spektren konnten ebenfalls die Gleichgewichte, welche zu schnell sind, um in der Target Analysis aufgelöst zu werden, bestimmt werden. Die K, L und M Intermediate stehen, je nach Temperatur, in verschiedenen Gleichgewichten zueinander, während das O Intermediat, keine Gleichgewichte eingeht und nur separiert von den anderen Intermediaten auftaucht. Dies bedeutet, dass sich zwischen M und O Intermediat ein unidirektionaler Schritt im Photozyklus befinden muss. Dieser hängt wahrscheinlich mit dem Na+-Transport zusammen, da das Ion beim Übergang vom M zum O aufgenommen und an der Schiffbase vorbei transportiert werden muss.
Um den Photozyklus besser untersuchen zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Anlage zur transienten Blitzlichtphotolyse aufgebaut und die bestehende Breitband-Blitzlichtphotolyse automatisiert und verbessert. Hierfür wurden mithilfe von MATLAB und LABVIEW verschiedene Programme zur Datenakquisition, -verarbeitung und -analyse geschrieben. Für die transiente Blitzlichtphotolyse musste ein Datenreduzierungsprogramm entwickelt werden, um die mehrere Gigabyte großen Datensätze auf eine verarbeitbare Größe, mit gleichzeitiger Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, zu bringen. In der Breitband-Blitzlichtphotolyse konnte ein Pulsverzögerungsgenerator als zentrale Steuereinheit aller Komponenten der Breitband-Blitzlichtphotolyse eingesetzt und programmiert werden, um das Messverfahren zu automatisieren. Anschließend musste noch ein neues Datenverarbeitungsprogramm geschrieben werden, welches die Daten für die anschließende Analyse zusammenstellt und vorbereitet. Die neuen Programme gewähren einen reibungslosen Anschluss an die Analysesoftware OPTIMUS, welche in der Arbeitsgruppe genutzt wird.
Ribonucleic acid oligonucleotides (RNAs) play pivotal roles in cellular function (riboswitches), chemical biology applications (SELEX-derived aptamers), cell biology and biomedical applications (transcriptomics). Furthermore, a growing number of RNA forms (long non-coding RNAs, circular RNAs) but also RNA modifications are identified, showing the ever increasing functional diversity of RNAs. To describe and understand this functional diversity, structural studies of RNA are increasingly important. However, they are often more challenging than protein structural studies as RNAs are substantially more dynamic and their function is often linked to their structural transitions between alternative conformations. NMR is a prime technique to characterize these structural dynamics with atomic resolution. To extend the NMR size limitation and to characterize large RNAs and their complexes above 200 nucleotides, new NMR techniques have been developed. This Minireview reports on the development of NMR methods that utilize detection on low-γ nuclei (heteronuclei like 13C or 15N with lower gyromagnetic ratio than 1H) to obtain unique structural and dynamic information for large RNA molecules in solution. Experiments involve through-bond correlations of nucleobases and the phosphodiester backbone of RNA for chemical shift assignment and make information on hydrogen bonding uniquely accessible. Previously unobservable NMR resonances of amino groups in RNA nucleobases are now detected in experiments involving conformational exchange-resistant double-quantum 1H coherences, detected by 13C NMR spectroscopy. Furthermore, 13C and 15N chemical shifts provide valuable information on conformations. All the covered aspects point to the advantages of low-γ nuclei detection experiments in RNA.
Living matter is defined by metastability, implying a tightly balanced synthesis and turnover of cellular components. The first step of eukaryotic protein degradation via the ubiquitin-proteasome system (UPS) leads to peptides, which are subsequently degraded to single amino acids by an armada of proteases. A small fraction of peptides, however, escapes further cytosolic destruction and is transported by ATP-binding cassette (ABC) transporters into the endoplasmic reticulum (ER) and lysosomes. The ER-resident heterodimeric transporter associated with antigen processing (TAP) is a crucial component in adaptive immunity for the transport and loading of peptides onto major histocompatibility complex class I (MHC I) molecules. Although the function of the lysosomal resident homodimeric TAPL-like (TAPL) remains, until today, only loosely defined, an involvement in immune defense is anticipated since it is highly expressed in dendritic cells and macrophages. Here, we compare the gene organization and the function of single domains of both peptide transporters. We highlight the structural organization, the modes of substrate binding and translocation as well as physiological functions of both organellar transporters.
Super-resolution optical fluctuation imaging (SOFI) is a super-resolution microscopy technique that overcomes the diffraction limit by analyzing intensity fluctuations of statistically independent emitters in a time series of images. The final images are background-free and show confocality and enhanced spatial resolution (super-resolution). Fluorophore photobleaching, however, is a key limitation for recording long time series of images that will allow for the calculation of higher order SOFI results with correspondingly increased resolution. Here, we demonstrate that photobleaching can be circumvented by using fluorophore labels that reversibly and transiently bind to a target, and which are being replenished from a buffer which serves as a reservoir. Using fluorophore-labeled short DNA oligonucleotides, we labeled cellular structures with target-specific antibodies that contain complementary DNA sequences and record the fluctuation events caused by transient emitter binding. We show that this concept bypasses extensive photobleaching and facilitates two-color imaging of cellular structures with SOFI.
Metabolic syndrome (MetS) is a highly prevalent disease cluster worldwide. It requires polypharmacological treatment of the single conditions including type II diabetes, hypertension, and dyslipidemia, as well as the associated comorbidities. The complex treatment regimens with various drugs lead to drug-drug interactions and inadequate patient adherence, resulting in poor management of the disease. Multi-target approaches aim at reducing the polypharmacology and improving the efficacy. This review summarizes the medicinal chemistry efforts to develop multi-target ligands for MetS. Different combinations of pharmacological targets in context of in vivo efficacy and future perspective for multi-target drugs in MetS are discussed.
Die vorliegende Arbeit mit dem Titel Multiphoton Processes and Photocontrol of Biochemical Reaction Pathways befasst sich mit verschiedenen Strategien zur Implementierung von optischer Kontrolle in biochemisch relevanten Systemen. Auf systemischer Ebene wurde einerseits die Licht-getriebene Natriumpumpe Krokinobacter Eikastus Rhodopsin 2 (KR2) vor dem Hintergrund optogenetischer Anwendungen untersucht, und andererseits die Optimierung der wichtigsten photochemischen Parameter von photolabilen Schutzgruppen (PPG, engl. photolabile protecting group) angestrebt. Von der technisch-photophysikalischen Seite wurde ein weiterer Fokus auf den Aktivierungs- und Deaktivierungsschritt gelegt. Hierbei wurden vor allem Mehrphotonen-Prozesse betrachtet, die entweder durch simultane Absorption zweier Photonen zu einer spezifischen hoch-energetischen Anregung führen, oder durch sequentielle Absorption eine sukzessive Aktivierung und Deaktivierung eines Systems bewerkstelligen können. Auch wenn der Schwerpunkt dieser schriftlichen Arbeit auf den spektroskopischen Ergebnissen liegt, waren alle hier diskutierten Projekte stark kollaborativ und umfassten eine große Bandbreite verschiedener Techniken. Dies spiegelt den interdisziplinären Charakter vieler aktueller Fragestellungen in der photochemischen Forschung wider, die - in vielen Fällen - letztlich auf medizinische oder pharmazeutische Fortschritte abzielen.
Zunächst wurde die lichtgetriebene Natriumpumpe KR2 untersucht, die durch ihre mögliche Anwendung als optogenetisches Werkzeug bekannt wurde. In einer vergleichenden Studie der Natrium- und Protonenpumpmodi von KR2 konnten wichtige mechanistische Prinzipien für die Funktionalität des Proteins identifiziert werden. Dazu gehört die direkte Beteiligung spezifischer Strukturmerkmale wie die Aminosäure N112 und/oder der ECL1-Domäne am Ionen-Translokationsweg, sowie das enge Zusammenspiel zwischen dem Retinal und seinem Gegenion D116. Gleichzeitig bot diese IR-Studie einen der ersten mechanistischen Einblicke in den Protonenpump-Photozyklus in KR2, der deutlich weniger erforscht war. In Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis Glaubitz wurden die strukturellen Veränderungen des Chromophors und seiner Umgebung während der verschiedenen Photointermediate mittels DNP-verstärkter Festkörper-NMR und optischer Spektroskopie näher untersucht. Hier trugen zeitaufgelöste IR-Messungen in der HOOP (engl. hydrogen out of plane)-Moden-Region dazu bei, die dynamischen Veränderungen der Chromophorkonfiguration und -Verdrillung zu verfolgen. Es konnte gezeigt werden, dass Retinal im O-Intermediat tatsächlich zu seiner all-trans-Konfiguration reisomerisiert wird, aber im Vergleich zu seiner Dunkelzustandskonfiguration deutlich stärker verdreht vorliegt.
Dies wurde auch durch die Ergebnisse im nahen UV-Bereich bestätigt, welcher bei der Charakterisierung von mikrobiellen Rhodopsinen oft ausgelassen wird. Die neu gefundene Signatur erwies sich als SBS (engl. second bright state) der 13-cis-Konfiguration des Retinals, die mit der Bildung des O-Intermediats in KR2 verschwindet. Neben der offensichtlichen Verwendung als spektraler Marker wurde der SBS-Übergang auch bezüglich seiner Anwendbarkeit für optische Kontrollexperimente untersucht. Ähnlich wie beim BLQ (engl. blue light quenching)-Effekt war es möglich, den KR2-Dunkelzustand durch Anwendung von fs-Pulsen im nahen UV - ausgehend von einem photostationären Zustand - zu regenerieren. Durch Variation der Probenbedingungen war es möglich, gezielt K (pH~5) oder M (pH~9) anzusteuern, was sich auch in unterschiedlichen Deaktivierungs-Dynamiken äußerte. Diese Ergebnisse können zusammen mit dem hier vorgeschlagenen experimentellen Konzept als Grundlage für komplexere Multiphotonen-Sequenzen im Zusammenhang optogenetischer Fragestellungen verwendet werden.
Im Gegensatz zu den recht großen und komplexen Photorezeptoren bieten unter anderem PPGs einen feineren Weg, um biochemische Reaktionen gezielt zu steuern und auszulesen. In diesem Zusammenhang sind zwei Eigenschaften von großer Bedeutung: Einerseits die Fähigkeit der PPG, Photonen bestimmter Wellenlängen zu absorbieren, und andererseits die Effizienz der gewünschten photochemischen Reaktion. Der letztgenannte Aspekt wurde unter der Hypothese untersucht, dass die Verringerung der konkurrierenden Deaktivierungskanäle in PPGs zu einer höheren Quantenffizienz der Freisetzung führt. Dies wurde an DEACM-basierten Modellverbindungen getestet, die systematisch modifiziert wurden, um verschiedene Deaktivierungsprozesse des angeregten Zustands zu identifizieren. Durch das Hinzufügen eines zusätzlichen sechsgliedrigen Rings wurde die Freisetzungsausbeute im Vergleich zu DEACM um das 2- bis 3-fache erhöht. Dies konnte durch eine weitere Planarisierung des Systems mit einer zusätzlichen Doppelbindung an der C6-Position sogar noch weiter verbessert werden (bis zu einem Faktor von 5-6). Die Anregung des Cumarin-Rückgrats führt zu einem lokal-angeregten Zustand, der sich im Gleichgewicht mit einem Ladungstransferzustand befindet. In Abhängigkeit der lokalen Umgebung, die vor allem durch die Protizität und Polarität des Lösungsmittels bestimmt wird, wird der Ladungstransfercharakter eher stabilisiert oder gar destabilisiert. Die Ladungsverschiebung führt auch zu einer Abschwächung der spaltbaren C-C-Bindung, die eine Voraussetzung für die Freisetzungsreaktion ist. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass der mit der Freisetzungsreaktion verbundene zusätzliche Zerfallskanal zu einer mehr als 2-fachen Verringerung der Lebensdauer des angeregten Zustands in den funktionalisierten PPGs führt. Diese Eigenschaft ist ein vielversprechender photophysikalischer Indikator für die Freisetzung der Abgangsgruppe, der durch spektroskopische oder - mit zusätzlicher räumlicher Auflösung - auch durch mikroskopische Techniken wie in der Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie ausgelesen werden könnte...
Inflammation or injury to the somatosensory nervous system may result in chronic pain conditions, which affect millions of people and often cause major health problems. Emerging lines of evidence indicate that reactive oxygen species (ROS), such as superoxide anion or hydrogen peroxide, are produced in the nociceptive system during chronic inflammatory and neuropathic pain and act as specific signaling molecules in pain processing. Among potential ROS sources in the somatosensory system are NADPH oxidases, a group of electron-transporting transmembrane enzymes whose sole function seems to be the generation of ROS. Interestingly, the expression and relevant function of the Nox family members Nox1, Nox2, and Nox4 in various cells of the nociceptive system have been demonstrated. Studies using knockout mice or specific knockdown of these isoforms indicate that Nox1, Nox2, and Nox4 specifically contribute to distinct signaling pathways in chronic inflammatory and/or neuropathic pain states. As selective Nox inhibitors are currently being developed and investigated in various physiological and pathophysiological settings, targeting Nox1, Nox2, and/or Nox4 could be a novel strategy for the treatment of chronic pain. Here, we summarize the distinct roles of Nox1, Nox2, and Nox4 in inflammatory and neuropathic processing and discuss the effectiveness of currently available Nox inhibitors in the treatment of chronic pain conditions.
In Vorarbeiten wurde gezeigt, dass der Kaliumkanal Slack an der Verarbeitung neuropathischer Schmerzen funktionell beteiligt ist und dass das klassische Neuroleptikum Loxapin Slack-abhängig neuropathisches Schmerzverhalten im Mausmodell lindert (Lu et al. 2015).
Ausgehend von Loxapin als Leitstruktur wurden in der vorliegenden Arbeit im FluxOR™ Kaliumkanal-Assay an Slack-transfizierten HEK-Zellen insgesamt 68 neue Loxapin-Derivate gescreent. Hierbei wurden 23 Substanzen mit Slack-aktivierenden Eigenschaften identifiziert, von denen VHP93, VH408 und VH425 weiter in vivo untersucht wurden. Dabei zeigten Mäuse nach systemischer Gabe von VHP93 ein reduziertes Verhalten in einem Modell für neuropathische Schmerzen. Dem gegenüber wurde durch VH408 das Verhalten im neuropathischen Schmerzmodell nicht beeinflusst.
Des Weiteren konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass durch eine Slack-Aktivierung nicht nur neuropathisches Schmerzverhalten gehemmt wird, sondern auch die Kratzreaktionen im Chloroquin-Modell des Histamin-unabhängigen Juckreizes reduziert werden können.
Neben Slack wurde in dieser Arbeit auch die Gewebsexpression und funktionelle Bedeutung des eng mit Slack verwandten Kaliumkanals Slick charakterisiert. Expressionsanalysen ergaben, dass Slick überwiegend in dünn myelinisierten A-delta-Fasern und inhibitorischen Interneuronen im Dorsalhorn des Rückenmarks lokalisiert ist. Tierexperimentelle Untersuchungen zeigten, dass Slick-Knockout-Mäuse ein erhöhtes Schmerzverhalten nach thermischer Stimulation aufwiesen. Außerdem wurde bei Slick-Knockout-Mäusen in der späten Phase des Capsaicin- und Formalin-Tests ein signifikant erhöhtes Leckverhalten verzeichnet. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern somit Hinweise auf eine funktionelle Beteiligung von Slick bei der Detektion von Hitzeschmerzen und bei der TRPV1- und TRPA1-vermittelten Schmerzantwort. Zusammengefasst zeigen diese Daten, dass Slick vorrangig an der Verarbeitung thermischer und chemischer Noxen beteiligt ist und dabei eine antinozizeptive Funktion ausübt.
The absolute configurations of the diastereomeric 10-hydroxyaloins, which may be regarded as parent structures for other naturally occurring oxanthrone-C-glucosyls, have been established as 10R, 16 R (A) and 10 S, 16 R (B) by an X-ray structure analysis of the A-octaacetyl derivative (C 16 is the anomeric glucosyl carbon atom). The determination was confirmed by CD spectroscopic comparison with the structural analogues aloins A and B, which should prove useful for making future configurational assignments within this class of compounds. A conformational analysis by the use of a molecular modeling method based on force-field calculations reveals the presence of an extra- and an intra-form, the extra-form of which is energetically preferred.
From the leaf exudate of Aloe lateritia ENGLER the C-glucosyl com pounds homonataloin, aloeresin A and aloesin (synon. aloeresin B) were isolated together with the anthraquinone nataloeem odin-8-methylether and spectroscopically identified. Hom onataloin, widely distributed in Aloe species, was separated into homonataloin A and B by combined TLC and DCCC. In their 1 D and 2D 1H NMR spectra only the shifts of the 2′-hydroxyl protons of both glucosyl residues differ significantly, indicative of 10 S (A) resp. 10 S (B) configurations. In both com pounds the anthrone is in β-position of the D-glucopyranosyl, as determined by the large coupling constants of the anomeric protons. The 13C NMR signals are unambiguously assigned by the use of DEPT, APT and gated-decoupling methods. Only the chemical shifts of C -11 and C -14 show significant differences between both diastereomers due to the adjacent 2′-sugar hydroxyls. The two homonataloins differ mostly in optical rotation and circulardichroism due to different configurations at C - 10 of the anthrone part. The absolute configurations of the diastereomers are determined by correlation of their CD spectra with the CD spectra of the structural analogues 7-hydroxyaloins A and B, which shows that hom onataloin A is the 10 S, 1′S-compound and that homonataloin B has 10 R, 1′S-configuration.
This thesis reports on the results obtained by expression photoactivatable adenylyl cyclase from Beggiatoa spp. (bPAC) in cholinergic neurons from Caenorhabditis elegans (C. elegans) and the characterization of the role of a single neuron, RIS, during locomotion in the adult animal.
Pharmacological activation of adenylyl cyclases through Forskolin is known to induce increased neuronal output in diverse model organisms through a protein kinase A (PKA) dependent mechanism. Nevertheless, pharmacological assays are not spatially restricted, do not allow for precise and acute activation nor to cessation of the signal. Thus, an optogenetic approach for was selected trough the expression of photoactivatable adenylyl cyclase from Beggiatoa spp. (bPAC) in cholinergic neurons of Caenorhabditis elegans (C. elegans). This model organism was chosen due to its transparency, ease of maintenance, fast generation cycles as well as for being an eutelic animal. Further, its genome has been fully sequenced and the connectome of the neuronal network is known, thus allowing for precise analysis of neuronal function. Furthermore, the molecular mechanisms governing neuronal functions are well conserved up to primates. Mainly two optogenetical tools were applied, bPAC and the light gated cation channel channelrhodopsin 2 (ChR2).
Behavioral assays of bPAC photostimulation in cholinergic neurons recapitulated previous work performed with the photoactivatable adenylyl cyclase from Euglena gracilis (EuPACa), in which swimming frequency and speed on solid substrate were increased. Electrophysiological recordings of body wall muscle (BWM) cells by Dr. Jana F. Liewald showed that bPAC photoactivation led to an increase in miniature postsynaptic current (mPSC) rate and, in contrast to ChR2 invoked depolarization, also amplitude. Analysis of mutants deficient in neuropeptidergic signaling (UNC- 31) via electrophysiology performed by Dr. Jana F. Liewald showed that the increase in mPSC amplitude due to bPAC photoactivation requires neuropeptide release. This was confirmed by co-expression of bPAC with the neuropeptide marker NLP-21::Venus and subsequent fluorescence analysis of release, exploiting the fact that released neuropeptides are ultimately degraded by scavenger cells (coelomocytes). These were enriched with NLP-21::Venus after bPAC photostimulation, but no fluorescence could be observed in the UNC-31 mutants.
Additional analysis of the electrophysiological data performed by myself showed no modulation of mPSC kinetics dues to neuropeptidergic release induced by bPAC. Hence, neuropeptide release and action sites were in the cholinergic neurons, the latter including cholinergic motoneurons.
Dr. Szi-chieh Yu provided electron microscopy images of high pressure frozen, bPAC or ChR2 expressing animals. These were tagged by myself for automatic analysis of ultrastructural properties of the cholinergic presynapse, also during photoactivation of both optogenetic tools. Photoactivation of both induced a reduction of synaptic vesicles, with ChR2 showing a more severe effect. In contrast to ChR2, though, bPAC also reduced the amount of dense core vesicles (DCV), the neuropeptide transporters. Additionally, long bPAC photoactivation as well as ChR2 photoactivation led to the appearance of large vesicles (LV), presumably in response to the increased SV fusion rate. bPAC photostimulation also induced an increase in SV size, not observed after ChR2 photostimulation. In UNC-31 mutants, bPAC photostimulation could not lead to the SV size increase, a further argument for the presynaptic effect of the released neuropeptide. Additional analysis of electrophysiology paired with pharmacology, performed by Dr. Jana F. Liewald, showed that mPSC amplitude increase requires the function of the vesicular acetylcholine transporter.
A further effect observed in the ultrastructure of bPAC photostimulated cholinergic presynapses was a shift in the distribution of SV regarding the dense projection. An analysis of cAMP pathway mutants showed that synapsin is required for bPAC induced behavior effects. Synapsin is known to mediate SV tethering to the cytoskeleton. Here, I show evidence for a new role of synapsin in controlling the availability of DCVs for fusion and thus, in neuropeptidergic signaling.
In the second part of my thesis I characterized the function of the GABAergic interneuron RIS in the neuronal network of C. elegans. RIS was shown to induce lethargus, a sleep-like state, during all larval molts, but its function in the adult animal was not yet described. Specific RIS expression of ChR2 achieved by a recombinase based system allowed to acutely depolarize the neuron during locomotion, which led to an acute behavioral stop. Diverse signal transduction pathway mutants were analyzed showing that the phenotype was induced by neuropeptidergic signaling. Through mutagenesis followed by whole genome sequencing data analysis as well as analysis of RIS specific RNA sequencing data further narrowed the signal transduction pathway to mediate the locomotion stop behavior. Since the neuropeptide and, to some extent, the neuron are conserved across nematodes, an argument is outlined in favor of the conservation of this sleep-like state.
In addition, since ChR2 could induce neuropeptidergic signaling from RIS, secretion of vesicles is regulated by variable pathways depending on the neuronal identity. Nevertheless, expression of bPAC in RIS allowed to optogenetically increase the probability of short stops, as observed by expression of a calcium sensor (GCaMP) in RIS and analysis of its intrinsic activity in the adult animal.
Locomotion, the way animals independently move through space by active muscle contractions, is one of the most apparent animal behaviors. However, in many situations it is more beneficial for animals to actively prevent locomotion, for instance to briefly stop before reorienting with the aim of avoiding predators, or to save energy and recuperate from stress during sleep. The molecular and cellular mechanisms underlying such locomotion inhibition still remain elusive. So, the aim of this study was to utilize the practical genetic model organism Caenorhabditis elegans to efficiently tackle relevant questions on how animals are capable of suppressing locomotion.
Nerve cells, mostly called neurons, are known to control locomotion patterns by activating some and inhibiting other muscle groups in a spatiotemporal manner via local secretion of molecules known as neurotransmitters. This study particularly focuses on whether neuropeptides modulate such neurotransmission to prevent locomotion. Neuropeptides are small protein-like molecules that are secreted by specific neurons and that act in the brain by activating G protein-coupled receptors (GPCRs) expressed in other target neurons. They can act as hormones, neuromodulators or neurotransmitters. DNA sequences coding for neuropeptides and their cognate receptors are similar across diverse species and thus indicate evolutionary conservation of their molecular signaling pathways. This could potentially also imply that regulatory functions of specific neuropeptides are also similar across species and are thus meaningful to unravel more general mechanisms for instance underlying locomotion inhibition.
Specifically, we find that the modulatory interneuron RIS constitutes a dedicated stop neuron of which the activity is sufficient to initiate rapid locomotion arrest in C. elegans while maintaining its body posture. Similar to its known function in larval sleep, RIS requires RFamide neuropeptides encoded by the flp 11 gene for this activity, in addition to GABA. Furthermore, we find that spontaneous calcium activity transients in RIS are compartmentalized and correlated with locomotion stop. These findings illustrate that a single neuron can regulate both stopping and sleeping phenotypes.
Secondly, we show that C. elegans RPamide neuropeptides encoded by nlp-22 and nlp-2 regulate sleep and wakefulness, respectively. We unexpectedly find that these peptides activate gonadotropin-releasing hormone (GnRH)-like receptors dose dependently and we highlight their sequence resemblance to other bilaterian GnRH-like neuropeptides. In addition, we show that these receptors are expressed in distinct subsets of neurons that are associated with motor behavior. Finally, we show that nlp 22 encoded peptides signal through GNNR 6 receptors to regulate larval sleep and that nlp 2 encoded peptides require both GNRR 3 and GNRR 6 receptors to promote wakefulness.
In sum, we find that locomotion inhibition in C. elegans is regulated by multiple, but evolutionary conserved RFamide and GnRH-like RPamide neuropeptidergic signaling pathways.
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.
Autophagy is an important degradation pathway mediating the engulfment of cellular material (cargo) into autophagosomes followed by degradation in autophagosomes.
Different stress stimuli, e.g. nutrient deprivation, oxidative stress or organelle damage, engage autophagy to maintain cellular homeostasis, recycle nutrients or remove damaged cell organelles. Autophagy not only degrades bulk cytoplasmic material but also selective autophagic cargo, for example lysosomes (lysophagy), mitochondria (mitophagy), ER (ER-phagy), lipid droplets (lipophagy), protein aggregates (aggrephagy) or pathogens (xenophagy). Selective autophagy pathways are regulated by selective autophagy receptors which bind to ubiquitinated cargo proteins and link them to LC3 on the autophagosomal membrane.
Ubiquitination is an essential post-translational modification controlling different cellular processes such as proteasomal and lysosomal degradation or innate immune signaling.
M1-linked (linear) poly-Ubiquitin (poly-Ub) chains are exclusively assembled by the E3 ligase linear ubiquitin chain assembly complex (LUBAC) and removed by the M1 poly-Ub-specific OTU domain-containing deubiquitinase with linear linkage specificity (OTULIN). In addition to key functions in innate immune signaling and nuclear factor-κB (NF-κB) activation, M1 ubiquitination is also implicated in the regulation of autophagy.
LUBAC and OTULIN control autophagy initiation and maturation and the autophagic clearance of invading bacteria via xenophagy. However, additional functions of LUBAC- and OTULIN-regulated M1 ubiquitination in autophagy are largely unknown and it also remains unexplored if LUBAC and OTULIN control other selective autophagy pathways in addition to xenophagy. This study aimed to unravel the role of LUBAC- and OTULIN-controlled M1 ubiquitination in bulk and selective autophagy in more detail.
In this study, characterization of OTULIN-depleted MZ-54 glioblastoma (GBM) cells revealed that OTULIN deficiency results in enhanced LC3 lipidation in response to autophagy induction and upon blockade of late stage autophagy with Bafilomycin A1 (BafA1). Furthermore, electron microscopy analysis showed that OTULIN-deficient cells have an increased number of degradative compartments (DGCs), confirming enhanced autophagy activity upon loss of OTULIN. APEX2-based autophagosome content profiling identified various OTULIN-dependent autophagy cargo proteins. Among these were the autophagy receptor TAX1BP1 which regulates different forms of selective autophagy (e.g. lysophagy, aggrephagy) and the glycan-binding protein galectin-3 which serves key functions in lysophagy, suggesting a role of OTULIN and M1 poly-Ub in the regulation of aggrephagy and lysophagy.
Abstract 2
To study aggrephagy, protein aggregation was induced with puromycin which causes premature termination of translation and accumulation of defective ribosomal products (DRiPs). Loss of OTULIN increased the number of M1 poly-Ub-positive foci and insoluble proteins and reduced the levels of soluble TAX1BP1 and p62 in response to puromycin-induced proteotoxic stress.
Intriguingly, upon induction of lysosomal membrane permeabilization (LMP) with the lysosomotropic drug L-Leucyl-L-Leucine methyl ester (LLOMe), M1 poly-Ub strongly accumulated at damaged lysosomes and colocalized with TAX1BP1- and galectin-3-positive puncta. M1 poly-Ub-modified lysosomes formed a platform for NF-κB essential modulator (NEMO) and inhibitor of κB (IκB) kinase (IKK) complex recruitment and local NF-κB activation in a K63 poly-Ub- and OTULIN-dependent manner. Furthermore, inhibition of lysosomal degradation enhanced LLOMe-induced cell death, suggesting pro-survival functions of lysophagy following LMP. Enrichment of M1 poly-Ub at damaged lysosomes was also observed in human dopaminergic neurons and in primary mouse embryonic cortical neurons, confirming the importance of M1 poly-Ub in the response to lysosomal damage.
Together, these results identify OTULIN as a negative regulator of autophagy induction and the autophagic flux and reveal OTULIN-dependent autophagy cargo proteins.
Furthermore, this study uncovers novel and important roles of M1 poly-Ub in the response to lysosomal damage and local NF-κB activation at damaged lysosomes.
Through its role in intron cleavage, tRNA splicing endonuclease (TSEN) plays a critical function in the maturation of intron-containing pre-tRNAs. The catalytic mechanism and core requirement for this process is conserved between archaea and eukaryotes, but for decades, it has been known that eukaryotic TSENs have evolved additional modes of RNA recognition, which have remained poorly understood. Recent research identified new roles for eukaryotic TSEN, including processing or degradation of additional RNA substrates, and determined the first structures of pre-tRNA-bound human TSEN complexes. These recent discoveries have changed our understanding of how the eukaryotic TSEN targets and recognizes substrates. Here, we review these recent discoveries, their implications, and the new questions raised by these findings.
Focused electron and ion beam induced deposition (FEBID/FIBID) methods have gained significant attention in recent years because of their unique ability for the maskless fabrication of arbitrary three-dimensional shapes. Both techniques enable material deposition down to the nanoscale for applications in materials science and condensed matter physics. However, the number of suitable precursor molecules, especially for high purity deposits, is usually still very limited to date. Additionally, both the FEBID and FIBID process are very complex when assessed in detailed and the development of process-optimize, tailored precursor molecules is not yet possible.
In the first part of this work hexacarbonyl vanadium (V(CO)6) and dimanganese decacarbonyl (Mn2(CO)10) are investigated for their use in FEBID in order to complement the already existing data on transition metal carbonyl precursors. In addition, chemical vapor deposition (CVD) has been carried out to compare compositional differences for electron induced and purely thermal processes. FEBID using V(CO)6 resulted in the formation of a vanadium (oxy)carbide material with a V:C ratio of approx. 0.6-0.9. The material shows a temperature-dependent normalized electrical conductance typical for granular metals in agreement with TEM analysis. Additionally, characterization of the crystalline fractions reveals a cubic VC1-xOx phase in agreement with the phase observed in CVD thin films. Thermal decomposition using CVD yielded material of higher purity with V:C ratios of 1.1-1.3. In contrast, an insulating material with approx. 40 at% Mn is obtained for FEBID using Mn2(CO)10 as precursor with very similar compositions being observed for CVD thin films.
The second part of this work deals with the deposition of defined alloy materials by focused charged particle beam deposition. Three silyl substituted transition metal carbonyl complexes have been synthesized and tested for FEBID, FIBID and CVD. The three precursors investigated were: H3SiMn(CO)5, H3SiCo(CO)4, and H2Si(Co(CO)4)2. FEBID experiments with the manganese derivative show the selective loss of silicon, and metal/metalloid contents of up to 49 at%. Contrary, material derived from both cobalt derivatives did retain the 1:1 and 2:1 Co:Si ratios respectively, resulting in metal/metalloid contents of up to 62 at%. Temperature-dependent normalized electrical conductance measurements of as-grown and post-growth electron beam irradiated samples reveal behavior typical for granular metals except for the as-grown CoSi material which is located on the insulating side of the metal-insulator transition. Ga+-FIBID revealed H2Si(Co(CO)4)2 to be a very suitable precursor, retaining the predefined Co:Si ratio in the deposits, while significant loss of silicon was observed for H3SiCo(CO)4 derived deposits. Contrary to FEBID high metal/metalloid contents of up to 90 at% are obtained. Additionally, temperature dependent electrical properties of dicobalt silicide and the expected ferromagnetic behavior have been observed for the Co2Si-FIBID material. Further analysis enables the proposition of different dominating decomposition channels in FEBID and FIBID based on microstructural features such as bubble formation in FIBID materials.
tRNAs are L-shaped RNA molecules of ~ 80 nucleotides that are responsible for decoding the mRNA and for the incorporation of the correct amino acid into the growing peptidyl-chain at the ribosome. They occur in all kingdoms of life and both their functions, and their structure are highly conserved. The L-shaped tertiary structure is based on a cloverleaf-like secondary structure that consists of four base paired stems connected by three to four loops. The anticodon base triplet, which is complementary to the sequence of the mRNA, resides in the anticodon loop whereas the amino acid is attached to the sequence CCA at the 3′-terminus of the molecule. tRNAs exhibit very stable secondary and tertiary structures and contain up to 10% modified nucleotides. However, their structure and function can also be maintained in the absence of nucleotide modifications. Here, we present the assignments of nucleobase resonances of the non-modified 77 nt tRNAIle from the gram-negative bacterium Escherichia coli. We obtained assignments for all imino resonances visible in the spectra of the tRNA as well as for additional exchangeable and non-exchangeable protons and for heteronuclei of the nucleobases. Based on these assignments we could determine the chemical shift differences between modified and non-modified tRNAIle as a first step towards the analysis of the effect of nucleotide modifications on tRNA’s structure and dynamics.
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.
This doctoral thesis deals with the structural and dynamical NMR characterization of biomolecules, covering a broad range of proteins, from small peptides to large GPCRs proteins. This work consists of two projects, which are presented in chapter II and III. Chapter II is focused on the structural screening of peptides and small proteins ranging from 14 to 71 amino acids, while chapter III describes the structure and light dynamics of the disease relevant rhodopsin G90D mutant. The main method used to investigate both types of proteins is NMR spectroscopy. Both chapters comprise individual general introduction, materials and methods, results and discussion sections, and a final conclusion paragraph.
‘Chapter I: Methodological aspects of protein NMR spectroscopy’ presents an overview of different NMR methods developed for the rapid characterization of protein structure and dynamics. Multidimensional NMR, which is routinely used in structural biology, is indispensable for protein structure determination in solution. However, detailed information with resolution at the atomic level is time consuming and requires weeks of expensive measurement time, followed by the manual data analysis. Therefore, the development of time-saving NMR techniques is highly required for screening studies of a large amount of proteins, and can be also helpful for studying unstable biomolecules, as their short lifetime often restricts the experimental procedure.
This chapter covers the two main approaches to accelerate a multidimensional NMR experiment: fast-pulsing techniques that aim to reduce the duration of an individual measurement, and non-uniform sampling technique (NUS), which was developed to reduce the overall number of increments in virtual time domains. A combination of both approaches, fast-pulsing and non-uniform sampling, allows speeding up the measurement time by 2-3 orders of magnitude. Furthermore, recently developed software called TA (targeted acquisition) combines various time-saving approaches, including fast-pulsing, non-uniform sampling and targeted acquisition. Targeted acquisition algorithm records a set of multidimensional NMR spectra in semi-interleaved incremental mode. This provides the ability to monitor the quality of the recorded spectra in real-time and therefore enables the completion of the experiments after the desired quality is achieved. Using this approach will greatly reduce the measurement time without losing important structural information. The implemented automated FLYA assignment further contributes to the rapid and simplified readout of the chemical shift assignment progress of the TA program. During this doctoral dissertation, the scientific collaboration with the TA software developer Prof. Vladislav Orekhov (Sweden) took place, and resulted in the successful establishing of this new NMR technology in the Schwalbe laboratory. TA is now routinely applied in Prof. Schwalbe group for the structure elucidation of small proteins.
‘Chapter II: Rapid NMR and biophysical characterization of small proteins’ describes the structural analysis of peptides and small proteins, which were recently identified within the framework of the Priority Program (SPP 2002). Due to technical limitations in detections of small systems and strict assumptions concerning the smallest size of the gene that can be translated, small open reading frames (sORFs) were excluded from the automated gene annotation for a very long time. Thanks to the newly developed computational and experimental approaches, the ability to identify and detect the small proteins consisting of less than approximately 70 amino acids sparked a growing scientific interest by microbiologist. In the past years, hundreds of new short protein sequences were discovered. Although some peptides were found to be involved in diverse essential biological processes, the functional elucidation of a large number of recently discovered peptides and small proteins remains a challenging task. It is well established that the structure of proteins is often linked to their function. However, the size of small constructs often restricts the possible diversity of secondary structure elements that might be adopted by a protein. Furthermore, as was shown for intrinsic discorded proteins (IDPs), the absence of a well-defined three-dimensional structure does not necessarily mean lack of function. Moreover, peptides, which are initially unstructured in the isolated form can fold in a stable structured conformation upon interaction with their biological partners. Solution state NMR spectroscopy is perfectly amenable for the structural characterization of systems of this size. It provides a rapid readout about the conformational state of small peptides unambiguously, distinguishing between folded, molten globule and unstructured conformations.
During this doctoral thesis the workflow protocol for fast screening of peptides and small proteins was established and applied to 20 candidates ranging from 14 to 71 amino acids, which were identified and selected by six microbiological groups, all members of the Priority Program on small proteins (SPP2002) funded by the German research foundation (DFG). The screening protocol includes sample preparation and biochemical characterization. Peptides containing less than 30 amino acids were synthesized by solid phase synthesis (SPPS), while small proteins containing more than 30 amino acids were heterologously expressed in E. coli.
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The ribosomal S1 protein (rS1) is indispensable for translation initiation in Gram-negative bacteria. rS1 is a multidomain protein that acts as an RNA chaperone and ensures that mRNAs can bind the ribosome in a single-stranded conformation, which could be related to fast recognition. Although many ribosome structures were solved in recent years, a high-resolution structure of a two-domain mRNA-binding competent rS1 construct is not yet available. Here, we present the NMR solution structure of the minimal mRNA-binding fragment of Vibrio Vulnificus rS1 containing the domains D3 and D4. Both domains are homologues and adapt an oligonucleotide-binding fold (OB fold) motif. NMR titration experiments reveal that recognition of miscellaneous mRNAs occurs via a continuous interaction surface to one side of these structurally linked domains. Using a novel paramagnetic relaxation enhancement (PRE) approach and exploring different spin-labeling positions within RNA, we were able to track the location and determine the orientation of the RNA in the rS1–D34 bound form. Our investigations show that paramagnetically labeled RNAs, spiked into unmodified RNA, can be used as a molecular ruler to provide structural information on protein-RNA complexes. The dynamic interaction occurs on a defined binding groove spanning both domains with identical β2-β3-β5 interfaces. Evidently, the 3′-ends of the cis-acting RNAs are positioned in the direction of the N-terminus of the rS1 protein, thus towards the 30S binding site and adopt a conformation required for translation initiation.
The scope of this thesis is to elaborate on the use cases of the EEG in pain research. It has been submitted as a cumulative dissertation, meaning that the main part of this thesis has been previously published in international peer-reviewed journals. The first part of this thesis begins with an introduction which describes the general methodoligcal considerations and theoretical background information that is needed to perform pain research using the EEG. Then, I will give a summary of the results of all three studies and the subsequently published manuscripts. The discussion will give an outlook on two ongoing projects and elaborate how the methodology that has been compiled throughout my time as a PhD student can be further applied to scientific problems in pain research. I will conclude with the possibilities and the limitations of the EEG in pain research. The second part of this thesis consists of three publications that cover three individual studies, of which I am the lead/first author. These publications describe different use cases for the EEG in pain research. The first publication lays out the methodological backbone of this thesis, analyzing the exact EEG parameters that are needed to achieve the results in the following projects. Then, I present two additional studies. The first study describes the usefulness of pain-related evoked signatures after standardized noxious stimulation in the EEG in patients undergoing general anesthesia. The second study outlines differences in the pain processing of elite endurance athletes versus a normally active control group. Furthermore, it outlines how the function of the endogenous pain modulatory system can be measured in the EEG using CPM. All studys are discussed individually as per the journal guidelines.
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.
Necroptosis is an immunogenic form of programmed cell death characterized by plasma membrane accumulation of activated mixed lineage kinase domain-like (MLKL) that eventually leads to membrane disruption and release of danger-associated molecular patterns (DAMPs). Necroptotic cell death is tightly controlled by checkpoints, including compartmentalization as well as post-translational modifications (PTMs), like phosphorylation and ubiquitination of receptor-interacting protein kinase (RIPK) 1, RIPK3 and MLKL. Removal of plasma membrane-located activated MLKL via endocytosis or exocytosis can counteract necroptosis, but up till now, the exact mechanisms by which necroptosis is regulated downstream of MLKL activation and oligomerization are not fully understood.
Ubiquitination is a key post-translational modification that regulates various cellular processes including cell survival and cell death signaling via ubiquitination of RIPK1, RIPK3 and MLKL. M1-linked (linear) poly-ubiquitination is mediated exclusively by the linear ubiquitin chain assembly complex (LUBAC) which critically regulates cell fate and immune signaling via death receptors such as TNF receptor 1 (TNFR1).
In this study, we demonstrate that M1 poly-Ubiquitin (poly-Ub) increases during necroptosis which can be blocked by inhibition of LUBAC activity with the small-molecule HOIL-1-interacting protein (HOIP) inhibitor HOIPIN-8 or by loss of LUBAC catalytic subunit HOIP. Intriguingly, HOIPIN-8, as well as the HOIP inhibitor gliotoxin, and HOIP knockdown effectively prevent TNFα/smac mimetic/zVAD.fmk-induced necroptotic cell death in cells of human origin, without affecting necroptotic RIPK1 and RIPK3 phosphorylation, necrosome formation and oligomerization of phosphorylated MLKL. We demonstrate that HOIPIN-8 treatment inhibits MLKL translocation to intracellular membranes and accumulation in plasma membrane hotspots as well as MLKL exocytosis. We further confirm that HOIPIN-8 treatment suppresses necroptotic cell death in primary human pancreatic organoids (hPOs). Using time-lapse imaging and live/dead staining, we demonstrate loss of organoid structure and hPO cell death induced by smac mimetics and caspase inhibitors, thus providing a novel platform to investigate necroptosis in near physiological settings. Inhibition of LUBAC activity with HOIPIN-8 prevents hPO collapse and extends cell viability. Of note, loss of the M1 Ub-targeting deubiquitinating enzymes (DUBs) OTU DUB with linear linkage specificity (OTULIN) and cylindromatosis (CYLD) in human cell lines does not affect necroptosis induction and HOIPIN-8-mediated rescue of necroptosis. Intriguingly, inhibition of LUBAC activity with HOIPIN-8 does not block necroptotic cell death in murine cell lines.
Using massive analyses of cDNA ends (MACE)-seq-based global transcriptome analysis we confirm that necroptosis induces a pro-inflammatory cytokine profile which is dependent on LUBAC function and necroptotic signaling. Loss of LUBAC activity prevents the MLKL-dependent production and release of pro-inflammatory cytokines and chemokines.
Finally, we identify Flotillin-1 and -2 (FLOT1/2) as putative targets of necroptosis-induced M1 poly-Ub. Ubiquitin-binding in ABIN and NEMO (UBAN)-based pulldowns of M1 poly-ubiquitinated proteins revealed enrichment of FLOTs after necroptosis induction which is dependent on LUBAC activity and can be blocked with necroptosis inhibitors Nec-1s, GSK’872 and NSA, targeting RIPK1, RIPK3 and MLKL, respectively. Of note, loss of FLOT1/2 potentiates necroptosis suppression induced by LUBAC inhibition with HOIPIN-8.
Together, these findings identify LUBAC-mediated M1 poly-Ub as an important mediator of necroptosis and identify FLOTs as novel putative targets of LUBAC-mediated M1 poly-Ub during necroptosis. In addition, by modeling necroptosis in primary human organoids, we further expand the spectrum of experimental models to study necroptosis in human cellular settings.
Formulation scientists have developed a toolkit of strategies that can improve the solubility and subsequent bioavailability of poorly soluble candidates. Amorphous formulations are especially appealing due to the significant improvement in solubility the amorphous form can provide, but must be stabilized for effective performance (Timpe, 2007).
2. The Importance of Drug Polymer Interactions in Precipitation Inhibition
Polymeric “precipitation inhibitors” have seen widespread usage in the literature (Warren, 2010). The precipitation inhibition effect of polymers on precipitations is related to interference with nucleation and crystal growth (Xu, 2013). Many techniques have been reported in the literature to predict these interactions, however, they are not suitable to screening due to API and time resources required, which are not amenable to early stage pharmaceutical development.
3. Mesoporous Silica: An Emerging Formulation Technology
Mesoporous silicon dioxide has emerged in recent years as a new option for stabilizing the amorphous form. Upon impregnation of the silica with a concentrated drug solution, the drug can be molecularly adsorbed and locally and sterically confined, preventing recrystallization (Ditzinger, 2018). Upon administration of mesoporous silica formulations to the body the amorphous formulation generates supersaturation which must be stabilized using precipitation inhibitors (Guzman, 2007).
4. Co-incorporation: A New Method to Combine Precipitation Inhibitors with Mesoporous Silica
There has been no systematic study of how best to incorporate precipitation inhibitors into mesoporous silica formulations. The current standard practice involves combining inhibitors in a physical mixture with the drug-loaded silica, either by pestle and mortar or overhead stirring. Due to the lack of a defined protocol, there is uncertainty about how reliably the precipitation inhibitor is combined with the drug-loaded silica on a batch to batch basis. In this work, a novel co-incorporated formulation of glibenclamide and the precipitation inhibitor, HPMCAS, onto mesoporous silica was described. By co-incorporating the precipitation inhibitor, the formulation significantly outperformed the commonly applied simple physical blend due to the formation of drug-polymer interactions in the solid state.
5. In Silico Pharmaceutics: A New Method to Select Precipitation Inhibitors for Mesoporous Silica
An approach that can incorporate understanding of the drug-polymer interactions with a quick and efficient screening process would be very useful. The COnductor like Screening MOdel for Real Solvents (COSMO-RS) is a quantum mechanical theory, which can be used to derive thermodynamic properties of interest. (Klamt, 1993, 1995, 2003). We proposed excess mixing enthalpies of drug and polymer could be calculated using the COSMO-RS theory. This new approach was applied to screen precipitation inhibitors for three model compounds, all of which showed a strong positive correlation between the rank assigned based on the calculated free enthalpy of mixing and the overall formulation performance.
6. Conclusion
This body of work aimed to improve the processes underpinning the design and development of mesoporous silica with precipitation inhibitors. Firstly, this involved two extensive literature reviews in the area of solubility enhancement formulation technologies and precipitation inhibition. Secondly, a mechanistic rational and experimental approach was developed to improve the formulation of precipitation inhibitors with mesoporous silica, the “co-incorporation” approach significantly improved process efficiency and formulation performance. Finally, combining insights from the aforementioned review, and learnings from the mechanistic analysis of the “co-incorporation” approach, an in silico screening protocol was developed to calculate the enthalpy of interaction between drug and polymer, to identify the most optimal precipitation inhibitor for a given formulation.
Unc-51-like kinase 4 (ULK4) is a pseudokinase that has been linked to the development of several diseases. Even though sequence motifs required for ATP binding in kinases are lacking, ULK4 still tightly binds ATP and the presence of the cofactor is required for structural stability of ULK4. Here we present a high-resolution structure of a ULK4-ATPγS complex revealing a highly unusual ATP binding mode in which the lack of the canonical VAIK motif lysine is compensated by K39, located N-terminal to αC. Evolutionary analysis suggests that degradation of active site motifs in metazoan ULK4 has co-occurred with an ULK4 specific activation loop, which stabilizes the C-helix. In addition, cellular interaction studies using BioID and biochemical validation data revealed high confidence interactors of the pseudokinase and armadillo repeat domains. Many of the identified ULK4 interaction partners were centrosomal and tubulin associated proteins and several active kinases suggesting new roles for ULK4.
Highlights: Structure of the ULK4 ATP complex reveals a unique ATP binding mode.
Disease associated mutations modulate ATP binding and ULK4 stability
Degradation of active site motifs co-occurred in evolution with an ULK4 specific activation loop
BioID suggests a role of ULK4 regulating centrosomal and cytoskeletal functions,
Unc-51-like kinase 4 (ULK4) is a pseudokinase that has been linked to the development of several diseases. Even though sequence motifs required for ATP binding in kinases are lacking, ULK4 still tightly binds ATP and the presence of the co-factor is required for structural stability of ULK4. Here, we present a high-resolution structure of a ULK4-ATPγS complex revealing a highly unusual ATP binding mode in which the lack of the canonical VAIK motif lysine is compensated by K39, located N-terminal to αC. Evolutionary analysis suggests that degradation of active site motifs in metazoan ULK4 has co-occurred with an ULK4-specific activation loop, which stabilizes the C helix. In addition, cellular interaction studies using BioID and biochemical validation data revealed high confidence interactors of the pseudokinase and armadillo repeat domains. Many of the identified ULK4 interaction partners were centrosomal and tubulin-associated proteins and several active kinases suggesting interesting regulatory roles for ULK4.
The ligand-sensing transcription factor Nurr1 emerges as a promising therapeutic target for neurodegenerative pathologies but Nurr1 ligands for functional studies and therapeutic validation are lacking. Here pronounced Nurr1 modulation by statins for which clinically relevant neuroprotective effects are demonstrated, is reported. Several statins directly affect Nurr1 activity in cellular and cell-free settings with low micromolar to sub-micromolar potencies. Simvastatin as example exhibits anti-inflammatory effects in astrocytes, which are abrogated by Nurr1 knockdown. Differential gene expression analysis in native and Nurr1-silenced cells reveals strong proinflammatory effects of Nurr1 knockdown while simvastatin treatment induces several neuroprotective mechanisms via Nurr1 involving changes in inflammatory, metabolic and cell cycle gene expression. Further in vitro evaluation confirms reduced inflammatory response, improved glucose metabolism, and cell cycle inhibition of simvastatin-treated neuronal cells. These findings suggest Nurr1 involvement in the well-documented but mechanistically elusive neuroprotection by statins.
Photolabile protecting groups are widely used to trigger oligonucleotide activity. The ON/OFF‐amplitude is a critical parameter. An experimental setup has been developed to identify protecting group derivatives with superior caging properties. Bulky rests are attached to the cage moiety via Cu‐catalyzed azide–alkyne cycloaddition post‐synthetically on DNA. Interestingly, the decrease in melting temperature upon introducing o‐nitrobenzyl‐caged (NPBY‐) and diethylaminocoumarin‐cages (DEACM‐) in DNA duplexes reaches a limiting value. NMR spectroscopy was used to characterize individual base‐pair stabilities and determine experimental structures of a selected number of photocaged DNA molecules. The experimental structures agree well with structures predicted by MD simulations. Combined, the structural data indicate that once a sterically demanding group is added to generate a tri‐substituted carbon, the sterically less demanding cage moiety points towards the neighboring nucleoside and the bulkier substituents remain in the major groove.
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.
Biologischen Systemen liegen Mechanismen zugrunde, die bis heute nicht vollständig aufgeklärt sind. Für die Untersuchung eignen sich externe Trigger, die eine Regulation von außen auf das System erlauben und Prozesse gezielt steuerbar machen. Eine Möglichkeit ist das System unter optische Kontrolle zu bringen, d.h. durch Licht eine externe Steuerung zu implementieren, was von einem internen Chromophor aufgenommen wird. In der vorliegenden Dissertation werden drei individuelle Projekte vorgestellt, die alle dieses Prinzip auf unterschiedliche Weise anwenden.
RNAs haben eine Vielzahl an verschiedenen Funktionen in der Zelle, die von der Proteinsynthese bis zur Genregulation variieren. Im ersten Projekt wurde der Photoschalter Spiropyran im Kontext von RNA eingesetzt. Mit dem Ziel das Derivat PyBIPS kovalent an ein Oligonukleotid zu binden und damit die Hybridisierung eines Duplexes zu steuern, wurden Strukturmotive gesucht, an die der Photoschalter postsynthetisch gebunden werden kann. Dabei soll die sterisch anspruchsvolle Spiropyran-Form die Watson-Crick-Basenpaarung stören und die planare, konjugierte Merocyanin-Form in den Duplex, zur zusätzlichen Stabilisierung, interkalieren. In Vorarbeiten von Clara Brieke wurde festgestellt, dass erstens nur PyBIPS, nach kovalenter Verknüpfung, noch vollständig photochemisch aktiv ist und zweitens eine Herstellung über Festphasensynthese nur in schlechter Ausbeute realisierbar ist. Ausgehend davon wurde PyBIPS an die drei nicht-nukleosidischen Linker, Aminoglykol, D-Threoninol und Serinol, postsynthetisch über eine Amidbindung angebracht, die zuvor über Oligonukleotidfestphasensynthese in 2´-OMe-RNA eingebaut wurden.
In der photochemischen Charakterisierung konnte gezeigt werden, dass PyBIPS, gebunden an alle drei Motive, noch photochemisch aktiv ist und im Vergleich zu ungebundenem PyBIPS stabiler ist gegenüber Photolyse. In Untersuchungen im Doppelstrang im Wedge Motiv, d.h. im Gegenstrang befindet sich kein Nukleotid gegenüber dem Photoschalter, wurde ein ähnliches Verhalten festgestellt. Zusätzlich zur charakteristischen Merocyanin-Bande bei 550 nm ist ein zweites, rotverschobenes Absorptionsmaximum entstanden, das die gleichen Eigenschaften besitzt. In Schaltzyklen wurde festgestellt, dass eine Isomerisierung bis 660 nm möglich ist, was eine Anwendung im therapeutischen Fenster zwischen ca. 600 und 1000 nm von Blut ermöglichen würde. Das Auftreten der zweiten Bande hängt stark vom Linker und dem Baustein im gegenüberliegenden Strang ab. Es wird vermutet, dass sich das, sonst nicht-bevorzugte, TTT-Isomer der Merocyanin-Form, durch Stabilisierung durch die Umgebung im Oligonukleotid ausbildet.
Zur Untersuchung, inwiefern die Isomerisierung des Photoschalters die Duplexstruktur beeinflusst, wurden Schmelzpunktstudien und Fluoreszenzmessungen zur KD-Bestimmung durchgeführt, ohne dass eine Veränderung zu erkennen war. In einer größeren NMR-Studie, in Kooperation mit Tom Landgraf (Arbeitsgruppe Prof. Dr. Harald Schwalbe) wurde der Fokus darauf-gelegt mehr Informationen über die strukturelle Integrität zu erhalten. Es findet eine Störung der benachbarten Basenpaarungen durch den Photoschalter statt, jedoch kann die Kraft der Isomerisierung des Photoschalters nicht übertragen warden. Der Einfluss war zunächst geringer als erwartet, was in anderen Anwendungen überprüft warden muss.
Im zweiten Projekt steht das Membranprotein OmpG aus E. Coli K12 im Fokus. Proteine besitzen viele verschiedene funktionelle Gruppen, die für selektive Biokonjugation genutzt werden können in einer Reihe von Anwendungen. OmpG gehört zur Gruppe der Porine, die in der äußeren Membran von Gram-negativen Bakterien sitzen und die seltene ß-Fassstruktur ausbilden. Die Pore besitzt einen großen Innendurchmesser ohne Selektivität. Das Molekül wurde bereits intensiv auf seine Struktur, insbesondere Loop 6, der pH-abhängig die Pore verschließt, untersucht. In Vorarbeiten von Grosse et al. wurde der Loop entfernt, sodass ein ruhiger Kanal entstanden ist, der ein optimales Modellsystem darstellt. Außerdem wurden in der Pore zwei Cysteine, die auf gegenüberliegenden Seiten auf halber Höhe des Kanals sitzen, eingeführt. An die Thiolgruppen wurden photolabile Schutzgruppen angebracht, die erst den Kanal blockieren und nach Abspaltung durch Licht wieder freigeben. Dazu wurde jeweils ein 7-Diethylaminocumarin (DEACM) postsynthetisch angebracht.
Der Linker am Cumarin-Alkohol stellt dabei einen Kompromiss dar, da er zum einen selektiv mit der Thiolgruppe des Cysteins reagieren soll, gleichzeitig aber noch photo-induziert wieder abspalten muss. Durch Belichtung findet eine Hydrolyse des Esters unter Abspaltung des Alkohols statt, der einen Carbonsäurerest am Thiol in der Pore zurück lässt. In spannungsabhängigen Einzelkanal-messungen, durchgeführt von Dr. Philipp Reiß (Universität Marburg), konnte gezeigt werden, dass die zwei DEACM Modifikationen eine Reduktion der Leitfähigkeit bewirkten und durch Licht abgespalten und aus dem Kanal entfernt werden konnten. Dabei war außerdem zu erkennen, dass die Leitfähigkeit aufgrund der Carboxylreste über das Niveau von unmodifiziertem OmpG steigt.
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Background and Purpose: The cyclic nucleotides cAMP and cGMP are ubiquitous second messengers regulating numerous biological processes. Malfunctional cNMP signalling is linked to diseases and thus is an important target in pharmaceutical research. The existing optogenetic toolbox in Caenorhabditis elegans is restricted to soluble adenylyl cyclases, the membrane-bound Blastocladiella emersonii CyclOp and hyperpolarizing rhodopsins; yet missing are membrane-bound photoactivatable adenylyl cyclases and hyperpolarizers based on K+ currents.
Experimental Approach: For the characterization of photoactivatable nucleotidyl cyclases, we expressed the proteins alone or in combination with cyclic nucleotide-gated channels in muscle cells and cholinergic motor neurons. To investigate the extent of optogenetic cNMP production and the ability of the systems to depolarize or hyperpolarize cells, we performed behavioural analyses, measured cNMP content in vitro, and compared in vivo expression levels.
Key Results: We implemented Catenaria CyclOp as a new tool for cGMP production, allowing fine-control of cGMP levels. We established photoactivatable membrane-bound adenylyl cyclases, based on mutated versions (“A-2x”) of Blastocladiella and Catenaria (“Be,” “Ca”) CyclOp, as N-terminal YFP fusions, enabling more efficient and specific cAMP signalling compared to soluble bPAC, despite lower overall cAMP production. For hyperpolarization of excitable cells by two-component optogenetics, we introduced the cAMP-gated K+-channel SthK from Spirochaeta thermophila and combined it with bPAC, BeCyclOp(A-2x), or YFP-BeCyclOp(A-2x). As an alternative, we implemented the B. emersonii cGMP-gated K+-channel BeCNG1 together with BeCyclOp.
Conclusion and Implications: We established a comprehensive suite of optogenetic tools for cNMP manipulation, applicable in many cell types, including sensory neurons, and for potent hyperpolarization.
An essential part of the animal survival strategy comprises the ability to control body movement and coordinate long-term navigational strategies, in order to maintain locomotion towards a nutrition source and stay in its vicinity. In the nematode Caenorhabditis elegans (C. elegans) this function is carried out by neuronal circuits, that vary their activity in response to diverse environmental condition.
This comprises different classes of neurons, acting together in a sensory, signaling and modulatory system to control body posture and induce behavioral responses. For this reason, one particular goal in the field of neuroscience research is to elucidate the mechanisms of how neuronal circuits integrate multiple sensory cues to navigate the environment. Aim of this study was to analyze the function of a neuronal network comprising the interneurons AVK, as well as the identification of signaling molecules, controlling body posture during food related locomotory behavior. This should be achieved by establishing optogenetic approaches, which provide a non inversive and temporally precise control of neuronal activity and drives the activation or silencing of individual neurons, to alter the neuronal basis of behavior. Animals exposed to food perform a dwelling-like behavior, characterized by a slowing of locomotion with a reduced crawling distance and an irregular movement, accompanied by a high frequency of pauses, reversals and directional changes. Upon food-removal, they initiate a local-search behavior with the same behavioral characteristics, but with a more pronounced sinusoidal movement. After a prolonged period of unsuccessful food finding, animals exhibited long runs with reduced pauses, reversals and turnings, increasing their maximal covered distance, indicated as dispersal behavior. Acute photoinhibition of AVK neurons, mediated by cell-specific expression of halorhodopsin (NpHR) caused the animals to perform a dwelling-like locomotory state with increased bending angles, as seen during local-search behavior. Thus, food-induced behavioral effects are mimicked by the optogenetic manipulation of AVK interneurons.
In this study, signaling molecules were ascertained by cell specific mRNA profiling of AVK neurons, mediating these behavioral responses. It was able to demonstrate, that flp-1, coding for a FMRFamidelike neuropeptide, is one of the genes with the highest distribution in AVK. In the absence of food, AVK neurons continuously release the FMRFamide-like neuropeptide FLP-1 to inhibit a subset of target motoneurons, leading the animals to maintain a low body curvature to promote dispersing behavior.
Conversely, if AVK was inhibited by NpHR or the presence of food, less FLP-1 was secreted to the body fluid, indicated by reduced intracellular fluorescence levels of mCherry-tagged FLP-1 proteins in the scavenger cells. The search of a FLP-1 receptor was successful by in vitro investigation on G protein-coupled receptors (GPCRs) and neuropeptide ligands, revealing NPR-6 to be activated by FLP-1 neuropeptides, but with a low potency. Expression pattern of the NPR-6 receptor indicated receptor localization in in the VC ventral cord and SMB head motoneurons, as well as in a subset of other neurons required for chemosensation and feeding. AVK interneurons are highly coupled to SMB head motoneurons, forming electrical synapses composed of the gap junction protein subunits UNC-7 and UNC-9. Elimination of SMB or gap junction genes using cell ablation and RNA interference, respectively, phenocopied effects of AVK inhibition on bending angles. Furthermore, this study was able to demonstrate that these neurons get inhibited during FLP-1 transmission to the NPR-6 receptor, which was required to mediate AVK effects on crawling behavior. Consequently, photoinhibition of AVK caused disinhibition of VC and SMB neurons, in order to enhance sinusoidal movement and to induce a local-search related locomotory behavior.
Thereby, FLP-1 neuropeptide transmission is the preferred used signaling pathway over direct gap junction coupling. Additional neuropeptides and receptors were identified to be essential downstream to AVK neurons to mediate effects on body curvature and locomotory behavior as well. The high-potency FRPR-7 receptor was shown to mediate FLP-1 peptide effects on undulatory motion during swimming in a liquid environment, rather than crawling locomotion on a solid surface. This result suggests that the receptor NPR-6 is required for FLP-1 peptide effects on bending and crawling locomotion, whereas conversely the receptor FRPR-7 is addressed by FLP-1 peptides to exclusively regulate swimming behavior. The FRPR-7 receptor is expressed in the AIM and NSM motoneurons, which are suggested to be the primary neuronal candidates mediating swimming behavior. Furthermore, this study provides evidence, that FRPR-7 acts in the DVC interneuron to control spontaneous reversal behavior, most probably by inhibitory FLP-1 signaling from the AVK neurons. Among other neuropeptides, the FMRFamide-like peptide FLP-26 binds with higher affinity to NPR-6 receptors than FLP-1 peptides. FLP-26 peptides are expressed in the SMB motoneurons, where they are able to further potentiate FLP-1 inhibitory effects by simultaneous binding to NPR-6.
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